洞穴石笋ICP-MS微量元素分析技术与豫西MIS8/9时段古气候变化研究

【摘要】：过去气候变化是全球变化研究的重要组成部分。探讨地球环境在地质时期的变化规律是预测未来气候变化、应对当今和将来日益严竣的环境问题的迫切需求。由于我国的气候环境变化既受全球大气系统的影响,具有全球性的一般特点,又由于我国特殊地理位置使其气候变化具有自身的一些特点。因此,我国在过去全球变化的研究中处于较为重要的地位,通过对我国古气候变化的研究将对全球变化模型的建立以及对我国区域气候变化的预测都具有重要意义。随着对洞穴次生沉积物现代过程的研究,人们逐渐认识到洞穴沉积物同海洋、黄土、冰芯、湖泊、树轮、珊瑚等地质记录一样也是重要的自然环境历史档案。由于高精度年代学及高分辨率的特征,洞穴沉积物在重建年际及季节时间尺度的气候和环境变化上,具有其它地质记录无法替代的优势,从而成为目前研究几十万年来长尺度及近两千年来短尺度季风气候与生态环境变化的理想载体。 本文以洞穴沉积物记录研究较少的黄土高原东南缘河南省西部栾川县老母洞石笋为主要研究对象,对邻近老母洞的栾川鸡冠洞现代监测数据进行了分析讨论,探讨了大气降水与洞穴滴水氧同位素的关系及洞穴滴水微量元素对现代环境的响应机制,为利用石笋进行古气候重建提供理论基础；同时探讨了电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)微量元素检测技术,对石笋记录进行多指标对比提供了有利的技术支持。在以上内容分析讨论的基础上,利用豫西地区栾川老母洞石笋氧、碳同位素及微量元素恢复了过去315-257ka BP的古气候变化历史,对其可能的驱动机制进行了简单的探讨,并对老母洞微量元素的控制因素及气候指代意义进行了初步探讨,得出如下结论： (1)石笋微量元素检测技术对石笋进行多指标对比重建古气候具有重要的实际意义,ICP-MS技术在石笋微量元素检测方面具有其独特的优势,本文在了解并掌握ICP-MS检测技术基本原理和分析性能的基础上,对石笋微量元素Sr、Ba、U、Mn、Al、V、Li的分析方法进行了讨论。 (2)研究区栾川县降雨主要集中在6月-10月,而11月至次年5月中旬降雨量较少,只占全年降水量的20%。栾川地区降水氧同位素变化特征：夏季降水氧同位素值普遍偏轻,而冬季降水氧同位素值普遍偏重。从全年尺度上看,具有明显的降水量效应,但大气降水δ18O基本没有温度效应。鸡冠洞滴水滴率可以较快的响应降水变化,但也不能排除滞留水的混入,在恢复古气候信息时要考虑到混合水的影响。鸡冠洞洞穴滴水微量元素含量和比值在观测时段内基本受大气降水控制,可以较好的反映季节降水的变化,对特殊的气候现象也有一定的指示意义。但仍存在很多目前难以解释的现象,还需进一步深入研究。另外,对两个洞穴滴水点的监测发现,由于洞穴上覆环境条件的差异以及各个滴水点的补给路径并不相同,即便是同一洞穴,不同滴水点的滴率也存在很大差异。石笋微量元素的影响因素较为复杂,每个滴水点之间微量元素在含量和元素比值上都存在一些差异,因此在利用石笋微量元素进行古气候重建时,对样品的选择要慎重。但是,长期滴率观测表明滴水对地表气候变化有明显响应,为我们进一步利用石笋重建古气候提供了可行性基础。 (3)利用豫西地区栾川老母洞LM-1石笋205个氧、碳同位素数据重建了MIS8/9时段中国北方地区亚洲季风变化的内部结构及其变化特征。LM-1石笋δ18O值曲线与湖北神农架LZ-15石笋δ18O记录十分相似,同时两者记录都与同时期65°N夏季太阳辐射变化曲线呈现很好的一致性,表明MIS8/9时段内黄土高原东南缘与长江中游地区受到相同的气候系统控制；太阳辐射仍然是轨道尺度上亚洲季风变化的直接驱动力。LM-1石笋δ13C记录与δ18O记录变化趋势相似,都具有典型的岁差周期,表明轨道因素驱动的温度和降水量变化是LM-1石笋碳氧同位素变化的主要原因。老母洞δ18O和δ13C、林竹洞石笋及冰芯记录中在280 ka BP左右都出现了的大幅度波动,由此推断这一时期MIS8/9的转换时期。在前人对终止点出现的驱动机制研究的基础上,通过老母洞石笋在MIS8/9转换阶段δ180、δ13C变化与南极Vostok冰芯CO2对比研究,推断CO2、CH4及N20等大气气体浓度的变化可能放大了轨道驱动的亚洲季风的气候波动。 (4)栾川老母洞石笋微量元素较好的响应外界气候条件的变化,具有较好的古气候指代意义,通过石笋稳定同位素与微量元素结合,可以较好的重建古气候变化,恢复古气候信息。老母洞LM-1石笋在MIS8/9时段,Mg/Ca与δ13C呈正相关关系,温度导致的LM-1碳同位素的变化和Mg分配系数的变化,并不是Mg/Ca值变化的主要控制因素,CO2脱气作用和碳酸盐先期沉积作用(PCP)可能是导致LM-1石笋δ13C值和Mg/Ca呈正相关的主要因素。因此,Mg/Ca比值的变化主要受控于降水变化导致的碳酸盐先期沉积作用。Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca变化趋势显示出高度的一致性,同时有较好的相关系数,暗示三者之间可能受共同的控制因素,同时它们与δ18O变化趋势也非常一致,因此推断Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca的变化主要受控于降水和碳酸盐先期沉积作用,同时也受地表植被、上覆土壤和大气粉尘的影响。Mn/Ca、Al/Ca、V/Ca和Li/Ca的变化趋势高度一致,且具有脉冲式变化特征,并且与生长速率有一定的联系,因此推断其与外界气候变化有一定的响应关系,主要受大气降水、元素赋存状态及水动力条件的影响。但鉴于微量元素在岩溶系统中变化的复杂性,还需在今后工作中加强机理研究。