王 華,覃嘉銘,安德軍,楊 琰,孫海龍,林玉山,楊勛林,應啟和,張清明

1)中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;

2)黃龍國家級風景名勝管理局,四川松潘 623300;

3)西南大學地理科學學院,重慶 400715;

4)中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室,貴州貴陽 550002

黃龍鈣華210Pb計年與現(xiàn)代沉積的環(huán)境變化研究

王 華1),覃嘉銘1),安德軍2),楊 琰3),孫海龍4),林玉山1),楊勛林3),應啟和1),張清明2)

1)中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;

2)黃龍國家級風景名勝管理局,四川松潘 623300;

3)西南大學地理科學學院,重慶 400715;

4)中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室,貴州貴陽 550002

本文以黃龍鈣華巖芯為主要研究對象,利用210Pb定年技術在測定年輕碳酸鹽樣品短時間尺度上的優(yōu)勢建立了研究區(qū)近100年來高精度的年代標尺及環(huán)境記錄;通過碳氧穩(wěn)定同位素的分析,討論了鈣華穩(wěn)定同位素記錄與器測氣候數(shù)據(jù)的相關性特征,并與其他定年技術所獲得的結果進行了相互驗證。研究區(qū)鈣華δ18O在 1908~2004年時段內(nèi)的變化范圍為?12.13‰~?10.42‰,平均值為?11.23‰,變化幅度達到了 1.7‰。同屬西南季風區(qū)、由于海拔效應和距離水汽來源遠近不同等因素的影響,在同時段內(nèi)黃龍鈣華δ18O的變化范圍和變化幅度都比董歌洞和Kahf Defore洞的δ18O記錄要大,說明處于中緯度、高海拔的黃龍鈣華相對于低海拔的董歌洞和Kahf Defore洞石筍對氣候環(huán)境的響應可能更加敏感。

鈣華;210Pb;穩(wěn)定同位素;氣候變化;黃龍

過去幾十年來洞穴碳酸鹽沉積古氣候記錄研究取得了許多令人矚目的學術成果(何堯啟等,2005;Fleitmanna D 等,2004;汪永進等,2001;程海等,2005;覃嘉銘等,2005;汪永進等,2005;袁道先等,2004),但由于年代學及樣品自身的限制,近 100年來的古氣候研究一直是一個難點。而發(fā)育于地表的近代鈣華沉積物由于沉積速度快(劉再華等,2006;孫海龍等,2008),另外采用210Pb定年技術(楊勛林等,2007;王華等2008;王華等2009)有助于對上述問題的解決。四川黃龍地區(qū)分布有較好的鈣華沉積物,在不破壞旅游景觀的前提下,對該地區(qū)鈣華沉積進行年代學和環(huán)境記錄研究,揭示黃龍地區(qū)近代生態(tài)環(huán)境的變化趨勢,無疑可為人們認識和適應當今全球環(huán)境變化等問題提供科學依據(jù)。利用鈣華巖芯進行古氣候環(huán)境重建,首要的問題就是必須建立可靠、精確的時間標尺,本文就是利用210Pb定年技術在測定年輕碳酸鹽樣品短時間尺度上的優(yōu)勢,建立了研究區(qū)近100年來高精度的年代標尺及環(huán)境記錄。

1 黃龍景區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

黃龍風景名勝區(qū)位于四川省阿壩州松潘縣(四川地礦局成都水文隊,1986;四川地礦局成都水文隊,1987),南距成都市約350km,其景區(qū)中心點地理坐標為東經(jīng) 103°50′,北緯 32°45′,處于青海高地和四川盆地交界部位的崛山山脈南坡,海拔3100-3600 m,位于城東北,雪寶頂北側一條南北向溝中,總面積達1340km2。南起海拔3600 m的望鄉(xiāng)臺冰川終債垅,北止于海拔3080 m的涪江河谷,全長3.5km。

黃龍位于岷山山脈北中段,在地質(zhì)構造上處于以雪山斷裂為其北界的雪寶頂褶皺推覆構造帶。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育,主要褶皺、斷裂均呈近東西向展布。望鄉(xiāng)臺以南主要分布泥盆系、石炭系、二疊系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等可溶性巖組;望鄉(xiāng)臺以北主要分布三疊系砂巖、板巖夾灰?guī)r及志留系(雪山斷裂以北)板巖夾砂巖、夾灰?guī)r等非可溶性巖組。因此,南部可溶的碳酸鹽巖發(fā)育的斷裂、節(jié)理裂隙為巖溶水的補給、深部循環(huán)創(chuàng)造了條件;北部隔水的非可溶巖為黃龍溝中淺層地下水構成了良好的隔水底板,為深循環(huán)巖溶水提供了鈣華沉積發(fā)育的良好的場所(四川地礦局成都水文隊,1986,1987;李宏業(yè),2003;王華等,2007)。

2 樣品的采集和分析

黃龍溝鈣華主要是全新世生長的年輕鈣華,一般質(zhì)地致密,無重結晶、溶蝕等現(xiàn)象,無明顯的沉積間斷,非常適合210Pb測年方法。因此,我們利用210Pb測年法(王華等,2008)在短時間尺度上建立了黃龍鈣華的年代標尺,對鈣華氧同位素記錄與器測氣候數(shù)據(jù)進行相關對比分析,同時也可以與其他定年結果相互驗證。

2.1 210Pb樣品的取樣

本次工作原計劃在黃龍溝的上方鈣華源頭石塔鎮(zhèn)海彩池采樣,從沉積厚度較大的彩池邊橫切面打鉆取樣,但由于各種原因,不能按預定計劃執(zhí)行。而只能在黃龍鈣華尾部迎賓池(上方)左 300 m處鈣華取樣,用小型電鉆和加工的特制鉆桿,鉆取 1#鉆孔巖芯樣(2007P015)和2#鉆孔(2007P014)的鈣華巖芯。2個孔巖芯樣水平距離約 3 m,采樣點位置如圖1所示。

圖1 黃龍鈣華剖面圖(引自四川地礦局成都水文隊,1986,1987)Fig.1 Profile of tufa in Huanglong(cited from Hydrological Party of Chengdu,Sichuan Bureau of Geology and Mineral Resources,1986,1987)

1#鉆孔深 86cm,取 27個鈣華樣,2#鉆孔深 74cm,取48個鈣華樣,因為鉆頭只有25cm長,達不到取樣的深度,為了野外便于攜帶,加工了多根φ3cm,長30cm的鉆桿。通過對2個鉆孔210Pb的所有數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)由于鉆頭不夠長,在加鉆桿重新下鉆的過程中,每一次鉆進的上部,其210Pb dpm有超常高值,可能是因沒有套管或鈣華沉積中間有空隙間斷,前一鉆周圍巖石的混雜而造成后一鉆在其上部210Pb都有明顯增加(見表1、2帶*數(shù)據(jù)),同時2個鉆孔第二鉆以后的樣品沉積時代超出本次研究的范圍,為此對 2個鉆孔的210Pb的年代樣品,在作210Pb擬合時僅采用其第一次取心的樣品。以不均勻間隔采樣,1#鉆孔從頂層向下在1.00cm、3.00cm、5.50cm、7.50cm、12.50cm、17.50cm、22.50cm、27.50cm、48.75cm和56.50cm處共采集樣品10個。2#鉆孔在從頂層向下在1.00cm、1.50cm、1.7cm、 5.00cm、8.30cm、11.70cm、15.00cm、18.30cm、21.70cm、25.00cm、28.30cm、51.7cm、55cm、58.3cm處共采集年代樣品14個。

2.2 黃龍鈣華碳氧穩(wěn)定同位素取樣

對黃龍 2號鉆孔鈣華巖芯(2007P014)進行了碳氧穩(wěn)定同位素取樣。鈣華巖芯的碳氧穩(wěn)定同位素分析樣品是從鈣華巖芯頂端沿著鈣華巖芯生長軸向下的方向,以一定的間隔距離,利用刻刀在鈣華巖芯生長紋層面上刮削。其取樣位置與210Pb測年樣品一致。

2.3 樣品的分析

樣品由中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所進行分析,210Pb樣品磨碎后準確稱重,放置于燒杯中;先加 HCl溶解,然后加少許抗壞血酸掩蔽雜質(zhì),再加入209Po示蹤劑;將銀片放入溶液,在＜80℃下自沉積 8小時;取出銀片,用美國 EG&G Ortec 公司生產(chǎn)的920-8 alpha多道能譜儀測量放射性活度。儀器分辨率FW=19 kev,儀器效率η為21%:測量誤差σ為±(5%～8%)。

碳氧同位素樣品分析由河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室使用氣體同位素質(zhì)譜儀(MAT253)及與其相配套的GasBench制樣裝置進行,采用磷酸脫水酸解法,分析精度為:δ13C ≤ 0.1‰、δ18O ≤ 0.2‰。

3 表層鈣華210Pb的分析結果及年代標尺的建立

2個鉆孔鈣華巖芯從頂部至下方顏色比較單一,說明黃龍鈣華巖芯在短時間尺度內(nèi)沉積比較均勻,可以利用210Pb放射性活度隨取樣深度變化的數(shù)據(jù),計算出它們從頂部至58.3cm和56.5cm內(nèi)的年平均沉積速率(王華等,2008),建立起黃龍2個鉆孔鈣華巖芯的近100年來的時間序列。

210Pb的半衰期為22.3a,210Pb隨深度呈指數(shù)衰變,衰變的趨勢逐漸減緩,在55.00cm處放射性活度最為平緩,可以認為在55.00cm以下部分的210Pb放射性活度是由226Ra衰變的210Pb(本底值)所貢獻的。而在這之上樣品的210Pb多數(shù)來自水體和大氣中過剩的210Pb。過剩210Pb的存在表明選取的鈣華巖芯樣品年齡小于100年(a)。我們采用兩個鉆孔50cm以下的巖芯的低210Pb放射性強度值(共8件,平均值為:0.064±0.039(dpm/g))作為本底加以扣除。所得到的210Pb過剩(dpm/g)見(表1-表2),擬合鈣華巖芯生長速率,得出1號鉆孔為0.33cm/a和2號鉆孔為0.29cm/a(見圖2和圖3)。而兩表中的第6及第7列則為根據(jù)沉積速率計算得出的時間標尺系列。

表1 黃龍1號孔鈣華210Pb分析結果表Table 1 210Pb analyses of tufa from No.1 borehole in Huanglong

圖2 黃龍1號孔鈣華210Pb的放射性活度隨深度衰變的關系(紅色曲線為擬合曲線)Fig.2 Plot of210Pb activity versus depth of tufa from No.1 borehole in Huanglong (red curve indicating the fitting curve)

圖3 黃龍2號孔鈣華210Pb的放射性活度隨深度衰變的關系(紅色曲線為擬合曲線)Fig.3 Plot of210Pb activity versus depth of tufa fromNo.2 borehole in Huanglong(red curve indicating the fitting curve)

表2 黃龍2號孔鈣華210Pb分析結果表Table 2 210Pb analyses of tufa from No.2 borehole in Huanglong

4 黃龍近百年來的δ18O和δ13C記錄及其環(huán)境意義

利用已經(jīng)建立的黃龍2號鉆孔巖芯的年代標尺,結合碳氧穩(wěn)定同位素記錄,得到了黃龍近百年來鈣華的δ13C和δ18O記錄,如圖4。

黃龍2號孔鈣華巖芯的δ18O在1908-2004年時段內(nèi)的變化范圍為?12.13‰～ ?10.42‰,其平均值為?11.23‰,變化幅度達到了1.7‰。同屬西南季風區(qū)、海拔較低的荔波董歌洞(何堯啟等,2005)(25°02′N,108°05′E,680m a.s.l.)石筍δ18O 在相同時段內(nèi)變化范圍為?7.53‰ ～ ?7.18‰,平均值為?7.31‰,變化幅度僅為0.35‰;而地處熱帶低海拔的阿曼Kahf Defore(Fleitmanna D 等,2004)(17°07′N,54°05′E,150m a.s.l.)石筍δ18O 變化范圍為0.20‰～ ?1.01‰,平均值為?0.38‰?？梢?由于海拔效應和距離水汽來源遠近不同等因素的影響,在相同時段內(nèi)黃龍鈣華δ18O的變化范圍和變化幅度都比董歌洞和 Kahf Defore 洞的要大,說明處于中緯度、高海拔的黃龍洞石筍相對于低海拔的董歌洞和 Kahf Defore洞石筍對氣候環(huán)境的響應可能更加敏感。

圖4 黃龍2號孔鈣華的δ13C和δ18O記錄Fig.4 δ13C and δ18O versus time from tufa of No.2 borehole in Huanglong

大量研究已表明,亞洲季風區(qū)石筍氧同位素記錄主要反映了在冰期/間冰期或冰段/間冰段等大尺度上的亞洲季風變化(汪永進等,2001;程海等,2005;覃嘉銘等,2005;汪永進等,2005;袁道先等,2004),代表了當時降水氧同位素信息。但是,在短時間尺度、年分辨率上,亞洲季風區(qū)石筍氧同位素變化所代表的氣候意義還存在許多不確定因素。而在短時間尺度內(nèi),亞洲季風區(qū)內(nèi)鈣華氧同位素變化所代表的氣候意義也缺少相關的研究。據(jù)劉再華等(2006)；孫海龍等(2008)，對白水臺現(xiàn)代沉積的熱水成因類鈣華進行的研究,熱水成因鈣華的低18O值主要與亞熱帶季風地區(qū)的雨量效應有關。據(jù)此,從整體來看黃龍鈣華黃龍2號孔鈣華巖芯(2007P014)的δ18O記錄,近 100年間黃龍地區(qū)的降雨量呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。由于黃龍洞所在的黃龍溝夏季主要受西南季風的影響,降水主要集中在西南季風比較盛行的夏季,因此,黃龍鈣華δ18O的輕重變化主要反映了西南季風的變化以及季風帶來的降水量信息。所以黃龍鈣華近百年來的δ18O記錄反映了西南季風在近百年來逐漸減弱的趨勢。據(jù)楊勛林等(2007)研究,近50年來黃龍地區(qū)黃龍洞內(nèi)的石筍δ18O記錄反映了近50年來西南季風逐步減弱的趨勢,從而更進一步證明了黃龍鈣華δ18O主要指示了西南季風強度的變化,反映出近百年來,西南季風逐步減弱這一事實。

對于鈣華的碳同位素,由于黃龍鈣華屬于熱水成因類鈣華,表生鈣華或是石筍的碳同位素環(huán)境釋義并不能適用于熱成因類鈣華的環(huán)境釋義。據(jù)劉再華等2006、孫海龍等2008研究,白水臺熱水成因類鈣華的δ13C變化反映了降雨量的變化,雨季鈣華δ13C值偏負是因雨后形成的低δ13C值的坡面流對高δ13C值的渠道水的稀釋效應,降低了渠道水的δ13C值,故雨季的鈣華δ13C的值偏負。黃龍鈣華也屬于熱成因鈣華,因此白水臺現(xiàn)代熱成因類鈣華δ13C的環(huán)境釋義也應該能夠用于黃龍的熱水成因類鈣華。從圖4中可以看出,從 1908-1975年間鈣華的δ13C值呈升高趨勢,表明 1908-1975年之間降雨量呈逐步降低的趨勢,與氧同位素的指示是一致的。而1975-2004年之間δ13C值則呈現(xiàn)降低的趨勢,與δ18O的記錄不一致,造成這種指示相反的原因尚待進一步研究,可能要考慮溫度影響的因素。鈣華的碳氧同位素不僅受水體碳氧同位素影響,也受沉淀條件的影響,如溫度:地下溶洞中溫度可能變化不大,但黃龍是露天的水體,溫度受外界干擾較大,不會像洞穴那么恒定。

5 討論

對于巖溶沉積物210Pb計年的樣品的要求主要是:①樣品必須含可檢測的210Pb的量;②樣品的沉積環(huán)境穩(wěn)定、沉積連續(xù)性好;③樣品結構致密,一經(jīng)沉積以后,不再受新的巖溶水的沖蝕和物質(zhì)的交換。④測年樣品的采選、取樣方法、分層的方法,對檢測數(shù)據(jù)是否正確起著致關重要的作用。

地表沉積的呈松散的鈣華樣品,沉積以后仍然受新的巖溶水浸漫,原先沉積的210Pb有可能不是處于封閉系統(tǒng),即可能發(fā)生后期210Pb的加入和遷出,此類樣品不適合210Pb測年。

在野外選取巖溶沉積物時,要特別注意某些環(huán)境可以使得210Pb的結果是無效的。對于比較松散的碳酸鹽沉積物比如有水生植物 、苔蘚、藻類、藻青菌 、生物和物理的擾動,對于沉積物中的孔隙、粒度、透水、溶濾、滲流、淋濾 、滑坡、泥石流等化學和物理的擾動產(chǎn)生不同時間沉積的周期混合也能導致錯誤的結果。

6 結論

(1)利用210Pb測年方法對于黃龍鈣華進行了定年并建立了時間標尺;

(2)處于中緯度、高海拔的黃龍鈣華相對于低海拔的董歌洞和 Kahf Defore洞石筍對氣候環(huán)境的響應可能更加敏感;

(3)黃龍鈣華δ18O的輕重變化主要反映了西南季風的變化以及季風帶來的降水量信息。黃龍鈣華近百年來的δ18O記錄反映了西南季風在近百年來逐漸減弱的趨勢;

(4)從 1908-1975年間黃龍鈣華的δ13C值呈升高趨勢,表明1908-1975年為相對較弱季風期,其間降雨量呈逐步降低的趨勢。

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YANG Xun-lin,ZHANG Ping-zhong,CHEN Fa-hu,HU zhi-an,LI Hong-chun,CHEN Hai,KATHLEEN R.JOHNSON,LIU Jing-hua,AN Chun-lei.2007.Modern stalagmite oxygen isotopic composition and its implication from a high-elevation cave in the eastern Qinghai-Tibetan plateau over the past 50 years[J].Chinese Science Bulletin,52(6):698-706(in Chinese with English abstract).

YUAN Dao-xian,CHENG Hai,EDWARDS R Lawrence,DYKOSKI A Carolyn,KELLY J Megan,ZANG Mei-liang,QING Jia-ming,LIN Yu-shi,WANG Yong-jin,WU Jiang-yin.DORALE A.Jeffery,AN Zhi-sheng,CAI Yan-jun.2004.Timing,Duration and Transitions of the Last Interglacial Asian Monsoon[J].Science,304:575-578.

A Study of210Pb Dating and Climatic Changes of Modern Sediments from Tufa in Huanglong,Sichuan Province

WANG Hua1),QIN Jia-ming1),AN De-jun2),YANG Yan3),SUN Hai-long4),LIN Yu-shan1),YANG Xun-lin3),YING Qi-he1),ZHANG Qing-ming2)
1)Institute of Karst Geology,CAGS,Guilin,Guangxi54100;
2)Huanglong National Scenic Spot Administration,Songpan,Sichuan623300;
3)School of Geographical Sciences,Southwest University,Chongqing400715;
4)State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochemistry,CAS,Guiyang,Guizhou550002

With the tufa core as the study object,the authors have reconstructed the high precision chronology and environmental records for the past one hundred years in Huanglong area using the210Pb dating technique,which is effective for young carbonate samples and short time scale records.Based on an analysis of carbon and oxygen isotope data from the tufa core,this paper discusses the relationship between stable environmental isotopes and climatic data obtained by instruments with a comparison with other paleo-climatic records obtained by different dating techniques.Theδ18O values changed from ?12.13‰ to ?10.42‰ during 1908-2004,with the average being?11.23‰ and the variation range being 1.7‰.A comparison ofδ18O values with Dongge Cave and Kahf Defore Cave in the same southwest monsoonal climate area and in the same study period shows that theδ18O values of the tufa core in Huanglong is higher than those of Cave records,probably attributed to the altitude effects and different distances from moisture source areas.It can be concluded that the tufa core records of Huanglong in the high altitude and middle latitude areas are more sensitive to climatic environmental changes than records of stalagmites in Dongge Cave and Kahf Defore Cave from low altitude areas.

tufa;210Pb;stable isotopes;climatic change;Huanglong

P597.1;P596;P532

A

1006-3021(2010)02-216-07

本文由科技部基本科研業(yè)務費所控項目(編號:200718)資助。

2009-06-10;改回日期:2010-04-11。

王華,女,1957年生。高級工程師。長期從事同位素分析測試和同位素地球化學研究。通訊地址:541004,廣西桂林七星路50號。E-mail:wanghua1@163.com。

致謝:黃龍國家級風景名勝管理局協(xié)助野外取樣,國土資源部巖溶動力學重點實驗室張美良研究員、青島海洋所刁少波研究員、河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室蘇治國對實驗工作進行指導,在此一并致謝。