中国北方现代成壤碳酸盐耦合同位素温度计研究

Quantitative temperature reconstruction has been a challenging task in the field of palaeoenvironment for decades. The growing concern on global warming highlights the importance of quantitative temperature reconstruction for warm periods in the geological past, which can serve as analogues for future warming. Recent advances in experimental and theoretical isotope geochemistry have led to a new field of isotope studies — clumped isotope geochemistry, from which the “carbonate clumped isotope geothermometer” emerged. This new geothermometer can be used to constrain temperatures without knowing the δ18O of waters from which carbonate minerals grew, thus providing an independent quantitative method to accurately reconstruct temperatures from various carbonate sediments..Northern China is dominated by arid and semi-arid climate, which favors the formation and preservation of soil carbonate. This research program is designed to understand and quantify the relationship of temperature (TºC(47)) estimated from clumped isotope compositions (Delta 47) of modern soil carbonates to actual surface in northern China. For this aim, we will first measure Delta 47 of modern soil carbonates for two north-south transects (Wulatehou Banner-Lantian and Mohe-Zhengzhou) with a steep climatic gradient, and then identify the patterns of TºC(47) variations with soil depth and their controlling factors. Finally, we aim to establish quantitative relationships between TºC(47) and modern mean warm-season temperature and between TºC(47) and modern mean annual temperature, which form a basis for carbonate clumped isotope-based long-term palaeotemperature reconstruction in northern China.

古温度定量重建是古环境研究的热点，目前的全球变暖问题更凸显出地质温暖期研究中古温度精准定量的重要性。近年来，碳酸盐耦合同位素温度计（Delta 47）在理论和实验手段上取得突破性进展，为利用各类碳酸盐沉积重建古温度提供了独立、准确的定量手段。本项目拟选择我国北方温度梯度较大的两个南北向断面（乌拉特后旗-蓝田和漠河-郑州断面），采集现代土壤中的成壤碳酸盐，通过耦合同位素分析，查明不同地域成壤碳酸盐Delta 47温度（TºC(47)）随淀积深度的变化规律及其影响因素。在此基础上，结合现代气象观测数据，建立TºC(47)和夏季平均温度、年均温度的关系式，为利用古土壤中的成壤碳酸盐重建长尺度温度演化历史奠定基础。

古温度定量重建是古环境研究的热点和难点。迄今为止，我国北方沉积物中古温度重建指标主要有物理、化学和生物指标等。然而受限于指标的多解性，古温度重建结果误差大、区域可对比性差。近年来，碳酸盐团簇同位素温度计在理论研究和实践应用上取得突破性进展。自然界中丰度较小的13C和18O结合在一起，形成碳酸根离子，其丰度用∆47表示。该同位素体在碳酸盐中的丰度取决于碳酸盐晶格内部C和O原子的热力学平衡状态，仅受温度控制，与析出碳酸盐的水溶液δ18O和溶解无机碳的δ13C值无关，因此可以独立、精准地重建古温度。.本研究选择黄土高原和北方干旱区20多个全新世土壤及其成壤碳酸盐为研究对象，系统分析了14C年龄、土壤粒度、碳酸盐团簇同位素（∆47）等。结果显示，除了干旱区的乌拉特后旗剖面有两个碳酸盐样品（深度40-60cm处）为末次冰消期形成的，其余碳酸盐样品年龄集中在2800-8800 yr BP之间，确保用于古温度重建的碳酸盐都是全新世形成的。乌拉特后旗、包头、银川的砾石质土壤从顶到底Δ47温度有逐渐升高的趋势，灵宝黄土钙结核Δ47温度也显示出同样的特征。这与Quade等（2013）的成壤碳酸盐研究结果以及夏季地温观测结果刚好相反。由此可见，无论是黄土还是砾石质土壤，都是加积型土壤，即成壤作用发生的同时风尘或河流搬运的碎屑物质还在不断加积。.黄土高原现代年均温从西北向东南逐渐增加，成壤碳酸盐∆47温度也显示出较好的空间变化规律。但是，干旱区成壤碳酸盐∆47温度显示出异常升高的特征。这可能同干旱区植被稀少，夏季地表加热快有关。通过黄土高原全新世成壤碳酸盐∆47温度（TºC(47)）变化规律，我们构建了中国北方成壤碳酸盐温度计：i) 钙结核∆47温度与年均温的关系为：TºC(47)=1.276*MAT+10.937 (R2=0.781)；ii）钙结核∆47温度与夏季平均温度（SAT）的关系为：TºC(47)=1.233*SAT–1.740 (R2=0.737)。这两个关系式为重建长尺度古温度变化历史提供了有力工具。