石笋微层形成的非气候影响因素

Stalagmite micro-layers supply high-resolution time scale for paleoclimate researches, and the changes in the thickness can reflect climate variations. But even if from the same cave, some stalagmites have laminated cycles and others have not. The formation of the stalagmite is affected by the non-climate factors such as soil forcing and hydrodynamic besides the climate factors. The researches of stalagmite laminae and its formation mechanism have been mostly concerned about climate signals, while ignoring the non-climatic factors. In this project, we will intend to choose two kinds samples—laminated stalagmite and non-laminated stalagmite in the same cave. Firstly, composition variations of two kinds stalagmites can be analyzed by the in situ analysis of nanometre second ionization mass spectrometry (NanoSIMS). We try to find whether they may show cycles in their trace element composition or other substance in the non-laminated stalagmites. Secondly, drip waters which deposited two stalagmites can be monitored for their physical and chemical properties to understand mechanism of their deposition. Finally, it can be done on the study of soil processes and tracer experiment to find the non-climate influences which may result in the difference of two types of stalagmites banding. In this comparative study, climatic and non-climatic signals will be expected to identify, which helps to understand the necessary and sufficient conditions of stalagmite laminae formation. This study has great significance for the development of stalagmite layer-climatology.

石笋微层不仅为古气候时间序列提供了标尺，其微层厚度在一定条件下可以成为高分辨率古气候记录的代用指标。但是，同一洞穴沉积的石笋却可能呈现出不同的生长纹理，可见石笋微层的形成除受气候控制外，还深受土壤驱动、水动力等非气候因素的影响。而已有关于石笋微层及其形成机理的研究大多关注于气候信号，而忽略了非气候因子影响。本项目拟在同一洞穴选择有微层发育和没有微层发育两类石笋，运用原位分析技术分析两种石笋生长纹理的物质组成差异，然后通过其上方滴水物理和化学指标的分析证明其存在的合理性，最后结合上覆土壤过程及元素示踪分析法，推测导致两类石笋沉积纹理差异的主要原因。在对比研究中，试图识别石笋微层形成的气候和非气候因素，进而了解石笋微层形成的必要条件和充分条件，这对石笋微层气候学理论的发展具有重要意义。

石笋作为古气候记录的良好载体，不仅能提供准确的绝对年龄控制，而且其微层可作为高分辨率的年代标尺。但即使在同一洞穴沉积的石笋却呈现出不同的生长层理，可见石笋微层的形成除受气候控制外，还受到诸多非气候因素的影响，目前，对于该方面的研究较少，尤其是滴水与石笋的对接研究上，鲜见相关报道。本项目在北京石花洞选取两支正在生长的石笋（XMG和LNC）进行观测研究，结果表明：（1）LNC石笋没有清晰的纹层，定年误差较大，滴水水化学指标存在明显的干湿季变化，但在雨季时，该滴水点被积水淹没，没有沉积甚至会溶蚀，故而没有清晰的沉积纹理；（2）XMG石笋有明显的生长层理且定年准确，以顶部4mm处为界，上下两部分微层结构明显不同，在传统显微镜下只能观测到其上部具有清晰的纹理，而在共聚焦荧光显微镜下整个剖面都有荧光纹理，通过对比纹层计数和定年结果，证实该石笋层理是年层（143±7），微层结构发生变化的时间正值洞穴开放旅游初期，可见洞穴环境的突变可以改变微层结构，同时该结果也表明石笋中沉积的有机酸是透明的，发荧光的阻光界面另有物质沉积；（3）XMG石笋微量元素存在年季旋回，主成分分析法（PCA）的使用，可以提炼出微量元素的年季旋回（150±1），避免单一元素“伪年层”带来的误差，提高了石笋高分辨率年代标尺的准确性，且其连续性好，弥补了石笋微层不清晰的缺陷；（4）XMG滴水沉积速率旱季高而雨季低，水化学性质存在明显的季节性变化，尤其是Sr/Ca的干湿季变化，证实了石笋中Sr/Ca峰值旋回最接近年层；（5）土壤和岩层物质组分的测定表明滴水Sr主要来源于上覆岩层，其变化主要受PCP影响，土壤地球化学元素分布的空间差异性是洞穴不同点滴水水化学及其沉积石笋纹层差异性产生的前提条件，而滴水补给通道引起的时滞性和混合性对纹层之间物质和元素的变化幅度产生较大影响。该项目研究成果在一定程度上推动了石笋微层的形成及古气候记录机理研究。