亚洲季风研究中的石笋应用-桂林山水

石笋，顾名思义就是长得像笋一样的石头。一般生长于洞穴底板，底部直径较顶部直径大，形状就像地上长出来的竹笋一样。其形成原理是：含过饱和的碳酸氢根的滴水在下落的过程中，由于洞穴CO2浓度小于滴水CO2分压，CO2从滴水中逸出，滴水达到饱和，在滴落到地面之后CaCO3结晶析出，形成一层一层的从地面向上生长的CaCO3柱体或椎体。石笋的直径从几厘米到十米以上（茅茅头大岩巨型石笋）（图5-14）。石笋的形态各异，有的从下到上直径几乎不变，有的呈棕榈状，有的底部小顶部大等，其形态特征反映了洞穴滴水的动态变化。如直径变化不大的石笋，一般上覆含水层调蓄能力较强，滴水均匀稳定；棕榈状的石笋由滴水和溅水共同作用形成（朱学稳等，1988）；有些石笋长得歪七扭八，主要是与滴水点位置移动有关，大型石笋往往是大量滴水点共同沉积形成的。

（1）石笋应用于亚洲季风演变研究

图5-14　桂林茅茅头大岩巨型石笋

洞穴石笋除了作为一种岩溶景观，还是记录气候变化的良好载体。由于石笋有着分布广泛、对气候环境变化敏感、沉积连续、测年精度高、时间分辨率高、多指标等特点，成为研究第四纪气候环境变化的重要地质载体。特别是凭借其适用于高精度的U-230Th定年法，基于石笋记录建立的年代框架已经成为其他地质载体的年代基准（Barker et al，2011）。随着全球范围内石笋记录研究的开展，特别是石笋记录在气候突变事件、长期气候变化机制上的重要意义，石笋已经成为继冰芯、黄土和深海沉积三大古气候支柱的另一重要支柱（汪永进和刘殿兵，2016）。近年来亚洲季风区的石笋记录研究蓬勃发展，取得了一系列科研成果，提高了中国石笋研究的影响力，为亚洲夏季风研究做出了较大的贡献。

第一，重建了过去64万年来的亚洲夏季风演变过程，提出亚洲夏季风受太阳辐射岁差周期控制（图5-15）（Cheng et al，2016）；西安交通大学程海教授利用采集自湖北神农架，以及拼接贵州董哥洞、江苏葫芦洞的石笋δ18O记录，重建了64万年以来亚洲季风的演变历史。通过与北半球夏季太阳辐射进行比较，确认了在轨道尺度上，亚洲夏季风主要受太阳辐射岁差周期控制。所谓岁差，是指地球在绕太阳做公转运动时，由于引力作用，导致地球自转轴在公转黄道面上发生的缓慢且连续的变化。其变化周期约为23000年。根据图5-16所示，例如b图中目前冬至日位于近日点附近，夏至日位于远日点附近，再过半个岁差周期之后，冬至日将位于远日点附近，而夏至日将位于近日点附近，到时冬季将更冷，夏季将更热。那么随着岁差周期的变化，地球系统就会随着太阳辐射的变化而发生改变，尤其是中低纬度地区。其中影响最显著的是季风系统，随着太阳辐射的增强与减弱，夏季风系统也随之增强与减弱，水热也随之增加与减少。

第二，建立了气候变化与中国朝代更迭的相互联系（图5-17）（Zhang et al，2018）。兰州大学张平中教授及合作团队通过对采集自甘肃万象洞的石笋记录进行精确的年代学和δ18O研究，发现夏季风及其带来的降水变化与中国朝代的更迭存在一定的相互联系。在朝代更迭期，夏季风相对都偏弱以及东亚季风区降水整体减少，但气候变化是否在朝代更迭中起到关键作用目前仍存在一定争议。

（2）石笋年代学

图5-15　利用石笋记录重建的过去64万年来亚洲夏季风变化

图5-16　岁差周期示意图

利用石笋重建气候变化首要解决的问题是：建立准确的年代序列。目前精确定年的方法主要有纹层定年法和U-230Th定年法。纹层定年，由于季节的变化，石笋沉积的物质来源会发生差异，如雨季由于降水量相对较大，下渗的水携带能力较强，所携带的物质，如有机质、一些细颗粒物质等都被携带进入洞穴，沉积于石笋表面；到了旱季，由于降水减少，下渗的水携带能力减弱，携带的有机质等就相应减少。雨季纹层偏暗，旱季偏亮，暗色层与亮色层组合成一个纹层（图5-18）（周厚云等，2010）。因此，通过数纹层就可以确定石笋生长的年龄。当然，由于气候环境的变化，石笋纹层可能出现“缺层”“伪年层”等问题，需要加以甄别。铀系测年是根据元素铀的放射性同位素的衰变特性而建立的一种测年方法。主要是基于238U-234U-230Th这一衰变序列，分别测定母体与子体个数来计算年龄（图5-19）（Yin et al，2014）。要应用到测试分析，有两个前提，一是母体半衰期较子体长，二是母体与子体容易化学分离。而238U-234U-230Th序列很好地满足了条件，其中238U、234U、230Th的半衰期分别为（4.4683±0.0048）×109年、245 620±260年、75 584±110年（Cheng et al，2013）。在氧化环境下，+6价U和+4价Th表现出很大的差异性，U趋向于溶液状态，为可溶的，而Th在自然水体中是不溶的，更倾向于附着在颗粒沉积物上。因此，可以通过U与Th的化学性质差异，进行分离提取。同时在石笋测年前，石笋样品必须满足两个条件，一是样品在沉积时没有Th元素的汇入，即样品要干净；二是样品沉积必须在封闭体系内进行，即样品没有发生后期的重结晶作用。随着多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）的应用，石笋测年样品需求量少（一般几十毫克），精度高（误差控制可以在1‰以内），测年时限长（从几年到80万年）（Cheng et al，2013），成为目前最精确的定年方法之一。

图5-17　利用石笋重建的夏季风降水变化与中国朝代更迭的相互联系

图5-18　石笋剖面及显微镜下的石笋纹层照片

图5-19　湖南湘西莲花洞石笋剖面及深度-年代模式图

（左图黑色点为年龄采样位置，右图为深度-年龄模式图）

（3）石笋地质/极端气候事件研究

石笋除了在过去气候变化研究中有着重要作用外，还可以用来研究过去的地震（图5-20）（Kagan et al，2005；Panno et al，2016；张美良等，2009）、极端事件如干旱事件（图5-21）（Yin et al，2014）、洪水事件（图5-22）（Dasgupta et al，2010；Denniston et al，2015）、台风登陆事件（图5-23）（Frappier et al，2007；Nott et al，2007）等。

（4）桂林的石笋古气候研究

中国地质科学院岩溶地质研究所在袁道先院士的领导下，在桂林市开展了卓有成效的古气候研究。从20世纪80年代开始，岩溶所古气候研究团队开展了桂林20万年以来古气候重建工作，先后采集阳朔葡萄盘龙洞、桂林秀峰区水南洞、灌阳观音阁响水岩、荔浦丰鱼岩等洞穴的石笋，通过高精度的U-230Th定年、AMS14C定年和210Pb定年等测年技术，采用δ18O、δ13C、元素含量和发光性等指标，重建了桂林20万年来高分辨率的环境演变过程（袁道先等，1999）。其中很多工作在国内是开创性的，一是首次利用洞穴石笋记录重建桂林20万年以来的气候变化（袁道先等，1999）；二是首次在中国南方地质记录中发现新仙女木事件（Li et al，1998）；三是首次通过系统监测得出，桂林洞穴石笋δ18O受夏季风降水量的控制（Li et al，2000；覃嘉铭等，2000）；四是首次用石笋δ13C在桂林地区识别人类砍伐导致的植被破坏（覃嘉铭等，2000）。

①桂林20万年来石笋高分辨率古环境重建

(www.xing528.com)

图5-20　利用石笋记录来反演过去地震

地震的洞穴石笋剖面证据类型，A为石笋顶部断裂倒塌后，在其上长出新的石笋；B为洞穴顶板坍塌之后，在其顶部生长的石笋；C为流石断面中掉落的顶板及沉积物残块，1为小的石钟乳，2为碎屑层，3为地震造成的石笋断面；D和E为古地震断面。

图5-21　利用石笋记录来反演干旱事件的发生

（利用湖南湘西莲花洞石笋δ18O记录反演过去发生的干旱事件，通过对比当地的旱涝指数，发现干旱事件的发生对比石笋δ18O相对偏重，因此可以根据石笋δ18O值的变化来重建过去发生干旱的时间）

图5-22　利用石笋反映洪水事件

（澳大利亚洞穴石笋中黏土层，由于洞穴在洪水期间涨水，洪水携带黏土物质覆盖于石笋表面，因为每次洪水过后，石笋表面就会附着一层黏土物质，因此黏土层的分布成为洪水事件的标志）

图5-23　利用洞穴石笋纪录反演台风登陆事件

（利用采集自中美洲伯利兹的石笋稳定碳氧同位素，重建了当地的台风登陆事件。台风登陆期间，强降水将导致洞穴石笋δ18O和δ13C同时偏负，因此，可以根据石笋δ18O和δ13C来反演过去的台风登陆事件）

在国际地球科学计划IGCP299“地质、气候、水文与岩溶形成”、IGCP379“岩溶过程与碳循环”、国家自然科学基金项目“中国岩溶形成及环境变化预测研究”“中国典型地区岩溶形成及与环境的相互影响”“桂林20万年石笋高分辨率古环境重建”“我国典型岩溶动力系统与环境的相互作用与演变”等项目的资助下，在袁道先院士的领导下，古环境研究团队成员李彬、覃嘉铭、林玉石和张美良等对桂林20万年来的气候环境进行了重建工作。以桂林市西北水南洞1号石笋和灌阳响水岩1号石笋两个剖面为基础，结合桂林葡萄报安盘龙洞1号石笋、荔浦丰鱼岩4号石笋的高分辨率资料，确定了桂林地区20万年以来的气候变化模式为：存在3个气候旋回，分别为距今126.3千年、10.7千～126.3千年和10.7千年，每个阶段形成一个夏季风由强到弱的气候旋回，旋回周期距今120千年左右。利用石笋δ18O重建的夏季风变化可以与深海氧同位素进行对比，说明桂林气候变化响应全球气候变化。发现9次千年级、百年级弱夏季风事件，分别发生在距今11.0千～10.7千年、12.6千～13.0千年、15.8千～16.7千年、17.5千～20.2千年、22.5千～25.6千年、43.0千～43.8千年、103.5千～114.0千年、126.3千～136.3千年和139.0千～142.7千年，这9次弱夏季风事件均能与深海氧同位素进行对比，说明这9次弱夏季风事件是全球海气系统发生改变引起的。

由于桂林地区石笋的低U含量，给进一步的研究带来了很大的困难。但这项开拓性的工作搭建了桂林地区过去20万年的气候框架，一定程度上指导了中国南方的古气候研究，同时为古人类迁徙和演化研究提供了气候背景，为桂林地质地貌、水资源和生态环境的研究提供了数据支持。

②桂林地区洞穴石笋δ18O的气候指示意义研究

在应用洞穴石笋重建古气候之前，准确解释石笋中代用指标的气候环境指示意义是首要工作。石笋δ18O是目前石笋古气候重建应用最多也是研究最多的代用指标，但是准确解译却花费了很长的时间。基于O’Neil（1969）实验得出的水与碳酸钙的平衡分馏公式：1000 lnα=2.78（106 T-2）-3.39，中国早期（20世纪80年代）石笋δ18O的研究主要集中在温度变化的研究。随着研究的深入，特别是大气降水δ18O同位素的研究，发现东亚季风区大气降水存在明显的“量效应”（郑淑惠等，1983），而且部分地区大气降水δ18O与气温存在负相关关系，因此，中国季风区大气降水δ18O并不能用来重建过去的温度变化。而桂林地区通过长时间对大气降水及同位素、洞穴滴水、洞穴现代沉积物的系统监测发现，桂林地区年均大气降水δ18O与夏季风降水量存在显著负相关（n=16，r=-0.8099），跟夏季风降雨与年总降水量比值呈显著负相关（n=16，r=-0.8830）（图5-24）。同时，盘龙洞（图5-25）洞穴滴水和沉积物监测数据显示，洞穴滴水和洞穴沉积物δ18O与大气降水δ18O同步变化，但洞穴滴水和沉积物δ18O变幅相对较小，且相对大气降水δ18O滞后3～4个月（覃嘉铭等，2000）。这些证明了桂林地区洞穴石笋δ18O能够反映夏季风降水量的变化。

图5-24　桂林夏季风降水量与同时期降水δ18O对比

图5-25　桂林阳朔葡萄报安盘龙洞地貌图

③石笋δ13C指示石漠化过程

石笋δ13C能够用来指示洞穴上覆植被和土壤状况，反映局地的生态环境变化。采集桂林荔浦丰鱼岩F4石笋，通过TIMS-U系定年和210Pb定年，确定14.4厘米的F4石笋生长年代为1475～1995年，生长时限为520年。通过高分辨率的碳氧同位素分析，发现F4石笋碳同位素在1479～1790年δ13C值为-13‰～-11‰，从1790年开始，δ13C快速变重，在1890年达到-5.6‰的最重值（图5-26）（覃嘉铭等，2000；Ge et al，2013），在约100年的时间内，δ13C出现超过6‰的变化。同时对比代表夏季风降水量的δ18O，发现当时的夏季风降水量相对较丰沛（图5-26），因此排除因为气候因素导致的δ13C的变化。为探寻丰鱼岩洞顶植被和土壤改变的原因，查阅了历史文献和地方志，发现1790年恰是清乾隆后期，康乾盛世及稳定的社会环境带来了人口的快速增长，而此时正是过去2000年来典型的寒冷期——小冰期，气温相对偏低（图5-26）。因此，在低温和人口快速增长的压力下，处于峰丛洼地和岩溶槽谷的丰鱼岩，不可避免地受到人类活动的影响，洞穴上覆植被受到较大的破坏，甚至出现了石漠化。虽然1900年之后，植被出现了一定程度的恢复，但是已经无法恢复到之前的程度（图5-27）。历史文献亦有相关记载，丰鱼岩所处的三保坪峰丛洼地，历史记载当地山清水秀，三河街—青山岩溶槽谷两侧多岩溶泉，丰鱼泉生产丰鱼，但目前槽谷两侧泉群基本消失。

图5-26　桂林丰鱼岩石笋δ13C记录揭示的人类活动导致的植被破坏

图5-27　桂林荔浦丰鱼岩地形地貌图