洞穴石筍指標量化研究進展

劉殿兵

南京師范大學地理科學學院，南京，210023

內(nèi)容提要：洞穴石筍因分布廣、可精確測年、δ18O信號可進行區(qū)域?qū)Ρ鹊葍?yōu)勢逐漸成為重要的陸相地質(zhì)載體。然而，由于量化研究不足，δ18O氣候環(huán)境意義解譯尚處于經(jīng)驗化階段，特別是亞洲季風區(qū)石筍δ18O指標解釋存在諸多爭議。本文試通過總結(jié)已有石筍δ18O、δ13C、微量元素、年層厚度等指標量化研究成果，石筍生長機理模擬實驗及相關(guān)技術(shù)方法，分析其存在問題。結(jié)合其它地質(zhì)材料量化方法，從現(xiàn)代器測資料校準、多指標開發(fā)、集成樹輪材料等方面提出加強現(xiàn)代監(jiān)測，促進機理研究，定量認識現(xiàn)代洞穴石筍年～季節(jié)尺度沉積旋回與洞穴環(huán)境關(guān)系，建立量化經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，以發(fā)揮石筍年代學優(yōu)勢，推動區(qū)域或全球?qū)Ρ取?/p>

近年來，隨著眾多高分辨率石筍氧同位素(δ18O)序列在古環(huán)境研究中應(yīng)用，洞穴石筍材料逐漸成為國內(nèi)、外古氣候?qū)W界關(guān)注熱點。然而，由于其氣候意義存在不同解釋(Maher, 2008; Clemens et al., 2010; Dayem et al., 2010)，制約了石筍氧同位素記錄區(qū)域?qū)Ρ燃皻夂蜃兓瘷C制診斷。目前，無論將石筍δ18O 解釋為“溫度”(Boch et al., 2009)、“降雨同位素組成”(Wang Yongjin et al., 2001; Yuan Daoxian et al., 2004; Cheng Hai et al., 2006, 2009)、“降雨量”(Fleitmann et al., 2003a; Zhang Pingzhong et al., 2008)或“季風強度”(Wang Yongjin et al., 2008)，其大范圍空間重現(xiàn)性很難得到現(xiàn)代氣象觀測、數(shù)理模型研究等支持，反映石筍δ18O量化研究的薄弱。一般來說，石筍δ18O對大氣降水同位素組成具有繼承性，而現(xiàn)代氣象資料分析發(fā)現(xiàn)(Dayem et al., 2010)，亞洲季風的年際和雨季降雨總量僅在約500 km范圍內(nèi)呈現(xiàn)較高相關(guān)性，遠遠小于不同洞穴之間的空間距離。但是，這些洞穴石筍δ18O序列卻吻合很好，從而質(zhì)疑了石筍δ18O作為“雨量變化指標”。Maher(2008) 認為中國南方與印度季風區(qū)石筍記錄變化一致，與中國其他區(qū)域降水記錄存在顯著差異，由此推斷中國南方石筍記錄并不反映季風降水量變化，可能反映水汽來源，因為水汽同位素組成比絕對降水量更具有區(qū)域一致性(Vuille et al., 2005)。模擬和觀測研究也顯示，大氣降水同位素組成并不受降雨量控制(Aggarwal et al., 2004; Schmidt et al., 2007)，往往受控于區(qū)域大氣環(huán)流形勢(Sturm et al., 2007; 譚明, 2009, 2011)。早期研究認為，高緯地區(qū)降水同位素組成受控于溫度變化(Dansgaard, 1964)，而在低緯地區(qū)，水汽傳輸掩蓋了溫度效應(yīng)(Rozanski et al., 1993)。特別是受強夏季風控制區(qū)域，降水同位素主要依賴雨量(Johnson and Ingram, 2004)，這或許是亞洲季風區(qū)石筍δ18O作為“雨量或季風強度” 經(jīng)驗解釋的理論基礎(chǔ)。

石筍其它指標，如年紋層厚度也可對區(qū)域溫度(Tan Ming et al., 2003)、降雨水平(Proctor et al., 2000; Polyak and Asmersom, 2001)具有指示作用。然而，Betancourt等(2002)對比發(fā)現(xiàn)美國西南部石筍年層厚度指示的降水量變化(Polyak and Asmersom, 2001)與當?shù)貥漭喼亟ńY(jié)果差異顯著，由此質(zhì)疑石筍紋層的“年沉積性質(zhì)”及年層厚度與當?shù)赜炅宽憫?yīng)關(guān)系。由此可見，石筍微層與氣候之間量化響應(yīng)關(guān)系尚需要大量的觀測及模擬實驗論證。該報道引起B(yǎng)aker和Genty(2003)強烈反應(yīng)，并引發(fā)關(guān)于石筍微層年代學和氣候?qū)W的激烈討論(Baker and Genty, 2003; Betancourt et al., 2003; Asmersom and Polyak, 2004)。因為石筍年層厚度與巖溶地化循環(huán)過程密切相關(guān)，這些非氣候過程可能導致石筍微層與樹輪氣候信號之間有顯著差異。因此，亟待建立石筍指標與氣候要素之間經(jīng)驗函數(shù)模型。未來研究必須加強石筍指標環(huán)境機理研究，探明洞穴次生碳酸鹽沉積過程中外界氣候環(huán)境信號輸入、巖溶地球化學循環(huán)與石筍氣候信號輸出之間量化關(guān)系。

1 洞穴次生碳酸鹽古溫度量化重建

利用石筍δ18O提取古溫度信號一直是國際學術(shù)界關(guān)注熱點，也是洞穴古氣候研究難題。模擬實驗發(fā)現(xiàn)，在同位素平衡分餾情況下，石筍δ18O主要受控于洞穴滴水δ18O組成和洞內(nèi)溫度的變化(Hendy, 1971)。在石筍發(fā)育期間，水—巖之間同位素分餾系數(shù)ɑ達-0.24‰/℃～-0.26‰/℃(O’Neil et al., 1969; Kim and O’Neil et al., 1997)，成為地質(zhì)測溫基礎(chǔ)。因此，若了解歷史時期洞穴滴水同位素組成，則為發(fā)展直接測溫法提供可能。目前，古巖溶水信息提取主要依靠洞穴附近古地下水和石筍液相包裹體。前者很容易與現(xiàn)代水混合，難以直接獲??；后者圈閉的古巖溶水可記錄當時大氣降水信號，有利于獲取石筍生長母液δ18O信息，因此成為首選研究目標。

對比石筍包裹體古巖溶水及周圍方解石同位素組成，van Breukelen等(2008)發(fā)現(xiàn)秘魯氣溫在13.5 ka以來變化很小，全新世以來降雨增加15%～30%。然而，較大的液相包裹體在石筍中極為稀缺(Genty et al., 2002)，現(xiàn)有技術(shù)方法無論熱爆法(Matthews et al., 2000; McGarry et al., 2004)，還是冷軋法(Dennis et al., 2001; Fleitmann et al., 2003b; Vonhof et al., 2006)均很難獲取足夠的測試水量。同時，包裹體圈閉的古巖溶水不斷與周圍碳酸鈣發(fā)生同位素交換，很難代表石筍發(fā)育時段大氣降水真實信息。為解決這一難題，洞穴古氣候界采取測試巖溶水δD方法。因為石筍碳酸鹽不含氫，與巖溶水不發(fā)生氫同位素交換。進一步結(jié)合全球或地方大氣雨水線方程可間接計算降水δ18O，從而評估古溫度變化(Matthews et al., 2000; Dennis et al., 2001)。通過石筍包裹體D/H分析，Matthews等(2000)和McGarry等(2004)發(fā)現(xiàn)，地中海東部末次冰期雨水線與全球雨水線相同，而間冰期降水遵循地方雨水線關(guān)系，反映冰期蒸發(fā)量降低。法國Villars洞穴研究顯示，依據(jù)δD —δ18O 評估的古溫度與孢粉、海洋、冰芯記錄一致(Genty et al., 2002)。在早全新世，包裹體D/H比率指示的加拿大年均溫變化達11℃(從1℃上升到10℃)，在適宜期比現(xiàn)代高3℃，約在8.7 ka達到現(xiàn)代值(Zhang Rong et al.,2008)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，氫同位素在分析過程中分餾高達-30‰(Matthews et al., 2000)，難以避免實驗過程中萃取損耗和分餾影響。而且，巖溶水δD、δ18O組分分析精度較低(δD為3‰, δ18O為0.4‰, Dennis et al., 2001)制約了古氣溫精確評估。更為重要的是，現(xiàn)代全球雨水線與地方雨水線存在顯著差異，也很難假定現(xiàn)代雨水線在歷史時期保持不變(Lachniet, 2009)。因此，運用包裹體恢復古巖溶水信號，在機理上受到多種因素干擾，尚難滿足直接測溫要求。為此，亟待研發(fā)適于古氣溫直接測試的代用指標。惰性氣體在包裹體圈閉時溶解于石筍母液中，并與洞穴大氣達到平衡，其溶解度直接受控于洞穴氣溫，成為古氣溫良好的示蹤對象，從而克服其他地質(zhì)測溫法多源性困擾(Stute et al.,1992)。德國Bunker洞包裹體惰性氣體(Ne、 Ar、 Kr、 Xe)測試顯示(Kluge et al., 2008)，Younger Dryas結(jié)束時溫度比現(xiàn)代低約6.6℃，1.30 ka BP比現(xiàn)代低2.4℃，兩個研究時段氣溫差4℃，與歐洲孢粉重建結(jié)果較為一致。多洞穴調(diào)查顯示，也門年均溫在2 ka BP接近現(xiàn)代水平，土耳其在6～5 ka BP與現(xiàn)代一致(Scheidegger et al., 2011)。顯然，包裹體研究有助于厘清δ18O指標信號復雜性問題(溫度和降水)。但石筍包裹體分布不均勻，提取技術(shù)難度大，僅能揭示古氣溫變化趨勢，無法滿足高分辨率氣候突變事件研究需求，直接獲取與δ18O指標相似分辨率的古氣溫信息成為關(guān)鍵。最近，新發(fā)展的 “二元同位素測溫法(clumped isotope thermometry)”(Ghosh et al., 2006; Schauble et al., 2006)通過測試含重同位素CO2(13C18O16O)分子豐度變化直接獲取溫度變化信息(簡稱為Δ47法)。相對于早期的δ18O古溫度法，Δ47指標直接受溫度變化控制，不需要了解古巖溶水δ18O信息。洞穴石筍已開展研究顯示(Affeck et al.,2008; Da?ron et al.,2011)，重同位素13C18O16O分子占Δ47信號的約96%( Schauble et al., 2006)。據(jù)此獲取以色列地區(qū)溫度在末次盛冰期比現(xiàn)代低6～7℃，早全新世氣溫略高于現(xiàn)代值，晚全新世期間略低于現(xiàn)代氣溫(Affeck et al.,2008)。同時，石筍方解石沉積過程中，母液溶解的Mg、Sr、Ba等微量元素會以離子形式進入方解石晶格，取代Ca2+離子，其分配系數(shù)取決于溫度、水文等條件變化(Huang Yiming and Fairchild, 2001)。因此，可依據(jù)石筍微量元素與環(huán)境因子之間量化關(guān)系重建高分辨率氣候變化歷史。研究顯示，石筍微量元素在軌道尺度上可反映太陽輻射變化(Cruz et al., 2007)，在百年尺度上可記錄氣候突變事件振蕩細節(jié)(Baldini et al., 2002)，在季節(jié)尺度上可清晰記錄洞穴環(huán)境及外界氣候季節(jié)性變化(Huang Shaopeng et al., 2000; Treble et al., 2003; Johnson et al., 2006; Mattey et al., 2008)，反映微量元素具有古氣溫重建的潛力。

2 現(xiàn)代器測記錄校準研究

現(xiàn)代氣象資料對同期地質(zhì)體代用指標量化解讀具有重要意義。對于正在發(fā)育的年紋層石筍而言，其指標在年輕時段可運用器測資料進行校正，且能將指標與氣候量化關(guān)系延伸到器測期以外，在時標控制、指標解釋方面具有天然優(yōu)勢。顯然，這種集成研究以石筍紋層的“年層性”和發(fā)育的“活動性”為前提，即正在發(fā)育。而囿于各種測年方法的誤差和精度，很難準確界定石筍頂部碳酸鹽為現(xiàn)代沉積。在野外調(diào)查中，常見到石筍頂部現(xiàn)代沉積發(fā)生“反溶蝕”(張會領(lǐng)等，2012)，也影響了器測資料與石筍指標的之間參比。

洞穴次生碳酸鹽微層的“年層性”首次發(fā)現(xiàn)于20世紀60年代(Broecker et al., 1960)，國內(nèi)研究始于北京石花洞(劉東生等，1997)?！笆S年層”不僅是各類指標年際時標研建的基礎(chǔ)，同時，其厚度變化也可保存洞穴水文、氣溫等重要信息。目前，驗證石筍微層理“年層性”手段有：與放射性測年結(jié)果對比、在已知年齡的事件層之間統(tǒng)計紋層、洞穴監(jiān)測以及將紋層厚度變化與模擬累積速率對比(Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)?，F(xiàn)代器測歷史僅達百年左右，同期發(fā)育的石筍材料為年輕地質(zhì)體，適于該類碳酸鹽的測年方法有U/Th、137Cs、210Pb、14C等。研究表明，對于近120 a以來的石筍材料，210Pb法具有獨特的優(yōu)勢(Baskaran and Iliffe, 1993; Condomines and Rihs, 2006)。其次，如果洞穴圍巖“老碳”貢獻率維持不變(Hoffmann et al., 2010)，14C測年法同樣適于年輕石筍樣品年齡判定(Genty et al., 1998; Yadava and Ramesh, 2005)?；?37Cs測年結(jié)果，洪都拉斯石筍δ13C清晰記錄了1973～2000年期間降水變化(Frappier et al., 2002)，δ18O則記錄了熱帶氣旋活動頻率(Frappier et al., 2007)。譚明等(2000)利用高精度TIMS-230Th 測年與微層計數(shù)結(jié)果對比，確認了中國南方石筍微層的年旋回性質(zhì)，使得國內(nèi)微層年代學在區(qū)域上進一步拓展。四川黃龍洞近100 a來石筍研究顯示(楊勛林等，2007,2010)，兩套獨立測年方法(210Pb和230Th)建立的累積速率在誤差范圍內(nèi)完全一致，而且近50 a內(nèi)，石筍δ18O變化與現(xiàn)代器測資料建立的夏季風指數(shù)相關(guān)系數(shù)達-0.58，證實測年結(jié)果的可靠性。湖北清江和尚洞石筍頂部110多個微層厚度變化與東亞夏季風強度指數(shù)相關(guān)達0.83(劉浴輝等，2005)，支持了石筍微層理的“年層性”。已有研究發(fā)現(xiàn)，石筍年層厚度變化適于保存低頻氣候信號(Pauling et al., 2003; Moberg et al., 2005; Smith et al., 2006)，可有效解決單株樹輪持續(xù)時間短及低頻信號(氣候變化趨勢)提取難等問題。石花洞年層厚度與北京地區(qū)旱澇指數(shù)存在很強的相關(guān)性(劉東生等，1997)，近2650 a以來，年層厚度提取的中國北方熱季(5～8月)溫度變化與北半球溫度重建結(jié)果吻合(Tan Ming et al., 2003)。在最近1 ka內(nèi)，與祁連山樹輪集成的溫度及GCM模擬結(jié)果相關(guān)性達0.61(Tan Ming et al., 2009) ，并通過δ13C恢復了北京地區(qū)3 ka以來的植被面貌(李紅春等，1998)。末次盛冰期南京葫蘆洞石筍微層厚度也揭示夏季風降雨存在顯著的2～7 a周期，類似于現(xiàn)代ENSO信號(孔興功等，2003)，說明年層石筍在歷史氣候重建方面具有重要意義。由此，可通過器測氣候資料與年層厚度數(shù)據(jù)集成，建立兩者之間量化關(guān)系?，F(xiàn)代ENSO記錄與馬達加斯加石筍微層厚度對比發(fā)現(xiàn)，降雨量大，年層厚度增大，南方濤動指數(shù)(SOI)降低，可能SOI和厄爾尼諾事件相關(guān)的降雨量決定了年層厚度變化(Brook et al., 1999)。經(jīng)1951～1992年器測記錄校準后，作者重建了公元1550年以來降水及ENSO變化歷史。蘇格蘭西北石筍年層厚度在器測期內(nèi)與當?shù)氐哪昃鶞爻收嚓P(guān)(r=0.49)和降水量呈反相關(guān)(r=-0.53)，反映近1 ka以來北大西洋濤動(NAO)對歐洲氣候影響顯著(Proctor et al., 2000)。譜分析進一步發(fā)現(xiàn)在1～3 ka BP期間歐洲氣候以50～70 a為周期，而最近1 ka以來以72～94 a為周期(Proctor et al., 2002)。美國北部石筍年層厚度反映的洪水事件和當?shù)亟邓惓＞哂泻芎玫南嚓P(guān)性，經(jīng)50 a氣象數(shù)據(jù)校正后，Dasgupta(2010)重建了近3 ka以來降水異常歷史，分析發(fā)現(xiàn)19世紀以來極端洪水事件發(fā)生頻率呈上升趨勢。

但是，年層形成機理復雜，不同環(huán)境下形成的年層性質(zhì)不同(譚明等, 2002; Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)。一般來說，具有季節(jié)變化的區(qū)域和局地環(huán)境因子決定了石筍生長發(fā)育的年季旋回。與樹輪不同，在共同的限制性環(huán)境因子作用下，樹輪的寬度變化一致，利于樹輪交叉定年。對于石筍微層而言，即便在同一個洞穴，地質(zhì)、地貌、水文條件、植被、土壤、滲水通道、洞室大小、石筍頂面粗糙度等差異會造成厚度不同，這些復雜過程導致洞穴次生碳酸鹽發(fā)育非線性響應(yīng)于外界氣候要素，故年層厚度作為氣候信號輸出端尚需要沉積校正(譚明等，2002)，找出敏感因子，評估其敏感度(譚明，2005)。

盡管石筍微層氣候?qū)W尚需要觀測及模擬研究進一步證實，但年層序列為精確時標研建提供了重要支撐。對比埃塞俄比亞年層石筍δ18O與月降水關(guān)系， Baker等(2007) 重建了1989～2004年期間4月與7月降水比率變化，發(fā)現(xiàn)重建結(jié)果與觀測記錄在變率上基本一致。通過1961～2004年期間冬季降水記錄校正，土耳其年層石筍δ18O在±31mm的誤差范圍內(nèi)與實測降水記錄很好吻合(Jex et al., 2010)，其中， 1938～2004年期間，秋—冬季降水與石筍δ18O呈反相關(guān)，據(jù)此重建了土耳其地區(qū)公元1500年以來冬季降水變化序列(Jex et al., 2011)。近780 a以來，印度石筍的δ18O、δ13C、年層厚度在器測期內(nèi)與當?shù)亟邓惓？傮w特征極為相似(Burns et al., 2002)，δ18O變化0.6‰相當于降水異常約75 mm(1‰/125mm)，年層厚度與δ18O之間相關(guān)系數(shù)達-0.4。近53 a來，直布羅陀半島年層石筍分析顯示，微量元素、同位素可反映季節(jié)性降水、溫度變化(Mattey et al., 2008)，甚至可記錄天、月降水變化(Baker et al., 1999)，說明石筍可清晰記錄不同尺度氣候波動。西班牙石筍δ18O數(shù)據(jù)重建的冬季(10～3月)降水與1951～2004年間實測冬季降水相關(guān)達r2=0.47。在10年際尺度上，冬季滴水δ18O反映了冬季平均溫的長期演化(Mattey et al., 2008)。南阿曼三支年層石筍顯示，在印度季風影響下，年層石筍δ18O與現(xiàn)代降雨量相關(guān)達-0.62。經(jīng)器測數(shù)據(jù)校正后發(fā)現(xiàn)，近330 a來降雨量在公元1666年最大，公元1900年最小(Yadava et al., 2004)。在約公元1320年印度季風降水衰減進入小冰期(公元1320～1660年)，不僅記錄了20世紀60年代季風減弱事件(Fleitmann et al., 2004)，也進一步發(fā)現(xiàn)早期記錄低估了小冰期期間印度季風區(qū)干旱程度(Sinha et al., 2007)。

由于洞穴滴水形式及來源極其復雜(Fairchild et al., 2006)，降水、滲流水等不同時間尺度水源混合，對短尺度氣候信號影響很大。發(fā)育于1911～1992年期間一支澳大利亞石筍顯示，離子探針獲取的氧、碳同位素季節(jié)性振蕩顯著，但10年際趨勢與當?shù)貧鉁?、降水吻合較差(Treble et al., 2005)。所以，無論現(xiàn)代石筍與同期器測記錄之間采用線性擬合(Fischer and Treble, 2008)或者正演模擬(forward modeling, Baker and Bradley, 2010)應(yīng)充分考慮這種“巖溶水庫效應(yīng)”的貢獻。在器測期以外，其它經(jīng)驗?zāi)Ｊ揭苍诓粩喟l(fā)展。如阿爾卑斯山石筍δ18O與當?shù)販囟犬惓Ρ蕊@示，距今17 ka以來，當?shù)仄骄鶞厣仙?℃對應(yīng)于石筍δ18O增加2.85‰(r2=0.38,r=-0.61)(Frisia et al., 2005)。Bar-Matthews等(2003)假定以色列現(xiàn)代降雨量及其同位素組成經(jīng)驗關(guān)系式[d(δ18Op)/dP梯度為-1.02‰/200m]在間冰期保持不變，據(jù)此推算當時古降雨量水平。顯然，這種經(jīng)驗關(guān)系在間冰期是否類似于現(xiàn)代尚缺乏大量研究證實。在亞洲季風區(qū)，Hu Chaoyong等(2008)創(chuàng)造性地運用貴州董哥洞與湖北和尚洞石筍δ18O記錄殘差定量評估全新世中國西南大氣降水變化，并發(fā)現(xiàn)全新世適宜期大氣降水比現(xiàn)代高8%。

3 現(xiàn)代觀測研究及生長動力模擬實驗

現(xiàn)代觀測研究是定量解釋石筍氣候指標的關(guān)鍵手段。已開展的洞穴監(jiān)測多側(cè)重水文狀況、生長動力及水化學等方面研究。澳大利亞東部Kooringa洞持續(xù)2.5 a水化學監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在干旱時段，滴水及其Ca2+濃度降低50%，而Mg/Ca及Sr/Ca比增加50%，并清晰記錄了El Nio-La Nia信號(McDonald and Drysdale, 2004)。美國德州西南愛德華茲高原3個洞穴觀測揭示，在不同滴水點方解石生長速率表現(xiàn)出相似的年周期，且與當?shù)販囟燃竟?jié)變化呈反相關(guān)，秋季至春季生長，夏季幾乎不發(fā)育。水化學研究進一步發(fā)現(xiàn)，這種季節(jié)性生長可能與區(qū)域溫度對洞穴—大氣CO2濃度或滴水CO2含量控制作用有關(guān)(Banner et al., 2007)。石花洞系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)(Cai Binggui et al., 2011)，方解石沉積速率年內(nèi)變化顯著，夏季(7～8月)生長最慢，秋季到春季達到最大。沉積速率時間變化與滴率、洞內(nèi)大氣p(CO2)、Ca離子濃度呈反相關(guān)；與滴水的pH值呈正相關(guān)。由此作者認為石筍δ18O信號可能代表季節(jié)性信號。該洞穴滴水對大氣降水表現(xiàn)出兩種響應(yīng)模式：即時快速響應(yīng)和滯后響應(yīng)。滴水的年內(nèi)變化大于年際變化，其中溶解無機碳(DOC)在年內(nèi)和年際尺度上均有變化，高值出現(xiàn)在7～8月，在旱季較低、含量變化較小，在觀測期DOC伴隨強降水出現(xiàn)(Ban Fengmei et al., 2008)。云南洞穴調(diào)查發(fā)現(xiàn)(Duan Wuhui et al., 2012)，中國南方文石石筍年層由致密亞層和多孔亞層組成，致密層形成于冬季，此時滴率中等，去氣緩慢、 連續(xù)、耗時長；疏松層形成于春季，滴率慢，Mg/Ca比值較高。直布羅陀洞穴4年觀測顯示，年層石筍中淺色柱狀方解石形成于冬季較高p(CO2)條件下，此時方解石δ13C值最??；而暗色微晶方解石發(fā)育于夏季低p(CO2)條件下，δ18O和δ13C值升高。滴水無機碳δ13C在4～5月間最小，此時，δ18O信號主要指示冬季降水(Mattey et al., 2008)。愛爾蘭洞穴滴水情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)(Baldini et al., 2006)，不同滴率對石筍氣候信號的保存有顯著影響。緩慢滴水(<0.1 mL/min)發(fā)育的石筍僅能記錄氣候的長期變化，次級振蕩幾乎沒有；中等滴率(0.1～2 mL/min)供水的石筍適于研究氣候季節(jié)信號；快速滴率(>2 mL/min)生成的石筍不適于高分辨古氣候研究，因為過水通道變化及較大的滴率變化可能導致石筍發(fā)育間斷和方解石的反溶蝕。在法國Villars洞，滴率變化滯后大氣降水約2個月，與氣壓呈反相關(guān)。洞穴深處滴水的微量元素濃度較高，洞內(nèi)大氣CO2濃度變化和土壤CO2一致且與石筍δ13C相關(guān)(Genty, 2008)。桂林地區(qū)觀測發(fā)現(xiàn)，降雨δ18O值隨著氣溫升高和雨量增加而減小，并與月均溫相關(guān)。洞穴滴水δ18O繼承降雨同位素信息，δ13C則似乎指示當?shù)刂脖蛔兓?李彬等, 2000)。貴州荔波涼風洞大氣水、土壤水、滴水監(jiān)測顯示，洞穴次生碳酸鹽氧同位素可繼承大氣降水同位素變化，其變幅在巖溶水傳輸過程中受混合作用影響顯著減小(羅維均和王世杰, 2008)。珠江水系4個洞穴體系監(jiān)測表明，滴水對大氣降雨響應(yīng)略滯后，不同水動力條件、水—土和水—巖接觸時間、作用方式、水運移路徑等差異影響洞穴次生碳酸鹽物質(zhì)來源及其環(huán)境指標解譯(周運超等, 2004)。這些研究表明，特定洞穴的實地觀測研究為理解和認識洞穴溫度、降水δ18O、碳酸鹽δ18O等之間關(guān)系提供寶貴信息。然而，當多種控制因子，如方解石母液飽和指數(shù)、溫度、滴率、CO2去氣速率等變化方向一致時，很難嚴格檢出石筍生長動力學機制及各種地化參數(shù)的貢獻率。此時，動力模型及模擬實驗研究可有效補充這方面的缺憾。

早期碳酸鈣溶解和沉淀動力模型發(fā)現(xiàn)CaCO3含量、石筍表面水膜厚度及水動力條件、溫度、CO2分壓等因素變化對石筍生長起到主控作用(Dreybrodt, 1980, 1981; Buhmann and Dreybrodt, 1985a, 1985b; Dreybrodt et al., 1997)。后期模擬發(fā)現(xiàn)，在石筍發(fā)育過程中，供水速率、化學動力、水流狀況等均可影響石筍生長及形態(tài)，且這些影響因素可能相互抵消，導致復雜響應(yīng)(Dreybrodt, 1999)。其中，石筍生長的主控因素是溫度和土壤CO2濃度變化，降水與石筍的直徑相關(guān)(Kaufmann, 2003)。但是，洞穴實際環(huán)境很難在室內(nèi)模擬試驗中控制，石筍生長層序很難直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氣候信號。盡管如此，石筍生長速率及直徑是氣候變化的函數(shù) (林玉石等，2005)，可以從這些參數(shù)中獲取過去氣候變化信息。進一步模擬結(jié)果顯示，盡管溫度影響很難識別，但可從石筍生長層序中評估CO2濃度(作為土壤覆蓋指標)與滴水時間(作為降水指標)變化(Kaufmann and Dreybrodt, 2004)，該思想得到模擬結(jié)果(Romanow et al., 2008)和洞穴觀測支持。通過多洞穴現(xiàn)代年紋層石筍調(diào)查及理論模型對比發(fā)現(xiàn)，自然環(huán)境下石筍生長速率與理論預(yù)測結(jié)果基本一致(Baker et al., 1998)。歐洲6個洞穴31個滴水點監(jiān)測顯示，紋層統(tǒng)計獲取的累積速率與理論預(yù)測相關(guān)度達R2=0.69，其中，5個洞穴觀測發(fā)現(xiàn)的實際生長速率與年均溫(R2=0.63)、滴水鈣離子濃度(R2=0.61)有關(guān)，但與滴率(R2=0.09)無關(guān)(Genty et al., 2001)。在石筍沉積過程中，同位素信號對降水同位素組成的響應(yīng)、與累積速率、洞穴環(huán)境變化關(guān)系一直備受關(guān)注。滴水模型及德國西部兩洞穴觀測表明，冬季降雨對該區(qū)洞穴滴水同位素組成影響顯著，方解石δ18O與地表年均溫呈反相關(guān)(Wackerbarth et al., 2010)。由于石筍母液水文來源復雜(Lachniet, 2009)及洞穴體系開放—封閉程度不同，在方解石溶解沉積模型中，滴水δ13C值變化不僅響應(yīng)于體系閉合程度，也隨著土壤p(CO2)升高而降低(Fohlmeister et al., 2011)，同時，滴水時間間隔、溫度、滲流水混合系數(shù)也可能對石筍δ13C影響顯著(Mühlinghaus et al., 2007)。

目前，真正模擬出洞穴石筍生長環(huán)境的室內(nèi)模擬實驗很少(Fantidis and Ehhalt, 1970; Huang Yiming and Fairchild, 2001; Wiedner et al., 2008; Day and Henderson, 2011)，在眾多實驗中母液飽和度和碳酸鹽生長是用CaCl2結(jié)合NaHCO3控制，而在真實環(huán)境中是通過CO2去氣導致母液中Cl-和Na+濃度增加實現(xiàn)的。其次，傳統(tǒng)模擬中供水采用管道方法而非滴水控制，與真實生長環(huán)境相差很大。在改進滴水方式、增加生長基質(zhì)(在毛玻璃片上安置種晶)等設(shè)置后，Day和Henderson(2011)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下，溫度是方解石生長量的主控因子，滴率變化影響很小；高溫條件下，滴率與生長量之間不存在線性關(guān)系。

4 討論和展望

上述研究表明，盡管石筍材料在古氣候研究領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，但在技術(shù)方法方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。一般來說，氣候動力與土壤過程的年季旋回會造成石筍碳酸鹽沉積不連續(xù)界面或礦物、結(jié)構(gòu)交替轉(zhuǎn)換，從而形成石筍微生長層(Genty et al., 2001; Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)。與樹輪、湖泊紋泥、珊瑚、冰芯年層一樣，可通過微層計數(shù)方法研建精細時標。然而，受到巖溶地化循環(huán)過程復雜性制約，石筍材料中各指標量化工作存在不同程度的滯后，在古氣候、古環(huán)境研究中的優(yōu)勢尚未得到充分體現(xiàn)。作為石筍δ18O主要來源，大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)尚不完善。初步工作顯示，中國東部降水δ18O在南部和東北地區(qū)年內(nèi)周期顯著，在不同地區(qū)主要的地理控制因子不同(Liu Jianrong et al., 2008; 柳鑒容等, 2009)。而模擬工作?？紤]大氣降水δ18O信號與其氣候模態(tài)背景聯(lián)系，如Langebroek 等(2011)發(fā)現(xiàn)，在年內(nèi)尺度上降水δ18O模型(ECHAM5-wiso)模擬的1954～1999年歐洲中西部冬季降水δ18O分布場與北大西洋濤動密切相關(guān)。在石筍指標量化解釋方面，區(qū)域氣候與降水δ18O時間關(guān)系極為重要，因為在不同時間尺度上，兩者之間關(guān)系可能有變化(Schmidt et al., 2007)。大氣環(huán)流模型(Atmospheric General Circulation Model-AGCM)ECHAM-4表明，1979～1980年期間，模擬的降水δ18O與亞洲夏季風指數(shù)及達索普冰芯δ18O變化一致(Vuille et al., 2005)。GISS Model E-R模擬結(jié)果顯示，在全新世10 ka以來，模擬的南亞降水δ18O與亞洲季風區(qū)石筍記錄千年尺度變化相似(LeGrande and Schmidt, 2009)。由于大氣降水同位素時空變化機理復雜，現(xiàn)有模型采用不同輸入邊界，模擬結(jié)果存在一定差異，制約長序列模擬結(jié)果推廣運用(Schmidt, 1999)。

洞穴實測可進一步認識雨水—石筍母液—現(xiàn)代沉積之間關(guān)系，建立石筍指標對氣候、環(huán)境響應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，是定量解釋石筍各指標氣候環(huán)境意義的關(guān)鍵手段。然而，站點設(shè)置難、觀測周期短、現(xiàn)代沉積缺等因素使得獲取統(tǒng)計學意義上有效數(shù)據(jù)存在一定難度。在氣候量化重建中，樹輪因精確交叉定年、分辨率高、量化程度高等特點備受關(guān)注。最近，亞洲季風區(qū)327個樹輪序列編制的干旱圖譜顯示，區(qū)域內(nèi)的干/濕變化和熱帶印度洋—太平洋海表溫異常緊密相關(guān)(Cook et al., 2010)，1876～1878年期間的維多利亞大干旱恰逢極端El Nio事件。7200余個歐洲樹輪寬度記錄發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)代升溫劇烈，但水文變化在幅度和持續(xù)時間方面均大于氣溫變化(Büntgen et al., 2011)，在公元250～600年羅馬帝國滅亡期間氣候變率逐漸增大。然而，樹輪的發(fā)育受控于外部環(huán)境中限制性因子季節(jié)變化，特別是在東亞大陸內(nèi)部，大多分布于溫帶和寒帶(劉曉宏等，2004；邵雪梅等，2007；劉禹等，2009)，典型季風區(qū)存在較大空白(Cook et al., 2010)。而且，樹輪寬度僅對高頻氣候信號較為敏感，主要反映溫暖的生長季氣候變化(Briffa, 2000)，很難記錄千年至百年尺度氣候振蕩(Cook et al., 1995; Esper et al., 2004)。因此，完善石筍指標量化體系不僅是樹輪等陸相記錄的重要補充，也是石筍微層古氣候?qū)W自身發(fā)展的需要。

集成器測數(shù)據(jù)、歷史氣候資料、當?shù)貥漭嗁Y料可進一步校正同期石筍氣候信號。由于現(xiàn)代器測資料以“月、季、年”為特征，因此，需要為石筍指標序列建立精確時標。“自然檔案”中“年沉積性質(zhì)”的微層理統(tǒng)計時，誤差可達10%。對于近100 a石筍樣品而言，可能存在±10 a統(tǒng)計誤差，盡管落在測年誤差范圍內(nèi)，但卻很難與以“月、季、年”為特征的氣象記錄進行有效對比，特別是石筍微層統(tǒng)計過程中“缺年”、“偽年層”等問題亟待解決。一般來說，石筍生長速率年際突變較小，厚/薄層耦遞變特征顯著，可在多年內(nèi)維持相似速率。相鄰(或同一洞穴)石筍受到相同氣候信號影響，微層厚度可能表現(xiàn)出相似的變化趨勢。因此，可借鑒樹輪年表方法，繪制同一洞穴(或相鄰滴水點)“石筍微層骨架圖”，多樣本集成確定年層時標并評估其誤差。其次，石筍微層與冰芯年層、海洋湖泊紋泥同具有多參數(shù)分析潛力(如灰度、微量元素等)(Fairchild and Treble, 2009)。在連續(xù)發(fā)育過程中，不存在冰年層的壓融和流變以及湖泊海洋紋泥的生物擾動，可依據(jù)多指標參比進一步提高年層統(tǒng)計的準確性。早期研究發(fā)現(xiàn)，石筍微層的氧、碳同位素(Burns et al., 2002; Liu Dianbing et al., 2008)、微量元素(Huang Shaopeng et al., 2000; Treble et al., 2003; Johnson et al., 2006; Mattey et al., 2008)可以反映洞穴溫度、水文條件季節(jié)性變化信息。因此，開展季節(jié)性多參數(shù)研究，擴大統(tǒng)計的樣本量，對比和診斷洞內(nèi)及不同洞穴石筍敏感參數(shù)季節(jié)性特征，采用多參數(shù)、多區(qū)域、多手段等交叉定年方法，建立石筍沉積與氣候信號之間簡單關(guān)聯(lián)，可有效解決 “缺年”、“偽年層”對年層統(tǒng)計造成的干擾。在器測記錄中，1976/77年期間氣候突變極為顯著(Miller et al., 1994)，可以此作為石筍各參數(shù)序列重要“參考點”進一步驗證石筍年表。同時，在運用現(xiàn)代器測記錄校正石筍指標時，要充分評估洞穴所在地的土壤—巖溶帶“庫效應(yīng)”影響，因為滲流水的滯留時間會導致石筍指標滯后于氣候變化。多個洞穴監(jiān)測結(jié)果表明，洞穴滴水對外部大氣降水響應(yīng)時間一般不超過2個月甚至更短(李彬等；2000；周運超等，2004；Johnson et al., 2006; Ban Fengmei et al., 2008; 羅維均和王世杰；2008；Genty et al., 2008)，說明洞穴上覆土壤和巖溶帶對巖溶水的調(diào)蓄作用(“庫效應(yīng)”)微弱，不影響洞內(nèi)微環(huán)境季節(jié)性變化，僅削弱季節(jié)性變化幅度。在“月、季”尺度上，洞穴碳酸鹽沉積與氣候信號之間可能存在簡單關(guān)聯(lián)，因此，石筍微層氣候?qū)W具有高精度、高分辨率、信號保真度高等潛力。

提高信/噪比，實現(xiàn)高分辨率是發(fā)展微層氣候?qū)W的必要條件，也是獲取與器測記錄相似分辨率的石筍多參數(shù)序列的關(guān)鍵。對于厚約100～300μm的石筍年層，氧、碳同位素傳統(tǒng)采樣方法(如鉆取法和刀削法)不僅手工控制存在難度，也很難避免相鄰樣混合，無法提高真實分辨率。離子探針(Treble et al., 2007)和激光熔融(Fairchild et al. , 2006)等直接測試法會導致較大的測試誤差(0.5‰～1.5‰)，掩蓋真實氣候信號或造成同位素動力分餾?；跀?shù)控技術(shù)的微距法(micro-milling, Wurster et al., 1999)采樣分辨率達到10μm，與傳統(tǒng)質(zhì)譜分析手段(MAT253)結(jié)合，樣點分辨率和測試精度均滿足季節(jié)尺度分析需要。幾種方法對比分析顯示(Sp?tl et al., 2006; Fairchild et al., 2006, 2009; Hoffmann et al., 2009)，盡管離子探針和激光熔融等直接測試方法分析速度較快，但機理尚不成熟，獲取的氣候信號重現(xiàn)性較弱，特別是在分析精度上不及MAT253質(zhì)譜分析(0.03‰～0.06‰)。在現(xiàn)有條件下，離子探針直接測試法缺乏標準控制，無法對異常測試結(jié)果進行評估。今后如能得以解決，則該方法可具有較廣的應(yīng)用前景。微量元素高分辨率采樣及分析常采用ICP-MS、SIMS等方法，分辨率可達10～20μm(Fairchild et al., 2006, 2009)。盡管微量元素在碳酸鈣中分配系數(shù)控制因子具有多源性(溫度、降水、晶體形狀)以及母液組成特征，大量分析揭示了顯著的季節(jié)性響應(yīng)(Treble et al., 2003; Johnson et al., 2006; Mattey et al., 2008)，說明這些元素與洞穴環(huán)境及外界氣候之間存在某種關(guān)聯(lián)，對于石筍年層氣候環(huán)境信號分析具有潛力。技術(shù)障礙和機理研究薄弱是石筍年代學和氣候?qū)W面臨的瓶頸，隨著國際古氣候界關(guān)注度提高和洞穴古氣候界不懈努力，抓住并解決迫在眉睫的幾個關(guān)鍵問題，洞穴石筍在古氣候、古環(huán)境研究中必將煥發(fā)應(yīng)有的活力。