滴水和现生碳酸钙的δ o变化特征及其古气候意义 - 地球物理学报
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第 36卷 第 6期2016年 11月
第 四 纪 研 究QUATERNARY SCIENCES
Vol.36, No.6
November,2016
doi:10.11928/j.issn.10017410.2016.06.03 文章编号 1001-7410(2016)06-1370-13
辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的
δ18O变化特征及其古气候意义
王 芳①②③ 孙 青② 蔡炳贵①④⑤ 张 磊⑥ 李苗发① 李婷婷①
(①福建师范大学地理科学学院,福建省湿润亚热带山地生态重点实验室———省部共建国家重点实验室培育基地,福州 350007;
②国家地质实验测试中心,北京 100037;③中国地质大学(北京),地球科学与资源学院,北京 100083;④福建师范大学地理研
究所,福州 350007;⑤CenterforWaterResearch,DepartmentofGeologicalSciences,UniversityofTexasatSanAntonio,SanAntonio,
TX78249,USA;⑥中国科学院地质与地球物理研究所,新生代地质与环境重点实验室,北京 100029)
摘要 基于辽宁本溪庙洞降水和滴水的氢氧同位素,以及滴水碳酸钙沉积的氧同位素两年的观测数据(2012~
2013年),本文分析了庙洞滴水氧同位素对大气降水氧同位素的继承性,分析并讨论了洞穴滴水碳酸钙沉积的氧
同位素时空变化特征、影响因素及其对石笋古气候重建的指示意义。结果表明:1)庙洞降水 δ18Op季节性特征明
显,冬季降雪最负(-1343‰),6~9月降雨次之(-982‰),而春秋季降雨最正,当地降水线:δD=728δ18O+
710(n=21,r=097),与东北地区大气降水线平行,但过剩氘更大;斜率小于全球大气降水,与北京石花洞结果
更接近。2)庙洞 3个观测点的滴水 δ18Ow在误差范围内基本相同(约-96‰),常年稳定,年际变化微弱(02‰),
值介于全年降水加权平均值(-981‰)与 4~10月降雨加权平均值(-956‰)之间,更接近于后者,滴水的
δD-δ18Ow位于降雨线性回归线的平均位置,与降雪的 δD-δ18O回归线明显不同,说明滴水更多记录降雨的平均值,
而降雪贡献较小。3)滴水碳酸钙沉积的氧同位素出现显著的空间差异,滴水较快的点,其 δ18Oc没有明显的季节
变化;相反,滴水慢的点,则出现明显的季节性变化(变幅约为 04‰),其 δ18Oc值相对于滴水快的点整体偏正约
026‰,这种时空差异可能是由滴率太慢引起的动力分馏造成的,其机制可能与蒸发作用增强和(或)CO2逸出比
例增大有关。这种动力分馏机制可能是一些相同时段石笋氧同位素出现系统偏差的潜在原因。4)滴水沉积的
δ18Oc值较理论计算值 δ18Oct偏正,即使是无明显动力分馏的点也相差约 059‰,这与最近一些室内模拟实验结果
类似,暗示洞穴滴水氧同位素分馏系数较常规经验值(10313)略大。
主题词 降水 滴水 δ18O δD 辽宁庙洞
中图分类号 P641134,P597+.2,P532 文献标识码 A
第一作者简介:王 芳 女 25岁 硕士研究生 全球变化与第四纪环境演变研究 Email:fangever@foxmail.com
国家自然科学基金项目(批准号:41272197、41072134和 U1405231)和福建省公益类科研院所基本科研专项项目(批准号:2014R1034-2)
共同资助
2016-04-22收稿,2016-07-28收修改稿
通讯作者:蔡炳贵 Email:bgcai@fjnu.edu.cn
石笋氧同位素已经成为重要的高分辨率古气候
档案之一[1,2],基于高精度 UTh定年和(或)年纹层
定年[3],结合高分辨率氧同位素测试技术,甚至可
以获得季节尺度的变化[4]。但是,近年来有关中国
季风区石笋氧同位素气候指代意义的争论[5~13]
受
到广泛关注,这些争论基本上聚焦于中国季风区降
水氧同位素的气候学意义上[14~18]
。然而,将石笋
氧同位素等同于降水同位素需要满足以下 3个假设前提:1)洞穴滴水继承降水氧同位素的变化;2)洞穴滴水碳酸钙沉积过程是同位素平衡分馏的;3)洞穴温度变化幅度很小,不足以影响石笋氧同位素波
动特征。
一般情况下,洞穴温度接近当地年均温,变化
幅度很小,如果石笋碳酸钙沉积是平衡分馏,其氧
同位素更多继承了滴水氧同位素的信号,又如果滴
水氧同位素继承了降水的氧同位素,则石笋氧同位
素代表大气降水氧同位素变化。因此,在石笋古气
候重建中,需要验证同位素是否平衡分馏。亨利准
则[19]常被用来判断石笋碳氧同位素是否平衡分馏,
但是,近年来,有学者从不同角度对此提出质疑,例
如,Dorale和 Liu[20]从洞穴滴水沉积理论与亨利准则检验的技术实践层面对亨利准则的实用性提出质
6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
疑,并强调重现性的重要性;Day和 Henderson[21]通过滴水沉积的模拟实验也指出“亨利准则”存在局
限性;BarMatthews等[22]认为洞穴滴水碳酸盐沉积
的现代过程观测是判断同位素平衡分馏与否的重要
途径;另外,滴水碳酸钙沉积的模拟实验发现平衡
分馏下的滴水碳酸钙氧同位素相对于理论估算值偏
正[21]。这些争议说明有关滴水稳定同位素分馏机
制及其判别方法还需要更多的研究。
相对而言,上述第一个假设前提更容易被人们
所忽略,受上覆土壤层和包气带裂隙系统的调控,
洞穴滴水显出不同的响应模式[23~29]
。一般认为,滴
水 δ18O值近似于全年降水 δ18O的加权平均值,但是混合效应强弱差异很大
[30~39]。Harmon等[30]
发现,
尽管洞穴渗流 δ18O密切地反应当地降水,单一观测点的滴水 δ18O值会偏离地表降水的 δ18O平均值,同一洞穴内不同滴水点间的变化达 5‰。我国一些洞穴观测结果也发现空间差异的存在
[31~33]。除了空
间可能出现差异,不同地点对降水的响应也可能因
为补给通道不同而存在差异,Duan等[38]总结了我
国东部季风区 8个洞穴中 34个滴水点的滴水 δ18O,根据观测期间所有 δ18O值的变异度,将滴水 δ18O划分为 3个类型,即稳定型、季节变化型和中等程度变化型,前两个类型分别对应着多年际和季节性响
应大气降水 δ18O变化,后者则可能受滴水补给管道变换或者洞内“蒸发效应”
[36]的影响。另外,贵州
凉风洞洞穴系统观测[32]还发现土壤层的“蒸发效
应”,导致滴水 δ18O年算术平均值相对于大气降水δ18O值偏重约 03‰以上。这些洞穴现代过程观测结果表明,大气降水与洞穴滴水之间的氧同位素信
号传递不一定是简单的对应关系,因此,开展洞穴
降水-滴水-现代沉积物氧同位素信号传递的研究是石笋古气候重建的基础。
目前,我国东北地区已有石笋记录主要来自本
溪地区[40~42]
,该区在地理位置上靠近现代亚洲夏季
风的东北缘,夏冬雨水丰沛,特别是冬半年多降雪的
气候特征与我国其他季风区差异显著。但是,我国
洞穴现代过程研究主要来自南方[43~49]
和华北地
区[50~52]
。庙洞是本溪为数不多的几个未受人类活
动显著影响(如旅游等)的岩溶洞穴之一,洞内次生
碳酸盐沉积丰富,已获得的石笋生长连续稳定,基
本涵盖整个全新世,可以为晚第四纪古气候研究提
供素材。本研究拟基于庙洞降水和滴水氢氧同位
素、滴水碳酸钙沉积的氧同位素两年(2012~2013年)的观测结果,探讨氧同位素信号在大气降水-滴
水-碳酸钙沉积中的传递特征,结果可以为研究东北地区的石笋氧同位素气候环境指示意义提供基础
参考。
1 研究区域概况
本溪庙洞(41°03′N,125°31′E)位于辽宁省本溪市桓仁县境内(图1)。西北距沈阳市 171km。桓仁县属辽东山地丘陵区,鸭绿江的支流浑江是流经桓
仁县境内的主要河流[53]。本区属于中温带湿润季风
气候区,四季分明,年平均气温 74℃,最冷 1月平均气温为-124℃,最热 7月平均气温为 229℃[54]
,年
平均相对湿度 66%,平均无霜期 153天左右。1953~2010年,桓仁县年降水量介于 578mm与 1451mm之间,多年平均降水量为883mm,6~8月降水量占全年降水量的65%[55]
。1953~2012年桓仁县年蒸发量为9537~14528mm,年平均蒸发量为 1221mm,春夏季蒸发量大
[54]。桓仁县处于长白山与华北两大植物区
系过渡带,森林资源丰富。植被为针叶-落叶阔叶林混交林,主要树种为柞树(Xylosmaracemosum)、红松(PinuskoraiensisSieb.etZucc.)、落 叶 松 (Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)、云杉(PiceaasperataMast.)等,洞穴上覆植被以次生落叶阔叶林为主,见有落叶
松和油松(PinustabulaeformisCarr.)零星分布。庙洞发育于奥陶系和寒武系碳酸盐岩地层中,
洞口海拔高程约为 193m,上覆岩层厚约 30~70m。洞穴呈近南北向展布,洞道呈裂缝式和廊道状,没
有大的厅堂,洞道高度变化大,最高处超过 20m,最矮处不足 1m,一般宽度为 1~10m,洞穴总长约500m,是一个典型的流出型洞穴。洞口为长约 10m的厅堂,曾建有庙宇,庙洞由此得名。厅堂之后的
洞道突然收狭,人只能爬行而过,狭长洞道长约
100m,之后洞道较为宽敞,地下河时隐时现。每当雨季来临,地下河水抬升,漫过狭长洞道,人无法
进入,因此洞穴监测数据主要集中在秋、冬、春 3个季节。
2 研究方法
21 滴水点介绍
基于研究石笋和洞穴滴水分布特征,在距离洞口约 400m的一个支洞内选取 3个常年滴水点(MD1、MD3和 MD4)进行观测。MD1距支洞口较近,滴水点高约 15m,滴水较快且稳定;MD3和MD4位于支洞深处的小洞腔中,由 MD1通往 MD3
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第 四 纪 研 究 2016年
图 1 辽宁本溪庙洞地理位置示意图
Fig1 SchematicmapshowinglocationofMiaodongCave
和 MD4滴点的通道极为狭窄,仅能容纳一人爬行通过,环境封闭。MD3和 MD4点相距约 15m,顶板平整,滴水点高约2m,根据洞顶鹅管及其供水管道分布情况分析,二者具有相同的补给水源,MD3和 MD4点均为小鹅管滴水,但是,MD4点的鹅管遭后期人为破坏,滴水快速,雨季有时会有连续流
出现,MD3则滴水缓慢。
22 实验方法
221 观测方案 从2012年1月至2013年12月,在本溪桓仁庙洞开始逐步建立野外观测系统,采用仪器自动记
录、现场滴定和样品室内测试相结合的方法。现场
测试洞穴温湿度、滴水速率,现场收集滴水样品带
回实验室测试氢氧同位素;放置玻璃片接受滴水碳
酸钙沉积,带回实验室供分析碳氧同位素比值。除
了雨季无法进入洞穴外,平均每 1~2月观测一次。在距离洞口约 500m处,选择开阔地,设立大气降水观测点,以月为时间间隔,收集大气降水样品,
供分析氢氧同位素,同时,自动记录降水量和大气
温湿度。
222 滴水速率、洞穴温湿度、滴水及其沉积样品收集
滴水速率(滴数/分钟)为人工计数,记录 10滴
所用时间,计算滴水速率,为了减小因视觉产生的
误差,重复 3次取平均值。对滴水较快的 MD4点采取多次计数 1分钟内滴水点数,最后取平均值来代表该点的滴水速率。洞内空气温度及相对湿度使
用便携温湿度计(HANNAHI8564,±04℃,±2%)测试。MD1和 MD3点的滴水碳酸钙沉积采用磨砂玻璃片(5×5×05cm3)收集,玻璃片的磨砂面朝上水平放置,MD4点因为滴水过快,玻璃片容易跌落,未放置玻璃片。玻璃片使用前用稀盐酸浸泡12小时,经超纯水洗净后烘干备用。接受沉积后的玻
璃片带回实验室,低温烘干处理后备用。滴水样品
用聚乙烯瓶收集,使用 4ml棕色玻璃瓶封装,恒温(4℃)保存,以备氢氧稳定同位素测试。223 大气温度、降水量和降水样品收集 大气降水量采用美国 7852自动记录雨量温度计(±02mm,-20~70℃)。使用置于百叶箱中的HOBOU12-011温 湿 度 记 录 采 集 大 气 温 度(±035℃,-20~70℃)和湿度 (±25%,5% ~95%)。雨水样品使用聚乙烯瓶和漏斗收集,漏斗中放置乒乓球,为防止水分蒸发,依据 IAEA观测站的监测方法在瓶中加入石蜡油,并用箔纸包裹瓶
身以减少太阳照射,雨水样品以月为单位收集。降
雪样品通过套在圆桶上的密封袋采集,每次降雪
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6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
后,将装有降雪样品的密封袋放入冰箱的保温层,
融化后水样转移到玻璃瓶保存。所有降水样品使用
4ml棕色玻璃瓶封装,恒温(4℃)保存,以备氢氧稳定同位素测试。
224 水中氢氧同位素测试
2012年 1月至 2013年 6月采集的水样稳定同
位素使用 Gasbench联接 Mat253同位素质谱仪,水平衡法测试氧同位素(±01‰),使用TC/EA方法测试氢同位素(±1‰),实验在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室完成。2013年 7月之后的水中氢氧稳定同位素分析?用美国 LGRDT100液体水激光同位素分析仪测定,氢、氧同位素测试精度分别为 10‰和 01‰,实验在中国科学院南京地理与湖泊研究所完成。所有水中氢、氧
同位素比值用 δ(‰,VSMOW)值表示,并用 δ18Op、
δ18Ow分别代表降水、滴水的氧同位素比值。
225 碳酸盐沉积的碳氧同位素测试
MD1与 MD3滴水点,各收取 8个玻璃片。每
个玻璃片选用随机采样的方法,用手术刀刮取玻璃
片上的次生碳酸盐样品,每个粉末样品重约 60μg,每个玻璃片的采样个数为 4~11个,依沉积量大小而不等,计算单个玻璃片所有测试值的中位数,代
表该玻璃片的碳酸盐碳氧稳定同位素比值。碳酸盐
碳、氧稳定同位素比值使用碳酸盐自动进样装置
(KielCarbonateDevice)与 FinniganMat253型气体质谱仪联机测试,实验分别在国家地质实验测试中
心与南京师范大学地理科学学院完成。为了监控不
同系统之间可能的误差,采用国际标准样品
(NBS19)标定系统参考气体,测试过程中,随机内插与待测样品同位素比值接近的实验室标样
(CAI13),结果以δ13C和 δ18O(‰,VPDB)表示,测
试误差小于 01‰。其中,用 δ18Oc代表碳酸钙测试
的氧同位素比值,δ18Oct代表碳酸钙理论计算的氧同位素比值,单位均为(‰,VPDB)。
226 降水加权平均计算方法
降水的加权平均值采用以下公式计算:
δ18OP =∑n
i=1
δ18OiPi
∑n
i=1Pi
其中,Pi为月降水量或者场降雪(雨)量;δ18Oi
为月降水量或者场降雪(雨)氧同位素值。
3 结果与讨论
31 降水氢氧同位素
观测获得 2012~2013年两年的大气降水和温度数据(图 2c),温度的季节性变化与我国东部季
图 2 2012~2013年本溪庙洞大气温度、降水量
及降水与洞穴滴水氧同位素动态
(a)月平均降水氧同位素(点划线为年重量加权平均值);(b)洞穴
滴水氧同位素(点划线为年重量加权平均值,双点划线为 6~9月雨
水重量加权平均值,虚线为 4~10月雨水重量加权平均值);
(c)大气温度和降水量
Fig2 Variationcharacteristicsoflocalmonthlytemperature,
precipitationamount,precipitationoxygenisotopeanddripwater
oxygenisotopeatmonitoringsitesinMiaodongCave,Benxi,
duringperiodof2012to2013.(a)Monthlyprecipitationoxygen
isotope(chain lines show annually weighted average of
precipitation);(b)Cavedripwateroxygenisotope(twodot
chainlinesshow weightedaverageofrainfallfrom Juneto
September,dashlinesshowweightedaverageofrainfallfrom
ApriltoOctober);(c)Temperatureandprecipitationamount
风区类似,呈正弦曲线变化特征。2013年平均温度为 63℃,2012年 1~2月因为记录器故障,数据缺失未做统计。2012年和 2013年降水量分别为1138mm和 1178mm,其中雨季(6~9月)降水量占全年降水量的 74%;2013年降水在 6~9月的雨季分布较为平均,相比之下,2013年降水主要在 7月,月降水强度远大于 2012年同期。
降水氧同位素显示出明显的季节变化(图 2a和表 1)。冬季降雪的 δ18Op值最负,为-1343‰,6~
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表 1 辽宁庙洞降水、洞穴滴水及其碳酸盐沉积氧同位素值一览表
Table1 Oxygenisotopevaluesofprecipitation,dripwaterandcalcitedepositioninMiaodongCave,Liaoning
年份
δ18Op(降水加权平均值) δ18Ow(滴水加权平均值) δ18Oc(测试值) δ18Oct(计算值) δ18Oc-δ18Oct
/‰,VSMOW /‰,VSMOW /‰,VPDB /‰,VPDB /‰,VPDB
全年 降雪 雨水 6~9月 MD1 MD3 MD1 MD3 MD1 MD3 MD1 MD3
2012 -9.76 -13.48 -9.55 -9.67 -9.54±0.08 -9.59±0.07 -8.65±0.13 -8.33±0.20 -9.16 -9.22 0.51 0.89
2013 -9.85 -13.37 -9.57 -9.96 -9.64±0.06 -9.64±0.14 -8.60±0.09 -8.41±0.22 -9.27 -9.28 0.67 0.87
合计 -9.81 -13.43 -9.56 -9.82 -9.59±0.07 -9.62±0.11 -8.63±0.11 -8.37±0.21 -9.22 -9.25 0.59 0.88
C.V /% -0.65 -0.58 -0.15 -2.09 -0.74 -0.37 -0.41 -0.68 -0.84 -0.46
C.V为变异系数,C.V=(标准偏差/平均值)×100%
9月雨季降水的 δ18Op值次之,为 -982‰(表 1),
春季和秋季的雨水偏正。降雪月均 δ18Op值较降水偏负的多,2012~2013年全年加权平均值分别为-1348‰和-1337‰(表 1),但单次降雪氧同位素值变化幅度很大,介于 -602‰和 -2601‰之间(图 3b)。降 雨 月 均 δ18Op 值 介 于 -1201‰ 和-715‰之间(图 2a),2012年和 2013年全年降雨(4~10月)加权平均值分别为-955‰和-957‰,略高于 6~9月降雨加权平均值 (-967‰ 和-996‰)(表 1和图 2b)。
不同年份季节性分布特征有所差异,总体上,
2012年单月平均降水氧同位素值较 2013年同期偏负(图 2a),但是,2013年7月份是一个例外,其氧同位素值较 2012年同期小(负偏)的多,对应的单月降水量也高出其他月份甚多,得益于 7月份更大的降水量和更负的 δ18Op值,2013年 6~9月加权平均值为-996‰,略小于2012年的-967‰(表 1和图 2b),说明雨季强降雨同位素值对全年平均 δ18Op值的贡献。
全年月均降水氧同位素与月均温度相关显著
(r=071,p<0001),而与降水量无相关关系。这与我国北方多数地方的降水同位素的统计特征类
似[38,56,57]
。但是,如果不统计降雪,只统计 4~10月的降水,结果则完全相反,4~10月降雨氧同位素与降水量显著相关(r=065,p<001),而与温度则不具统计意义上的相关关系。这说明北方降水的
温度效应更多的反映了季节性差异的信息。
降水氘氧同位素关系如图 3所示。庙洞当地的大气降水线方程为:δD=728δ18O+710(n=21,r=097)。与全球大气降水线(GMWL)[58,59]和我国东部季风区部分洞穴观测
[38]结果相比,斜率和截距略
低,与北京石花洞观测结果[38]类似。根据 IAEA观
测的东北 4个站点(长春、齐齐哈尔、哈尔滨和锦
州)数据结果[60]统计,东北地区的区域大气降水线
(LMWL)方程为:δD=727δ18O-154(n=111,r=097),二者斜率相同,但是,庙洞当地的大气降水线截距大的多(更大的过剩氘),这可能与 IAEA数据在冬季(降雪)缺失数据有关。从庙洞观测结果
看,场降雪较 4~10月降雨月均值具有更大的过剩氘(图 3b)。
32 洞穴滴水氢氧同位素特征及其对降水的继承性分析
MD1为常年滴水点,2011~2013年的 10~12月滴率基本保持在 12~18滴/分钟,1~6月滴率保持在 2~8滴/分钟,由图 4可以看出,该点滴水稳定,对降水的响应较慢、持续时间较长;MD3、MD4也为常年滴水点,MD3滴水最慢(每分钟小于 2滴),MD4滴水最快(保持在 20滴/分钟以上)。而在冬季所有滴水点的滴率均明显偏低。MD3、MD4滴水点滴率具有显著相关性,从侧面证明两滴水点
具有相同补给水源。
庙洞洞道曲折,洞内外空气交换弱,由洞口到
观测点所在小支洞,途径多处仅容一人穿行的狭
缝,洞内环境封闭,水潭常年有水,因此,洞内空
气湿度和温度基本保持恒定。观测期间,洞穴空气
相对湿度均大于 95%(图 4c),温度稳定在 115℃左右(图 4b),洞内平均温度比当地年均温度高出约 4℃,这是否与洞穴内常年流淌的地下河有关,尚待进一步研究。
洞穴滴水氧同位素值如图 2b所示。总体上,滴水氧同位素不论是滴水点之间,还是随时间变化
都非常小,本研究中 3个滴水点 MD1、MD3和MD4,其 δ18Ow值在测试误差范围内基本相同,维持在-96‰上下波动。说明洞穴上覆土壤层和表层岩溶系统调蓄能力较强,混合较均匀,这与我国南
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6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
图 3 庙洞降水和洞穴滴水的氢氧同位素关系图
(a)庙洞降水的 δD-δ18O关系、全球大气降水线(GMWL,实线)[58,59]和东北地区的区域大气降水线(LMWL,数据来源 IAEA[60]);
(b)庙洞降雨月均、场降雪和洞穴滴水的 δD-δ18O关系
Fig3 RelationshipsbetweenprecipitationandhydrogenandoxygenisotopevaluesofdripwaterinMiaodongCave.
(a)TheδD-δ18OcorrelationofprecipitationinMiaodongCave,globalmeteoricwaterline(GMWL,solidline)[58,59]
andlocalmeteoricwaterline(LMWL)inNortheasternChina(datafromIAEA[60]);(b)TheδD-δ18Ocorrelation
ofmonthlyrainfall,snowfalleventsandcavedripwaterinMiaodongCave
图 4 庙洞大气降水量、洞内温湿度和滴水滴率变化(a)滴水速率(driprate);(b)洞内温度(cavetemperature);(c)洞内相对湿度(caverelativehumidity);(d)降水量(precipitationamount)
Fig4 Seasonalvariabilityofprecipitationamount,caveairtemperature,caverelativehumidityanddriprateinMiaodongCave
方的 一 些 洞 穴 观 测 结 果[32,61]
差 异 较 大,也 与
Harmon等[30]观测的洞穴不同。滴水时间变化特征
类似于 Duan等[38]划分的稳定型滴水,说明滴水反
映的是年际-数年际尺度分辨率的变化,此类滴水形成的石笋可用于年代尺度以上的气候变化研究。
虽然季节性变化非常微弱,但是,从图 2b中还是可以看出春季滴水同位素稍微偏正。正好对应于
滴水速率最小阶段(图 4),这可能意味着滴率变慢会导致滴水富集
18O,但是在本研究中,其影响非常有限,可以忽略不计。与季节性变化类似,由图 2b
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看出,庙洞 3个滴水点 MD1、MD3和 MD4,其滴水
δ18Ow年际变化也非常小,变幅约为 02‰(图 2b),
根据表 1,MD1和 MD3滴水点的 δ18Ow 平均值,2013年较 2012年负偏约 005‰~010‰,这与降水加权平均值的年际变化特征相同(图 2b和表 1)。
庙洞地区大气降水 δ18Op冬季降雪最负,值为-1343‰,6~9月雨季降水次之,值为-982‰,春秋降雨最正,根据降水的季节性分布特征,分别
对全年降水、4~10月降雨做加权平均值(表 1和图 2b),其中全年降水 δ18Op加权平均偏负,值为
-981‰,全年降雨(4~10月降雨)δ18Op加权平均
偏正,值为-956‰,而所有滴水 δ18Ow 值(约为-96‰)介于二者之间(表 1),更接近于 4~10月降雨 δ18Op加权平均值;另外,滴水的年际变化没有降雨加权平均值显著,但是其趋势与降水年际特征
类似。这些现象说明庙洞滴水更多的继承了降雨的
氧同位素值,特别是 6~9月的雨季降水,而降雪的补给作用不明显。有研究表明土壤层和表层岩溶过
程可能发生蒸发作用,导致滴水氧同位素偏正[32],
庙洞是否也存在类似的“蒸发效应”?为了排除这
种可能性,我们将滴水的氘氧同位素投影到降雨和
降雪氘氧同位素关系图中(图 3b),从图 3b中可以清楚看出,滴水值位于降雨的平均值附近,二者都
位于降雪回归线的下方,说明滴水与降雨有相同的
过剩氘值,明显小于降雪的过剩氘值,这意味着降
雪对滴水补给贡献有限,另外这也从侧面证明了庙
洞上覆土壤过程对洞穴滴水补给水的氧同位素的影
响可能并不显著。
降雪对洞穴滴水的补给贡献小,除了降雪量相
对于降雨量少的因素外,更可能与该地区季节性冻
土层冻融过程与机制有关,因为开春积雪融化时段
正值该区春旱时节,融化的雪水可能更多地通过土
壤过程,或被蒸发或者被植物吸收,具体机制尚待
进一步的深入研究。
33 滴水方解石沉积的氧稳定同位素特征
根据显微镜下晶体特征鉴定,庙洞滴水的碳酸盐沉积均为方解石,其 δ18Oc值随时间变化如图 5,
δ18Oc值的年统计值列于表 1之中,δ18O值和δ13C值关
系如图 6所示。一般认为,平衡分馏的碳酸盐氧同位素决定于
母液氧同位素值和沉积温度[62,63]
。为了验证平衡
分馏时,滴水碳酸钙沉积的 δ18Oct理论值计算,采用
Kim和 ONeil[63]的经验公式,即:1000lnαctw =1803(10
3T-1)-3242 (1)
则: δ18Oct=αctw[δ18Ow +1000]-1000 (2)
其中,αct-w为滴水与碳酸钙沉积的氧同位素分
馏系数;δ18Ow为滴水氧同位素,采用玻璃片放置与
收集时滴水氧同位素的算术平均值;δ18Oct为平衡分馏理论计算值;T为绝对温度 (K),采用洞穴空气温度(约 12℃)。滴水 δ18Ow 的 PDB标准值采用
Coplen等[64]的经验公式,即 δ18OPDB =097002×
δ18OVSMOW-2998换算。计算的结果如图 5b和表 1所示。归纳起来,滴水碳酸钙沉积的 δ18O具有以下各
个特点:
(1)单一滴水点,氧同位素变化幅度非常小,MD3点变化幅度(约 05‰)略大于 MD1点(约03‰)(图 5b和图 6)。
(2)不同滴水点,MD1点和 MD3点的 δ18Oc平均值分别为-863(±011)‰和-837(±021)‰,MD1小于 MD3点,二者相差约 026‰。
(3)不论是单一滴水点,还是两个滴水点一起,δ18Oc和δ
13C都具有线性相关关系,所有数据点的
δ18Oc和δ13C之间线性相关非常显著(图 6)。
(4)滴水碳酸钙沉积的平衡分馏理论 δ18Oct值较实测值偏轻(图 5b),MD1和 MD3分别偏轻约059‰和 088‰(表 1)。
庙洞洞内环境封闭,空气温度恒定,湿度大于
95%,一般而言,在这种环境下,滴水同位素“蒸发效应”
[39]可以忽略不计。滴水沉积更有利于同位素
平衡分馏,庙洞所有观测点的滴水氧同位素在误差
范围内基本一致(约-96‰),差异非常小,因此,根据平衡分馏经验公式
[63]计算的理论值也基本保持
稳定(图 5b)。然而,实测结果却显示出显著的空间差异,滴水快的 MD1基本保持平衡分馏,而滴水慢的 MD3季节性变化约为 04‰(图 5b),平均值较MD1点偏正约 026‰(表 1),这些证据都暗示着MD3点存在动力分馏现象,δ18Oc和 δ
13C显著相关(图 6)进一步佐证了这一可能性。洞穴滴水沉积的动力分馏可能由于过快 CO2逸出或者蒸发作用造
成的[22],滴水的碳酸氢钙含量和电导都不高,而且
MD1还略微高于 MD3,说明不存在 CO2过快逸出导致 MD3发生动力分馏的可能性。比较这两个观测点的沉积环境,二者类似,MD3点位于支洞最深处,空气环境甚至更稳定,唯一的显著差异是滴水速
6731
6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
图 5 庙洞降水 δ18Op和滴水碳酸盐沉积的 δ18O变化
(a)月平均降水氧同位素,点划线为年重量加权平均值(Monthlyprecipitationoxygenisotope,chainlinesshowannuallyweightedaverage
ofprecipitation);(b)δ18O值;(c)MD1滴水速率(driprateofMD1);(d)MD3滴水速率(driprateofMD3);(e)降水量(precipitationamount)
Fig5 Variabilityofδ18OinprecipitationandthoseofincarbonatedepositionofdripsMD1andMD3inMiaodongCave
图 6 滴水点 MD1和 MD3碳酸盐沉积的
碳氧稳定同位素关系图
Fig6 δ18Ocvs.δ13Cincarbonateprecipitation
ofdripsitesMD1andMD3inMiaodongCave
率,MD3滴水速率较 MD1低了 1个数量级(图 5c
和图 5d),而且 MD3沉积物 δ18Oc最为偏正的春季
对应的滴水速率也最低(图 2b和图 4a)。因此,过
慢的滴水速率可能是导致 MD3点同位素偏正的原因。滴水速率太慢,致使滴水在沉积物顶面长期滞
留,滞留时间的延长可能引起以下 3个过程:1)增强蒸发作用。尽管庙洞洞内环境封闭,常年湿度大
于 95%,但是滴水长时间滞留沉积物表面,仍可能使缓慢的蒸发不断累积,导致沉积物的 δ18O出现可
识别的偏正现象;2)增加 CO2逸出比例。滞留时间延长意味着 CO2逸出时间的延长,这可能导致 CO2逸出比例的增加
[22],从而使得碳酸钙沉积物的 δ18O
变正;3)增加水膜中的 CO2与环境空气中 CO2的交换概率。
这 3个过程都可能导致滴水碳酸钙同位素偏离平衡分馏,究竟是哪个过程起主导?或者若干个过
程共同作用?尚待进一步的研究。
在石笋重建中,相同时段石笋有时会出现个别
石笋绝对值系统偏移,滴水太慢的点碳酸钙沉积物
的 δ18O偏重可能是出现这种现象的潜在影响因素。如果不同石笋序列间相互拼接时,这种情况需要结
合沉积速率判断,以便采取更合理的平移策略,从
而减小趋势误差。
值得注意的是,MD1滴水碳酸钙沉积的 δ18Oc显示其沉积基本达到同位素平衡分馏,但是,与理
论值 δ18Oct比较,偏重了大约059‰(表 1),这说明洞穴滴水沉积的氧同位素分馏系数可能大于 Kim和 ONeil[63]的估计值 10313,这个结果与 Day和
7731
第 四 纪 研 究 2016年
Henderson[21]的滴水模拟沉积实验结果类似,该模拟实验中滴水较慢的滴水点,其碳酸钙沉积的实测
值(25℃条件下)比理论值[63]δ18Oct偏重了约 1.0‰。
4 结论
基于本溪庙洞降水和滴水的氢氧同位素,以及滴水碳酸钙沉积的氧同位素两年的观测数据
(2012~2013年),我们分析了庙洞滴水氧同位素对大气降水氧同位素的继承性,并讨论了洞穴滴水碳
酸钙沉积的氧同位素时空变化特征、影响因素及其
对石笋古气候重建的指示意义。综上所述,可以得
出以下几点认识:
(1)庙洞降水 δ18Op季节性特征明显,冬季降雪
δ18Op值(-1343‰)小于 6~9月降雨(-982‰),春秋季降雨最正,当地降雨线与东北地区降雨线平
行,但是过剩氘更大,斜率小于全球大气降水线,
与北京观测结果更接近。
(2)洞穴滴水表现出很好的空间一致性,有微弱的年际变化,但是幅度很小(02‰),滴水 δ18Ow(约-96‰)介于全年降水加权平均值(-981‰)与 4~10月降雨加权平均值(-956‰)之间,更接近于后者,滴水的 δD-δ18O位于降雨线性回归线的
平均位置,与降雪的δD-δ18O回归线明显不同,说明滴水更多记录降雨的平均值,而降雪贡献较小。
(3)滴水碳酸钙沉积的氧同位素出现显著的空间差异,滴水较快的点,其 δ18Oc值没有明显的季节变化;相反,滴水慢的点(每分钟小于 2滴),其
δ18Oc值则出现明显季节性变化,变化幅度约为
04‰,而且,其 δ18Oc值相对于滴水快的点整体偏正约026‰,这种时空差异可能是滴率太慢引起的动力分馏造成的。
(4)对于无明显动力分馏的点,碳酸钙沉积的
δ18Oc值较理论计算值 δ18Oct偏正约 059‰,意味着
洞穴滴水氧同位素分馏系数比现在常用的经验值更
大,这与最近一些室内模拟实验结果类似,可能是
一个值得深入研究的科学问题。
致谢 感谢福建师范大学地理科学学院雷国良博士和河海大学水同位素实验室苏治国博士在水中
氧同位素测试给予的帮助;感谢辽宁省桓仁县沙尖
子镇政府和干沟子村委会对野外观测予以的支持;
特别感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师提出的宝贵
评审意见和修改建议,帮助提高和完善了本文。
参考文献 (References)
1 WangYJ,ChengH,EdwardsRLetal.Ahighresolutionabsolute
datedLatePleistocenemonsoonrecordfrom HuluCave,China.
Science,2001,294(5550):2345~2348
2 TanM,LiuTS,HouJZetal.Cyclicrapidwarmingoncentennial
scalerevealedbya2650yearstalagmiterecordofwarm season
temperature.GeophysicalResearch Letters, 2003, 30(12):
1617~1620
3 TanM,BakerA,GentyDetal.Applicationsofstalagmitelaminaeto
paleoclimate reconstructions: Comparison with dendrochronology/
climatology.QuaternaryScienceReviews,2006,25(17~18):2103~
2117
4 LiuDB,WangYJ,ChengHetal.AdetailedcomparisonofAsian
monsoonintensityandGreenlandtemperatureduringtheAllerdand
YoungerDryasevents.EarthandPlanetaryScienceLetters,2008,
272(3~4):691~697
5 谭 明.环流效应:中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的气
候意义———古气候记录与现代气候研究的一次对话.第四纪研
究,2009,29(5):851~862
TanMing.Circulationeffect:Climaticsignificanceoftheshortterm
variabilityoftheoxygenisotopesinstalagmitesfrom monsoonal
China———Dialogue between paleoclimate records and modern
climateresearch.QuaternarySciences,2009,29(5):851~862
6 ClemensSC,PrellW L,SunY B.Orbitalscaletimingand
mechanismsdrivingLatePleistoceneIndoAsiansummermonsoons:
Reinterpretingcavespeleothemδ18O.Paleoceanography,2010,25
(4):545~558
7 DayemKE,MolnarP,BattistiDSetal.Lessonslearnedfrom
oxygenisotopesinmodernprecipitationappliedtointerpretationof
speleothemrecordsofpaleoclimatefrom EasternAsia.Earthand
PlanetaryScienceLetters,2010,295(1~2):219~230
8 PausataFSR,BattistiD S,NisanciogluK H etal.Chinese
stalagmiteδ18OcontrolledbychangesintheIndianmonsoonduringa
simulatedHeinrich event.NatureGeoscience, 2011, 4(7):
474~480
9 MaherBA,ThompsonR.Oxygenisotopesfrom Chinesecaves:
Recordsnotofmonsoonrainfallbutofcirculationregime.Journalof
QuaternarySciences,2012,27(6):615~624
10 LiuZY,WenXY,BradyECetal.Chinesecaverecordsandthe
EastAsiasummermonsoon.QuaternaryScienceReviews,2014,83
(1):115~128
11 CaleyT,RocheDM,RenssenH.OrbitalAsiansummermonsoon
dynamicsrevealedusinganisotopeenabledglobalclimatemodel.
NatureCommunications,2014,5:doi:101038/ncomms6371
12 谭 明.近千年气候格局的环流背景:ENSO态的不确定性分析
与再重建.中国科学:地球科学,2016,46(5):657~673
TanMing.Circulationbackgroundofclimatepatternsinthepast
millennium:UncertaintyanalysisandrereconstructionofENSOlike
state.ScienceChina:EarthSciences,2016,59(6):1225~1241
13 何璐瑶,胡超涌,黄俊华等.石笋氧同位素指示东亚季风大尺
度环流特征.第四纪研究,2009,29(5):950~956
8731
6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
HeLuyao,HuChaoyong,HuangJunhuaetal.Characteristicsof
largescalecirculationofEastAsianmonsoonindicatedbyoxygen
isotope of stalagmites. Quaternary Sciences, 2009, 29(5):
950~956
14 胡超涌,汪颖钊,刘浴辉等.96~60kaB.P.阿曼降水重建及
其与中 国 南 方 降 水 的 对 比.第 四 纪 研 究,2016,36(3):
581~586
Hu Chaoyong, Wang Yingzhao, Liu Yuhuietal.Rainfall
reconstructionfrom Oman during 96~60kaB.P.and its
comparisonwiththatfrom SouthwestChina.QuaternarySciences,
2016,36(3):581~586
15 程 海,艾思本,王先锋等.中国南方石笋氧同位素记录的重
要意义.第四纪研究,2005,25(2):157~163
ChengHai,EdwardsRL,WangXianfengetal.Oxygenisotope
recordsofstalagmitesfrom SouthernChina.QuaternarySciences,
2005,25(2):157~163
16 谭 明.信风驱动的中国季风区石笋 δ18O与大尺度温度场负耦
合———从年代际变率到岁差周期的环流效应 (纪念 GNIP建网
50周年暨葫芦洞石笋末次冰期记录发表 10周年).第四纪研
究,2011,31(6):1086~1097
TanMing.Tradewinddriveninversecouplingbetweenstalagmite
δ18OfrommonsoonregionofChinaandlargescaletemperature———
Circulationeffectondecadaltoprecessionaltimescales.Quaternary
Sciences,2011,31(6):1086~1097
17 谭 明,南素兰,段武辉.中国季风区大气降水同位素的季节
尺度环流效应.第四纪研究,2016,36(3):575~580
TanMing,NanSulan,DuanWuhui.Seasonalscalecirculation
effectofstableisotopeinatmosphericprecipitationinthemonsoon
regionsofChina.QuaternarySciences,2016,36(3):575~580
18 段克勤,姚檀栋,邰庆国等.南亚季风降水的双极振荡.第四纪
研究,2006,26(2):192~197
DuanKeqin,YaoTandong,TaiQingguoetal.Adipolemodeof
monsoon rainfallin Himalaya and southern peninsularIndia
subcontinent.QuaternarySciences,2006,26(2):192~197
19 HendyCH.Theisotopicgeochemistryofspeleothems———Ⅰ.The
calculationoftheeffectsofdifferentmodesofformationonthe
isotopiccomposition ofspeleothemsand theirapplicability as
palaeoclimaticindicators.GeochimicaetCosmochimicaActa,1971,
35(8):801~824
20 DoraleJA,LiuZH.LimitationsofHendyTestcriteriainjudging
thepaleoclimatic suitability ofspeleothemsand the need for
replication.JournalofCaveandKarstStudies,2009,71(1):
73~80
21 DayCC,HendersonGM.Oxygenisotopesincalcitegrownunder
caveanalogueconditions.GeochimicaetCosmochimicaActa,2011,
75(14):3956~3972
22 BarMatthewsM,AyalonA,MatthewsAetal.Carbonandoxygen
isotopestudyoftheactivewatercarbonatesystem inakarstic
Mediterranean cave: Implicationsforpaleoclimate research in
semiaridregions.GeochimicaetCosmochimicaActa,1996,60(2):
337~347
23 周运超,王世杰.贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析.第
四纪研究,2005,25(2):208~215
ZhouYunchao,WangShijie.Analysisofhydrochemicalprocessof
dripwaterintheLiangfengCave,Libo,Guizhou.Quaternary
Sciences,2005,25(2):208~215
24 王新中,班凤梅,潘根兴.洞穴滴水地球化学的空间和时间变
化及其控制因素———以北京石花洞为例.第四纪研究,2005,
25(2):258~264
WangXinzhong,BanFengmei,PanGenxing.Temporalandspatial
variationofcavedripwatergeochemistryinShihuaCave,Beijing,
China.QuaternarySciences,2005,25(2):258~264
25 周运超,王世杰,谢兴能等.贵州 4个洞穴滴水对大气降雨响
应的动力学及其意义.科学通报,2004,49(21):2220~2227
ZhouYunchao,WangShijie,XieXingnengetal.Significanceand
dynamicsofdripwaterrespondingtorainfallinfourcavesof
Guizhou, China.Chinese Science Bulletin, 2005, 50(2):
154~161
26 李吉龙,段武辉,吴江滢.安徽蓬莱仙洞不同滴水点差异 PCP
作用及其古气候记录研究意义.第四纪研究,2014,34(4):
905~906
LiJilong,DuanWuhui,WuJiangying.Priorcalciteprecipitationat
differentdripwatersitesinPenglaixianCave,AnhuiProvinceand
thepaleoclimaticimplications.QuaternarySciences,2014,34(4):
905~906
27 张 伟,段武辉,吴江滢等.南京葫芦洞缺失现代沉积的一个
重要原因:盐效应?———与同一气候条件下安徽蓬莱仙洞的对
比观测研究.第四纪研究,2012,32(2):361~368
ZhangWei,DuanWuhui,WuJiangyingetal.Oneoftheimportant
causesoflackofactivespeleotheminNanjingHuluCave:Salting
ineffect?—A comparativestudywithPenglaixianCave,Anhui
underthesameclimateconditions.QuaternarySciences,2012,32
(2):361~368
28 桑文翠,张德忠,王晓锋等.甘肃武都万象洞方解石现代沉积
控制因素分析.第四纪研究,2013,33(5):936~944
SangWencui,ZhangDezhong,WangXiaofengetal.Analysisof
moderncalcitedepositioncontrollingfactorsinWanxiangCavefrom
Wudu,Gansu.QuaternarySciences,2013,33(5):936~944
29 刘 肖,杨 琰,彭 涛等.河南鸡冠洞洞穴水对极端气候的
响应及其控制因素研究.环境科学,2015,36(5):1582~1589
LiuXiao,YangYan,PengTaoetal.Responseandcontrolfactors
ofgroundwatertoextremeweather,JiguanCave,HenanProvince,
China.EnvironmentalScience,36(5):1582~1589
30 HarmonRS,SchwarczH P,GascoyneM etal.Paleoclimate
informationfromspeleothems:Thepresentasaguidetothepast.
In:SasowskyID,MylroieJeds.StudiesofCaveSediments———
PhysicalandChemicalRecordsofPaleoclimate.NewYork:Kluwer
Academic/PlenumPublisher,2004.199~226
31 白 晓,桑文翠,李丰山等.武都万象洞方解石现代沉积体系
δ18O值月变化特征.地球化学,2015,44(3):245~253
BaiXiao,SangWencui,LiFengshanetal.Monthlyisotopic
variationsofcalcitedepositionsystem inWanxiangCave,Wudu
County,Gansu.Geochimica,2015,44(3):245~253
32 罗维均,王世杰.贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的 δ18O信
9731
第 四 纪 研 究 2016年
号传递及其意义.科学通报,2008,53(17):2071~2076
LuoWeijun,WangShijie.Transmissionofoxygenisotopesignalsof
precipitationsoilwaterdripwateranditsimplicationsinLiangfeng
CaveofGuizhou,China.ChineseScienceBulletin,2008,53(21):
3364~3370
33 王海波,李廷勇,袁 娜等.重庆金佛山羊口洞滴水 δD和 δ18O
变化特征及其环境意义.中国岩溶,2014,33(2):146~155
WangHaibo, LiTingyong, Yuan Na etal.Environmental
significationandcharacteristicsofδDandδ18Ovariationindripwater
inYangkouCave,Chongqing.CarsologicaSinica,2014,33(2):
146~155
34 张平中,陈一萌,JohnsonKR等.甘肃武都万象洞滴水与现代
石笋 同 位 素 的 环 境 意 义.科 学 通 报,2004,49(15):
1529~1531
ZhangPingzhong,ChenYimeng,JohnsonK R etal.Modern
systematics and environmentalsignificance ofstable isotopic
variationsinWanxiangCave,Wudu,Gansu,China.ChineseScience
Bulletin,2004,49(15):1649~1652
35 李 彬,袁道先,林玉石等.桂林地区降水、洞穴滴水及现代洞
穴碳酸盐氧碳同位素研究及其环境意义.中国科学 (D辑),
2000,30(1):81~87
LiBin,YuanDaoxian,LinYushietal.Oxygenandcarbonisotopic
characteristicsofrainwater,dripwaterandpresentspeleothemsina
caveinGuilinarea,andtheirenvironmentalmeanings.Sciencein
China(SeriesD),2000,43(3):277~285
36 赵景耀,杨 琰,彭 涛等.河南鸡冠洞降水、滴水和现生碳酸
钙的 δ18O变化特征及其环流意义.第四纪研究,2014,34(5):
1106~1116
ZhaoJingyao,YangYan,PengTaoetal.Variationofδ18Ovaluesin
theprecipitation,cavedripwaterandmoderncalcitedepositionin
JiguanCave,HenanProvinceanditsatmosphericcirculationeffect.
QuaternarySciences,2014,34(5):1106~1116
37 张美良,朱晓燕,吴 夏等.桂林洞穴滴水与现代碳酸钙 δ18O记
录的环境意义———以桂林七星岩 No15支洞为例.沉积学报,
2015,33(4):697~705
ZhangMeiliang, Zhu Xiaoyan, Wu Xiaetal.Environmental
significanceofδ18Orecordfromcavedripwaterandrecentcarbonate
depositatNo15branchingcaveofSevenStarCaveinGuilin.Acta
SedimentologicaSinica,2015,33(4):697~705
38 DuanW H,RuanJY,LuoW Jetal.Thetransferofseasonal
isotopicvariabilitybetweenprecipitationanddripwaterateight
cavesinthemonsoonregionsofChina.GeochimicaetCosmochimica
Acta,2016,183:250~266,doi:101016/j.gca.201603037
39 田立军,周厚云,段武辉.“蒸发效应”对洞穴滴水氧同位素
信号传递的影响———以广东宝晶宫现代观测为例.第四纪研
究,2013,33(3):618~620
TianLijun,ZhouHouyun,DuanWuhui.The“EvaporationEffect”
on transmission ofoxygen isotope signalofdrip water in
Baojinggong,Guangdongrevealedbycavemonitoring.Quaternary
Sciences,2013,33(3):618~620
40 HouJZ,TanM,ChengHetal.Stableisotoperecordsofplant
coverchangeand monsoon variation in thepast2200 years:
Evidencefrom laminatedstalagmitesinBeijing,China.Boreas,
2003,32(2):304~313
41 吴江滢,汪永进,董进国.全新世东亚夏季风演化的辽宁暖和
洞石笋 δ18O记录.第四纪研究,2011,31(6):990~998
WuJiangying,WangYongjin,DongJinguo.ChangesinEastAsian
summermonsoonduringtheHolocenerecordedbystalagmiteδ18O
recordsfrom LiaoningProvince.QuaternarySciences,2011,31
(6):990~998
42 郭 允,吴江滢,汪永进等.辽宁本溪暖和洞早全新世石笋年
纹层记录.海洋地质与第四纪地质,2012,32(2):135~141
GuoYun,WuJiangying,WangYongjinetal.EarlyHolocene
laminatedstalagmiterecordsfrom NuanheCave,Benxi,China.
MarineGeology&QuaternaryGeology,2012,32(2):135~141
43 邓 朝,汪永进,刘殿兵等.“82ka”事件的湖北神农架高分
辨率年纹层石笋记录.第四纪研究,2013,33(5):945~953
DengChao,WangYongjin,LiuDianbingetal.TheAsianmonsoon
variabilityaround82kaB.P.recordedbyanannuallylaminated
stalagmite from Mt.Shennongjia, CentralChina.Quaternary
Sciences,2013,33(5):945~953
44 李玲珑,刘再华.不同植被条件下岩溶地下水δ13CDIC的差异研
究———以贵州夜郎洞、天钟洞和普定岩溶水碳通量模拟试验场
为例.第四纪研究,2015,35(4):913~921
LiLinglong,LiuZaihua.Studyonthedifferenceinδ13CDICofkarst
groundwaterunderdifferentconditionsofvegetation———Examples
fromYelangCave,TianzhongCaveandPudingSimulationTestSite.
QuaternarySciences,2015,35(4):913~921
45 王晓艳,何尧启,姜修洋.CIS24事件的精确定年及亚旋回特
征:以黔北三星洞石笋为例.第四纪研究,2015,35(6):
1418~1424
WangXiaoyan,HeYaoqi,JiangXiuyang.Precisedatingofthe
ChineseInterstadial24eventanditssubcyclesinferredfromahigh
resolutionstalagmiteδ18O recordinnorthernGuizhouProvince.
QuaternarySciences,2015,35(6):1418~1424
46 张振球,刘殿兵,汪永进等.中全新世东亚季风年至 10年际气
候变率:湖北青天洞556~484kaB.P.石笋年层厚度与地球
化学证据.第四纪研究,2014,34(6):1246~1255
ZhangZhenqiu,LiuDianbing,WangYongjinetal.Annualto
decadalscalevariabilityofAsianmonsoonclimatesduringMid
Holocene:Evidencefromproxiesofannualbandsandgeochemical
behaviorsofaspeleothemfrom556kaB.P.to484kaB.P.in
QingtianCave,CentralChina.QuaternarySciences,2014,34(6):
1246~1255
47 李 伟,陈仕涛,吴帅男等.东亚季风 “28ka”事件高分辨率
的石笋记录.第四纪研究,2014,34(6):1256~1263
LiWei,ChenShitao,WuShuainanetal.AhighresolutionEast
Asianmonsoonrecordsaround2.8kaB.P.fromMt.Shennongjia,
CentralChina.QuaternarySciences,2014,34(6):1256~1263
48 陈 琼,刘淑华,米小建等.川东北石笋记录的 GIS4~5夏季
风气候变化及与高纬气候的联系.第四纪研究,2014,34(6):
1264~1269
ChenQiong,LiuShuhua,MiXiaojianetal.Spelepthemderived
AsiansummermonsoonvariationsduringGreenlandInterstadials4to
0831
6期 王 芳等:辽宁本溪庙洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其古气候意义
5inNE Sichuan,CentralChinaandteleconnectionswithhigh
latitudeclimates.QuaternarySciences,2014,34(6):1264~1269
49 张伟宏,汪永进,吴江滢等.南京葫芦洞石笋微量元素记录的
末次冰消期气候变化.第四纪研究,2014,34(6):1227~1237
ZhangWeihong,WangYongjin,WuJiangyingetal.Lastdeglacial
climatevariationsinferredfromtraceelementsinastalagmitefrom
HuluCave,Nanjing.QuaternarySciences,2014,34(6):1227~
1237
50 王晓锋,张平中,周鹏超等.MIS5c向 MIS5b转换期亚洲夏季
风的演变特征———万象洞石笋记录.第四纪研究,2015,35
(6):1412~1417
WangXiaofeng,ZhangPingzhong,ZhouPengchaoetal.The
evolutionofAsiansummermonsoonduringMIS5c~5bfrom a
stalagmiterecordinWanxiangCave.QuaternarySciences,2015,35
(6):1412~1417
51 董进国,吉云松,钱 鹏.黄土高原洞穴石笋记录的82kaB.P.
气候突变事件.第四纪研究,2013,33(5):1034~1036
DongJinguo,JiYunsong,QianPeng. “82kaB.P.event”of
AsianmonsooninastalagmiterecordfromChineseLoessPlateau.
QuaternarySciences,2013,33(5):1034~1036
52 谭亮成,蔡演军,安芷生等.石笋氧同位素和微量元素记录的
陕南地区 4200~2000aB.P.高分辨率季风降雨变化.第四纪研
究,2014,34(6):1238~1245
TanLiangcheng,CaiYanjun,AnZhishengetal.Highresolution
monsoonprecipitationvariationsinsouthernShaanxi,CentralChina
during4200~2000aB.P.asrevealedbyspeleothemδ18OandSr/Ca
records.QuaternarySciences,2014,34(6):1238~1245
53 张 鑫.辽宁省自然灾害的第四纪环境背景研究.大连:辽宁师
范大学硕士学位论文,2005.18~26
ZhangXin.Studyon theQuaternaryEnvironmentofNatural
DisastersinLiaoningProvince.Dalian:TheMastersDissertationof
LiaoningNormalUniversity,2005.18~26
54 赵 雷,吉 奇,林 双等.1953-2012年桓仁县气温与蒸发量
变化特征及趋势分析.现代农业科技,2015,(3):226~228
ZhaoLei, JiQi, Lin Shuang etal.Analysison variation
characteristicsandtrendoftemperatureandevaporationinHuanren
Countyfrom 1953 to2012.Modern AgriculturalScienceand
Technology,2015,(3):226~228
55 高 博,吉 奇,孙 雪等.近 58年桓仁县暖干化趋势与土壤
蒸发量特征分析.安徽农业科学,2014,24:8289~8290
GaoBo,JiQi,SunXueetal.Analysisonwarminganddrying
trendsandcharacteristicsofsoilevaporationinHuanrenCountyin
recent58years.JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2014,24:
8289~8290
56 JohnsonKR,IngramBL.Spatialandtemporalvariabilityinthe
stableisotope systematics ofmodern precipitation in China:
Implicationsforpaleoclimatereconstructions.EarthandPlanetary
ScienceLetters,2004,220(3~4):365~377
57 柳鉴容,宋献方,袁国富等.中国东部季风区大气降水 δ18O的特
征及水汽来源.科学通报,2009,54(22):3521~3531
LiuJianrong,SongXianfang,YuanGuofuetal.Characteristicsof
δ18OinprecipitationovereasternmonsoonChinaandthewatervapor
sources.ChineseScienceBulletin,2010,55(2):200~211
58 CraigH.Isotopicstandardsforcarbonandoxygenandcorrection
factorsformassspectrometricanalysisofcarbondioxide.Geochimica
etCosmochimicaActa,1957,12(1~2):133~149
59 CraigH.Isotopicvariationsinmeteoricwaters.Science,1961,133
(3465):1702~1703
60 IAEA/WMO.GlobalNetworkofIsotopesinPrecipitation.TheGNIP
Database.2004,Accessibleat:http:∥isohis.iaea.org
61 李廷勇,李红春,向晓晶等.碳同位素 (δ13C)在重庆岩溶地区
植被-土壤-基岩-洞穴系统运移特征研究.中国科学:地球科
学,2012,42(4):526~535
LiTingyong,LiHongchun,XiangXiaojingetal.Transportation
characteristicsofδ13C intheplantssoilbedrockcavesystem in
Chongqingkarstarea.ScienceChina:EarthSciences,2012,55
(4):685~694
62 ONeilJR,ClaytonRN,MayedaTK.Oxygenisotopefractionation
indivalentmetalcarbonates.JournalofChemicalPhysics,1969,51
(12):5547~5558
63 KimST,ONeilJR.Equilibrium and nonequilibrium oxygen
isotopeeffectsinsyntheticcarbonates.GeochimicaetCosmochimica
Acta,1997,61(16):3461~3475
64 CoplenTB,KendallC,HoppleJ.Comparisonofstableisotope
referencesamples.Nature,1983,302(5905):236~238
1831
第 四 纪 研 究 2016年
VARIATIONOFδ18OINTHEMETEORICPRECIPITATION,DRIPWATERANDTHEIRCALCITEDEPOSITIONINMIAODONGCAVE,LIAONINGPROVINCEANDITSIMPLICATIONSFORPALAEOCLIMATICRECONSTRUCTIONS
WangFang①②③ SunQing② CaiBinggui①④⑤ ZhangLei⑥ LiMiaofa① LiTingting①
(①KeyLaboratoryforSubtropicalMountainEcology(MinistryofScienceandTechnologyandFujianProvinceFunded),CollegeofGeographicalSciences,
FujianNormalUniversity,Fuzhou350007;②NationalResearchCenterforGeoanalysis,Beijing100037;③SchoolofGeosciencesandResources,China
UniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;④InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007;⑤DepartmentofGeological
Sciences,UniversityofTexasatSanAntonio,SanAntonio,TX78249,USA;⑥KeyLaboratoryofCenozoicGeologyandEnvironment,InstituteofGeology
andGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)
Abstract
TheMiaodongCave(41°03′N,125°31′E)islocatedinHuanrenCounty,BenxiCity,LiaoningProvince,171kmnortheastofShenyangCity.ThelocationisclosetonorthernmarginregionoftheEastAsianSummerMonsoon(EASM).ItsclimateissensibletooscillationofEASM.Highresolutionstalagmiteδ18O recordinthisareaisimportantforunderstandingtheevolutionandmechanismofEASM.However,interpretationofstalagmiteδ18Oisneverstraightforwardduetocomplexkarstprocesses.Thus,knowledgeabouttransfersofseasonalisotopicvariabilityamongmeteoricprecipitation,dripwateranditscalcitedepositioniscrucialforbetterunderstandingofstalagmiteδ18O.Tothisend,submonthlyinsitumonitoringofδ18Ointhemeteoricprecipitation,dripwaterandcalcitedepositionratewascarriedoutatMiaodongCave,throughtwohydrologicalyears(from January2012toDecember2013)todeterminetheseasonalvariabilityandmechanismsofoxygenisotopictransferinMiaodongCave.
Oxygenisotopicrationinprecipitation(δ18Op,VSMOW) exhibitssignificantseasonaltrend,withmostnegativevaluesinwintersnow(-1343‰),andlessnegativevaluesfromJunetoSeptember(-982‰),whilemorepositivevaluesinspringandautumnrainfall.Annuallyweightedaveragevalueofδ18Opisabout-981‰,andweightedaveragevalueofrainfall(from ApriltoOctober)δ18Op is-956‰.ThelocalMeteoricWaterLine(LMWL)hassmallerslope,whichisdifferentfromGlobalMeteoricWaterLine(GMWL)andthoseoffromSouthernChina,butissimilarwiththatofBeijingregion.
Unliketolargeamplitudevariabilityofδ18Op,valuesofδ18Oindripwater(δ18Ow,VSMOW)ofthreedripsites
(MD1,MD3andMD4)showextremelyconstantbothonseasonalandspatialscales,withameanvalueof-96‰,althoughthereisslightlyinterannualvariability(about02‰ negativein2013thanin2012).δ18Owrangebetweenannuallyweightedaverageofprecipitationandweightedaverageofrainfall(fromApriltoOctober),andismuchclosetothelatter.TheδD-δ18Owindripwaterisplottedinamediumpositionofthelinearregressionlineofrainfallδ18Ow,whichisdifferenttothatofsnowfall.Thesetogetherimplythatdripwaterδ
18Owresponsestorainfallδ18Owell,andsnowfallcontributesmuchlesstothedripwater.
Thevariationofδ18OwshowssiteindependentevendripratedifferssomuchbetweenMD1andMD3.However,thevariabilityofδ18Oincalcitedepositionofdripwater(δ18Oc)yieldssignificantsitedependent.Atsitewithmoderatedischargerate(MD1),theδ18Ockeepsconstantlikethatoffeedingdripswater.Onthecontrary,theδ18OcshowssignificantseasonaltrendatdripsiteMD3,withslowdischarge(lessthan2dropsperminute),withca.04‰ heavierindryseasonthanthatofinrainyseason.Inaddition,δ18OcofMD3isslight(ca.026‰),butsignificant,heavierthanthoseofMD1.Thisdiscrepantofδ18Ocbetweentwodripsitesmaybederivefromdynamicfractionationduetomuchdifferentdischargerate,consideringthesimilarandhumidairconditionaroundtwosites.Itisinterestingthattheδ18Ocisabout059‰ heavierthanthoseofcalculatedresultsbasingonδ
18OwandTunderequilibriumfraction.Thiscoincideswithsomesimulatedexperiment,andimpliesthatthefractionatefactorsofdripwateroxygenisotopeisslightlygreaterthanthevalue(about10313)estimatedbyKimandONeil(1997).
Keywords meteoricprecipitation,dripwater,δ18O,δD,MiaodongCaveinLiaoningProvince
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