黄龙钙华210Pb计年与现代沉积的环境变化研究

王 华,覃嘉铭,安德军,杨 琰,孙海龙,林玉山,杨勋林,应启和,张清明

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;

2)黄龙国家级风景名胜管理局,四川松潘 623300;

3)西南大学地理科学学院,重庆 400715;

4)中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳 550002

黄龙钙华210Pb计年与现代沉积的环境变化研究

王 华1),覃嘉铭1),安德军2),杨 琰3),孙海龙4),林玉山1),杨勋林3),应启和1),张清明2)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;

2)黄龙国家级风景名胜管理局,四川松潘 623300;

3)西南大学地理科学学院,重庆 400715;

4)中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳 550002

本文以黄龙钙华岩芯为主要研究对象,利用210Pb定年技术在测定年轻碳酸盐样品短时间尺度上的优势建立了研究区近100年来高精度的年代标尺及环境记录;通过碳氧稳定同位素的分析,讨论了钙华稳定同位素记录与器测气候数据的相关性特征,并与其他定年技术所获得的结果进行了相互验证。研究区钙华δ18O在 1908~2004年时段内的变化范围为−12.13‰~−10.42‰,平均值为−11.23‰,变化幅度达到了 1.7‰。同属西南季风区、由于海拔效应和距离水汽来源远近不同等因素的影响,在同时段内黄龙钙华δ18O的变化范围和变化幅度都比董歌洞和Kahf Defore洞的δ18O记录要大,说明处于中纬度、高海拔的黄龙钙华相对于低海拔的董歌洞和Kahf Defore洞石笋对气候环境的响应可能更加敏感。

钙华;210Pb;稳定同位素;气候变化;黄龙

过去几十年来洞穴碳酸盐沉积古气候记录研究取得了许多令人瞩目的学术成果(何尧启等,2005;Fleitmanna D 等,2004;汪永进等,2001;程海等,2005;覃嘉铭等,2005;汪永进等,2005;袁道先等,2004),但由于年代学及样品自身的限制,近 100年来的古气候研究一直是一个难点。而发育于地表的近代钙华沉积物由于沉积速度快(刘再华等,2006;孙海龙等,2008),另外采用210Pb定年技术(杨勋林等,2007;王华等2008;王华等2009)有助于对上述问题的解决。四川黄龙地区分布有较好的钙华沉积物,在不破坏旅游景观的前提下,对该地区钙华沉积进行年代学和环境记录研究,揭示黄龙地区近代生态环境的变化趋势,无疑可为人们认识和适应当今全球环境变化等问题提供科学依据。利用钙华岩芯进行古气候环境重建,首要的问题就是必须建立可靠、精确的时间标尺,本文就是利用210Pb定年技术在测定年轻碳酸盐样品短时间尺度上的优势,建立了研究区近100年来高精度的年代标尺及环境记录。

1 黄龙景区地质环境概况

黄龙风景名胜区位于四川省阿坝州松潘县(四川地矿局成都水文队,1986;四川地矿局成都水文队,1987),南距成都市约350km,其景区中心点地理坐标为东经 103°50′,北纬 32°45′,处于青海高地和四川盆地交界部位的崛山山脉南坡,海拔3100-3600 m,位于城东北,雪宝顶北侧一条南北向沟中,总面积达1340km2。南起海拔3600 m的望乡台冰川终债垅,北止于海拔3080 m的涪江河谷,全长3.5km。

黄龙位于岷山山脉北中段,在地质构造上处于以雪山断裂为其北界的雪宝顶褶皱推覆构造带。区内褶皱、断裂发育,主要褶皱、断裂均呈近东西向展布。望乡台以南主要分布泥盆系、石炭系、二叠系灰岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩等可溶性岩组;望乡台以北主要分布三叠系砂岩、板岩夹灰岩及志留系(雪山断裂以北)板岩夹砂岩、夹灰岩等非可溶性岩组。因此,南部可溶的碳酸盐岩发育的断裂、节理裂隙为岩溶水的补给、深部循环创造了条件;北部隔水的非可溶岩为黄龙沟中浅层地下水构成了良好的隔水底板,为深循环岩溶水提供了钙华沉积发育的良好的场所(四川地矿局成都水文队,1986,1987;李宏业,2003;王华等,2007)。

2 样品的采集和分析

黄龙沟钙华主要是全新世生长的年轻钙华,一般质地致密,无重结晶、溶蚀等现象,无明显的沉积间断,非常适合210Pb测年方法。因此,我们利用210Pb测年法(王华等,2008)在短时间尺度上建立了黄龙钙华的年代标尺,对钙华氧同位素记录与器测气候数据进行相关对比分析,同时也可以与其他定年结果相互验证。

2.1 210Pb样品的取样

本次工作原计划在黄龙沟的上方钙华源头石塔镇海彩池采样,从沉积厚度较大的彩池边横切面打钻取样,但由于各种原因,不能按预定计划执行。而只能在黄龙钙华尾部迎宾池(上方)左 300 m处钙华取样,用小型电钻和加工的特制钻杆,钻取 1#钻孔岩芯样(2007P015)和2#钻孔(2007P014)的钙华岩芯。2个孔岩芯样水平距离约 3 m,采样点位置如图1所示。

图1 黄龙钙华剖面图(引自四川地矿局成都水文队,1986,1987)Fig.1 Profile of tufa in Huanglong(cited from Hydrological Party of Chengdu,Sichuan Bureau of Geology and Mineral Resources,1986,1987)

1#钻孔深 86cm,取 27个钙华样,2#钻孔深 74cm,取48个钙华样,因为钻头只有25cm长,达不到取样的深度,为了野外便于携带,加工了多根φ3cm,长30cm的钻杆。通过对2个钻孔210Pb的所有数据分析,我们发现由于钻头不够长,在加钻杆重新下钻的过程中,每一次钻进的上部,其210Pb dpm有超常高值,可能是因没有套管或钙华沉积中间有空隙间断,前一钻周围岩石的混杂而造成后一钻在其上部210Pb都有明显增加(见表1、2带*数据),同时2个钻孔第二钻以后的样品沉积时代超出本次研究的范围,为此对 2个钻孔的210Pb的年代样品,在作210Pb拟合时仅采用其第一次取心的样品。以不均匀间隔采样,1#钻孔从顶层向下在1.00cm、3.00cm、5.50cm、7.50cm、12.50cm、17.50cm、22.50cm、27.50cm、48.75cm和56.50cm处共采集样品10个。2#钻孔在从顶层向下在1.00cm、1.50cm、1.7cm、 5.00cm、8.30cm、11.70cm、15.00cm、18.30cm、21.70cm、25.00cm、28.30cm、51.7cm、55cm、58.3cm处共采集年代样品14个。

2.2 黄龙钙华碳氧稳定同位素取样

对黄龙 2号钻孔钙华岩芯(2007P014)进行了碳氧稳定同位素取样。钙华岩芯的碳氧稳定同位素分析样品是从钙华岩芯顶端沿着钙华岩芯生长轴向下的方向,以一定的间隔距离,利用刻刀在钙华岩芯生长纹层面上刮削。其取样位置与210Pb测年样品一致。

2.3 样品的分析

样品由中国地质科学院岩溶地质研究所进行分析,210Pb样品磨碎后准确称重,放置于烧杯中;先加 HCl溶解,然后加少许抗坏血酸掩蔽杂质,再加入209Po示踪剂;将银片放入溶液,在＜80℃下自沉积 8小时;取出银片,用美国 EG&G Ortec 公司生产的920-8 alpha多道能谱仪测量放射性活度。仪器分辨率FW=19 kev,仪器效率η为21%:测量误差σ为±(5%～8%)。

碳氧同位素样品分析由河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室使用气体同位素质谱仪(MAT253)及与其相配套的GasBench制样装置进行,采用磷酸脱水酸解法,分析精度为:δ13C ≤ 0.1‰、δ18O ≤ 0.2‰。

3 表层钙华210Pb的分析结果及年代标尺的建立

2个钻孔钙华岩芯从顶部至下方颜色比较单一,说明黄龙钙华岩芯在短时间尺度内沉积比较均匀,可以利用210Pb放射性活度随取样深度变化的数据,计算出它们从顶部至58.3cm和56.5cm内的年平均沉积速率(王华等,2008),建立起黄龙2个钻孔钙华岩芯的近100年来的时间序列。

210Pb的半衰期为22.3a,210Pb随深度呈指数衰变,衰变的趋势逐渐减缓,在55.00cm处放射性活度最为平缓,可以认为在55.00cm以下部分的210Pb放射性活度是由226Ra衰变的210Pb(本底值)所贡献的。而在这之上样品的210Pb多数来自水体和大气中过剩的210Pb。过剩210Pb的存在表明选取的钙华岩芯样品年龄小于100年(a)。我们采用两个钻孔50cm以下的岩芯的低210Pb放射性强度值(共8件,平均值为:0.064±0.039(dpm/g))作为本底加以扣除。所得到的210Pb过剩(dpm/g)见(表1-表2),拟合钙华岩芯生长速率,得出1号钻孔为0.33cm/a和2号钻孔为0.29cm/a(见图2和图3)。而两表中的第6及第7列则为根据沉积速率计算得出的时间标尺系列。

表1 黄龙1号孔钙华210Pb分析结果表Table 1 210Pb analyses of tufa from No.1 borehole in Huanglong

图2 黄龙1号孔钙华210Pb的放射性活度随深度衰变的关系(红色曲线为拟合曲线)Fig.2 Plot of210Pb activity versus depth of tufa from No.1 borehole in Huanglong (red curve indicating the fitting curve)

图3 黄龙2号孔钙华210Pb的放射性活度随深度衰变的关系(红色曲线为拟合曲线)Fig.3 Plot of210Pb activity versus depth of tufa fromNo.2 borehole in Huanglong(red curve indicating the fitting curve)

表2 黄龙2号孔钙华210Pb分析结果表Table 2 210Pb analyses of tufa from No.2 borehole in Huanglong

4 黄龙近百年来的δ18O和δ13C记录及其环境意义

利用已经建立的黄龙2号钻孔岩芯的年代标尺,结合碳氧稳定同位素记录,得到了黄龙近百年来钙华的δ13C和δ18O记录,如图4。

黄龙2号孔钙华岩芯的δ18O在1908-2004年时段内的变化范围为−12.13‰～ −10.42‰,其平均值为−11.23‰,变化幅度达到了1.7‰。同属西南季风区、海拔较低的荔波董歌洞(何尧启等,2005)(25°02′N,108°05′E,680m a.s.l.)石笋δ18O 在相同时段内变化范围为−7.53‰ ～ −7.18‰,平均值为−7.31‰,变化幅度仅为0.35‰;而地处热带低海拔的阿曼Kahf Defore(Fleitmanna D 等,2004)(17°07′N,54°05′E,150m a.s.l.)石笋δ18O 变化范围为0.20‰～ −1.01‰,平均值为−0.38‰。可见,由于海拔效应和距离水汽来源远近不同等因素的影响,在相同时段内黄龙钙华δ18O的变化范围和变化幅度都比董歌洞和 Kahf Defore 洞的要大,说明处于中纬度、高海拔的黄龙洞石笋相对于低海拔的董歌洞和 Kahf Defore洞石笋对气候环境的响应可能更加敏感。

图4 黄龙2号孔钙华的δ13C和δ18O记录Fig.4 δ13C and δ18O versus time from tufa of No.2 borehole in Huanglong

大量研究已表明,亚洲季风区石笋氧同位素记录主要反映了在冰期/间冰期或冰段/间冰段等大尺度上的亚洲季风变化(汪永进等,2001;程海等,2005;覃嘉铭等,2005;汪永进等,2005;袁道先等,2004),代表了当时降水氧同位素信息。但是,在短时间尺度、年分辨率上,亚洲季风区石笋氧同位素变化所代表的气候意义还存在许多不确定因素。而在短时间尺度内,亚洲季风区内钙华氧同位素变化所代表的气候意义也缺少相关的研究。据刘再华等(2006)；孙海龙等(2008)，对白水台现代沉积的热水成因类钙华进行的研究,热水成因钙华的低18O值主要与亚热带季风地区的雨量效应有关。据此,从整体来看黄龙钙华黄龙2号孔钙华岩芯(2007P014)的δ18O记录,近 100年间黄龙地区的降雨量呈现逐步降低的趋势。由于黄龙洞所在的黄龙沟夏季主要受西南季风的影响,降水主要集中在西南季风比较盛行的夏季,因此,黄龙钙华δ18O的轻重变化主要反映了西南季风的变化以及季风带来的降水量信息。所以黄龙钙华近百年来的δ18O记录反映了西南季风在近百年来逐渐减弱的趋势。据杨勋林等(2007)研究,近50年来黄龙地区黄龙洞内的石笋δ18O记录反映了近50年来西南季风逐步减弱的趋势,从而更进一步证明了黄龙钙华δ18O主要指示了西南季风强度的变化,反映出近百年来,西南季风逐步减弱这一事实。

对于钙华的碳同位素,由于黄龙钙华属于热水成因类钙华,表生钙华或是石笋的碳同位素环境释义并不能适用于热成因类钙华的环境释义。据刘再华等2006、孙海龙等2008研究,白水台热水成因类钙华的δ13C变化反映了降雨量的变化,雨季钙华δ13C值偏负是因雨后形成的低δ13C值的坡面流对高δ13C值的渠道水的稀释效应,降低了渠道水的δ13C值,故雨季的钙华δ13C的值偏负。黄龙钙华也属于热成因钙华,因此白水台现代热成因类钙华δ13C的环境释义也应该能够用于黄龙的热水成因类钙华。从图4中可以看出,从 1908-1975年间钙华的δ13C值呈升高趋势,表明 1908-1975年之间降雨量呈逐步降低的趋势,与氧同位素的指示是一致的。而1975-2004年之间δ13C值则呈现降低的趋势,与δ18O的记录不一致,造成这种指示相反的原因尚待进一步研究,可能要考虑温度影响的因素。钙华的碳氧同位素不仅受水体碳氧同位素影响,也受沉淀条件的影响,如温度:地下溶洞中温度可能变化不大,但黄龙是露天的水体,温度受外界干扰较大,不会像洞穴那么恒定。

5 讨论

对于岩溶沉积物210Pb计年的样品的要求主要是:①样品必须含可检测的210Pb的量;②样品的沉积环境稳定、沉积连续性好;③样品结构致密,一经沉积以后,不再受新的岩溶水的冲蚀和物质的交换。④测年样品的采选、取样方法、分层的方法,对检测数据是否正确起着致关重要的作用。

地表沉积的呈松散的钙华样品,沉积以后仍然受新的岩溶水浸漫,原先沉积的210Pb有可能不是处于封闭系统,即可能发生后期210Pb的加入和迁出,此类样品不适合210Pb测年。

在野外选取岩溶沉积物时,要特别注意某些环境可以使得210Pb的结果是无效的。对于比较松散的碳酸盐沉积物比如有水生植物 、苔藓、藻类、藻青菌 、生物和物理的扰动,对于沉积物中的孔隙、粒度、透水、溶滤、渗流、淋滤 、滑坡、泥石流等化学和物理的扰动产生不同时间沉积的周期混合也能导致错误的结果。

6 结论

(1)利用210Pb测年方法对于黄龙钙华进行了定年并建立了时间标尺;

(2)处于中纬度、高海拔的黄龙钙华相对于低海拔的董歌洞和 Kahf Defore洞石笋对气候环境的响应可能更加敏感;

(3)黄龙钙华δ18O的轻重变化主要反映了西南季风的变化以及季风带来的降水量信息。黄龙钙华近百年来的δ18O记录反映了西南季风在近百年来逐渐减弱的趋势;

(4)从 1908-1975年间黄龙钙华的δ13C值呈升高趋势,表明1908-1975年为相对较弱季风期,其间降雨量呈逐步降低的趋势。

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A Study of210Pb Dating and Climatic Changes of Modern Sediments from Tufa in Huanglong,Sichuan Province

WANG Hua1),QIN Jia-ming1),AN De-jun2),YANG Yan3),SUN Hai-long4),LIN Yu-shan1),YANG Xun-lin3),YING Qi-he1),ZHANG Qing-ming2)
1)Institute of Karst Geology,CAGS,Guilin,Guangxi54100;
2)Huanglong National Scenic Spot Administration,Songpan,Sichuan623300;
3)School of Geographical Sciences,Southwest University,Chongqing400715;
4)State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochemistry,CAS,Guiyang,Guizhou550002

With the tufa core as the study object,the authors have reconstructed the high precision chronology and environmental records for the past one hundred years in Huanglong area using the210Pb dating technique,which is effective for young carbonate samples and short time scale records.Based on an analysis of carbon and oxygen isotope data from the tufa core,this paper discusses the relationship between stable environmental isotopes and climatic data obtained by instruments with a comparison with other paleo-climatic records obtained by different dating techniques.Theδ18O values changed from −12.13‰ to −10.42‰ during 1908-2004,with the average being−11.23‰ and the variation range being 1.7‰.A comparison ofδ18O values with Dongge Cave and Kahf Defore Cave in the same southwest monsoonal climate area and in the same study period shows that theδ18O values of the tufa core in Huanglong is higher than those of Cave records,probably attributed to the altitude effects and different distances from moisture source areas.It can be concluded that the tufa core records of Huanglong in the high altitude and middle latitude areas are more sensitive to climatic environmental changes than records of stalagmites in Dongge Cave and Kahf Defore Cave from low altitude areas.

tufa;210Pb;stable isotopes;climatic change;Huanglong

P597.1;P596;P532

A

1006-3021(2010)02-216-07

本文由科技部基本科研业务费所控项目(编号:200718)资助。

2009-06-10;改回日期:2010-04-11。

王华,女,1957年生。高级工程师。长期从事同位素分析测试和同位素地球化学研究。通讯地址:541004,广西桂林七星路50号。E-mail:wanghua1@163.com。

致谢:黄龙国家级风景名胜管理局协助野外取样,国土资源部岩溶动力学重点实验室张美良研究员、青岛海洋所刁少波研究员、河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室苏治国对实验工作进行指导,在此一并致谢。