洞穴石笋指标量化研究进展

刘殿兵

南京师范大学地理科学学院，南京，210023

内容提要：洞穴石笋因分布广、可精确测年、δ18O信号可进行区域对比等优势逐渐成为重要的陆相地质载体。然而，由于量化研究不足，δ18O气候环境意义解译尚处于经验化阶段，特别是亚洲季风区石笋δ18O指标解释存在诸多争议。本文试通过总结已有石笋δ18O、δ13C、微量元素、年层厚度等指标量化研究成果，石笋生长机理模拟实验及相关技术方法，分析其存在问题。结合其它地质材料量化方法，从现代器测资料校准、多指标开发、集成树轮材料等方面提出加强现代监测，促进机理研究，定量认识现代洞穴石笋年～季节尺度沉积旋回与洞穴环境关系，建立量化经验模型，以发挥石笋年代学优势，推动区域或全球对比。

近年来，随着众多高分辨率石笋氧同位素(δ18O)序列在古环境研究中应用，洞穴石笋材料逐渐成为国内、外古气候学界关注热点。然而，由于其气候意义存在不同解释(Maher, 2008; Clemens et al., 2010; Dayem et al., 2010)，制约了石笋氧同位素记录区域对比及气候变化机制诊断。目前，无论将石笋δ18O 解释为“温度”(Boch et al., 2009)、“降雨同位素组成”(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“季风强度”(Wang Yongjin et al., 2008)，其大范围空间重现性很难得到现代气象观测、数理模型研究等支持，反映石笋δ18O量化研究的薄弱。一般来说，石笋δ18O对大气降水同位素组成具有继承性，而现代气象资料分析发现(Dayem et al., 2010)，亚洲季风的年际和雨季降雨总量仅在约500 km范围内呈现较高相关性，远远小于不同洞穴之间的空间距离。但是，这些洞穴石笋δ18O序列却吻合很好，从而质疑了石笋δ18O作为“雨量变化指标”。Maher(2008) 认为中国南方与印度季风区石笋记录变化一致，与中国其他区域降水记录存在显著差异，由此推断中国南方石笋记录并不反映季风降水量变化，可能反映水汽来源，因为水汽同位素组成比绝对降水量更具有区域一致性(Vuille et al., 2005)。模拟和观测研究也显示，大气降水同位素组成并不受降雨量控制(Aggarwal et al., 2004; Schmidt et al., 2007)，往往受控于区域大气环流形势(Sturm et al., 2007; 谭明, 2009, 2011)。早期研究认为，高纬地区降水同位素组成受控于温度变化(Dansgaard, 1964)，而在低纬地区，水汽传输掩盖了温度效应(Rozanski et al., 1993)。特别是受强夏季风控制区域，降水同位素主要依赖雨量(Johnson and Ingram, 2004)，这或许是亚洲季风区石笋δ18O作为“雨量或季风强度” 经验解释的理论基础。

石笋其它指标，如年纹层厚度也可对区域温度(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)对比发现美国西南部石笋年层厚度指示的降水量变化(Polyak and Asmersom, 2001)与当地树轮重建结果差异显著，由此质疑石笋纹层的“年沉积性质”及年层厚度与当地雨量响应关系。由此可见，石笋微层与气候之间量化响应关系尚需要大量的观测及模拟实验论证。该报道引起Baker和Genty(2003)强烈反应，并引发关于石笋微层年代学和气候学的激烈讨论(Baker and Genty, 2003; Betancourt et al., 2003; Asmersom and Polyak, 2004)。因为石笋年层厚度与岩溶地化循环过程密切相关，这些非气候过程可能导致石笋微层与树轮气候信号之间有显著差异。因此，亟待建立石笋指标与气候要素之间经验函数模型。未来研究必须加强石笋指标环境机理研究，探明洞穴次生碳酸盐沉积过程中外界气候环境信号输入、岩溶地球化学循环与石笋气候信号输出之间量化关系。

1 洞穴次生碳酸盐古温度量化重建

利用石笋δ18O提取古温度信号一直是国际学术界关注热点，也是洞穴古气候研究难题。模拟实验发现，在同位素平衡分馏情况下，石笋δ18O主要受控于洞穴滴水δ18O组成和洞内温度的变化(Hendy, 1971)。在石笋发育期间，水—岩之间同位素分馏系数ɑ达-0.24‰/℃～-0.26‰/℃(O’Neil et al., 1969; Kim and O’Neil et al., 1997)，成为地质测温基础。因此，若了解历史时期洞穴滴水同位素组成，则为发展直接测温法提供可能。目前，古岩溶水信息提取主要依靠洞穴附近古地下水和石笋液相包裹体。前者很容易与现代水混合，难以直接获取；后者圈闭的古岩溶水可记录当时大气降水信号，有利于获取石笋生长母液δ18O信息，因此成为首选研究目标。

对比石笋包裹体古岩溶水及周围方解石同位素组成，van Breukelen等(2008)发现秘鲁气温在13.5 ka以来变化很小，全新世以来降雨增加15%～30%。然而，较大的液相包裹体在石笋中极为稀缺(Genty et al., 2002)，现有技术方法无论热爆法(Matthews et al., 2000; McGarry et al., 2004)，还是冷轧法(Dennis et al., 2001; Fleitmann et al., 2003b; Vonhof et al., 2006)均很难获取足够的测试水量。同时，包裹体圈闭的古岩溶水不断与周围碳酸钙发生同位素交换，很难代表石笋发育时段大气降水真实信息。为解决这一难题，洞穴古气候界采取测试岩溶水δD方法。因为石笋碳酸盐不含氢，与岩溶水不发生氢同位素交换。进一步结合全球或地方大气雨水线方程可间接计算降水δ18O，从而评估古温度变化(Matthews et al., 2000; Dennis et al., 2001)。通过石笋包裹体D/H分析，Matthews等(2000)和McGarry等(2004)发现，地中海东部末次冰期雨水线与全球雨水线相同，而间冰期降水遵循地方雨水线关系，反映冰期蒸发量降低。法国Villars洞穴研究显示，依据δD —δ18O 评估的古温度与孢粉、海洋、冰芯记录一致(Genty et al., 2002)。在早全新世，包裹体D/H比率指示的加拿大年均温变化达11℃(从1℃上升到10℃)，在适宜期比现代高3℃，约在8.7 ka达到现代值(Zhang Rong et al.,2008)。在现有技术条件下，氢同位素在分析过程中分馏高达-30‰(Matthews et al., 2000)，难以避免实验过程中萃取损耗和分馏影响。而且，岩溶水δD、δ18O组分分析精度较低(δD为3‰, δ18O为0.4‰, Dennis et al., 2001)制约了古气温精确评估。更为重要的是，现代全球雨水线与地方雨水线存在显著差异，也很难假定现代雨水线在历史时期保持不变(Lachniet, 2009)。因此，运用包裹体恢复古岩溶水信号，在机理上受到多种因素干扰，尚难满足直接测温要求。为此，亟待研发适于古气温直接测试的代用指标。惰性气体在包裹体圈闭时溶解于石笋母液中，并与洞穴大气达到平衡，其溶解度直接受控于洞穴气温，成为古气温良好的示踪对象，从而克服其他地质测温法多源性困扰(Stute et al.,1992)。德国Bunker洞包裹体惰性气体(Ne、 Ar、 Kr、 Xe)测试显示(Kluge et al., 2008)，Younger Dryas结束时温度比现代低约6.6℃，1.30 ka BP比现代低2.4℃，两个研究时段气温差4℃，与欧洲孢粉重建结果较为一致。多洞穴调查显示，也门年均温在2 ka BP接近现代水平，土耳其在6～5 ka BP与现代一致(Scheidegger et al., 2011)。显然，包裹体研究有助于厘清δ18O指标信号复杂性问题(温度和降水)。但石笋包裹体分布不均匀，提取技术难度大，仅能揭示古气温变化趋势，无法满足高分辨率气候突变事件研究需求，直接获取与δ18O指标相似分辨率的古气温信息成为关键。最近，新发展的 “二元同位素测温法(clumped isotope thermometry)”(Ghosh et al., 2006; Schauble et al., 2006)通过测试含重同位素CO2(13C18O16O)分子丰度变化直接获取温度变化信息(简称为Δ47法)。相对于早期的δ18O古温度法，Δ47指标直接受温度变化控制，不需要了解古岩溶水δ18O信息。洞穴石笋已开展研究显示(Affeck et al.,2008; Da⊇ron et al.,2011)，重同位素13C18O16O分子占Δ47信号的约96%( Schauble et al., 2006)。据此获取以色列地区温度在末次盛冰期比现代低6～7℃，早全新世气温略高于现代值，晚全新世期间略低于现代气温(Affeck et al.,2008)。同时，石笋方解石沉积过程中，母液溶解的Mg、Sr、Ba等微量元素会以离子形式进入方解石晶格，取代Ca2+离子，其分配系数取决于温度、水文等条件变化(Huang Yiming and Fairchild, 2001)。因此，可依据石笋微量元素与环境因子之间量化关系重建高分辨率气候变化历史。研究显示，石笋微量元素在轨道尺度上可反映太阳辐射变化(Cruz et al., 2007)，在百年尺度上可记录气候突变事件振荡细节(Baldini et al., 2002)，在季节尺度上可清晰记录洞穴环境及外界气候季节性变化(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气温重建的潜力。

2 现代器测记录校准研究

现代气象资料对同期地质体代用指标量化解读具有重要意义。对于正在发育的年纹层石笋而言，其指标在年轻时段可运用器测资料进行校正，且能将指标与气候量化关系延伸到器测期以外，在时标控制、指标解释方面具有天然优势。显然，这种集成研究以石笋纹层的“年层性”和发育的“活动性”为前提，即正在发育。而囿于各种测年方法的误差和精度，很难准确界定石笋顶部碳酸盐为现代沉积。在野外调查中，常见到石笋顶部现代沉积发生“反溶蚀”(张会领等，2012)，也影响了器测资料与石笋指标的之间参比。

洞穴次生碳酸盐微层的“年层性”首次发现于20世纪60年代(Broecker et al., 1960)，国内研究始于北京石花洞(刘东生等，1997)。“石笋年层”不仅是各类指标年际时标研建的基础，同时，其厚度变化也可保存洞穴水文、气温等重要信息。目前，验证石笋微层理“年层性”手段有：与放射性测年结果对比、在已知年龄的事件层之间统计纹层、洞穴监测以及将纹层厚度变化与模拟累积速率对比(Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)。现代器测历史仅达百年左右，同期发育的石笋材料为年轻地质体，适于该类碳酸盐的测年方法有U/Th、137Cs、210Pb、14C等。研究表明，对于近120 a以来的石笋材料，210Pb法具有独特的优势(Baskaran and Iliffe, 1993; Condomines and Rihs, 2006)。其次，如果洞穴围岩“老碳”贡献率维持不变(Hoffmann et al., 2010)，14C测年法同样适于年轻石笋样品年龄判定(Genty et al., 1998; Yadava and Ramesh, 2005)。基于137Cs测年结果，洪都拉斯石笋δ13C清晰记录了1973～2000年期间降水变化(Frappier et al., 2002)，δ18O则记录了热带气旋活动频率(Frappier et al., 2007)。谭明等(2000)利用高精度TIMS-230Th 测年与微层计数结果对比，确认了中国南方石笋微层的年旋回性质，使得国内微层年代学在区域上进一步拓展。四川黄龙洞近100 a来石笋研究显示(杨勋林等，2007,2010)，两套独立测年方法(210Pb和230Th)建立的累积速率在误差范围内完全一致，而且近50 a内，石笋δ18O变化与现代器测资料建立的夏季风指数相关系数达-0.58，证实测年结果的可靠性。湖北清江和尚洞石笋顶部110多个微层厚度变化与东亚夏季风强度指数相关达0.83(刘浴辉等，2005)，支持了石笋微层理的“年层性”。已有研究发现，石笋年层厚度变化适于保存低频气候信号(Pauling et al., 2003; Moberg et al., 2005; Smith et al., 2006)，可有效解决单株树轮持续时间短及低频信号(气候变化趋势)提取难等问题。石花洞年层厚度与北京地区旱涝指数存在很强的相关性(刘东生等，1997)，近2650 a以来，年层厚度提取的中国北方热季(5～8月)温度变化与北半球温度重建结果吻合(Tan Ming et al., 2003)。在最近1 ka内，与祁连山树轮集成的温度及GCM模拟结果相关性达0.61(Tan Ming et al., 2009) ，并通过δ13C恢复了北京地区3 ka以来的植被面貌(李红春等，1998)。末次盛冰期南京葫芦洞石笋微层厚度也揭示夏季风降雨存在显著的2～7 a周期，类似于现代ENSO信号(孔兴功等，2003)，说明年层石笋在历史气候重建方面具有重要意义。由此，可通过器测气候资料与年层厚度数据集成，建立两者之间量化关系。现代ENSO记录与马达加斯加石笋微层厚度对比发现，降雨量大，年层厚度增大，南方涛动指数(SOI)降低，可能SOI和厄尔尼诺事件相关的降雨量决定了年层厚度变化(Brook et al., 1999)。经1951～1992年器测记录校准后，作者重建了公元1550年以来降水及ENSO变化历史。苏格兰西北石笋年层厚度在器测期内与当地的年均温呈正相关(r=0.49)和降水量呈反相关(r=-0.53)，反映近1 ka以来北大西洋涛动(NAO)对欧洲气候影响显著(Proctor et al., 2000)。谱分析进一步发现在1～3 ka BP期间欧洲气候以50～70 a为周期，而最近1 ka以来以72～94 a为周期(Proctor et al., 2002)。美国北部石笋年层厚度反映的洪水事件和当地降水异常具有很好的相关性，经50 a气象数据校正后，Dasgupta(2010)重建了近3 ka以来降水异常历史，分析发现19世纪以来极端洪水事件发生频率呈上升趋势。

但是，年层形成机理复杂，不同环境下形成的年层性质不同(谭明等, 2002; Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)。一般来说，具有季节变化的区域和局地环境因子决定了石笋生长发育的年季旋回。与树轮不同，在共同的限制性环境因子作用下，树轮的宽度变化一致，利于树轮交叉定年。对于石笋微层而言，即便在同一个洞穴，地质、地貌、水文条件、植被、土壤、渗水通道、洞室大小、石笋顶面粗糙度等差异会造成厚度不同，这些复杂过程导致洞穴次生碳酸盐发育非线性响应于外界气候要素，故年层厚度作为气候信号输出端尚需要沉积校正(谭明等，2002)，找出敏感因子，评估其敏感度(谭明，2005)。

尽管石笋微层气候学尚需要观测及模拟研究进一步证实，但年层序列为精确时标研建提供了重要支撑。对比埃塞俄比亚年层石笋δ18O与月降水关系， Baker等(2007) 重建了1989～2004年期间4月与7月降水比率变化，发现重建结果与观测记录在变率上基本一致。通过1961～2004年期间冬季降水记录校正，土耳其年层石笋δ18O在±31mm的误差范围内与实测降水记录很好吻合(Jex et al., 2010)，其中， 1938～2004年期间，秋—冬季降水与石笋δ18O呈反相关，据此重建了土耳其地区公元1500年以来冬季降水变化序列(Jex et al., 2011)。近780 a以来，印度石笋的δ18O、δ13C、年层厚度在器测期内与当地降水异常总体特征极为相似(Burns et al., 2002)，δ18O变化0.6‰相当于降水异常约75 mm(1‰/125mm)，年层厚度与δ18O之间相关系数达-0.4。近53 a来，直布罗陀半岛年层石笋分析显示，微量元素、同位素可反映季节性降水、温度变化(Mattey et al., 2008)，甚至可记录天、月降水变化(Baker et al., 1999)，说明石笋可清晰记录不同尺度气候波动。西班牙石笋δ18O数据重建的冬季(10～3月)降水与1951～2004年间实测冬季降水相关达r2=0.47。在10年际尺度上，冬季滴水δ18O反映了冬季平均温的长期演化(Mattey et al., 2008)。南阿曼三支年层石笋显示，在印度季风影响下，年层石笋δ18O与现代降雨量相关达-0.62。经器测数据校正后发现，近330 a来降雨量在公元1666年最大，公元1900年最小(Yadava et al., 2004)。在约公元1320年印度季风降水衰减进入小冰期(公元1320～1660年)，不仅记录了20世纪60年代季风减弱事件(Fleitmann et al., 2004)，也进一步发现早期记录低估了小冰期期间印度季风区干旱程度(Sinha et al., 2007)。

由于洞穴滴水形式及来源极其复杂(Fairchild et al., 2006)，降水、渗流水等不同时间尺度水源混合，对短尺度气候信号影响很大。发育于1911～1992年期间一支澳大利亚石笋显示，离子探针获取的氧、碳同位素季节性振荡显著，但10年际趋势与当地气温、降水吻合较差(Treble et al., 2005)。所以，无论现代石笋与同期器测记录之间采用线性拟合(Fischer and Treble, 2008)或者正演模拟(forward modeling, Baker and Bradley, 2010)应充分考虑这种“岩溶水库效应”的贡献。在器测期以外，其它经验模式也在不断发展。如阿尔卑斯山石笋δ18O与当地温度异常对比显示，距今17 ka以来，当地平均温上升1℃对应于石笋δ18O增加2.85‰(r2=0.38,r=-0.61)(Frisia et al., 2005)。Bar-Matthews等(2003)假定以色列现代降雨量及其同位素组成经验关系式[d(δ18Op)/dP梯度为-1.02‰/200m]在间冰期保持不变，据此推算当时古降雨量水平。显然，这种经验关系在间冰期是否类似于现代尚缺乏大量研究证实。在亚洲季风区，Hu Chaoyong等(2008)创造性地运用贵州董哥洞与湖北和尚洞石笋δ18O记录残差定量评估全新世中国西南大气降水变化，并发现全新世适宜期大气降水比现代高8%。

3 现代观测研究及生长动力模拟实验

现代观测研究是定量解释石笋气候指标的关键手段。已开展的洞穴监测多侧重水文状况、生长动力及水化学等方面研究。澳大利亚东部Kooringa洞持续2.5 a水化学监测发现，在干旱时段，滴水及其Ca2+浓度降低50%，而Mg/Ca及Sr/Ca比增加50%，并清晰记录了El Nio-La Nia信号(McDonald and Drysdale, 2004)。美国德州西南爱德华兹高原3个洞穴观测揭示，在不同滴水点方解石生长速率表现出相似的年周期，且与当地温度季节变化呈反相关，秋季至春季生长，夏季几乎不发育。水化学研究进一步发现，这种季节性生长可能与区域温度对洞穴—大气CO2浓度或滴水CO2含量控制作用有关(Banner et al., 2007)。石花洞系统监测发现(Cai Binggui et al., 2011)，方解石沉积速率年内变化显著，夏季(7～8月)生长最慢，秋季到春季达到最大。沉积速率时间变化与滴率、洞内大气p(CO2)、Ca离子浓度呈反相关；与滴水的pH值呈正相关。由此作者认为石笋δ18O信号可能代表季节性信号。该洞穴滴水对大气降水表现出两种响应模式：即时快速响应和滞后响应。滴水的年内变化大于年际变化，其中溶解无机碳(DOC)在年内和年际尺度上均有变化，高值出现在7～8月，在旱季较低、含量变化较小，在观测期DOC伴随强降水出现(Ban Fengmei et al., 2008)。云南洞穴调查发现(Duan Wuhui et al., 2012)，中国南方文石石笋年层由致密亚层和多孔亚层组成，致密层形成于冬季，此时滴率中等，去气缓慢、 连续、耗时长；疏松层形成于春季，滴率慢，Mg/Ca比值较高。直布罗陀洞穴4年观测显示，年层石笋中浅色柱状方解石形成于冬季较高p(CO2)条件下，此时方解石δ13C值最小；而暗色微晶方解石发育于夏季低p(CO2)条件下，δ18O和δ13C值升高。滴水无机碳δ13C在4～5月间最小，此时，δ18O信号主要指示冬季降水(Mattey et al., 2008)。爱尔兰洞穴滴水情况调查发现(Baldini et al., 2006)，不同滴率对石笋气候信号的保存有显著影响。缓慢滴水(<0.1 mL/min)发育的石笋仅能记录气候的长期变化，次级振荡几乎没有；中等滴率(0.1～2 mL/min)供水的石笋适于研究气候季节信号；快速滴率(>2 mL/min)生成的石笋不适于高分辨古气候研究，因为过水通道变化及较大的滴率变化可能导致石笋发育间断和方解石的反溶蚀。在法国Villars洞，滴率变化滞后大气降水约2个月，与气压呈反相关。洞穴深处滴水的微量元素浓度较高，洞内大气CO2浓度变化和土壤CO2一致且与石笋δ13C相关(Genty, 2008)。桂林地区观测发现，降雨δ18O值随着气温升高和雨量增加而减小，并与月均温相关。洞穴滴水δ18O继承降雨同位素信息，δ13C则似乎指示当地植被变化(李彬等, 2000)。贵州荔波凉风洞大气水、土壤水、滴水监测显示，洞穴次生碳酸盐氧同位素可继承大气降水同位素变化，其变幅在岩溶水传输过程中受混合作用影响显著减小(罗维均和王世杰, 2008)。珠江水系4个洞穴体系监测表明，滴水对大气降雨响应略滞后，不同水动力条件、水—土和水—岩接触时间、作用方式、水运移路径等差异影响洞穴次生碳酸盐物质来源及其环境指标解译(周运超等, 2004)。这些研究表明，特定洞穴的实地观测研究为理解和认识洞穴温度、降水δ18O、碳酸盐δ18O等之间关系提供宝贵信息。然而，当多种控制因子，如方解石母液饱和指数、温度、滴率、CO2去气速率等变化方向一致时，很难严格检出石笋生长动力学机制及各种地化参数的贡献率。此时，动力模型及模拟实验研究可有效补充这方面的缺憾。

早期碳酸钙溶解和沉淀动力模型发现CaCO3含量、石笋表面水膜厚度及水动力条件、温度、CO2分压等因素变化对石笋生长起到主控作用(Dreybrodt, 1980, 1981; Buhmann and Dreybrodt, 1985a, 1985b; Dreybrodt et al., 1997)。后期模拟发现，在石笋发育过程中，供水速率、化学动力、水流状况等均可影响石笋生长及形态，且这些影响因素可能相互抵消，导致复杂响应(Dreybrodt, 1999)。其中，石笋生长的主控因素是温度和土壤CO2浓度变化，降水与石笋的直径相关(Kaufmann, 2003)。但是，洞穴实际环境很难在室内模拟试验中控制，石笋生长层序很难直接转化为相应的气候信号。尽管如此，石笋生长速率及直径是气候变化的函数 (林玉石等，2005)，可以从这些参数中获取过去气候变化信息。进一步模拟结果显示，尽管温度影响很难识别，但可从石笋生长层序中评估CO2浓度(作为土壤覆盖指标)与滴水时间(作为降水指标)变化(Kaufmann and Dreybrodt, 2004)，该思想得到模拟结果(Romanow et al., 2008)和洞穴观测支持。通过多洞穴现代年纹层石笋调查及理论模型对比发现，自然环境下石笋生长速率与理论预测结果基本一致(Baker et al., 1998)。欧洲6个洞穴31个滴水点监测显示，纹层统计获取的累积速率与理论预测相关度达R2=0.69，其中，5个洞穴观测发现的实际生长速率与年均温(R2=0.63)、滴水钙离子浓度(R2=0.61)有关，但与滴率(R2=0.09)无关(Genty et al., 2001)。在石笋沉积过程中，同位素信号对降水同位素组成的响应、与累积速率、洞穴环境变化关系一直备受关注。滴水模型及德国西部两洞穴观测表明，冬季降雨对该区洞穴滴水同位素组成影响显著，方解石δ18O与地表年均温呈反相关(Wackerbarth et al., 2010)。由于石笋母液水文来源复杂(Lachniet, 2009)及洞穴体系开放—封闭程度不同，在方解石溶解沉积模型中，滴水δ13C值变化不仅响应于体系闭合程度，也随着土壤p(CO2)升高而降低(Fohlmeister et al., 2011)，同时，滴水时间间隔、温度、渗流水混合系数也可能对石笋δ13C影响显著(Mühlinghaus et al., 2007)。

目前，真正模拟出洞穴石笋生长环境的室内模拟实验很少(Fantidis and Ehhalt, 1970; Huang Yiming and Fairchild, 2001; Wiedner et al., 2008; Day and Henderson, 2011)，在众多实验中母液饱和度和碳酸盐生长是用CaCl2结合NaHCO3控制，而在真实环境中是通过CO2去气导致母液中Cl-和Na+浓度增加实现的。其次，传统模拟中供水采用管道方法而非滴水控制，与真实生长环境相差很大。在改进滴水方式、增加生长基质(在毛玻璃片上安置种晶)等设置后，Day和Henderson(2011)发现在低温条件下，温度是方解石生长量的主控因子，滴率变化影响很小；高温条件下，滴率与生长量之间不存在线性关系。

4 讨论和展望

上述研究表明，尽管石笋材料在古气候研究领域具有显著优势，但在技术方法方面也面临诸多挑战。一般来说，气候动力与土壤过程的年季旋回会造成石笋碳酸盐沉积不连续界面或矿物、结构交替转换，从而形成石笋微生长层(Genty et al., 2001; Tan Ming et al., 2006; Baker et al., 2008)。与树轮、湖泊纹泥、珊瑚、冰芯年层一样，可通过微层计数方法研建精细时标。然而，受到岩溶地化循环过程复杂性制约，石笋材料中各指标量化工作存在不同程度的滞后，在古气候、古环境研究中的优势尚未得到充分体现。作为石笋δ18O主要来源，大气降水同位素观测网络尚不完善。初步工作显示，中国东部降水δ18O在南部和东北地区年内周期显著，在不同地区主要的地理控制因子不同(Liu Jianrong et al., 2008; 柳鉴容等, 2009)。而模拟工作常考虑大气降水δ18O信号与其气候模态背景联系，如Langebroek 等(2011)发现，在年内尺度上降水δ18O模型(ECHAM5-wiso)模拟的1954～1999年欧洲中西部冬季降水δ18O分布场与北大西洋涛动密切相关。在石笋指标量化解释方面，区域气候与降水δ18O时间关系极为重要，因为在不同时间尺度上，两者之间关系可能有变化(Schmidt et al., 2007)。大气环流模型(Atmospheric General Circulation Model-AGCM)ECHAM-4表明，1979～1980年期间，模拟的降水δ18O与亚洲夏季风指数及达索普冰芯δ18O变化一致(Vuille et al., 2005)。GISS Model E-R模拟结果显示，在全新世10 ka以来，模拟的南亚降水δ18O与亚洲季风区石笋记录千年尺度变化相似(LeGrande and Schmidt, 2009)。由于大气降水同位素时空变化机理复杂，现有模型采用不同输入边界，模拟结果存在一定差异，制约长序列模拟结果推广运用(Schmidt, 1999)。

洞穴实测可进一步认识雨水—石笋母液—现代沉积之间关系，建立石笋指标对气候、环境响应的经验模式，是定量解释石笋各指标气候环境意义的关键手段。然而，站点设置难、观测周期短、现代沉积缺等因素使得获取统计学意义上有效数据存在一定难度。在气候量化重建中，树轮因精确交叉定年、分辨率高、量化程度高等特点备受关注。最近，亚洲季风区327个树轮序列编制的干旱图谱显示，区域内的干/湿变化和热带印度洋—太平洋海表温异常紧密相关(Cook et al., 2010)，1876～1878年期间的维多利亚大干旱恰逢极端El Nio事件。7200余个欧洲树轮宽度记录发现，尽管现代升温剧烈，但水文变化在幅度和持续时间方面均大于气温变化(Büntgen et al., 2011)，在公元250～600年罗马帝国灭亡期间气候变率逐渐增大。然而，树轮的发育受控于外部环境中限制性因子季节变化，特别是在东亚大陆内部，大多分布于温带和寒带(刘晓宏等，2004；邵雪梅等，2007；刘禹等，2009)，典型季风区存在较大空白(Cook et al., 2010)。而且，树轮宽度仅对高频气候信号较为敏感，主要反映温暖的生长季气候变化(Briffa, 2000)，很难记录千年至百年尺度气候振荡(Cook et al., 1995; Esper et al., 2004)。因此，完善石笋指标量化体系不仅是树轮等陆相记录的重要补充，也是石笋微层古气候学自身发展的需要。

集成器测数据、历史气候资料、当地树轮资料可进一步校正同期石笋气候信号。由于现代器测资料以“月、季、年”为特征，因此，需要为石笋指标序列建立精确时标。“自然档案”中“年沉积性质”的微层理统计时，误差可达10%。对于近100 a石笋样品而言，可能存在±10 a统计误差，尽管落在测年误差范围内，但却很难与以“月、季、年”为特征的气象记录进行有效对比，特别是石笋微层统计过程中“缺年”、“伪年层”等问题亟待解决。一般来说，石笋生长速率年际突变较小，厚/薄层耦递变特征显著，可在多年内维持相似速率。相邻(或同一洞穴)石笋受到相同气候信号影响，微层厚度可能表现出相似的变化趋势。因此，可借鉴树轮年表方法，绘制同一洞穴(或相邻滴水点)“石笋微层骨架图”，多样本集成确定年层时标并评估其误差。其次，石笋微层与冰芯年层、海洋湖泊纹泥同具有多参数分析潜力(如灰度、微量元素等)(Fairchild and Treble, 2009)。在连续发育过程中，不存在冰年层的压融和流变以及湖泊海洋纹泥的生物扰动，可依据多指标参比进一步提高年层统计的准确性。早期研究发现，石笋微层的氧、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)可以反映洞穴温度、水文条件季节性变化信息。因此，开展季节性多参数研究，扩大统计的样本量，对比和诊断洞内及不同洞穴石笋敏感参数季节性特征，采用多参数、多区域、多手段等交叉定年方法，建立石笋沉积与气候信号之间简单关联，可有效解决 “缺年”、“伪年层”对年层统计造成的干扰。在器测记录中，1976/77年期间气候突变极为显著(Miller et al., 1994)，可以此作为石笋各参数序列重要“参考点”进一步验证石笋年表。同时，在运用现代器测记录校正石笋指标时，要充分评估洞穴所在地的土壤—岩溶带“库效应”影响，因为渗流水的滞留时间会导致石笋指标滞后于气候变化。多个洞穴监测结果表明，洞穴滴水对外部大气降水响应时间一般不超过2个月甚至更短(李彬等；2000；周运超等，2004；Johnson et al., 2006; Ban Fengmei et al., 2008; 罗维均和王世杰；2008；Genty et al., 2008)，说明洞穴上覆土壤和岩溶带对岩溶水的调蓄作用(“库效应”)微弱，不影响洞内微环境季节性变化，仅削弱季节性变化幅度。在“月、季”尺度上，洞穴碳酸盐沉积与气候信号之间可能存在简单关联，因此，石笋微层气候学具有高精度、高分辨率、信号保真度高等潜力。

提高信/噪比，实现高分辨率是发展微层气候学的必要条件，也是获取与器测记录相似分辨率的石笋多参数序列的关键。对于厚约100～300μm的石笋年层，氧、碳同位素传统采样方法(如钻取法和刀削法)不仅手工控制存在难度，也很难避免相邻样混合，无法提高真实分辨率。离子探针(Treble et al., 2007)和激光熔融(Fairchild et al. , 2006)等直接测试法会导致较大的测试误差(0.5‰～1.5‰)，掩盖真实气候信号或造成同位素动力分馏。基于数控技术的微距法(micro-milling, Wurster et al., 1999)采样分辨率达到10μm，与传统质谱分析手段(MAT253)结合，样点分辨率和测试精度均满足季节尺度分析需要。几种方法对比分析显示(Spötl et al., 2006; Fairchild et al., 2006, 2009; Hoffmann et al., 2009)，尽管离子探针和激光熔融等直接测试方法分析速度较快，但机理尚不成熟，获取的气候信号重现性较弱，特别是在分析精度上不及MAT253质谱分析(0.03‰～0.06‰)。在现有条件下，离子探针直接测试法缺乏标准控制，无法对异常测试结果进行评估。今后如能得以解决，则该方法可具有较广的应用前景。微量元素高分辨率采样及分析常采用ICP-MS、SIMS等方法，分辨率可达10～20μm(Fairchild et al., 2006, 2009)。尽管微量元素在碳酸钙中分配系数控制因子具有多源性(温度、降水、晶体形状)以及母液组成特征，大量分析揭示了显著的季节性响应(Treble et al., 2003; Johnson et al., 2006; Mattey et al., 2008)，说明这些元素与洞穴环境及外界气候之间存在某种关联，对于石笋年层气候环境信号分析具有潜力。技术障碍和机理研究薄弱是石笋年代学和气候学面临的瓶颈，随着国际古气候界关注度提高和洞穴古气候界不懈努力，抓住并解决迫在眉睫的几个关键问题，洞穴石笋在古气候、古环境研究中必将焕发应有的活力。