贵州七星洞石笋记录的一次强降水事件的探讨

殷建军, 林玉石, 唐 伟, 程 海, EDWARDS R L

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,联合国教育科学及文化组织国际岩溶研究中心, 广西桂林 541004; 2)西安交通大学全球变化研究院, 陕西西安 710054; 3)Department of Earth Science, University of Minnesota, Minneapolis 55455, USA



贵州七星洞石笋记录的一次强降水事件的探讨

殷建军1), 林玉石1), 唐 伟1), 程 海2, 3), EDWARDS R L3)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,联合国教育科学及文化组织国际岩溶研究中心, 广西桂林 541004; 2)西安交通大学全球变化研究院, 陕西西安 710054; 3)Department of Earth Science, University of Minnesota, Minneapolis 55455, USA

摘 要:全球变暖、极端事件频发背景下, 研究极端事件发生规律, 并准确预测未来极端事件的发生, 已经成为目前极端事件研究的现实而紧迫的任务。利用地质载体重建过去极端事件的发生规律是极端事件研究的重要手段。本研究以贵州七星洞两个具有相似沉积特征的文石-方解石石笋对过去发生的一次强降水事件进行了探讨。主要认识有: (1)七星洞QX1和QX6石笋分别记录的黄褐色纹(微)层具有相似的沉积特征, 为强降水携带粘土沉积形成; (2)两个石笋黄褐色纹(微)层发生的时间经推算在误差范围内一致, 发生在公元(1868±1)年; (3)此次强降水事件发生的气候背景为: 长时间的干旱导致洞顶植被覆盖和土壤湿度减小, 而1869年的雨季多雨, 在强降水携带下粘土沉积于石笋表面形成纹(微)层。此次事件的研究为东亚季风区极端降水事件研究提供了新的思路。

关键词:强降水事件; 石笋; 七星洞; 黄褐色纹(微)层

本文由中国地质科学院基本科研业务费项目(编号: YWF201414)、中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目(编号: 2014025; 201319)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 12120113006700)联合资助。

全球变暖, 全球水循环的改变已经极大的影响了人们的生产生活(IPCC, 2013)。随着全球水循环的改变, 极端事件频发, 特别是强降水事件和干旱。而极端事件的发生并非完全由人类活动影响, 在历史上也存在。只是目前人类活动只是在一定程度上影响了极端事件发生的频率和幅度。因此研究历史上极端事件的发生对于认识目前极端事件的发生有着重要的指导意义。研究过去极端事件的载体主要有: 历史文献(Liu et al., 2001; 张德二, 2004; 张德二和Demaree, 2004; 王培华等, 2004; Zhang, 2005; Zheng et al., 2006; 张德二和梁有叶, 2010; 张德二和陆龙骅, 2011)、树轮(刘禹等, 2009; 黄磊等, 2010; Yang et al., 2014)、湖泊沉积(Chu et al., 2012; 于革等, 2013; Li et al., 2013; Rodysill et al., 2013)和石笋(Baker et al., 2002; Yadava et al., 2004; Frappier et al., 2007; Dasgupta et al., 2010)等等。而极端事件的研究包括极端温度(Baker et al., 2002; 张德二和Demaree, 2004; 王培华等, 2004; 刘禹等, 2009; Chu et al., 2012)、强降水(Yadava et al., 2004; Dasgupta et al., 2010; 张德二和陆龙骅, 2011; 于革等, 2013; Li et al., 2013)、干旱(Yadava et al., 2004; Zhang, 2005; Zheng et al., 2006; 黄磊等, 2010; 张德二和梁有叶, 2010; Rodysill et al., 2013; Yang et al., 2014)、台风(Liu et al., 2001; Frappier et al., 2007)等等。目前对于各种极端事件记录载体均存在一定的局限性, 如历史文献在公元1500年以来相对更加详尽, 而之前详尽程度差异很大, 特别是西南地区(中央气象局气象科学研究院, 1981); 树轮记录在西北干旱区和青藏高原区相对更加密集, 而其他地区相对较少;湖泊沉积则一定程度上受制于分辨率和年代学。目前石笋记录在年代学(Cheng et al., 2013)、分辨率(Orland et al., 2009)方面有了极大的提高。目前亚洲季风区石笋主要应用指标氧同位素解释为季风(长尺度)(Cheng et al., 2012)和环流(短尺度)(谭明, 2009)变化。在年代学和采样分辨率限制下, 对弱季风(干旱)事件的记录相对更加明显。强降水事件由于发生时间较短(几小时到几天)、形成石笋的滴水可能在强降水下不饱和、甚至侵蚀已沉积石笋, 目前对亚洲季风区强降水事件研究相对较少。且本洞穴研究点的石笋气候事件研究也多集中在千年尺度事件(张美良等, 2004)。本研究在高精度年代学、多石笋记录相互验证的基础上, 对贵州七星洞石笋记录的一次强降水事件进行了探讨, 以期丰富亚洲季风区石笋记录极端事件研究。

1 研究区概况

研究区位于贵州省都匀市凯酉村七星洞(25°59′N, 107°16′E, 海拔978 m), 地质构造上处于贵定复向斜和都匀复向斜之间的黄丝背斜南端。七星洞发育在下石炭统摆佐组(C1b)灰色中厚层白云岩、白云质灰岩中。洞穴发育受区域地质构造控制,洞道基本沿走向北、北北东向延伸, 洞长383 m, 宽10～15 m, 最宽处达40 m, 洞高10～15 m, 最高处达到35 m(陈建庚, 2001)。洞穴内次生化学沉积物十分发育, 石笋、石钟乳、石柱分布密集, 且分布之密集十分罕见(图1)。洞穴上覆基岩最大厚度约90 m,地层向西倾, 倾角约20°。上覆土壤层相对较薄, 一般小于10 cm, 局部基岩裸露。植被以灌木为主, 有少量松、柏分布, 草本植物发育茂盛, 蕨类、苔藓植物, 总体覆盖度较好。洞穴内部平均温度为14.0～14.5℃, 相对湿度为93%～97%, 空气CO2浓度为(402～457)×10-6。七星洞最近的气象站点气象数据显示, 当地多年平均气温为16.1℃, 多年平均降水量为1 431 mm。

2 材料和方法

本研究石笋QX1、QX6为正在生长的石笋, 分布在洞穴的不同部位, 排除了单一滴水点改变导致石笋中特殊层位出现的可能。QX1长36.5 cm, 为文石-方解石石笋, 方解石纹层和文石纹层组成沉积旋回, 交替叠复出现; QX6石笋长22.7 cm, 同样为文石-方解石石笋, 但方解石纹层只出现在某几个层位。两个石笋近顶部均出现黄褐色纹(微)层。QX6石笋黄褐色层出现在方解石与文石交界部位, 而QX1石笋黄褐色层出现在方解石旋回层近顶部(图2)。黄色层与邻近层位并未出现截然的沉积相的变化。特别是QX1石笋黄褐色层分布在方解石层中,上下方解石并未出现明显的沉积特征变化。因此黄褐色层可能并不是由于滴水减少/停滴导致的间断层(风化壳)(林玉石等, 2002)。而可能记录的是一次特殊的气候事件。

从石笋顶部向下, 沿石笋生长轴采集粉末样品用于230Th年龄测试,230Th测年分别在美国明尼苏达大学地球科学系和西安交通大学同位素实验室进行。化学分析流程参见Cheng等(2013)和Shen等(2002)文献, 分析仪器为Neptune多接收等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)。测试结果见表1。

3 结果与讨论

3.1黄褐色纹(微)层沉积特征

图1　贵州都匀七星洞区域地质(左)及洞穴剖面图(右)(据袁道先等, 2003修改)Fig. 1 Regional geological (left) and cave map(right) of Qixing Cave, Duyun, Guizhou (modified afterYUAN et al., 2003)

图2　贵州七星洞QX1(a)和QX6石笋(b)(黑色条带指示年龄采样位置, 黄褐色纹(微)层标记为两个石笋出现黄褐色纹(微)层位置)Fig. 2 Top parts profiles of stalagmite QX1(a) and QX6 (b) from Qixing Cave, Guizhou Province (black belt marked the age sampling sites, the tawny laminas were pointed out along the arrows)

QX1和QX6石笋出现的黄褐色纹(微)层, 由黏土矿物组成, 结构微细紧密, 略具微波纹层面构造,黄褐色与上下灰-灰白色方解石微晶或文石微针结构构造纹(微)层截然突变, 与上下邻近纹(微)层组成物质矿物成分、结构构造突变不同, 呈现出沉积物构造假整合。QX1石笋黄褐色纹(微)层上下均为方解石层; 而QX6石笋黄褐色层分布在方解石(上)和文石层(下)交界面之上。石笋直径变化上, QX1石笋在黄褐色层出现之后, 石笋直径变小, 说明沉积量和滴水量均变小。而QX6石笋黄褐色层及以下文石层, 直径较其上方解石层明显偏小, 说明QX6石笋黄褐色层前后沉积量和滴水水量有明显变化,黄褐色层之上沉积量和滴水水量明显增加。两个石笋滴水点均变化, 出现小范围位移。此次事件之后不仅导致了两个滴水点沉积量变化, 也导致滴水点位置发生变化。而两个石笋直径及所反映的沉积量和滴水水量的反相变化, 则说明此次事件并不是一次沉积间断。

两个石笋黄褐色层矿物组成主要为粘土质成分, 颜色发黄、发红(图2), 可能是氧化铁铁染而成。并不同于沉积间断一般灰黑、暗灰色纹(微)层, 或凹凸不平、不同波幅波痕或波状构造, 或表面泥化、石花层出现(林玉石等, 2002)。两个石笋黄褐色层在滴水点中心黄褐色层沉积致密构造, 在肩部以下局部地区出现微孔。可能受到两个因素的影响: (1)滴水形成纹(微)层过程中, 滴水漫流过肩部以后水量明显减少, 随水运移的物质减少, 导致肩部以下沉积量减少。(2)黄褐色层沉积之后, 后期滴水对已经沉积的黄色层进行冲刷, 造成中心位置附近黄褐色层变薄, 及部分肩部以下黄褐色层物质流失。QX6石笋黄褐色层厚度相对QX1石笋更薄(图2), 主要是由于两个滴水点存在差异, 对黄褐色层的沉积及后期改造存在差异有关。

表1　QX1和QX6石笋230Th测年结果Table 1230Th dating result of stalagmites QX1 and QX6

3.2黄褐色纹(微)层年龄推算

QX1石笋在7.5 mm出现黄褐色纹(微)层, QX6石笋在6 mm处出现黄褐色纹(微)层。由于两黄褐色纹(微)层上部年龄, 受到碎屑Th的影响, 误差相对较大(表1)。特别是5 mm处所测年龄由于样品年轻,测试时230Th较少(平均测量计数为60 cps)且波动较大, 导致计算的年龄倒序, 当舍去。但是为了保持数据的完整性和真实性, 将数据在此列出。黄褐色纹(微)层年龄的推算通过黄褐色纹(微)层下两个年龄计算平均沉积速率推算。通过计算QX1石笋黄褐色纹(微)层年龄为公元(1860±15)年, QX6石笋黄褐色纹(微)层年龄为公元(1868±1)年。两个石笋黄褐色纹(微)层沉积时间在误差范围内一致。当然不排除是邻近年份发生的两次同类型事件的可能。但是从七星洞其他石笋同样发现此黄褐色纹(微)层, 进一步推断两石笋黄褐色层指示的是同一次事件, 而不仅是某个滴水点的变化引起的。由于QX1石笋两个用于计算的年龄所在层存在矿物相的变化, 而QX6石笋用于计算的年龄所在层均位于文石层(图2),且误差更小, 本研究采用QX6石笋年龄作为这一事件发生的年龄。

3.3黄褐色纹(微)层形成原因分析

由于地表有植被覆盖, 以及洞穴滴水多为裂隙水补给, 管道补给相对较少。因此土壤直接被带入岩溶含水层, 并随滴水沉积到石笋表层的可能性相对较小。一般石笋剖面在无沉积间断时多为较纯净方解石/文石。而七星洞石笋普遍存在的黄褐色纹(微)层则可能是一次或短时间内多次极端事件形成。通过查阅历史文献, 发现在1869年距七星洞约160 km的镇宁县记载“六月大水, 东门城垣不没者仅三版”(光绪《镇宁州志》卷一祥异)(张德二, 2004)。距七星洞约80 km的贵阳旱涝分布指数显示, 1869年贵阳旱涝分布指数为1, 表明当地发生持续时间长而强度大的降水(中央气象局气象科学研究院, 1981)。利用《王文韶日记》重建的梅雨类型和夏季降水特征显示: 1869年为丰梅年, 降水异常偏多(满志敏等, 2007)。但多雨, 甚至可能多极端强降水是否就能形成黄褐色纹(微)层呢？答案是否定的。由于植被覆盖以及土壤固有理化性质, 将削弱强降水的携带能力。通过贵阳的旱涝分布指数可以看出, 在1862—1868年相对较旱, 且1866年达到重度干旱(图3)。而历史上咸同黔南苗族起义(1851—1874年)同样发生在这个时间段(黔南布依族苗族自治州史志编纂委员会, 2005)。说明干旱一定程度上影响了农业生产和社会结构。因此长时间的干旱,导致植被覆盖度的变化, 以及土壤湿度减小, 在强降雨条件下, 降水形成的地表径流携带能力增强,而进入洞穴的粘土含量也相应增加, 因此七星洞石笋记录的是干旱与强降水综合表现的一个结果。前期长时间的干旱, 导致植被覆盖度变化, 并且土壤湿度减小, 而1869年雨季异常多的降水, 而且可能是强降水携带洞穴上部土壤粘土物质, 进入洞穴并沉积在石笋表层。形成黄褐色纹(微)层。而后水动力条件改变, 滴水点位置发生位移, 且不同滴水点的沉积特征也发生了改变。

图3　1850—1900年间贵阳旱涝分布指数(中央气象局气象科学研究院, 1981)Fig. 3 Flood-drought index of Guiyang between AD 1850 and AD 1900(Chinese Academy of Meteorological Sciences, 1981)

对QX1和QX6石笋初步的碳氧同位素的采样(采样间隔1 mm)和测试结果显示, QX6石笋黄褐色层碳氧同位素值(δ18O和δ13C值分别为–6.55‰和–8.00‰), 较下部文石层(δ18O和δ13C值分别为–5.74‰和–5.33‰)、上部方解石层(δ18O和δ13C值分别为–6.43‰和–6.60‰)均偏负。QX1石笋虽没有采集到黄褐色层碳氧同位素数据, 但是上下方解石层碳氧同位素值均相对偏负(δ18O值为–6.09‰ ～ –6.97‰, δ13C值为–7.29‰ ～ –8.87‰)。两石笋碳氧同位素均指示黄褐色层沉积环境相对较适宜。但由于采样精度较低, 无法给出每年的碳氧同位素值,但碳氧同位素数据能辅助说明阶段性的气候环境特征。

3.4七星洞石笋记录的强降水事件的启示

对于极端强降水事件的研究, 目前研究相对较少, 主要是受制于年代学和分辨率, 而石笋沉积过程影响因素较多。而某些特殊条件地区(如淹水洞穴(蔡炳贵等, 2005; Dasgupta et al., 2010)、台风路径上洞穴(Frappier et al., 2007)、雨量效应控制(Yadava et al., 2004)、快速沉积(Baker et al., 1999))在一定程度上为极端降水事件研究提供了突破口。但是对于东亚季风区来讲, 是否可能存在一般性特征, 可以用来重建强降水事件呢？七星洞石笋记录的1869年左右的这次强降水事件可能为东亚季风区强降水事件研究提供新的思路(张美良等, 2009, 2015)。如长时间的干旱之后的强降水事件就可能被石笋记录到。而这种记录不是其他替代指标, 而是直接的沉积结构和矿物变化证据。因此在高精度年代学支持下, 强降水事件将被更加详细的研究。

4 结论

贵州七星洞两个文石-方解石石笋QX1和QX6近顶部位置(7.5 mm和6 mm处)分别出现黄褐色粘土矿物纹(微)层。通过滴流水沉积纹(微)层和微层沉积物结构构造特征研究, 发现QX1石笋黄褐色纹(微)层前后均为方解石层, 但是沉积量有逐渐减少的趋势; QX6石笋黄褐色纹(微)层以下为文石层,以上为方解石层, 而方解石层沉积量大于文石层,排除了沉积间断的可能。通过230Th年代学研究, 发现两个石笋黄褐色纹(微)层为同时期沉积, 沉积时间在1869年左右。通过历史文献研究, 发现在1869年之前当地为长时间的干旱, 洞顶植被和土壤湿度都有所降低, 而1869年的雨季多雨, 在强降水的携带下, 洞顶土壤粘土物质沉积于石笋表层形成黄褐色纹(微)层。此研究丰富了强降水事件研究, 为东亚季风区强降水事件研究提供了新的思路。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (Nos. YWF201414, 2014025 and 201319), and China Geological Survey (No. 12120113006700).

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A Tentative Discussion on a Heavy Precipitation Event Recorded by Stalagmites from Qixing Cave, Guizhou Province

YIN Jian-jun1), LIN Yu-shi1), TANG Wei1), CHENG Hai2, 3), EDWARDS R L3)
1) Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources and Guangxi, International Research Center on Karst under the Auspices of UNESCO, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004; 2) Institute of Global Environmental Change, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710054; 3) Department of Earth Science, University of Minnesota, Minneapolis 55455, USA

Abstract:In the background of global warming and higher frequency of extreme events, the study and investigation of the mechanism of extreme events that are likely to happen at present and in the future constitute a realistic and urgent work. Using geological records to reconstruct the past extreme events is an important method for detecting the extreme events. In this study, choosing Qixing Cave (25°59′N, 107°16′E, 978 m a.s.l.) in Guizhou Province as the study object, the authors investigated two calcite-aragonite stalagmites with similar depositional characteristics, and found that the same tawny laminas deposit in the top part of the two stalagmites may record the same heavy precipitation event. Some conclusions have been reached: (1) The tawny laminas recorded by stalagmites QX1 and QX6 have the same depositional characteristics, formed by clay carried by heavy precipitation. (2) The formation time of the two tawny laminas is the same within error, i.e., at AD (1868±1). (3) Climatic background of this heavy precipitation event was as follows: long time drought caused the reduction of vegetation covers and soil moisture, whereas there existed wet rainy season in 1869, and the clay carried by heavy precipitation was deposited on the surface of stalagmite to from lamina. The results obtained by the authors have opened a new train of theought for extreme precipitation research in East Asian monsoon area.

Key words:heavy precipitation event; stalagmite; Qixing Cave; tawny lamina

中图分类号:P458.12; P931.5

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.09

收稿日期:2016-03-01; 改回日期: 2016-04-20。责任编辑: 张改侠。

第一作者简介:殷建军, 男, 1985年生。助理研究员。主要从事全球变化与岩溶环境研究。E-mail: david1985_2005@163.com。