殷建軍, 林玉石, 唐 偉, 程 海, EDWARDS R L

1)中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室,聯(lián)合國教育科學及文化組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004; 2)西安交通大學全球變化研究院, 陜西西安 710054; 3)Department of Earth Science, University of Minnesota, Minneapolis 55455, USA

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貴州七星洞石筍記錄的一次強降水事件的探討

殷建軍1), 林玉石1), 唐 偉1), 程 海2, 3), EDWARDS R L3)

1)中國地質科學院巖溶地質研究所, 國土資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室,聯(lián)合國教育科學及文化組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004; 2)西安交通大學全球變化研究院, 陜西西安 710054; 3)Department of Earth Science, University of Minnesota, Minneapolis 55455, USA

摘 要:全球變暖、極端事件頻發(fā)背景下, 研究極端事件發(fā)生規(guī)律, 并準確預測未來極端事件的發(fā)生, 已經成為目前極端事件研究的現(xiàn)實而緊迫的任務。利用地質載體重建過去極端事件的發(fā)生規(guī)律是極端事件研究的重要手段。本研究以貴州七星洞兩個具有相似沉積特征的文石-方解石石筍對過去發(fā)生的一次強降水事件進行了探討。主要認識有: (1)七星洞QX1和QX6石筍分別記錄的黃褐色紋(微)層具有相似的沉積特征, 為強降水攜帶粘土沉積形成; (2)兩個石筍黃褐色紋(微)層發(fā)生的時間經推算在誤差范圍內一致, 發(fā)生在公元(1868±1)年; (3)此次強降水事件發(fā)生的氣候背景為: 長時間的干旱導致洞頂植被覆蓋和土壤濕度減小, 而1869年的雨季多雨, 在強降水攜帶下粘土沉積于石筍表面形成紋(微)層。此次事件的研究為東亞季風區(qū)極端降水事件研究提供了新的思路。

關鍵詞:強降水事件; 石筍; 七星洞; 黃褐色紋(微)層

本文由中國地質科學院基本科研業(yè)務費項目(編號: YWF201414)、中國地質科學院巖溶地質研究所基本科研業(yè)務費項目(編號: 2014025; 201319)和中國地質調查局地質調查項目(編號: 12120113006700)聯(lián)合資助。

全球變暖, 全球水循環(huán)的改變已經極大的影響了人們的生產生活(IPCC, 2013)。隨著全球水循環(huán)的改變, 極端事件頻發(fā), 特別是強降水事件和干旱。而極端事件的發(fā)生并非完全由人類活動影響, 在歷史上也存在。只是目前人類活動只是在一定程度上影響了極端事件發(fā)生的頻率和幅度。因此研究歷史上極端事件的發(fā)生對于認識目前極端事件的發(fā)生有著重要的指導意義。研究過去極端事件的載體主要有: 歷史文獻(Liu et al., 2001; 張德二, 2004; 張德二和Demaree, 2004; 王培華等, 2004; Zhang, 2005; Zheng et al., 2006; 張德二和梁有葉, 2010; 張德二和陸龍驊, 2011)、樹輪(劉禹等, 2009; 黃磊等, 2010; Yang et al., 2014)、湖泊沉積(Chu et al., 2012; 于革等, 2013; Li et al., 2013; Rodysill et al., 2013)和石筍(Baker et al., 2002; Yadava et al., 2004; Frappier et al., 2007; Dasgupta et al., 2010)等等。而極端事件的研究包括極端溫度(Baker et al., 2002; 張德二和Demaree, 2004; 王培華等, 2004; 劉禹等, 2009; Chu et al., 2012)、強降水(Yadava et al., 2004; Dasgupta et al., 2010; 張德二和陸龍驊, 2011; 于革等, 2013; Li et al., 2013)、干旱(Yadava et al., 2004; Zhang, 2005; Zheng et al., 2006; 黃磊等, 2010; 張德二和梁有葉, 2010; Rodysill et al., 2013; Yang et al., 2014)、臺風(Liu et al., 2001; Frappier et al., 2007)等等。目前對于各種極端事件記錄載體均存在一定的局限性, 如歷史文獻在公元1500年以來相對更加詳盡, 而之前詳盡程度差異很大, 特別是西南地區(qū)(中央氣象局氣象科學研究院, 1981); 樹輪記錄在西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)相對更加密集, 而其他地區(qū)相對較少;湖泊沉積則一定程度上受制于分辨率和年代學。目前石筍記錄在年代學(Cheng et al., 2013)、分辨率(Orland et al., 2009)方面有了極大的提高。目前亞洲季風區(qū)石筍主要應用指標氧同位素解釋為季風(長尺度)(Cheng et al., 2012)和環(huán)流(短尺度)(譚明, 2009)變化。在年代學和采樣分辨率限制下, 對弱季風(干旱)事件的記錄相對更加明顯。強降水事件由于發(fā)生時間較短(幾小時到幾天)、形成石筍的滴水可能在強降水下不飽和、甚至侵蝕已沉積石筍, 目前對亞洲季風區(qū)強降水事件研究相對較少。且本洞穴研究點的石筍氣候事件研究也多集中在千年尺度事件(張美良等, 2004)。本研究在高精度年代學、多石筍記錄相互驗證的基礎上, 對貴州七星洞石筍記錄的一次強降水事件進行了探討, 以期豐富亞洲季風區(qū)石筍記錄極端事件研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省都勻市凱酉村七星洞(25°59′N, 107°16′E, 海拔978 m), 地質構造上處于貴定復向斜和都勻復向斜之間的黃絲背斜南端。七星洞發(fā)育在下石炭統(tǒng)擺佐組(C1b)灰色中厚層白云巖、白云質灰?guī)r中。洞穴發(fā)育受區(qū)域地質構造控制,洞道基本沿走向北、北北東向延伸, 洞長383 m, 寬10～15 m, 最寬處達40 m, 洞高10～15 m, 最高處達到35 m(陳建庚, 2001)。洞穴內次生化學沉積物十分發(fā)育, 石筍、石鐘乳、石柱分布密集, 且分布之密集十分罕見(圖1)。洞穴上覆基巖最大厚度約90 m,地層向西傾, 傾角約20°。上覆土壤層相對較薄, 一般小于10 cm, 局部基巖裸露。植被以灌木為主, 有少量松、柏分布, 草本植物發(fā)育茂盛, 蕨類、苔蘚植物, 總體覆蓋度較好。洞穴內部平均溫度為14.0～14.5℃, 相對濕度為93%～97%, 空氣CO2濃度為(402～457)×10-6。七星洞最近的氣象站點氣象數(shù)據(jù)顯示, 當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁貫?6.1℃, 多年平均降水量為1 431 mm。

2 材料和方法

本研究石筍QX1、QX6為正在生長的石筍, 分布在洞穴的不同部位, 排除了單一滴水點改變導致石筍中特殊層位出現(xiàn)的可能。QX1長36.5 cm, 為文石-方解石石筍, 方解石紋層和文石紋層組成沉積旋回, 交替疊復出現(xiàn); QX6石筍長22.7 cm, 同樣為文石-方解石石筍, 但方解石紋層只出現(xiàn)在某幾個層位。兩個石筍近頂部均出現(xiàn)黃褐色紋(微)層。QX6石筍黃褐色層出現(xiàn)在方解石與文石交界部位, 而QX1石筍黃褐色層出現(xiàn)在方解石旋回層近頂部(圖2)。黃色層與鄰近層位并未出現(xiàn)截然的沉積相的變化。特別是QX1石筍黃褐色層分布在方解石層中,上下方解石并未出現(xiàn)明顯的沉積特征變化。因此黃褐色層可能并不是由于滴水減少/停滴導致的間斷層(風化殼)(林玉石等, 2002)。而可能記錄的是一次特殊的氣候事件。

從石筍頂部向下, 沿石筍生長軸采集粉末樣品用于230Th年齡測試,230Th測年分別在美國明尼蘇達大學地球科學系和西安交通大學同位素實驗室進行。化學分析流程參見Cheng等(2013)和Shen等(2002)文獻, 分析儀器為Neptune多接收等離子體質譜儀(MC-ICP-MS)。測試結果見表1。

3 結果與討論

3.1黃褐色紋(微)層沉積特征

圖1　貴州都勻七星洞區(qū)域地質(左)及洞穴剖面圖(右)(據(jù)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)

圖2　貴州七星洞QX1(a)和QX6石筍(b)(黑色條帶指示年齡采樣位置, 黃褐色紋(微)層標記為兩個石筍出現(xiàn)黃褐色紋(微)層位置)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石筍出現(xiàn)的黃褐色紋(微)層, 由黏土礦物組成, 結構微細緊密, 略具微波紋層面構造,黃褐色與上下灰-灰白色方解石微晶或文石微針結構構造紋(微)層截然突變, 與上下鄰近紋(微)層組成物質礦物成分、結構構造突變不同, 呈現(xiàn)出沉積物構造假整合。QX1石筍黃褐色紋(微)層上下均為方解石層; 而QX6石筍黃褐色層分布在方解石(上)和文石層(下)交界面之上。石筍直徑變化上, QX1石筍在黃褐色層出現(xiàn)之后, 石筍直徑變小, 說明沉積量和滴水量均變小。而QX6石筍黃褐色層及以下文石層, 直徑較其上方解石層明顯偏小, 說明QX6石筍黃褐色層前后沉積量和滴水水量有明顯變化,黃褐色層之上沉積量和滴水水量明顯增加。兩個石筍滴水點均變化, 出現(xiàn)小范圍位移。此次事件之后不僅導致了兩個滴水點沉積量變化, 也導致滴水點位置發(fā)生變化。而兩個石筍直徑及所反映的沉積量和滴水水量的反相變化, 則說明此次事件并不是一次沉積間斷。

兩個石筍黃褐色層礦物組成主要為粘土質成分, 顏色發(fā)黃、發(fā)紅(圖2), 可能是氧化鐵鐵染而成。并不同于沉積間斷一般灰黑、暗灰色紋(微)層, 或凹凸不平、不同波幅波痕或波狀構造, 或表面泥化、石花層出現(xiàn)(林玉石等, 2002)。兩個石筍黃褐色層在滴水點中心黃褐色層沉積致密構造, 在肩部以下局部地區(qū)出現(xiàn)微孔?？赡苁艿絻蓚€因素的影響: (1)滴水形成紋(微)層過程中, 滴水漫流過肩部以后水量明顯減少, 隨水運移的物質減少, 導致肩部以下沉積量減少。(2)黃褐色層沉積之后, 后期滴水對已經沉積的黃色層進行沖刷, 造成中心位置附近黃褐色層變薄, 及部分肩部以下黃褐色層物質流失。QX6石筍黃褐色層厚度相對QX1石筍更薄(圖2), 主要是由于兩個滴水點存在差異, 對黃褐色層的沉積及后期改造存在差異有關。

表1　QX1和QX6石筍230Th測年結果Table 1230Th dating result of stalagmites QX1 and QX6

3.2黃褐色紋(微)層年齡推算

QX1石筍在7.5 mm出現(xiàn)黃褐色紋(微)層, QX6石筍在6 mm處出現(xiàn)黃褐色紋(微)層。由于兩黃褐色紋(微)層上部年齡, 受到碎屑Th的影響, 誤差相對較大(表1)。特別是5 mm處所測年齡由于樣品年輕,測試時230Th較少(平均測量計數(shù)為60 cps)且波動較大, 導致計算的年齡倒序, 當舍去。但是為了保持數(shù)據(jù)的完整性和真實性, 將數(shù)據(jù)在此列出。黃褐色紋(微)層年齡的推算通過黃褐色紋(微)層下兩個年齡計算平均沉積速率推算。通過計算QX1石筍黃褐色紋(微)層年齡為公元(1860±15)年, QX6石筍黃褐色紋(微)層年齡為公元(1868±1)年。兩個石筍黃褐色紋(微)層沉積時間在誤差范圍內一致。當然不排除是鄰近年份發(fā)生的兩次同類型事件的可能。但是從七星洞其他石筍同樣發(fā)現(xiàn)此黃褐色紋(微)層, 進一步推斷兩石筍黃褐色層指示的是同一次事件, 而不僅是某個滴水點的變化引起的。由于QX1石筍兩個用于計算的年齡所在層存在礦物相的變化, 而QX6石筍用于計算的年齡所在層均位于文石層(圖2),且誤差更小, 本研究采用QX6石筍年齡作為這一事件發(fā)生的年齡。

3.3黃褐色紋(微)層形成原因分析

由于地表有植被覆蓋, 以及洞穴滴水多為裂隙水補給, 管道補給相對較少。因此土壤直接被帶入巖溶含水層, 并隨滴水沉積到石筍表層的可能性相對較小。一般石筍剖面在無沉積間斷時多為較純凈方解石/文石。而七星洞石筍普遍存在的黃褐色紋(微)層則可能是一次或短時間內多次極端事件形成。通過查閱歷史文獻, 發(fā)現(xiàn)在1869年距七星洞約160 km的鎮(zhèn)寧縣記載“六月大水, 東門城垣不沒者僅三版”(光緒《鎮(zhèn)寧州志》卷一祥異)(張德二, 2004)。距七星洞約80 km的貴陽旱澇分布指數(shù)顯示, 1869年貴陽旱澇分布指數(shù)為1, 表明當?shù)匕l(fā)生持續(xù)時間長而強度大的降水(中央氣象局氣象科學研究院, 1981)。利用《王文韶日記》重建的梅雨類型和夏季降水特征顯示: 1869年為豐梅年, 降水異常偏多(滿志敏等, 2007)。但多雨, 甚至可能多極端強降水是否就能形成黃褐色紋(微)層呢？答案是否定的。由于植被覆蓋以及土壤固有理化性質, 將削弱強降水的攜帶能力。通過貴陽的旱澇分布指數(shù)可以看出, 在1862—1868年相對較旱, 且1866年達到重度干旱(圖3)。而歷史上咸同黔南苗族起義(1851—1874年)同樣發(fā)生在這個時間段(黔南布依族苗族自治州史志編纂委員會, 2005)。說明干旱一定程度上影響了農業(yè)生產和社會結構。因此長時間的干旱,導致植被覆蓋度的變化, 以及土壤濕度減小, 在強降雨條件下, 降水形成的地表徑流攜帶能力增強,而進入洞穴的粘土含量也相應增加, 因此七星洞石筍記錄的是干旱與強降水綜合表現(xiàn)的一個結果。前期長時間的干旱, 導致植被覆蓋度變化, 并且土壤濕度減小, 而1869年雨季異常多的降水, 而且可能是強降水攜帶洞穴上部土壤粘土物質, 進入洞穴并沉積在石筍表層。形成黃褐色紋(微)層。而后水動力條件改變, 滴水點位置發(fā)生位移, 且不同滴水點的沉積特征也發(fā)生了改變。

圖3　1850—1900年間貴陽旱澇分布指數(shù)(中央氣象局氣象科學研究院, 1981)Fig. 3 Flood-drought index of Guiyang between AD 1850 and AD 1900(Chinese Academy of Meteorological Sciences, 1981)

對QX1和QX6石筍初步的碳氧同位素的采樣(采樣間隔1 mm)和測試結果顯示, QX6石筍黃褐色層碳氧同位素值(δ18O和δ13C值分別為–6.55‰和–8.00‰), 較下部文石層(δ18O和δ13C值分別為–5.74‰和–5.33‰)、上部方解石層(δ18O和δ13C值分別為–6.43‰和–6.60‰)均偏負。QX1石筍雖沒有采集到黃褐色層碳氧同位素數(shù)據(jù), 但是上下方解石層碳氧同位素值均相對偏負(δ18O值為–6.09‰ ～ –6.97‰, δ13C值為–7.29‰ ～ –8.87‰)。兩石筍碳氧同位素均指示黃褐色層沉積環(huán)境相對較適宜。但由于采樣精度較低, 無法給出每年的碳氧同位素值,但碳氧同位素數(shù)據(jù)能輔助說明階段性的氣候環(huán)境特征。

3.4七星洞石筍記錄的強降水事件的啟示

對于極端強降水事件的研究, 目前研究相對較少, 主要是受制于年代學和分辨率, 而石筍沉積過程影響因素較多。而某些特殊條件地區(qū)(如淹水洞穴(蔡炳貴等, 2005; Dasgupta et al., 2010)、臺風路徑上洞穴(Frappier et al., 2007)、雨量效應控制(Yadava et al., 2004)、快速沉積(Baker et al., 1999))在一定程度上為極端降水事件研究提供了突破口。但是對于東亞季風區(qū)來講, 是否可能存在一般性特征, 可以用來重建強降水事件呢？七星洞石筍記錄的1869年左右的這次強降水事件可能為東亞季風區(qū)強降水事件研究提供新的思路(張美良等, 2009, 2015)。如長時間的干旱之后的強降水事件就可能被石筍記錄到。而這種記錄不是其他替代指標, 而是直接的沉積結構和礦物變化證據(jù)。因此在高精度年代學支持下, 強降水事件將被更加詳細的研究。

4 結論

貴州七星洞兩個文石-方解石石筍QX1和QX6近頂部位置(7.5 mm和6 mm處)分別出現(xiàn)黃褐色粘土礦物紋(微)層。通過滴流水沉積紋(微)層和微層沉積物結構構造特征研究, 發(fā)現(xiàn)QX1石筍黃褐色紋(微)層前后均為方解石層, 但是沉積量有逐漸減少的趨勢; QX6石筍黃褐色紋(微)層以下為文石層,以上為方解石層, 而方解石層沉積量大于文石層,排除了沉積間斷的可能。通過230Th年代學研究, 發(fā)現(xiàn)兩個石筍黃褐色紋(微)層為同時期沉積, 沉積時間在1869年左右。通過歷史文獻研究, 發(fā)現(xiàn)在1869年之前當?shù)貫殚L時間的干旱, 洞頂植被和土壤濕度都有所降低, 而1869年的雨季多雨, 在強降水的攜帶下, 洞頂土壤粘土物質沉積于石筍表層形成黃褐色紋(微)層。此研究豐富了強降水事件研究, 為東亞季風區(qū)強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

中圖分類號:P458.12; P931.5

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.09

收稿日期:2016-03-01; 改回日期: 2016-04-20。責任編輯: 張改俠。

第一作者簡介:殷建軍, 男, 1985年生。助理研究員。主要從事全球變化與巖溶環(huán)境研究。E-mail: david1985_2005@163.com。