內陸湖泊流域化學風化作用與古氣候研究成果卓著

2020-12-01 中國科學院

國家自然科學基金「內陸湖泊流域化學風化作用的沉積記錄與古氣候反演」課題利用單一流域盆地沉積物在記錄特定流域內剝蝕和風化產物的獨特優勢，選取內蒙古岱海、青海湖這兩個中國內陸封閉型湖泊作為研究對象，著眼於陸地表生地球化學過程與氣候和生態環境的密切關係，為季風區乃至全球氣候變化提供地球化學依據，並探討其在湖泊古氣候環境恢復中的普遍意義。

該課題首先對岱海近500年沉積巖芯Rb/Sr比值變化進行測試研究，結合磁化率、粘土礦物組成，表明高Rb/Sr比值的湖泊沉積物是流域經歷弱化學風化的反映：在小冰期氣候的制約下，流域帶入湖盆的Sr含量相對減少導致沉積物的Rb/Sr比值顯著增高。湖泊沉積物的Rb/Sr比高峰區段與磁化率低峰區段相對應，兩者具有顯著的負相關性，這正與黃土―古土壤序列中兩者的正相關性相呼應(Chen et al，1999)。從而表明，內陸封閉湖泊沉積物的Rb/Sr比值變化能很好地反映相應時期流域化學風化過程。短時間尺度的巖石的化學風化率是區域氣溫和降水量的函數，因此湖泊沉積物化學風化率良好的記錄實質上指示了流域內相應時期降水量和溫度的狀況。岱海地區小冰期最盛期是以高Rb/Sr比值、低磁化率、低CaCO3、低Corg、低C/A比和孢粉濃度的湖泊沉積為特徵的，反映流域所經歷的冷溼的氣候環境。同時根據現生介形類(Limnocythere cf. inopinata)殼體Sr/Ca比值與湖水Sr/Ca比值的配分關係建立的湖水鹽度與湖水Sr/Ca比值的函數方程，利用湖泊沉積物介形類殼體的Sr/Ca比值定量恢復了小冰期以來岱海湖水的鹽度變化過程，進一步論證了岱海流域小冰期期間冷溼的氣候環境狀況及最近幾十年以來增溫乾旱化過程。

隨後，我們對上述岱海沉積物進行了酸溶實驗和矽酸鹽和碳酸鹽礦物的87Sr/86Sr比值分析，分別採用0.1 M，0.5 M，1.0 M和2.0 M醋酸和鹽酸對岱海沉積物進行了一系列酸淋洗實驗，測定其清液的87Sr/ 86Sr值，並用XRF和EDTA分析殘留部分的礦物和清液的元素組成。表明小冰期以來岱海流域處於矽酸鹽礦物早期風化階段。在小冰期最盛期，沉積物中的矽酸鹽和碳酸鹽礦物的87Sr/86Sr值均呈明顯峰值，反映流域經歷的不利於矽酸鹽中放射成因Sr溶出的寒冷氣候環境。同時，不同礦物相的87Sr/86Sr值變化也展示了小冰期後有助於化學風化的增暖氣候。因此，內陸湖泊沉積物的矽酸鹽和碳酸鹽礦物的87Sr/86Sr值可作為古氣候環境變化的有效代用指標。

進一步地，通過AMS-14C和210Pb精確定年及12.08米岱海沉積巖心的Rb/Sr比值、碳酸鹽含量和有機碳含量的變化，恢復了包括8.2ka冷期、中世紀暖期(MWP)、小冰期(LIA)等典型氣候事件在內的全新世環境演化過程。

該課題研究首次採用湖泊沉積序列評價單一流域化學風化歷史及其對氣候變化的響應，將化學風化、湖泊沉積和氣候環境三者融為一體，為探討化學風化速率、區域氣候變化提供新的思路，也為進一步加深對低溫地球化學循環中微量元素及其同位素在流體中行為的認識作出初步的貢獻。由於內陸湖泊沉積物具有連續性強、解析度高、物源穩定等特點，因此利用湖泊沉積物記錄的Rb/Sr比值、碳酸鹽和矽酸鹽Sr同位素比值反演流域古環境變遷比海洋沉積物、黃土―古土壤更直接，減少了不確定性，優勢明顯。

該課題截止目前已在國內外刊物上發表研究論文17篇，其中SCI收錄論文4篇(含錄用1篇)，EI收錄論文2篇。發表的論文已多次被國內相關學者所引用。

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