判别洞穴石笋古气候重建适宜性重现性准则

近日，中科院地球化学研究所研究员刘再华与美国爱荷华大学的Dorale博士共同发表了他们的最新研究成果，两位科学家提出用重现性准则（即两个或是更多的洞穴石笋具有相同的同位素记录）来检验石笋是否是在同位素平衡条件下沉积的，以判别洞穴石笋古气候重建的适宜性（只有达到同位素平衡的石笋才能被用于古气候重建）。论文用同位素理论和大量的实验数据论证了只有在缺少动力过程和蒸发过程（即达到同位素平衡）的条件下，两个或多个石笋的同位素记录才具有重现性。因此，重现性检验是最有效地排除动力过程和蒸发过程，以确保同位素平衡条件的准则。这一研究成果挑战了国际上遵循达38年之久的Hendy准则。该论文近日发表在洞穴和岩溶学国际学术期刊《洞穴与岩溶研究杂志》（Journal of Cave and Karst Studies）2009年第一期上。数十年来，石笋的碳氧稳定同位素组成被认为是了解过去气候变化的重要环境替代指标。对于达到同位素平衡的石笋，其氧稳定同位素组成（δ18O）的变化直接反映了洞穴温度变化和大气降水的δ18O变化。石笋的碳稳定同位素组成（δ13C）则起源于基岩、大气CO₂和土壤CO₂，而土壤CO₂与受气候影响的上覆植被有关。因此石笋的δ18O和δ13C都具有反映气候变化的潜力。然而，某些局部过程可能改变石笋的δ18O和δ13C值，从而掩盖主要的气候变化信息，这些过程包括：动力过程，包括石笋在非同位素平衡条件下的沉积；蒸发过程，包括地表或近地表水的蒸发。事实上，没有绝对有效的方法用于检验上述过程是否存在。然而，38年前由Hendy博士提出的Hendy准则却一直被全世界的古气候研究者广泛用于评估石笋沉积是否达到了同位素平衡。可是，在运用这一准则时，许多研究者都发现，Hendy准则第一条（即在石笋同一纹层中其δ18O的值应基本一致）并不能有效地检验同位素平衡是否达到。因为理论上同位素在石笋中心达到平衡的时候很可能在石笋边缘发生了同位素非平衡动力分馏，并且在同一纹层内取样的理念无论在实践还是理论上都是有问题的。准则第二条（即石笋δ18O和δ13C间无相关性）的前提是洞穴沉积物的δ13C值与气候变化无关。而事实上，气候是土壤生产力和植被类型的首要控制因子，因此洞穴石笋的δ13C值理应与气候有着相关性。因此，Hendy准则的第二条并不是所有同位素平衡沉积的必要条件。中美两位科学家的这一研究发现得到了国际上该领域权威审稿专家的高度评价。审稿人认为，该文对于目前全世界欣欣向荣的石笋古气候研究来说是及时和富有创见的。（来源：科学时报曾海涛）《科学时报》 (2009-7-22 A1 要闻)