玛珥湖与过去全球变化研究

作者:湛江湖光岩风景区 点击数:
  十几年来,全球变化已成为国际科学界的研究热点,过去全球变化研究也已成为地球科学的研究前沿,并取得了令人振奋的成果,特别是近年来高分辨率古气候记录研究揭示了一系列的突变事件和气候周期,使人们又认识了地球轨道驱动冰期旋回之外的另一些重要的现象,同时,也将古气候研究推进到了高分辨率的新阶段。
  在高分辨率古气候信息的载体中,玛珥湖由于在形成和保存高分辨率气候环境记录方面具有独特的优势,近年来受到了广泛关注,欧洲玛珥湖钻探计划所取得的一系列研究成果, 也显示其在过去全球变化研究方面的巨大潜力。中国大陆也有玛珥湖分布,近年来也开始了玛珥湖的研究工作。

1 玛珥湖研究概述

  玛珥的英文“Maar”来源于拉丁文“mare”,即海的意思,是居住在德国莱茵地区的人们对当地有水的湖泊、沼泽的称呼。19世纪早期,德国科学家Steininger①最早从德国西部艾 费尔高原(Eifel)第四纪火山区的小而圆形的火山口湖研究开始,初步把玛珥(Maar)定义为一种火山类型。此后,火山学家们[3~6]从火山学角度对玛珥的概念、特征及起源进行了深入系统的研究,揭示了玛珥的一系列鲜明特征:形成于水汽或岩浆水汽喷发作用 ;地貌上呈现地表下深切到围岩的圆形或近圆形的低平火山口(大多数玛珥直径为7 50~1 750 m,深30~250 m,深度与直径之比近似于1∶5),并被一个低矮的火山碎屑环包围 ;火山喷出物由围岩碎屑和火山碎屑岩组成,没有熔岩形成,其中围岩碎屑占70%~90%;火山喷出沉积物多出现基浪构造、层理构造等;多充水成湖,也就是玛珥湖。近年来,Buchel[7]对德国西部Eifel区的玛珥进行了综合研究,提出了玛珥系统的概念,即玛珥是由环形墙、火山口沉积物、火山筒和馈浆通道组成的系统,并概括了玛珥发生发展的不同演化阶段。这些概念紧密联系了玛珥的发生与演化过程,比较完整地勾画了玛珥系统,现在已被普遍接受。

  玛珥湖泊学和沉积学的研究始于20世纪初期,Thienemann[8]对艾费尔高原地区Weinfelder和Schal-kenmehrener 玛珥湖动物群系进行了研究,提出了富营养湖和贫 营养湖的划分原则。真正意义的玛珥湖泊沉积与环境的研究是从80年代初期对德国艾费尔地区玛珥湖研究开始的[9,10]。80年代后期以来,随着新一代高精度、无扰动钻探技术的应用,欧洲先后执行了地质玛珥研究计划(GEOMAARS,1986~1989)和欧洲玛珥研究计划(EUROMAARS,1990~1993),高分辨率地获取了连续完整的玛珥湖沉积记录,并通过纹层年代学、沉积学、地球化学、古生物学、孢粉学、古地磁学、硅藻学等多学科交叉 、多指标综合方法进行系统研究,玛珥湖沉积与环境研究获得了巨大进展[11~13],使以年为分辨率的环境-气候记录从历史记录的几百年扩展到最近7万多年,玛珥湖研究区也从德国的Eifel扩展到法国、意大利等整个欧洲。正在执行的欧洲湖泊钻探项目(ELDP ,1996~2000)将集中研究分布于欧洲的玛珥湖,获取末次间冰期以来以年甚至以季节为时 间尺度的高分辨率古气候记录,旨在理解欧洲大陆气候演变的过程和动力机制[14] 。

2 玛珥湖沉积与环境研究现状

  一个湖泊系统对气候变化的时间和空间的敏感程度主要依赖于它的补给区的范围、水文地质特征以及系统中水体的滞留时间,系统越简单,气候环境信息记录的越清晰。玛珥湖就是这样的一个简单系统:①没有出口和入口,补给区仅限于环形墙内,汇水面积接近湖水面积 ;②湖盆结构简单,特殊的深度/湖面比以及相对稳定的水体,最有利于纹层的形成和保存 ;③水体较深,湖体范围小,避免了构造变动影响和风场的干扰,有利于沉积物快速沉积和原始保存。因此,玛珥湖是形成和保存高分辨率沉积记录的理想场所,沉积物最大限度地 记录了区域气候环境的变化。当然,由于玛珥湖较小及其对气候环境变化的敏感性,也使其 沉积记录具有一定的局限性,主要表现在记录的空间尺度较窄,环境信息可能更多地反映了局地的气候环境变化。

  目前,玛珥湖研究主要集中在欧洲,近10多年来,欧洲在玛珥湖沉积与环境方面进行了广泛深入的研究,取得了一系列令人注目的成果,集中表现在下列几个方面。

2.1 纹层研究

  纹层是目前具有季节和年分辨率的载体中时间长度最长的,它不仅可以提供精确的长尺度年代标尺,而且携带着丰富的季节性气候变化的信息。现已发现的玛珥湖沉积物均有纹层 ,高分辨率的纹层分析是玛珥湖沉积物研究的一个重要内容。

  Heinz等[15]通过高技术的微地层分析手段,对西Eifel火山区Schalkenmehrener玛珥湖沉积纹层进行了研究,鉴别出由硅藻—矿物组分—碎屑组合而成的8种年层类型。Poth 等[16]识别了Meerfelder玛珥湖纹层,发现年纹层主要由春夏季发育的金藻门孢 囊和浮游硅藻、秋季发育的滨岸硅藻和有机物以及冬季发育的矿物碎屑组成。最近,对德国 Holzmaar玛珥湖硅藻纹层的研究发现[17],不同的硅藻种类呈层状变化,每一层的 开始首先沉积的是冬季—春季生长的Stephanodiscus cf. Minutulus(极小盘冠藻变种)和Nitzschia paleacea(谷皮菱形藻),接着 沉积的是夏季生长的Cyclotella ocellata(眼斑小环藻),一些底栖硅藻 的壳体富积在秋季的沉积层中,如Epithemiaspp.(网眼藻)等。硅藻纹层 是最常见的玛珥湖纹层类型,硅藻种属的变化既提供了鉴定年层的标志,又反映了季节性气候变化特点。
纹层厚度近年来也受到了古气候学家的关注,它不仅可以反映季节性的温度、降水的变化[18],更是在研究短尺度气候变化机制上有重要的指示意义[19]。Mingram[20]研究了欧洲最老的玛珥湖年层,提取出了5.5 a的太阳活动周期。 Negandank 利用时间序列分析方法对Holzmaar玛珥湖22 500 a年层厚度序列进行了计算,11 a的太阳黑 子周期、87 a的Gleissberg周期等都清楚地反映了出来。这些研究表明了纹层蕴含着太阳活 动的信号,无疑它对研究太阳—气候趋动机制有巨大潜力。

2.2 年代学研究

  玛珥湖沉积物发育有年层,保存有丰富的陆相植物残留碎屑和大量的火山灰层,这为开展年代学研究提供了非常有利的条件。因而,高分辨率年代学研究成为玛珥湖研究中最为引人注目的一个分支。

  根据年层计数可以建立时间标尺,这就是所谓的年层时间标尺。年层时间标尺是一种浮动时间标尺,如果给以精确的年龄点控制,则年层时间标尺就成为了绝对时间标尺。年层时间标尺不仅为环境—气候指标记录提供了天然年历,而且补充了树木年轮年代长度短的不足,为校正14C年龄提供了又一种重要途径。根据纹层计数,德国Holzmaar玛珥湖建立了 22 500 ka BP的年层时间标尺,误差仅为1%~1.6%[19,21]。 Zolitscka[22]通过对意大利Monticchio玛珥湖沉积学和微地层学的研究,按照从年层获得的沉积速率把年层时间标尺延续到了76 ka BP,由此得出的年龄与14C年龄以及火山灰Ar/Ar年 龄相一致。Merkt[23]由年层时间标尺确定了欧洲晚第四纪最大的一次火山喷发发 生在新仙女木事件前200 a。Hajdas[24]根据年层时间标尺把14C校正曲线 扩展到了12.6 ka BP。未来几年,ELDP的目标是通过年层年代学建立晚第四纪以来欧洲大 陆环境—气候演化的天然年历,并将提供更长时间尺度的14C校正曲线。

  玛珥湖特殊的沉积环境使得大量的陆源植物残留物得以完好保存,避免了14C测年材料受硬水效应和来自火山物质的“老碳”污染,保证了年龄的准确性。Hajdas等[25]对Holzmaar玛珥湖沉积物中陆源植物碎屑开展了高分辨率的AMS14C测年,得到了精确的年龄,并与年层时间标尺标定的年龄有非常一致的对应。玛珥湖有理想的14C测 年材料,也为研究大气14C的长期变化或全球碳循环贮库变化提供了条件,一些研究者已开始致力于这方面的工作。

  由于特殊的成因背景,玛珥湖沉积物中常常保存有极好的火山灰层甚至极薄的火山灰微层, 这不仅可以进行地层对比和追踪火山演化历史,而且通过火山灰精确的Ar/Ar或K/Ar测年, 为沉积地层提供了又一种绝对定年。Zolischka[18]通过对德国Eifel火山区玛珥湖 沉积物中Laacher See火山灰的检测,确定其喷发时间是12.9 ka BP,更详细的微地层分 析表明喷发可能发生于当年的早春时间。意大利Monticchio玛珥湖沉积物中厚约4 cm以下 的火山灰有158层,大于4 cm的火山灰层达15层,它们记录了76 ka BP以来南意大利火山活 动的历史[26]。在法国高地(Massif)火山区玛珥湖沉积物中也发现有火山灰层[27]。

  玛珥湖年代学研究涉及了诸多内容,最重要的是多种测年方法的应用可为气候环境记录提供 准确的高分辨率时间标尺,这是玛珥湖沉积物优越于其它环境载体的一个重要方面,而这对于过去全球变化研究又非常重要。

2.3 多学科、多指标综合研究

  多学科、多指标综合研究是玛珥湖沉积与环境演变研究的又一个重要方面。玛珥湖沉积物携带着丰富的孢粉、硅藻、浮游生物、古地磁、地球化学、人类活动等信息 ,目前研究内容涉及了古生物、地球化学、地球物理等学科,开展的多指标气候环境分析主 要包括:在生物方面,利用孢粉组合恢复古植被、古生态[28],利用硅藻研究古湖 水的盐度、pH值及湖面波动;在生物地球化学方面,利用介形虫壳体的Sr/Ca 和Mg/Ca定量分析湖水古盐度、古温度变化,利用生物硅含量指示硅藻古生产力变化;在元素地球化学方面,利用多种元素或元素比反映沉积碎屑来源及 环境变化;在有机地球化学方面,利用有机碳同位素、有机碳含量、氢指数、 氧指数、生物标志物以及C/N、C/S等指示有机物的来源及环境演化;在古 地磁学方面,研究古地磁事件、磁性参数及其与磁性矿物的关系等来探讨环境磁学;在物性方面,利用沉积速率、沉积通量以及干密度来追踪物源变化,利用自生矿物反演古湖水化学条件。多学科、多指标的定性或定量研究不仅提供了多种环境气候信息,而且消除了单一指标解释带来的多解性,使解释更为合理和准确,这 是近年来古全球变化研究的一大趋势。

  玛珥湖沉积与环境的研究除了上述几方面进展外,近年来在新技术新方法应用上也取得了很大进展。在钻探技术上,研制出了一种高精度、无扰动、连续钻取的新一代钻探技术(U singer钻),可在50 m水深中钻取70 m岩芯,这是目前世界上最先进的湖泊钻探设备之 一,我国湖光岩玛珥湖沉积岩芯的钻取也利用了这种技术。在取样分析上,发展和完善了一 套连续微观剖面、大型薄片制备和高精度取样的实验技术,保证了样品分析的可靠性、准确 性。随着研究的不断深入,新的技术和方法也会迅速发展和改进,不断地推动玛珥湖研究向 更高程度发展。

3 中国玛珥湖研究进展

  刘嘉麒等率先开展了中国玛珥湖的研究。初步调查表明[39],我国主要火山区广泛分布着玛珥湖,从时代上看,它们形成于新生代,集中于第四纪 ;从地理分布来看,玛珥湖主要分布在雷琼、东北及山旺和青藏高原(可可西里及藏北西昆 仑)地区。此外,按现存状态还把玛珥湖分为4种类型[37]:①空型;②湖型;③ 沼泽型;④干枯型。同时,在1997年中国科学院地质所与德国地球科学中心联合对湖光岩玛 珥湖进行了钻探,获取岩芯长度达234 m,由中国学者承担的各项分析工作也取得了初步成果,刘嘉麒[40]等通过对湖光岩玛珥湖沉积物干密度时间序列的能谱和滤波分析,发现全新世气候变化存在明显的2 930 a、1 140 a、490 a、250 a和22 a的主周期;王文远等[41]通过对生物硅等有机地化指标的分析,提供了末次冰消期两步式变化特点在西北太平洋低纬度陆地 区存在的证据,揭示了末次冰消期初始转暖北半球低纬度区超前高纬度区,而Younger Dryas 事件在高低纬同相位变化的事实。1999年,中德又联合对东北火山区玛珥湖成功地进行了 钻探,发现了连续的纹层沉积。总之,我国玛珥湖研究还刚刚起步,但通过与国外合作已积累了一定的经验,初步研究也表明了玛珥湖高分辨率沉积与环境的研究将是今后我国过去全球变化研究领域十分活跃的方面,这对于理解亚洲季风系统演化及其全球变化有重要意义。

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