用210Pb技術(shù)判斷年輕石筍封閉性研究

殷建軍, 林玉石, 覃嘉銘*, 王 華, 唐 偉

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西桂林 541004;

2)國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;

3)西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715

用210Pb技術(shù)判斷年輕石筍封閉性研究

殷建軍1,2,3), 林玉石1,2), 覃嘉銘1,2)*, 王 華1), 唐 偉1)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西桂林 541004;

2)國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;

3)西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715

通過(guò)測(cè)試采自桂林地區(qū)茅茅頭大巖的兩個(gè)相鄰石筍DY-2和DY-3的現(xiàn)代滴水沉積物的210Pb放射性活度發(fā)現(xiàn): (1)處于同一洞穴相距約1.5 m, DY-2石筍初始210Pb放射性活度是DY-3石筍的3.0倍, 接取的現(xiàn)代滴水沉積物DY-2是DY-3的1.7倍,210Pb放射性活度和現(xiàn)代滴水觀測(cè)均證明DY-3石筍沉積速率大于DY-2石筍, 說(shuō)明在相同地質(zhì)背景和地理環(huán)境下,210Pb放射性活度可以作為沉積速率的一個(gè)判斷工具; (2)兩石筍210Pb放射性活度剖面均呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性, 這與石筍沉積時(shí)存在晶間孔隙且與晶間孔隙的分布和大小、密集度有關(guān), DY-3石筍210Pb放射性活度剖面的紊亂與石筍晶間孔隙相互聯(lián)通, 后來(lái)210Pb與石筍紋層的210Pb發(fā)生混合和交換有關(guān); (3)處于非封閉系統(tǒng)的石筍氧同位素是否發(fā)生同位素的分餾還需進(jìn)一步研究。

210Pb放射性活度; 晶間孔隙; 封閉性; 沉積速率

210Pb技術(shù)自1993年Baskaran M和Iliffe Thomas M 首次應(yīng)用于洞穴沉積物年代測(cè)定以來(lái), 已經(jīng)將近20年, 但是由于各種原因的限制,210Pb技術(shù)應(yīng)用于洞穴沉積物定年依然不多。除了年齡確定(Tanahara et al., 1998; Condomines et al., 2006; Paulsen et al., 2003; Yang et al., 2007; 王華等, 2010; Kuo et al.,2011; Li et al., 2011)外,210Pb還被應(yīng)用于洞穴環(huán)境及地質(zhì)背景的判斷(殷建軍等, 2011)和極端降水事件的示蹤(Jo et al., 2010)。作者在研究石筍沉積結(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn), 有些石筍沉積并非致密, 石筍剖面存在孔隙, 但這些孔隙是晶間孔隙還是溶蝕孔隙很難通過(guò)肉眼判斷, 也給石筍年齡測(cè)試帶來(lái)干擾(楊琰等, 2008a, b), 特別是石筍氧同位素的解釋。本文以桂林同一個(gè)洞穴的兩個(gè)鄰近生長(zhǎng)的石筍進(jìn)行210Pb定年觀測(cè)研究, 通過(guò)現(xiàn)代滴水沉積監(jiān)測(cè)、石筍剖面210Pb連續(xù)測(cè)試, 嘗試應(yīng)用210Pb技術(shù)判斷年輕石筍沉積過(guò)程中封閉性, 以圖對(duì)石筍古氣候重建中石筍選取和石筍氣候信息解讀提供一定技術(shù)支持。

0 研究區(qū)概況

本研究的石筍采自桂林市區(qū)西北郊茅茅頭大巖,桂林市位于廣西壯族自治區(qū)東北部, 多年平均氣溫為 19.5 , ℃ 多年平均降水量 1885 mm(1961—2008年)。氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候, 氣候分干濕兩季, 雨季為5—10月份, 旱季為11月至次年4月份, 雨季降水量占到全年降水量的70%。

茅茅頭大巖(北緯: 25°18′34.3″, 東經(jīng): 110°16′26.9″)位于桂林市區(qū)西北的桃花江右岸的光明山,南連著名的旅游洞穴蘆笛巖。洞穴圍巖為上泥盆統(tǒng)融縣組亮晶砂屑灰?guī)r、殘余微晶砂屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r及上白堊統(tǒng)紅色鈣礫巖, 為一規(guī)模較大的地下河式洞穴, 洞底標(biāo)高 179～182 m, 洞穴長(zhǎng) 975 m, 寬5～30 m, 高 5～25 m, 面積約 14372 m2(朱學(xué)穩(wěn)等, 1988)。洞穴頂板厚度在百米以上, 最大厚度達(dá)到200 m(韓軍, 2006)。洞頂植被類(lèi)型主要為灌木和草本植物, 覆蓋度較好。洞內(nèi)化學(xué)沉積物非常豐富, 石筍、石鐘乳、流石壩隨處可見(jiàn), 也有大量重力崩塌、坍塌石塊和流水?dāng)y帶進(jìn)入的洞穴礫卵石(巖)和鈣華粘土。DY-2和DY-3石筍采自距洞口約400 m處洞道左壁鈣華臺(tái)上, 兩筍相距約1.5 m, 均為正在生長(zhǎng)的石筍, 其中 DY-2石筍高 10 cm, DY-3石筍高約7 cm, 兩石筍均通體白色, 石筍切開(kāi)后孔隙較多,但顏色變化一致, 由方解石粗晶粒組成, 無(wú)明顯沉積間斷(圖 1), 采樣時(shí)石筍上方正在滴水(均為常年性滴水點(diǎn)), 通過(guò)在原位放置玻璃片, 玻璃片上沉積大量現(xiàn)代沉積物(圖2), 證明石筍正在生長(zhǎng)。

圖1 DY-2(A)和DY-3(B)石筍剖面Fig.1 Profiles of DY-2 (A) and DY-3 (B) stalagmites

圖2 DY-2(左)和DY-3(右)現(xiàn)代沉積物(接取時(shí)間: 2010-08-29至2010-12-31)Fig.2 Collected modern sediments of DY-2 (left) and DY-3 (right) stalagmites (collection period from 2010-08-29 to 2010-12-31)

1 研究方法

石筍采集時(shí)間為2009年11月27日。樣品取回后在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院用切割機(jī)將石筍沿生長(zhǎng)軸切開(kāi), 并打磨、拋光。為了避免受到表層210Pb的污染, 樣品采集后用封口袋密封放置。沿石筍生長(zhǎng)軸中心進(jìn)行210Pb樣品取樣, 0～30 mm以2 mm為間隔用刻刀刮取, 30 mm以后以4 mm為間隔進(jìn)行采樣(Lu et al., 2005), 采樣時(shí)避免躍層和觸及石筍表面,避免交叉污染, 為提高計(jì)數(shù), 每個(gè)樣品采集量在0.5～1.0 g。

樣品測(cè)試是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所測(cè)試中心同位素實(shí)驗(yàn)室完成的, 測(cè)量?jī)x器為美國(guó)EG&G Ortec公司生產(chǎn)的920-8 alpha能譜儀, 儀器分辨率 FW=19 keV, 儀器效率為 21%, 測(cè)試誤差<3%。方法參見(jiàn)文獻(xiàn)(王華等, 2008)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩石筍初始210Pb放射性活度比較

兩個(gè)石筍雖然相距僅約1.5 m, 而且石筍結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)特征也極為相似, 且上方為同一石旗, 所以可以確定兩個(gè)石筍水源一致, 只是滴水點(diǎn)為不同的鵝管, 通過(guò)測(cè)算, DY-2石筍距滴水點(diǎn)高1.6 m, DY-3石筍距滴水點(diǎn)高2.7 m。通過(guò)對(duì)比2010年8月29日至2010年 12月 31日接取的現(xiàn)代沉積物, 發(fā)現(xiàn) DY-3石筍接取的現(xiàn)代沉積物明顯比 DY-2接取的現(xiàn)代沉積物多、沉積厚度更大、且沉積物比較致密(圖2), 通過(guò)測(cè)算, DY-2石筍現(xiàn)代沉積物厚度為0.16～0.40 mm, DY-3石筍現(xiàn)代沉積物為0.30～0.54 mm。通過(guò)測(cè)試接取的現(xiàn)代沉積物, DY-2 的放射性活度為(6.80±0.43) dpm/g, 而 DY-3石筍的放射性活度為(3.96±0.32) dpm/g, DY-2石筍的放射性活度為DY-3的1.7倍。而且通過(guò)測(cè)試石筍表層(0～2 mm)的210Pb放射性活度也可以看出, DY-2石筍210Pb放射性活度為(2.49±0.16) dpm/g, DY-3石筍的210Pb放射性活度為(0.84±0.09) dpm/g, DY-2石筍210Pb放射性活度是DY-3石筍放射性活度的3.0倍(表1)。為什么相距很近的兩個(gè)石筍210Pb放射性活度會(huì)相差如此之大呢？研究顯示,210Pb的放射性活度與石筍的沉積速率和滴水點(diǎn)的快慢、先成沉積(PCP), 洞穴的封閉程度有關(guān)(殷建軍等, 2011)。結(jié)合本研究石筍, 兩個(gè)石筍位于同一洞穴, 且滴水點(diǎn)一致, 基本可以排除洞穴封閉程度和滴水點(diǎn)的影響, 那么兩個(gè)石筍現(xiàn)代沉積物的210Pb放射性活度的差異則來(lái)自于沉積速率的差異, 這也從接取的現(xiàn)代沉積物得到了證實(shí), 由于水源一致, 那么滴水的210Pb放射性活度也一致,若沉積速率大, 則單位重量的210Pb放射性活度通量偏低, 而相同厚度的石筍, 若沉積速率大, 則210Pb放射性活度偏低。這也證明了兩石筍表層(0～2 mm)沉積序列正常。

2.2 兩石筍210Pb放射性活度剖面的比較

210Pb是由238U衰變序列中222Rn衰變產(chǎn)生,210Pb放射性活度隨時(shí)間發(fā)生指數(shù)衰減, 但從 DY-2和DY-3石筍的210Pb放射性活度(表 2)剖面可以看出,兩個(gè)石筍均不是隨時(shí)間指數(shù)衰減, 而是呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性, 特別是 DY-3石筍剖面(圖 3)。DY-2石筍210Pb放射性活度波動(dòng)是由于滴水滴率大、且滴水點(diǎn)位置的變化, 沉積物之間晶間孔隙分布和大小存在差異所致(殷建軍等, 2011)。但是通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)DY-3石筍的210Pb放射性活度波動(dòng)更大, 特別是在34 mm以下,210Pb放射性活度比 34 mm以上大部分都高,不符合210Pb放射性活度隨深度發(fā)生衰減的規(guī)律, 發(fā)生紊亂, 可能存在后來(lái)的210Pb與已經(jīng)沉積進(jìn)入石筍剖面的210Pb的混合和交換, 而在34 mm以上的部分石筍相對(duì)致密, 石筍剖面并未見(jiàn)明顯的孔隙存在,所以210Pb放射性活度呈現(xiàn)隨深度變化發(fā)生衰減。

仔細(xì)觀察DY-2石筍, 雖存在晶間孔隙, 但是晶間孔隙規(guī)模不大, 且晶間孔隙多沿紋層呈現(xiàn)放射性分布。而在DY-3的石筍采樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn), DY-3石筍孔隙特多, 甚至存在相互連通的現(xiàn)象, 特別是在石筍剖面34 mm以下部分, 而且DY-3石筍表面有孔隙與內(nèi)部孔隙聯(lián)通, 滴水沿石筍外壁流動(dòng)過(guò)程中可以不斷填充進(jìn)入石筍, 導(dǎo)致進(jìn)入已經(jīng)存在石筍內(nèi)的210Pb與新鮮滴水的210Pb交換, 導(dǎo)致已經(jīng)形成的石筍的210Pb放射性活度值高于原來(lái)剖面的210Pb放射性活度, 而且交換程度的差異也導(dǎo)致210Pb放射性活度隨交換點(diǎn)位置的變化而呈現(xiàn)衰減變化規(guī)律(見(jiàn)圖3)。當(dāng)然還不能排除另一種可能, 就是在石筍中存在溶蝕孔隙, 如果石筍存在溶蝕孔隙, 那么石筍形成后由于沉積剖面被破壞, 已經(jīng)形成的石筍剖面填充新形成的沉積物, 導(dǎo)致石筍剖面中210Pb放射性活度偏高, 但在DY-2和DY-3石筍中均未發(fā)現(xiàn)存在溶蝕現(xiàn)象。

表1 DY-2石筍與DY-3石筍初始210Pb放射性活度比較Table 1 Comparison of initial210Pb specific radioactivity between DY-2 stalagmite and DY-3 stalagmite

表2 DY-2石筍與DY-3石筍210Pb放射性活度比較Table 2 Comparison of210Pb specific radioactivity between DY-2 and DY-3 stalagmites

圖3 DY-2(左)和DY-3(右)石筍210Pb放射性活度剖面圖Fig.3 210Pb specific radioactivity profiles of DY-2 (left) and DY-3 (right) stalagmites

210Pb放射性活度序列的紊亂也說(shuō)明石筍形成后并非處于封閉體系, 后來(lái)滴水的進(jìn)入是否會(huì)與已經(jīng)形成的石筍進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換？特別是用來(lái)反映氣候信息的石筍同位素是否發(fā)生了交換？是否會(huì)給我們解譯石筍同位素信息帶來(lái)噪音, 甚至導(dǎo)致我們對(duì)其進(jìn)行誤判？還需要我們進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)比較同一洞穴中相鄰兩個(gè)石筍的210Pb放射性活度剖面和接取的現(xiàn)代沉積物210Pb放射性活度發(fā)現(xiàn):

1)DY-2和 DY-3石筍的初始210Pb放射性活度(0～2 mm)分 別 為 (2.49±0.16) dpm/g 和(0.84±0.09) dpm/g, DY-2石筍210Pb放射性活度是DY-3石筍放射性活度的3.0倍; 而接取的現(xiàn)代沉積物 測(cè) 試 發(fā) 現(xiàn) , DY-2 石筍的放射性活度為(6.80±0.43) dpm/g, DY-3石筍的放射性活度為(3.96±0.32) dpm/g, DY-2石筍的放射性活度為DY-3的1.7倍, 說(shuō)明DY-3石筍沉積速率大于DY-2石筍,且得到了現(xiàn)代監(jiān)測(cè)證實(shí), 方解石沉積、堆積成巖密度DY-3比DY-2大。說(shuō)明在同一地質(zhì)背景、地理環(huán)境下,210Pb放射性活度大小可以作為沉積速率快慢的判斷工具。

2)DY-2石筍的210Pb放射性活度剖面都存在一定的波動(dòng)性, 可能是由于沉積速率大, 形成時(shí)晶間孔隙的大小和密集度差異所致, 但石筍封閉性良好,并不存在后來(lái)210Pb的交換; DY-3石筍的210Pb放射性活度剖面明顯紊亂, 可能與石筍中存在聯(lián)通的晶間孔隙, 后來(lái)的210Pb進(jìn)入石筍內(nèi)部與以前的210Pb發(fā)生交換有關(guān)。

3)石筍形成過(guò)程中, 多數(shù)存在晶間、粒間孔隙,但晶間、粒間孔隙在石筍內(nèi)部彼此聯(lián)通, 石筍是否封閉憑肉眼無(wú)法透視辨認(rèn), 特別是石筍形成后是否存在氧同位素的交換, 都是考驗(yàn)石筍研究的重要問(wèn)題, 對(duì)于年輕石筍可以嘗試用210Pb技術(shù)進(jìn)行判斷,減少對(duì)石筍同位素信號(hào)的誤判。

致謝: 感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所袁道先院士和宋愛(ài)玲女士對(duì)本人工作的支持和幫助, 感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所曹建華研究員、姜光輝副研究員、張強(qiáng)助理研究員以及國(guó)土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生對(duì)本研究的幫助, 感謝編輯部老師和審稿專(zhuān)家的寶貴意見(jiàn)和建議。

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中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心磷、砷形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲批為國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

2012年10月31日, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心研制的湖底沉積物中磷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地下水砷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通過(guò)了全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理委員會(huì)審查, 獲批為國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

湖底沉積物中磷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和地下水砷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制填補(bǔ)了我國(guó)相關(guān)介質(zhì)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的空白。本次共研制了7種地球化學(xué)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 其中湖底沉積物中磷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)2種, 定值指標(biāo)為磷的5種形態(tài); 地下水砷形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)5種, 定值指標(biāo)為砷全量、3價(jià)砷和5價(jià)砷。兩個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有定值含量范圍較廣、代表性好、適用性強(qiáng)、量值準(zhǔn)確、不確定度合理、具可溯源性等特點(diǎn), 對(duì)湖底沉積物中磷形態(tài)和地下水砷形態(tài)分析工作的量值溯源、質(zhì)量監(jiān)控、分析方法確認(rèn)、儀器校準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰己说忍峁┝藢?shí)物標(biāo)準(zhǔn), 將廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)研究與調(diào)查評(píng)價(jià)、環(huán)境研究等相關(guān)領(lǐng)域和部門(mén)。

當(dāng)今世界人們更加關(guān)注環(huán)境問(wèn)題, 研究湖底沉積物中磷的賦存形態(tài), 研制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 建立磷的形態(tài)方法, 有助于更好地解釋內(nèi)源性磷對(duì)于水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn), 為最終建立治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的理論模型, 從根本上治理水體的富營(yíng)養(yǎng)化奠定基礎(chǔ)。砷元素的毒性大小是隨著化合物的形態(tài)(價(jià)態(tài))不同而變化的, 例如,有機(jī)砷的毒性一般比無(wú)機(jī)砷小的多, 甚至有些形態(tài)有機(jī)砷的生理毒性不到無(wú)機(jī)砷的千分之一。所以研制地下水砷元素的形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 建立相關(guān)分析方法非常重要, 特別是在飲用水和食品的安全性方面。

經(jīng)過(guò) 5年努力, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心標(biāo)準(zhǔn)化研究室已經(jīng)成功研制各類(lèi)國(guó)家一級(jí)化學(xué)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總數(shù)已達(dá) 10種, 分為地下水、土壤與沉積物等不同介質(zhì)的地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 初步形成了我國(guó)地球化學(xué)形態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有品種多、量值準(zhǔn)確和適用性強(qiáng)等特點(diǎn), 必將在我國(guó)地球化學(xué)和環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮非常重要的技術(shù)支撐作用。

本刊編輯部 采編

Using210Pb Technique to Determine the Closure of Young Stalagmites

YIN Jian-jun1,2,3), LIN Yu-shi1,2), QIN Jia-ming1,2), WANG Hua1), TANG Wei1)
1) Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004;
2) Karst Dynamics Laboratory, Ministry of Land and Resources/Guangxi Zhuang Autonomous Region,
Guilin, Guangxi 541004;
3) School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715

Based on analyzing the210Pb specific radioactivity of two nearby stalagmites DY-2 and DY-3 in the same cave named Maomaotoudayan cave in Guilin City, the authors obtained the following understanding: (1) although they have grown in the same cave and their distance is about 1.5 meters, the initial210Pb specific radioactivity of DY-2 is 2 times higher than that of DY-3, and the210Pb specific radioactivity of DY-2 is 0.7 times higher than that of DY-3 in modern sediments.And the drip monitoring also certified that the deposition rate of DY-3 is faster than that of DY-2 stalagmite, indicating that the210Pb specific radioactivity could be used as a tool to determine the deposition rate in the same geological background and geographic environment; (2) both of the two stalagmites show fluctuation in the210Pb specific radioactivity profiles, related to the distribution, size and density of intercrystal porosity, the disturbed DY-3 profile might be attributed to the existence of pores in the stalagmite and the mixture of later210Pb with the former210Pb; (3) the problem whether there is an oxygen isotope fractionation in the open system needs further study.

210Pb specific radioactivity; intercrystal porosity; closure; deposition rate

P931.5; P597.1

A

10.3975/cagsb.2012.06.13

本文由國(guó)土資源部地調(diào)項(xiàng)目“地質(zhì)碳匯潛力綜合研究”項(xiàng)目(編號(hào): 1212011087119)和國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào): 41072192)聯(lián)合資助。

2012-08-22; 改回日期: 2012-10-10。責(zé)任編輯: 閆立娟。

殷建軍, 男, 1985年生。博士研究生。主要從事巖溶學(xué)與環(huán)境變化研究。通訊地址: 541004, 廣西桂林七星路50號(hào)。E-mail: david1985_2005@163.com。

*通訊作者: 覃嘉銘, 男, 1937年生。副研究員。主要從事同位素地質(zhì)與巖溶古環(huán)境重建研究。E-mail: qinjm1@163.com。