亞洲季風區洞穴生物三氧同位素的變化揭示了過去300年的水分來源

更新時間：2023-12-21 點擊次數：428

摘要

水分來源的表征對于理解水文氣候過程至關重要。然而，記錄過去的大氣水分含量及其來源仍然具有挑戰性，部分原因是水分追蹤代用物不足。本文展示了亞洲季風區21個洞穴中的三氧同位素組成，來研究過去300年來東亞的空間水分來源差異。我們的數據表明在洞穴形成過程中存在同位素平衡分餾，因此從洞穴中重建的母水17O異常(Δ'17O) 值保留了有關水分起源和跨空間循環的信息。值得注意的是，洞穴沉積物Δ'17O記錄具有明顯的地理分布特征，中東部和華南地區值較低，西北和華北地區值較高，長江流域地區值較高。這種空間格局強調了受區域水文循環調節的不同水分源的不同影響，并證明了洞穴植物Δ'17O在重建空間尺度水分循環中的潛在作用。

研究目標

利用亞洲夏季風區21個洞穴中石筍的三氧同位素組成，來研究過去300年東亞區域水分來源的差異。

研究方法

本文主要采用的方法和技術包括:石筍三氧同位素分析；230Th定年；反演Parent水三氧同位素；空間插值分析等。這些技術揭示了不同區域石筍三氧同位素的變化模式，反映了區域尺度水分循環的差異。

主要研究方法:

(1) 從亞洲夏季風區21個洞穴中收集石筍樣品。

(2) 利用Pt催化平衡法測量石筍碳酸鹽的δ18O、δ17O 和 Δ'17O。

(3) 用230Th方法確定石筍的形成年代。

(4) 根據碳酸鹽-水體系的氧同位素分餾關系，反演得到parent水的δ18O和Δ′17O。

主要實驗結果:

(1)石筍Δ'17O值范圍為-78至-56per meg，空間分布呈“四極"模式。

(2)反演的parent水Δ'17O值平均約為20±7 per meg。

(3)不同區域的Δ'17O值反映了各自的水分來源和大氣環流差異。

Picarro儀器的使用

使用Picarro L2140-i測量水樣的δ18O和δ17O值，提供了參照數據。研究人員從亞洲夏季風區21個洞穴中獲取石筍樣品，為離散采樣與測量。

上圖比較了水樣和石筍樣本的δ18O與Δ'17O值，說明石筍保留了降水的信號。其具體內容和對研究意義：

1. 上圖通過δ18O與Δ'17O的關系比較了兩類樣本:I組為降水和石筍反演的Parent水，II組為石筍碳酸鹽。

2. 可以看到Parent水的δ18O和Δ'17O值接近現代降水的范圍。

3. 石筍碳酸鹽的δ18O值較高(27-36‰)，Δ'17O值較低(-79到-56 per meg)。

4. 這說明在石筍形成過程中，氧同位素發生了平衡分餾。

5. 石筍Δ'17O值與δ18O值之間保持著一定的關系(上圖)，符合Δ'17O反映氣候因素的特征。

6. 通過碳酸鹽-水體系的氧同位素分餾關系，可以反演出石筍形成時Parent水的Δ'17O。

7. Parent水Δ'17O值與現代降水相似，說明石筍Δ'17O可以反映降水信號。

8. 因此，上圖驗證了石筍Δ'17O記錄可以反映不同區域的水分來源和大氣環流差異，是該研究的基礎。

綜上，上圖通過與現代降水的比較，驗證了石筍Δ'17O的氣候代表性，為后續利用石筍Δ'17O推斷區域性水分變化奠定了基礎。