精美的石头会“说话”

  ——石花洞石笋见证北京2650年气候变迁

   看似没有生命的石头，却能连续不断地记录数千年的气候变化。2007年1月28日下午，北京市房山区政府在北京新闻大厦召开新闻发布会，向媒体公布了一项当前国际领先的科研成果：世界上最长的石笋逐年温度记录。该项科研成果是房山区石花洞景区管委会约请并配合中国科学院地质与地球物理研究所、美国明尼苏达大学以及北京市地质调查院等研究单位的有关专家，经过将近10年潜心研究的结果。

北京石花洞1131层石笋年层

科学发现：洞穴里的“自然时钟”

远在4亿年前，北京地区还是一片汪洋大海，海底沉积了大量的碳酸盐矿物质。后来由于地壳运动，海底上升成为陆地。约在7000万年前，华北发生了造山运动，北京西山就此形成，而组成山体的易溶性石灰岩则逐渐被溶蚀出众多的洞穴，石花洞就是其中之一。

二三百万年前至今，经7次抬升过程，石花洞原本10公里长的水平洞穴变形为如同6层楼一般，而第7层就是地下暗河。第5层简直是造物主创造的奇迹，用手电向前方照射，天然钟乳石洁白如玉，洞壁覆盖着厚厚的岩溶晶体，千姿百态，在灯光下闪烁。石笋、石饼、晶花石菊、石瘤、石盾等各具风姿，有的银白，有的微黄，有的晶莹，有的碧透。

在自然界，土壤中植物的根呼吸和微生物活动能产生大量的二氧化碳。当雨水下渗到土壤后，这些二氧化碳进入水中，于是雨水变成了具有酸性的土壤水。如果土壤下面是石灰岩，酸性的土壤水继续下渗就能溶解石灰岩中的碳酸钙矿物质。当碳酸钙溶液继续下渗到了洞穴，由于洞穴空气中的二氧化碳含量比土壤中的低，于是溶液中的二氧化碳就会跑出来，导致溶液中的碳酸钙过饱和而沉淀，从而形成石笋、石钟乳和石柱等美丽的洞穴景观，石笋是指从地面向上生长的化学沉积物，石钟乳是指从洞顶向下垂挂的化学沉积物，向上生长的石笋和向下生长的石钟乳连接在一起就是石柱；飞溅水则形成了石花、石珊瑚、石葡萄等；渗透水形成了石瘤、石盾；流水形成了石梯田、石坝等。

很早以前，科学家就猜想，洞穴化学沉积物很可能如同树轮、冰芯、珊瑚一样，能够记录气候的变化。据专家介绍，石钟乳由于定年不准，噪音较多，不适合进行古气候研究。外观看上去十分漂亮的大多数石笋也是噪音多于信号，而最简单的圆柱状石笋在重建气候的研究中反而是最有价值的。专家说，正因为石花洞发育了非常好的圆柱状石笋，所以石花洞才有幸成为这项科学研究的胜地。

早在1960年，著名美国科学家瓦雷斯·布洛克（Broecker W.S.）教授就采用碳-14定年证实了溶洞中比较厚的钙板堆积层是年生长层。不过，钙板是一种洞穴流水的化学/机械堆积，它的厚度变化影响因素太多，难以用来解释古气候变化。而滴水形成的石笋就具有这种潜力，但首先需要在石笋中找到年生长层。当时，碳-14定年方法需要大量的样品进行测试，对每年沉积量很小的石笋来说，进行如此精细的研究还很困难。因而，在此后的30年，这项研究基本没有进展。直到1993年，英国科学家安迪·贝克（Baker A.）博士采用定年精度较高、而所需测试样品量又很小的热电离质谱仪（TIMS）对采自英国的一个石笋进行了铀系定年和微生长层计数对比，确认了这个石笋的生长层是年生长层。安迪·贝克这个发现的意义在于，从此科学家就可以满怀信心地到洞穴中去寻找新的高分辨率气候记录档案了。

我国著名的第四纪地质学家和环境地质学家刘东生院士早在20世纪80年代就注意到洞穴沉积物的古气候研究价值。在他的指导下，中国有了第一批专门从事高分辨率石笋古气候定量重建的硕士、博士和博士后研究人员。1995年所发现的首例石花洞石笋微层，就是刘东生院士领导下的研究小组的研究成果。据该项成果的主要研究者之一、中科院地质与地球物理研究所研究员谭明博士说，1994年，他跟随刘东生院士做博士后研究，兴趣就是在中国寻找石笋年生长层。但一开始，他并不知道中国的石笋年层是什么样的，脑子里一直带着从文章上看到的安迪·贝克拍的英国石笋年生长层图像模式去找，而那是一种受紫外线激发才能看到的发光年层，并不很清晰。1995年底，他随中国科学院地质与地球物理研究所（当时称“中国科学院地质研究所”）和北京地质调查院（当时称“北京地质调查所”）的专家于石花洞第三层、离地面150多米深的过道边、非景点的一堆洞穴崩塌物上，取到一根将近20厘米高、顶面湿润尚有滴水的圆柱体石笋。当从石花洞取回石笋、切开并磨制好薄片后，在显微镜下用普通透射光观察，想不到出现在眼前的竟然是如同树木年轮一样清晰的生长层（图1），这些生长层的厚度大约为几微米到几十微米不等，连续的层序仿佛是一部没有断代的编年史书，这个意外的发现使整个科研小组异常兴奋。谭明说，由于石笋年层能够直观地告诉我们年代，因此可以形象地称之为 “时钟”——一种按年走字的时钟。有了石笋年层这个天然的时钟，我们就能够知道过去某个气候事件发生的确切年代了。http://img64.pp.sohu.com/images/2007/1/29/14/0/11102789d53.jpg

石笋年层厚度重建北京2650年夏季温度（向下指的白箭头和字母C代表寒冷时段；向上指的黑箭头和字母W代表温暖时段）

石花洞石笋：千年“自然温度计”

在20世纪90年代，科学家们除了知道石笋年层可以像年历一样告诉我们层厚变化的年代而外，当时国内外并不知道能够从年层的厚度变化中提取出什么样的气候变化信号，因此，注定了此项研究是一个漫长的探索过程。

为了了解石花洞石笋生长层的性质，中国科学院地质与地球物理研究所的研究小组成员还数次赴著名的美国明尼苏达大学同位素实验室学习TIMS铀系年代测定方法，并利用该实验室的先进仪器进一步确认了石花洞石笋微生长层是年生长层。后来经过了将近10年的不断努力，终于在2003年，这项工作又有了突破性进展。

谭明介绍说，很多科学研究都始于科学假设，而科学研究的过程就是设计一种科学方法去对假设进行证明，不管结果是肯定的还是否定的，只要是对事实有了进一步了解，都是一个好的结果。对石花洞石笋年层厚度变化意义的探索就是这样一个过程。在发现石笋年层之初，国内外的研究者都猜想石笋年层的厚度变化很可能只是受降水量的控制。因为，按普通常识一般都会这样分析：形成石笋的碳酸盐矿物质由水带来，水多自然矿物质也多。然而，这种直观的想法使这项研究徘徊了许多年，因为事实上并非如此。通过在石花洞内数年的实验观测，专家们已经发现，一年中，雨季并不是沉积最多的季节，大量的降水对碳酸钙溶液反而起到稀释的作用。

谭明回忆说，后来通过向树轮气候学家学习，借鉴树轮气候学的研究思路，才找到了正确的层厚量测和数学统计方法，并发现在石花洞地区，夏季温度信号被土壤二氧化碳 “放大器”放大、并且在夏季之后的季节中被逐渐增加的碳酸钙沉积记录下来。最后，通过数学方法转换，用石笋年层厚度重建了2650年的北京夏季温度（在这项研究中指5-8月的平均温度）。

2003年6月，研究小组在美国的《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上发表了题目为“2650年石笋夏季温度记录揭示的百年尺度旋回快速变暖”的研究成果（图2）。2003年7月，在美国国会关于气候变化的听证会上，石花洞的研究成果作为科学证据首次被科学家引用。美国国家海洋大气局主办的国际数据中心（WDC）、美国航空航天局（NASA）的网站等先后公布了石花洞石笋的重建温度数据，自此，石花洞的科研成果成为全球共享的科学财富。其后，《科学》（SCIENCE）和《自然》（NATURE）等国际顶尖科学杂志陆续引用了石花洞的这项科研成果。现在，石花洞的温度记录已经是国际气候学界所建立的北半球最近2000年平均温度序列中的重要组成部分，石花洞也因此成为闻名古气候科学界的重要科研站点。

谭明介绍说，由于石花洞石笋的生长具有保存温度变化信号的特点，因此又可以形象地称之为“自然温度计”。温度计是400年前伽利略发明的，因此，仪器观测的温度记录不会超过400年。我们要想知道更长时间地球大气的温度变化，就只能采用自然物的生长年轮如树木年轮或沉积年层如石笋年层重建的温度来代替，所以也叫“代用温度记录”。当然，代用温度记录远不如仪器温度记录准确，但有总比没有好。通过代用温度记录，我们就能大致了解几千年以来一个地区甚至全球的温度状况和变化情况。从网上公开的数据看，现在世界上分辨率达到年、超过2500年长度的温度代用记录有三个：第一是来自西伯利亚的4000年树轮温度记录、第二是来自塔斯马尼亚岛的3600年树轮温度记录，第三长的就是北京石花洞的2650年石笋温度记录。所以说，石花洞的石笋温度记录在世界上是最长的石笋逐年温度记录；显然，也是中国最长的逐年温度记录。在国外，比较著名的石笋温度记录是意大利科学家芙丽瑟（Frisia）等人建立的，大约有500年长度。很有意思的是，与北京的石笋相反，意大利的石笋年层厚度反映的是冬季温度的变化。这种差别很可能是因为北京的气候属于温带季风气候，夏季多雨；而意大利的气候主要属于亚热带地中海式气候，冬季多雨。http://img44.pp.sohu.com/images/2007/1/29/14/1/1110279b9b1.jpg

“北京2650年夏季温度曲线” （a）与“中国年均温度”曲线（b）、 “欧亚夏季温度”曲线（c）对比（“中国年均温度”作者：Yang et al.,2002, Geophysical Research Letters；“欧亚夏季温度”作者：Briffa，2000，Quaternary Science Reviews；三条曲线都作了300年平均滑动处理）

为什么石笋能够记录气候变化

按照一般的常识性认识，很难理解深藏地下的石头怎么会与气候变化有关。研究小组的蔡炳贵博士说，其实道理很简单，因为洞穴石笋是由滴水带来碳酸盐矿物沉积形成的，而洞穴滴水是雨水通过石灰岩从地表渗透下来的，必然经过土壤层。由于植物的根呼吸和微生物活动，土壤中的空气含有大量二氧化碳。一方面，土壤二氧化碳的多少受温度的控制；另一方面，土壤二氧化碳的多少又能决定岩石被溶解的多少：二氧化碳含量高，水的酸度就大，被溶蚀的石灰岩就多，沉积到洞里的物质也就多；反之，二氧化碳含量低，水的酸度就小，所溶蚀的石灰岩就少，当然沉积到洞里的物质也就少。由此可见，水不但是运输物质的载体，而且也是传递信号的媒介。在从地表向地下传递的过程中，水流不但带有大气温度或降水变化的信号，而且还加入了许多地质、土壤环境变化的信号。当水最后到达洞里，从滴水沉积出来的石笋也就成了一个气候/环境变化的记录器。

市气象局研究员吴正华分析指出，洞内滴水与自然降水不同，它与植被、温度和降水都有关系，带有很多可以利用的环境变化信息。吴振华说：“北京地区早在乾隆年间就利用国外的技术进行气象记录了。从1840年左右，开始有每年每天连续的气象文字记录。如果把中科院地质与地球物理所的石笋研究数据跟这些数据进行比对，建立一个转换方程，从这个方程就能推算出更远年代的气候状况。”

如何确认石笋记录的是温度变化

实际上，从发现石笋年生长层、理解石笋如何记录气候变化的基本原理，到通过科学的方法用石笋揭示出气候变化的事实，走过了漫长的路程。谭明介绍说，记录研究是古气候的基础研究，因为没有记录，一切都无从谈起。而记录研究有两件事情做起来最难，一是精确定年，二是定量重建。上世纪末，在发现了越来越多的石笋年层序列以后，全世界的石笋年层研究者都在努力寻找用年层厚度变化重建古气候的方法。不约而同的是，在这个探索过程中，国内外的石笋研究者都借鉴了树木年轮的研究方法。

首先，要确定采用什么样的石笋才能正确地进行气候重建。假设气候变化对每年的沉积量有影响，那么，就可以根据沉积量的变化反推气候的变化。但怎样才能正确地测定沉积量呢？一个简单而有效的方法是用年层的厚度代替沉积量，但前提是二者之间存在线性相关关系。形状奇特的石笋虽然观赏价值很高，但其沉积厚度与沉积量之间的关系很复杂，因为这种石笋的单层厚度可能处处不同，所以，用它来代替沉积量是做不到的。因此，必须采用单层厚度比较稳定的圆柱状石笋，才有可能用层厚代替沉积量反推气候变化。这就是“最简单的圆柱状石笋在重建气候的研究中反而最有价值”的道理。

其次，专家们要严格按照科学的统计规范进行层厚测量。要求不同的观测者对石笋年层进行重复计数并沿不同线路测量层厚、计算平均，而得到的数据要基本一致；还要辨认出伪年层并给出测量误差，最终才能建立基本反映年沉积量差异的层厚序列。石花洞石笋的2650年层厚序列就是这样做出来的。下一步就是用气象记录去校准层厚序列，即采用仪器记录的逐月、逐年的降水和温度数据对层厚序列做相关计算。通过这个方法就能识别出年层厚度变化所包含的气候信息。由于石笋沉积同时受很多因素的影响，所以，并不是所有的层厚序列都能反映气候变化。很幸运的是，石花洞石笋的年层厚度对气候变化、尤其是对夏季温度的变化比较敏感，这样，最终专家们就获得了公元前665年到公元1985年一共2650年的重建温度。石笋获取于1995年，最顶上一层的年份应该是1995年，但为什么重建气候只到1985年呢？谭明解释说，因为石花洞在1986年向游客开放以后，洞穴内空气的二氧化碳很快上升，这个过程影响了石笋沉积，因此，1986年后的石笋年层虽然也有数据，但其厚度已经不能代表气候变化，所以在温度重建中没有采用。

谭明说，经过这些年的研究，我们现在已经知道，与树轮相似，石笋年层厚度在不同地区反映的气候信息也可能是不一样的。如在英国和比利时，一些石笋层厚的变化仍然主要受降水的控制，科学家们已经利用那里的石笋层厚序列通过气象记录校准恢复了过去几千年来的降水变化。

谭明最后说：“当然，我们的研究还在继续，目前在石花洞我们用铀系测定的石笋年代已超过40万年。随着科学研究的深入，将来一定会有更多更精确的科学数据不断做出来，希望能增进人类对过去地球气候变化的了解、也有助于我们对未来地球环境变化的预测。北京石花洞不但以其丰富多采的洞穴景观著称于世，而且还以独特诱人的科学内涵享誉国内外，北国地下明珠石花洞必将有一个光辉的未来。”

     【链接】

地下明珠石花洞

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   石花洞过去称石佛洞，位于房山区河北镇，距北京市城区50公里，是国家级风景名胜区、国家地质公园，2006年又荣获世界地质公园称号。石花洞为明代法师圆广于正统十一年（1446年）云游时发现，命名为“潜真洞”，并在洞外的石崖上雕刻了“十三地藏”和洞名，在洞内镌造了“地藏三菩萨”的大理石佛像。明景泰七年（1456年）洞内雕刻大理石地藏王菩萨像三尊，改名石佛洞。1978年北京水文地质工程公司对该洞进行勘探，定名石花洞。1987年对外开放。

    石花洞的洞体分上下7层，洞体沿东西方向展布。洞内温度常年为13摄氏度至15摄氏度，有蝙蝠和硬肢马路（石花洞内独有的一种昆虫）等生物。现已探到7层。7层为地下暗河及充水洞层。现已开发的1至4层洞道，全长2500多米，有12个高大的洞厅和多个洞室组成。还有形态各异的许多大小支洞。

    石花洞洞内次生化学沉积物种类多、造型美，有千姿百态的石花、石枝、石钟乳；典雅秀丽的石塔、石盾、石灯、石梯田；雄伟壮观的石幔、石旗、石瀑布；银白耀眼的月奶石、石旗和闪烁发光的彩光壁。石花洞汇集了岩溶洞穴沉积的精华。石花洞不仅沉积类型多、形态美，而且洞体坚固、层次分明，洞内空气新鲜、环境优良。由于洞体深部有较大的空间和地下暗河，因而形成了洞穴气候环境自行循环调节的优越条件。游人呼出的二氧化碳可以自行排除99.9%，对旅游开放、洞穴保护很有利。

    石花洞的“遥池石莲”，已生长32000余年，洁白丰满，由大量岩酸钙石沉积而成，世界稀有；“黄河瀑泻”，由高18米，宽3米的巨大石钟乳形成，气势磅礴，雄伟壮观；“龙宫竖琴”，垂直高10米，长18米，由540余片石幔组成，堪称国内洞穴第一幔；“银旗漫卷”、“闪光壁”、“洞天三柱”、“后宫仙帐”等12大洞穴奇观无不令人赞叹叫绝。

    石花洞内的自然景观玲珑剔透，有滴水、流水和停滞水沉积而形成的高大洁白的石笋、石柱、石梯田等，和渗透水、飞溅水、毛细水沉积形成的众多晶花、石毛、石菊、石珍珠、石葡萄等。并有晶莹的鹅管、珍珠塔、彩光壁等，众多的石旗和美丽的石盾为中国洞穴沉积物的典型，大量的月奶石莲花为在我国洞穴中首次发现。

    石花洞由多层溶洞组成。这种多层结构的溶洞最早形成的是洞顶。当时，洞顶层就相当地下水位的水准面，在这里地下水溶蚀、搬运把洞穴物质带走，洞穴形成后，出现地壳上升，该层溶洞随地壳上升而地下水位则相对下降；其后，当地壳稳定下来时，地下水又在新的岩层部位进行溶蚀搬运，便形成了第二层溶洞。这样，地壳多次上升，便形成了多层洞穴。可见，石花洞7层不同高度溶洞的存在，标志着这一地区至少发生过7次间歇性上升。目前，地下水仍在溶蚀着最低层洞穴。

    北京石花洞除地下部分的岩溶洞穴及洞内次生化学沉积景观外，地上部分还有地层剖面和地质构造形迹等地质遗迹景观和部分古建筑及人文历史景观等。（艾若）