揭秘洞穴中的气候与物质变迁 | 前沿用户报道

2020-12-24 02:59:04, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

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编辑| 纯钧

润色| Norah、孙平

校阅| Lucy、Joanna

幽暗深邃、蜿蜒曲折的洞穴一直是野外科考工作的重要部分，洞穴中那些千万年来化学物质沉淀而生的各种沉积物，则是科研的重要物质。它们能够帮助科学家们破解许多环境与生态的问题，洞穴也成为探索未知的绝妙之地。

形态各异的洞穴是搞科研的好去处（图片来源：pixabay）

本期栏目，我们就将介绍两位科学家们在岩溶洞穴中寻找科学答案的故事，他们分别是在气候研究方面拥有硕硕成果的西安交大程海教授团队，以及主持地下水中有机碳研究的澳大利亚新南威尔士大学的贝克教授。

成功解密：结束地球冰期的原来是它

三宝洞——神农架地区的最大洞穴，传说上古时期神农曾在此暂居，因而历史上下至平民上至天子，都常去此地祭拜祈福。其实，岩溶洞穴不仅是人们津津乐道的美景，洞穴中各异的石笋更是承载着重要的科学意义，其中一种便是反馈气候与生态变迁的相关信息，从而帮助科学家们解密地球过去几十万年的冰期与季风规律。

亚洲季风：一种因太阳热量产生的季节性气流循环，控制着北半球整体的气候，地质历史上多次冰期与长降水的起始和特点也都与其有着千丝万缕的联系。通过洞穴中石笋的研究，可以了解气候变化与地质时期关键节点之间的耦合联系，并对模拟未来气候变化具有启示意义。

西安交通大学程海教授团队是国内多尺度气候变化方面成果丰硕的专家团队之一，致力于全球石笋记录和古气候重建等相关方面的研究，以此了解环境气候变化。他们就通过对三宝洞内的石笋样品的研究，获取了亚洲冰期与季风规律，我们一起来看看。

课题组在三宝洞内采集了4件石笋样品，并主要进行了两方面研究，来获取亚洲冰期与季风规律：

地质年代数据获取，助力冰期规律探索

团队测试了切割后的石笋样品中的196个点，通过高精度U-Th定年法，获得了绝对地质年代数据，该数据帮助程教授团队了解到7次主要冰期时间（结合前人已发表的定年数据，团队还获得了64万年内的精确定年）

季风强弱判断，掌握季风规律结果

该团队选取了稳定同位素测试中的氧同位素进行分析，从中提取了强烈的岁差周期信号（岁差：万年尺度上控制低纬度季风系统强度的主要因素），进而推断出季风强弱的影响。由此也得出了结论：过去64万年间7个冰期的结束，其实是地球岁差所导致，且每个冰期结束后，都会有长达千年的季风降雨减少。

就这样，综合以上研究，程海教授团队最终获取了亚洲冰期与季风规律，证明了地球岁差是冰期结束的原因。该记录具有全球可比对性，该项成果也于2016年以The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations为题发表在Nature杂志上。这项成果对研究亚洲季风与全球气候变化的联系及驱动因素具有重要意义。

岩溶洞穴中的石笋（图片来源：pixabay）

正在进行：探寻溶解有机碳的秘密

从上文我们了解到洞穴探秘能够揭秘气候规律，其实不仅如此，洞穴中地下水的有机碳研究也与我们的生活息息相关，尤其是其中碳循环的研究，对帮助人类理解生命与环境的耦合作用具有重要意义。

不过目前多数碳循环的研究大多集中在陆地生态系统，迄今为止，还没有人系统完整地评估过地下水部分中有机碳对全球陆地碳的收支平衡的影响。这一现状最近有所改变，澳大利亚悉尼新南威尔士大学的安迪·贝克（Andy Baker）教授，就主持了一项关于地下水中溶解有机碳的研究课程，并了解到地下水中有机碳的赋存与迁移的规律。这一研究促进了人们对地下水中的碳循环的了解，接下来就我们一起看看~

17位课题组成员组队前往了位于澳大利亚国家公园里的旺比恩洞（Wombeyan Caves），他们在洞穴溪流中收集样本来进行测试分析，并希望通过这些研究探索地下水中有机碳为何如此之少，以及它们都去哪儿了，最终掌握它们赋存与迁移的规律。

碳循环示意图（图片来源: https://www.pinterest.com/pin/410109109818546035/）

贝克教授与他的学生们使用Aqualog作为研究工具，通过测试地下水中溶解有机碳在阳光下和黑暗中的变化，了解地下水环境对于碳循环的影响。他们先是测试了阳光分解有机物的速度：通过把样本暴露在阳光下，每天拿走一个，测量溶解有机碳的荧光和吸收率变化，进而计算出有机物的降解率和阳光分解有机物的速度。另一部分样本则被过滤后，置于黑暗且温暖的地方，用于计算出生物降解所引起的样本的荧光和吸收率的变化。

这一过程中，研究小组采用的分析测量工具是HORIBA Aqualog荧光光谱仪，它可以在同时测量荧光和吸收。Aqualog光谱仪测试速度快，几乎可实现实时的荧光分析，在测试中可以满足大量快速即时的测试需求。同时，它体积小、稳定性高，便于携带，可以运到任意需要测试的地方。

这样，通过研究在阳光下和黑暗处地下水中有机碳的溶解和释放的情况，他们就掌握了不同环境下有机碳的赋存与迁移规律。不仅如此，这一实验还能够帮助他们推测古环境时有机物的变化，对于现代水处理工艺中溶解有机碳的去除也提供了研究价值。相信未来更多关于溶解有机碳的秘密，可以通过探秘洞穴而解开。

使用Aqualog在旺比恩洞中进行测试（图片来源：https://www.horiba.com/en_en/science-in-action/investigating-missing-carbon-in-australian-caves/）

未来展望：洞穴研究大有作为

自1949年国际洞穴联合会(International Union of Speleology)正式成立开始，洞穴学（Speleology）就作为一门正式的学科成立，逐渐规范并得到更好的发展。

国际洞穴联合会会徽（图片来源: https://www.uis-speleo.org/）

洞穴学的研究领域十分广泛，除了上文提到的两种关于岩溶洞穴石笋的相关研究外，还有包括洞穴分类、洞穴发育演化研究、洞穴资源及数据库建设、洞穴生物学、洞穴景观旅游开发、洞穴环境与保护等各大方面。这些领域，涵盖了地质学、生物学、工程学、旅游资源与景观设计、资源整合与数据建立等各个方向，吸引无数学者前赴后继，发现更多前沿问题。

相信未来，更多地球的秘密会被不畏艰苦的科学家们破译，在一个个缄默不语的洞穴之中，书写出“别有洞天”的故事。

References：

1. 陈伟海. 洞穴研究进展综述. 地质论评, 2006, 52(6):65-74.

2. Cheng, H., Zhang, H., Zhao, J. et al. Chinese stalagmite paleoclimate researches: A review and perspective. Science China Earth Sciences, 2019, 62(10):1489-1513.

3. Cheng, H., Edwards, R., Sinha, A. et al. The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations. Nature 2016, 534, 640–646.

4. https://www.horiba.com/en_en/science-in-action/investigating-missing-carbon-in-australian-caves/