精美的石头会“说话”

    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。1月28日下午，北京市房山区政府召开新闻发布会，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年潜心研究取得的结果。

    自1995年以来，中国科学院地质与地球物理研究所的有关专家，在北京石花洞这个我国北方最宏大、沉积类型最丰富的岩溶洞穴，开展了洞穴石笋气候记录和洞穴环境变化的研究，终于让精美的石头“开口说话”。

    洞穴里发现“自然时钟”

    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，能记录气候的变化。但由于石钟乳的定年不准，一直没有开展古气候研究。

    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的研究人员。1995年发现的首例石花洞石笋微层，就是刘东生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何模样。1995年底，他随中国科学院地质研究所(中国科学院地质与地球物理研究所前身)和北京地质调查所(北京地质调查院前身)的专家，在北京房山石花洞取到一根将近20厘米高、顶面湿润尚有滴水的圆柱体石笋。

    科研人员将取回的石笋切开并磨制好薄片后，在显微镜下用普通透射光进行了观察，竟然发现如同树木年轮一样清晰的生长层。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，我们就能知道过去某个气候事件发生的确切年代了。

    千年“自然温度计”

    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之外，并不知道能从年层的厚度变化中提取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，数次赴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。后经过近10年的努力，终于在2003年取得突破性进展。

    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，只要对事实有进一步了解，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，人们一般都会进行这样的分析：形成石笋的碳酸盐矿物质由水带来，水多，矿物质自然也多。然而，这种直观的想法使这项研究徘徊了许多年，因为事实并非如此。通过在石花洞内数年的实验观测，专家们发现，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，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，夏季温度信号通过土壤二氧化碳“放大器”、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。

    2003年6月，研究小组在美国《地球物理研究通讯》上发表了题为《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。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、美国航空航天局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》和《自然》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建立的北半球最近2000年平均温度序列中的重要组成部分，北京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”。

    石笋记录气候的秘密

    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，洞穴石笋是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。

    北京市政府顾问、北京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。吴正华说：“北京地区早在乾隆年间就利用国外的技术进行气象记录。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。”

    解读石质“天书”的历程

    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。

    谭明最后说：“当然，我们的研究还在继续，目前我们在石花洞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问世，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。”<--源码显示-->