应用案例

Picarro L2140-i（石笋中的"时间胶囊"：一滴水如何揭秘万年气候密码？）

发表时间：2025-06-17

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研究背景

洞穴化学沉积物作为研究古气候与环境变化的重要档案，其内部封存的流体包裹体记录了洞穴滴水及母体降水的原始信息。这些被方解石基质完整封存的水体包裹体，因其与外界环境的物理隔离性，能够有效抵抗后期成岩作用的改造。通过提取并分析包裹体水的稳定同位素组成（如δ¹⁸O和δD），可直接反演不同时间尺度（从季节周期至百万年尺度）的古水文循环特征。尤为重要的是，这些同位素信号为重建方解石沉积期的古温度（通过氧同位素分馏方程）及降水来源（通过氢氧同位素关系）提供了直接代用指标，使洞穴化学沉积物成为解析古降雨格局和古温度变化的独特载体。

图中为洞穴记录的位置。洞穴同位素合成与分析(SISAL)数据库中记录的δ¹⁸Oca同位素记录(白点)与1976年至2023年文献中记录的流体包裹体水同位素记录(红点)，蓝色区域对应于地球上发现的岩溶区。

图中为洞穴中的滴水和洞穴流体包裹体。雨水先前渗透在土壤和表层岩溶中，会在洞穴中滴落，并被困在洞穴方解石内的流体包裹体中。图片显示的是来自Milandre洞穴(瑞士)。

研究方法

样品的提取和分析

1) 水提取：流体包裹体中的水通过压碎或热解吸的方法释放出来。压碎法是最常用的方法，可以通过在线或离线的方式进行。在线压碎法通过连续流动系统进行水的提取和分析，而离线压碎法则需要将释放的水收集在冷阱中。

2) 水样准备：提取的水样需要经过处理，以确保其适合picarro L2140-i仪器的分析要求。包括去除杂质、调整水样体积等步骤。

3) 同位素分析技术：光腔衰荡光谱技术（CRDS），是一种高精度的同位素分析技术。它通过测量光在腔体中的衰减来确定样品中的同位素比率。与传统的同位素比质谱法（IRMS）相比，CRDS技术具有操作简便、成本较低、能够同时测量氢和氧同位素等优点。

4) 数据处理和模型比较：通过编制现有的洞穴化学沉积物流体包裹体水同位素数据，开发了一个古全球气象水线（paleo-GMWL），并探讨了其在重建过去降水中的潜力。此外，文章还讨论了如何利用这些数据与气候模型进行比较。

上图为M6石笋高分辨率流体包裹体水同位素记录（M6-HR；蓝色），时间范围为500–320 BP。（A、B）分别展示石笋流体包裹体水的氢（δ²H）与氧（δ¹⁸O）同位素值；（C）被压碎的方解石棒对应的时间跨度（以年数计）。灰色曲线为Affolter等人（2019）发表的早期M6数据。

（A）文献中所有独立于年代的流体包裹体同位素值（蓝色高亮数据点除外）与全球大气水线（GMWL）的对比图；(B) 基于各站点流体包裹体同位素平均值的古全球大气水线（Paleo-GMWL）；

研究结论

1) 流体包裹体的潜力：洞穴化学沉积物流体包裹体在古气候科学中具有巨大潜力，能够提供关于过去气候的信息，并允许与数据模型进行比较。这些包裹体能够保存数百万年的原始同位素组成，为研究大陆地区的古气候提供了独特的机会。

2) 古全球气象水线（paleo-GMWL）：通过分析现有的洞穴化学沉积物流体包裹体水同位素数据，开发了一个paleo-GMWL，其斜率与现代降水相似，证实了流体包裹体在重建过去降水中的潜力。初步观察结果强调了流体包裹体在贡献过去全球降水网络（paleo-GNIP）方面的潜力。

3) 技术发展的重要性：随着分析技术的发展，特别是激光光谱法的应用，使得高分辨率的水同位素记录成为可能，这对于理解大陆地区水循环的时空演变具有重要意义。

4) 未来研究方向：文章指出，未来的研究将集中在开发新的、高分辨率的洞穴化学沉积物流体包裹体记录，以更好地理解大陆地区的水循环变化，并为气候模型提供数据支持。