来自中国西南部喀斯特洞穴淤泥沉积物的年代学与气候学研究

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Chronological and climatic insights from Karst Cave Silt Sediment in Southwest China

洞穴沉积物（CSS）年代测定与古气候重建

　　

穆圆圆|王青铎|王长胜|张天洲|马少勤|杨静明|海成|孙文军|李俊云|董艳敏|于鲁鹏|李婷勇

中国云南省师范大学地理学院高原地理过程与环境变化重点实验室，昆明650500

摘要

洞穴沉积物（CSS）在重建气候和环境变化方面具有巨大潜力。然而，其应用长期以来受到难以建立可靠年代学序列的制约。在本研究中，我们使用²³⁰Th测年、加速器质谱放射性碳（AMS）测年和单颗粒石英光释光（OSL）测年方法，对来自中国西南部（SW-C）一个喀斯特洞穴的CSS进行了分析，旨在评估OSL测年方法在这些沉积物中的适用性。OSL和AMS-¹⁴C测年结果在分析不确定性范围内一致，表明OSL方法可以为CSS建立可靠的年代学序列。通过沉积速率、颗粒大小和地球化学元素的综合分析，我们发现CSS可以作为古环境重建的宝贵档案。最后，通过结合考古证据和其他数据，揭示了自晚全新世以来水文气候变化和人类活动对该地区环境的影响。从4000年前到1500年前，气候变化起到了主导作用，湿润期促进了农业扩张和文化繁荣。自1500年前以来，人类活动成为环境变化的主要驱动因素之一。区域水文气候的变化受到外部和内部因素的共同控制，包括总太阳辐照度（TSI）、赤道辐合带（ITCZ）的南北迁移以及厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的波动。

引言

气候变化深刻影响着地球表面系统和人类社会（Verma, 2021; IPCC, 2023）。迫切需要准确预测未来的全球气候变化及其影响（Rockstr?m et al., 2021）。古气候研究增强了我们对气候系统演变及其驱动机制的理解（Wang et al., 2024a, Wang et al., 2024b）。同时，它为气候模型提供了重要的历史数据，提高了未来气候预测的准确性（Li et al., 2022; Kaustubh et al., 2024）。在晚全新世期间，全球气候不稳定性加剧（Shuman, 2012; Wang et al., 2013）。在此期间，人类社会从新石器时代过渡到农业文明，其对自然环境的影响稳步增加（Zeng et al., 2016; Lu et al., 2021）。

中国西南部（SW-C）位于青藏高原的东南边缘，受到亚洲夏季风的影响显著，对全球气候变率非常敏感（Zhang et al., 2020a, Zhang et al., 2020b）。其独特的喀斯特地貌和复杂的气候模式（Chen et al., 2021a, Chen et al., 2021b; Huang et al., 2022），以及大量早期人类活动的证据（Zeng et al., 2016; Gao et al., 2020; Lu et al., 2021），使其成为研究气候-环境-人类相互作用的理想区域（Wang et al., 2015; Yin et al., 2020; Chen et al., 2021a, Chen et al., 2021b）。在晚全新世期间，SW-C经历了多次明显的干湿周期，这对该地区古代文明的发展和衰落产生了深远影响（Gao et al., 2020; Lu et al., 2021; Sheng et al., 2025）。因此，研究晚全新世以来SW-C喀斯特地区水文气候的演变和驱动机制对于理解人类-环境相互作用以及人与土地的关系至关重要（Wang et al., 2015; Chen et al., 2021a, Chen et al., 2021b）。

洞穴环境封闭且受干扰较小，使其特别适合用于重建区域环境和气候变化。近年来，随着高精度²³⁰Th测年和高分辨率多代理环境重建技术的进步，洞穴沉积物被广泛用于研究亚洲夏季风强度和区域水文气候的变化（Wang et al., 2001; Fairchild et al., 2006; Cheng et al., 2016; Chen and Li, 2018; Chen et al., 2021a, Chen et al., 2021b; Wu et al., 2023）。然而，除了石笋外，一些洞穴还含有沉积物，这些沉积物可能提供区域洪水事件的直接证据。

本研究的洞穴沉积物是由河流系统搬运的。近年来，光释光（OSL）测年被广泛应用于全新世洪水沉积物的研究（Yang et al., 2021; Wang et al., 2024a, Wang et al., 2024b）。然而，沉积物来源的复杂性和河流搬运过程可能导致某些矿物颗粒的漂白不完全（Hu et al., 2010）。目前，钾长石和石英是最常用的OSL测年矿物，其中石英因漂白效率更高而更受青睐（Colarossi et al., 2015; Li et al., 2018）。传统的单份样品测量方法可能会高估沉积年龄，而单颗粒分析可以有效地识别沉积时的良好漂白颗粒（Rodnight et al., 2005; Li et al., 2018）。因此，石英单颗粒OSL测年为这类沉积物提供了一种必要且可靠的方法。

以往关于喀斯特洞穴沉积物（CSS）的研究主要集中在史前人类活动的遗迹和古生物学遗存上（Michael et al., 2021; Cao et al., 2024）。利用CSS的物理化学性质直接重建过去的环境和气候变化仍然很少。一方面，建立洞穴沉积物的年代学序列具有挑战性，限制了其在高分辨率气候重建中的应用。另一方面，其在区域古气候记录中的比较价值尚未得到充分探索，其作为气候指标的重要性需要进一步评估。

本研究使用OSL测年、AMS¹⁴C测年和²³⁰Th测年方法，对SW-C东家洞穴的CSS进行了详细的年代学分析，建立了稳健的年代序列。通过颗粒大小和元素代用指标，重建了晚全新世的区域水文气候变化，并探讨了太阳辐射和季风环流等驱动因素的影响。本研究打破了传统的以石笋为中心的洞穴沉积物-古气候研究范式，突显了CSS在重建古气候方面的潜力。研究结果证实，CSS是古气候和古环境重建的重要档案，因为通过单颗粒石英OSL测年可以获得可靠的年代学序列，使其适合研究区域水文气候变化。此外，与区域人类活动的历史记录相比，可以评估气候变化和人为活动对环境的影响。结果还为评估晚全新世SW-C环境变化的自然-人类耦合机制提供了新的证据。

研究区域

东家洞穴（24°8′31″ N, 104°5′5″ E）位于中国西南部（SW-C）的云南省，洞口海拔高度为1458米（图1A）。该洞穴发育在下三叠统白云岩中，洞口高度为3米，宽度为5米，总长度约为280米（Xue et al., 2025）。洞穴年平均温度为18.5℃，相对湿度超过85%（Xue et al., 2025）。该地区受亚热带季风气候控制，年平均

样品采集

从DJD2剖面采集了五个OSL样品。采样过程中，将一根不锈钢管（长25厘米，直径5厘米）水平插入新鲜剖面；两端密封，每个样品都仔细标记（Murray et al., 2021; Yu et al., 2022）。此外，每隔2厘米采集约20克沉积物，共获得44个子样本用于地球化学和颗粒大小分析。在33厘米深度处，有一层约4厘米厚的方解石晶体层

测年结果和年代学序列

图4显示了每个单颗粒OSL样品的D_e分布。样品表现出较高的离散度（OD），范围从34.4±4.46%到156.01±21.4%。这种过度的D_e分布表明，应用中心年龄模型（CAM）可能会导致年龄高估。相比之下，有限混合模型（FMM）通常用于识别多模态D_e数据集中的特征组分。因此，在本研究中，来自较小FMM组分的D_e值被

OSL和AMS-¹⁴C测年的比较

要获得可靠的OSL年龄，需要沉积物颗粒的发光信号在埋藏前完全重置（Madsen and Murray, 2009; Medialdea et al., 2014）。运输方式和持续时间决定了沉积前的暴露程度，从而控制了剩余的发光信号（Timothy et al., 2008; Murray et al., 2021）。在自然条件下，不同的石英颗粒暴露在阳光下的时间各不相同。

结论

本研究应用²³⁰Th、AMS¹⁴C和OSL测年方法对喀斯特洞穴的沉积物（CSS）进行了分析，评估了使用OSL测年洞穴沉积物的可行性。由于沉积物中粘土含量高和²³²Th浓度较高，²³⁰Th测年结果不可靠。OSL和AMS¹⁴C年龄在误差范围内一致，为沉积物提供了合理的年代学序列，两种方法相互验证。单颗粒石英OSL测年可以

作者贡献声明

穆圆圆：撰写——原始草案、方法学、调查、正式分析、数据管理。王青铎：调查、正式分析。王长胜：调查、正式分析。张天洲：方法学、调查、正式分析。马少勤：调查、正式分析。杨静明：调查、正式分析。海成：方法学。孙文军：方法学。李俊云：监督、方法学。董艳敏：方法学、正式分析。于鲁鹏：

未引用的参考文献

Fr?hlich, 2009

Gernet, 1996

Guo et al., 2025a

Guo et al., 2025b

Wintle and Murray, 2006

Zheng et al., 2010

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢编辑Pradeep Srivastava博士和三位匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议显著提高了本文的科学质量。我们还要特别感谢东家洞穴的经理Long-Fu Lin先生在实地调查中的大力帮助。感谢国立台湾大学的Hong-Chun Li教授提供的AMS-¹⁴C测年支持。本研究得到了