瑞士阿尔卑斯山和侏罗山脉洞穴滴水及洞穴沉积物流体包裹体水中的同位素温度梯度

《Quaternary Science Reviews》：Isotopic lapse rates in cave drip and speleothem fluid inclusion waters from the Swiss Alps and Jura Mountains

　　

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  该公民科学项目收集了来自中欧103个洞穴的358份洞穴滴水样本。
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  洞穴滴水的稳定同位素记录反映了2022年极端干燥且温暖的天气状况。
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  洞穴滴水的同位素递减率体现了降水同位素的变动性。
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  通过洞穴沉积物中的流体包裹体，初步重建了古同位素递减率。

引言

降水的氢（δ²H_p）和氧（δ¹⁸O_p）同位素组成受多种气候与环境因素影响，海拔高度便是其中之一（例如Lachniet，2009）。随着海拔升高，氢和氧的同位素比值下降，这一现象被称为“海拔效应”，而这种变化的速率则称为同位素递减率（ILR），通常以每100米的‰数表示（Siegenthaler和Oeschger，1980；Clark和Fritz，1997；Poage和Chamberlain，2001；Schotterer，2010）。Poage和Chamberlain（2001）指出，全球大部分地区的降水平均ILR为每100米?0.28‰，但具体数值会因区域地形以及当地的气候和环境条件而有所不同：对于δ¹⁸O而言，ILR在?0.09到?1.00‰/100米之间变化，而对于δ²H而言，则在?0.6到?4‰/100米之间变化（例如Poage和Chamberlain，2001；Windhorst等人，2013）。同位素递减率在多个研究领域中都具有重要意义，包括基于同位素的古海拔重建（例如Poage和Chamberlain，2001；Botsyun等人，2020）、山区水源追踪（例如Petitta等人，2022；Michelon等人，2023），以及通过洞穴沉积物估算古温度（Wilcox等人，2020；Honiat等人，2023）。古海拔研究利用同位素递减率以及低海拔和高海拔地区原生矿物与土壤生成矿物的δ¹⁸O差异，来重建各大山脉和大陆高原过去的地表海拔（例如Krsnik等人，2021；Boateng等人，2025）。此外，同位素递减率对于确定山区地下水的平均补给海拔也至关重要，因为地下水同位素与其所在海拔的关系能够反映其补给区域。最后，通过校正洞穴与附近测量站之间的海拔差异，同位素递减率对于从洞穴沉积物中估算古温度也起着关键作用（例如Wilcox等人，2020；Honiat等人，2023）。这些研究都基于一个基本假设，即区域内的同位素递减率长期保持不变，因此它们所使用的同位素递减率数据都是基于现代的δ¹⁸O_p和δ²H_p与海拔之间的关系得出的（Campani等人，2012；Mulch，2016；Wilcox等人，2020；Honiat等人，2023）。然而，越来越多的证据表明，同位素递减率并非恒定不变，它可能会受到蒸汽混合、水分来源变化以及降水动态等多种环境因素的共同影响（例如Windhorst等人，2013；Kern等人，2014；Botsyun等人，2020）。所有这些因素都与气候变率和地形密切相关，进而影响水文循环和降水同位素。因此，由于瑞利蒸馏、雨落作用、斜压调整以及行星边界层高度等过程的变动性，同位素递减率的实际时间变动性很可能比之前认为的要大。其中，瑞利蒸馏是一种非线性机制，当气团沿着山脉地形上升时就会发生这种现象。这会导致空气膨胀并降温，进而引发凝结，随后凝结水会从剩余蒸汽中分离出来。随着海拔的升高，降水的δ¹⁸O_p和δ²H_p值会逐渐变得更负（Dansgaard，1964；Siegenthaler和Oeschger，1980；Clark和Fritz，1997）。影响同位素递减率的第二个因素是斜压调整，它会减弱经向温度梯度。这一过程与大气层的垂直热分层有关。斜压涡旋可以将温暖的对流气团带到更高海拔，从而使得温度递减率变为梯度更小的湿绝热递减率（Stone，1978；Stone和Carlson，1979；Colman和Soden，2021）。影响同位素递减率的第三个因素是行星边界层的高度。行星边界层是对流层的最底层，它标志着与地球表面相互作用的空气团与自由对流层之间的分界线（Nyeki等人，2000；Seidel等人，2012）。Kern等人（2014）发现，行星边界层的高度会对月度加权降水的稳定同位素组成以及月度同位素递减率产生显著影响。在中阿尔卑斯山的某些地区，夏季时行星边界层的高度可能在海平面上方4500米左右（Nyeki等人，2000；Seidel等人，2012），而冬季则降至约1000米海平面高度。据估计，中阿尔卑斯山的多年平均海拔高度约为2000米海平面高度（Kern等人，2014）。在所有时间尺度上，气候变异以及地形变化都会导致行星边界层高度发生系统性变化（Kern等人，2014）。

总而言之，同位素递减率是一种重要的地质和环境指标，一个关键问题在于，在跨越数百年到数百万年的时间尺度上，同位素递减率是否保持不变。尽管它们非常重要，但由于缺乏包含古降水水同位素直接信息的档案，过去同位素递减率的变化情况一直未能得到充分的研究和记录。冰芯主要存在于极地或海拔极高的地区（Bradley，2015），而地下水的年代测定则较为困难（Bethke和Johnson，2008）。其他古气候记录，如沉积物或植物遗骸，只能为古降水的δ¹⁸O和δ²H含量提供间接信息。不过，洞穴沉积物却能够提供关于古降水同位素组成的准确信息，因为其中含有源自洞穴上方降水的少量洞穴滴水。这些滴水以微米级的流体包裹体形式存在于洞穴沉积物中，其成分往往能在数千甚至数百万年间保持不变（例如Fleitmann等人，2022；Affolter等人，2025；Markowska等人，2025）。通过对沿海拔剖面线在洞穴中采集的石笋中流体包裹体的水同位素进行分析，就可以重建这些剖面线上古降水的同位素组成。进而，就能以前所未有的精细程度重建过去几百年到数百万年的同位素递减率。不过，首要的步骤是先调查不同海拔高度的洞穴中当前滴水的氧（δ¹⁸O_dw）和氢（δ²H_dw）含量，是否与基于气象站测量的当前区域降水同位素递减率一致，比如在意大利南蒂罗尔地区就进行过这样的局部研究（Johnston等人，2013）。瑞士阿尔卑斯山和汝拉山脉为这项研究提供了理想的场所，因为那里有数千个不同海拔高度的洞穴被记录在案，而且经常有洞穴探险俱乐部的成员前往探访。此外，瑞士还拥有一个密集的气象站网络，这些气象站可以测量降水中的稳定同位素（见图1）。瑞士大多数气象站的同位素记录时间跨度达数十年，且具有月度分辨率（Schürch等人，2003；Schotterer，2010），因此可以用来与洞穴滴水的同位素组成进行对比。

从不同海拔高度的洞穴中采集大量滴水样本是一项极具挑战性的工作。为了解决这个问题，我们开展了名为“洞穴滴水”的公民科学项目，邀请瑞士和法国的洞穴学专家参与滴水样本的采集，以便进行稳定同位素分析。本研究展示了这项公民科学项目三年的研究成果，共收集了来自103个洞穴的358组同位素测量数据。这项研究的主要目标包括：（1）阐明汝拉山脉和瑞士阿尔卑斯山地区洞穴滴水的同位素组成；（2）利用瑞士国家同位素网络的最新数据，以及来自汝拉山脉和瑞士阿尔卑斯山103个洞穴（海拔高度在255至2294米之间）的洞穴滴水样本，评估降水和洞穴滴水的同位素递减率；（3）通过分析从373米到1689米海拔高度的现代和化石石笋中的流体包裹体水同位素数据，来确定基于洞穴沉积物的同位素递减率。验证洞穴沉积物能否用于确定同位素递减率，是探索开展古同位素递减率研究的基础前提。

章节摘要

气候背景与洞穴位置

研究区域可划分为三个不同区域：平均海拔为700米海平面高度的汝拉山脉、平均海拔为580米海平面高度的瑞士高原，以及平均海拔为1700米海平面高度的瑞士阿尔卑斯山（Reynard等人，2021）。在所研究的洞穴附近的气象站观测到的年平均气温（1991-2020年）在汝拉山脉为14℃左右至4℃，而在瑞士阿尔卑斯山则为大约9℃左右至0℃（联邦...

来自瑞士和法国的洞穴滴水样本

这些滴水样本是由洞穴探险者作为“洞穴滴水”公民科学项目的一部分采集的。为此，我们为这些探险者和当地的洞穴探险俱乐部提供了水样采集工具包，其中包括标有标签的2毫升试管、封口胶带、漏斗、采样表，以及一本介绍洞穴滴水采集和储存方法的手册。这些水样随后被送往巴塞尔大学的第四纪地质同位素实验室进行同位素分析。自该项目开始以来...

结果与讨论

在本章中，我们将：（1）展示并分析汝拉山脉和瑞士阿尔卑斯山地区洞穴滴水与降水的同位素组成；（2）评估降水和洞穴滴水的同位素递减率；（3）确定初步的古同位素递减率；（4）研究当前的洞穴温度递减率。

结论

通过一项公民科学项目，我们共收集了来自汝拉山脉和瑞士阿尔卑斯山103个洞穴的358份洞穴滴水样本。这些水样揭示了洞穴滴水与区域降水之间的海拔、时间和同位素方面的关联关系。基于这些洞穴滴水数据得出的同位素递减率斜率为：对于δ¹⁸O_dw而言为?0.21±0.02‰/100米，而对于δ²H_dw而言则为?1.64±0.12‰/100米，这一数值略低于32年间降水对应的同位素递减率斜率...

利益冲突声明

作为本期论文的编辑，D. Fleitmann并未参与该文章的同行评审工作，也无法获取有关同行评审的任何信息。该文章的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。

致谢

本研究得到了瑞士国家科学基金会的资助（资助编号为208253）。我们衷心感谢瑞士和法国各洞穴探险俱乐部中的探险者们，他们为这项公民科学项目提供了洞穴滴水样本。同时，我们也要感谢奥斯特瑞士洞穴研究协会的Andreas Link和Andreas Dosch在野外工作期间给予的持续支持，以及Neuenburgerh?hle地区的H?hlenforschungsgruppe B?li团队以及Marc...

Timon Kipfer|Stéphane Affolter|Anamaria Diana H?uselmann|Marc Luetscher|Hai Cheng|Dominik Fleitmann