石笋的“年轮”（年纹层）
科普文章大赛优秀奖作品
作者：谭亮成 林方园
常闻玉泉山，山洞多乳窟。
仙鼠如白鸦，倒悬清溪月。
茗生此中石，玉泉流不歇。
根柯洒芳津，采服润肌骨。
——[唐] 李白《答族侄僧中孚赠玉泉仙人掌茶》
诗人李白在此诗的序中说：荆州玉泉寺附近有许多溶洞，溶洞里有钟乳石、有清澈的泉水、有白色的倒挂的蝙蝠（在《仙经》中蝙蝠又名仙鼠，千岁之后，体白如雪）。其水边处处有茗草罗生，枝叶如碧玉。惟玉泉真公常采而饮之，年八十余岁，颜色如桃李。可见石笋、溶洞自古以来就自带传奇色彩。石笋以一种近乎艺术的形式存在着（图1、图2）。
图1 石笋 （谭亮成 摄）
洞顶的水滴落在地面，会在地面上沉积一部分碳酸钙，这些碳酸钙如竹笋一样，从地面向上生长，故名石笋
图2 中国科学院地球环境研究所微型溶洞博物馆（谭亮成摄）
石笋一直默默的记录着从古至今地球的变幻，被称为喀斯特地区的“地质钟”，溶洞里的天然“记录员”。像树轮一样，石笋也有自己的“年轮”。不同于树轮一圈一圈从里到外展布，石笋的“年轮”通常以深浅交互的生长条带自下而上平行展布 [1]，将石笋平行于生长轴对半切开后即可以看到这些“年轮”（图3）。当洞穴外部气候（例如降水、温度等）或者内部环境（例如洞穴湿度等）存在显著的季节变化时，洞穴滴水的化学性质（例如pH值、饱和度等）的改变会传递到石笋中，造成石笋矿物类型、晶体结构以及化学成分含量的周期性（通常为季节性）交替转换，最终形成深浅纹层的周期性变化。大多数情况下，深浅交互的条带每年增加一组，我们将其称之为“年纹层”，通过计算年纹层的层数即可知道石笋生长了多少年。
图3（左）甘肃乌鸦洞中的石笋，（右）乌鸦洞石笋WY33抛光面上深浅交互的年纹层（引自文献11，Tan et al., 2014）
目前所发现的石笋纹层主要有四种类型，包括可见纹层、荧光纹层、方解石文石交互纹层和石笋微量元素纹层：
可见纹层，即肉眼可见深浅交替变化的纹层，也可以通过传统的反射光学显微镜观察（图4）。Dominique Genty教授将深、浅层分别描述为 “暗色致密方解石层(DCC) ”和“白色多孔方解石层(WPC) ” [2]。形成这类纹层的原因是不同形态的石笋晶体组织在空间上有规律地（通常为季节性的）交替变化[3]。许多研究表明滴水饱和度可能是控制石笋矿物组织形态的主要因素，当滴水饱和度较高时，石笋晶体之间缝隙小，纹层较为致密，形成DCC。相反，滴水饱和度较低，晶体间空隙较多，形成WPC[4]。滴水速率、洞内二氧化碳含量等的季节变化过程都会通过影响滴水饱和度进而对可见纹层的形成产生影响。
图4 日光下可见纹层（左）与反射光显微镜下石笋可见纹层（右）（引自文献12，Zhang et al., 2018）
荧光发光纹层。石笋居然还可以发光？其实石笋本身是不发光的，我们所说的荧光发光条带是由石笋中保存的天然有机物受紫外线或者蓝光激发而产生的[5]（可在连接汞灯的显微镜或激光共聚焦显微镜观察得到，图5）。通常在降雨量增加的时候，雨水携带上覆土壤中的有机质（主要是胡敏酸和富里酸）通过岩层裂隙进入洞穴，形成荧光亮层，而在旱季由于降水较少，洞穴滴水所携带的有机质含量少，所以形成相对暗的层 [3]。
近些年随着采样分辨率的提高（每隔10μm采一个样品），使得石笋地球化学指标与年纹层对应起来（图6），可以帮助我们理解季节性的气候变化模式。例如Orland等人在2009年对以色列Soreq洞穴中一石笋进行研究，发现石笋的荧光暗层与偏正的δ18O对应，荧光亮层所对应的δ18O偏负，其年生长带内暗层与亮层δ18O的变化范围（最正值与最负值的差异）清晰得反映了当地的干湿季节性变化[6]，也说明了石笋纹层气候学所蕴含的潜力。
图5 在紫外光显微镜下观察到的荧光纹层（左）与蓝光激光共聚焦显微镜下的荧光纹层（右） （引自文献12，Zhang et al., 2018）
文石方解石交替纹层。洞穴石笋的矿物组分主要有方解石、文石和方解石-文石三种类型。许多学者研究发现，Mg2+对方解石沉积具有抑制作用。所以当洞穴周边岩石镁含量较高（如白云岩）时，易形成文石石笋；当洞穴周围岩石镁含量较低（如石灰岩），易形成方解石石笋。而气候的变化会通过改变滴水中的镁含量，使得同一石笋中出现文石与方解石交替出现的年纹层[7]（图6）。例如，当洞穴周围岩石镁含量较低时，在干旱季节滴水速率变慢，蒸发增加，使得滴水中Mg2+含量升高，到一定阈值时，引起文石沉积，反之，在湿季则为方解石沉积[5]。然而有些时候，滴水溶液高的饱和度可以抵消Mg2+对方解石的抑制作用，使得方解石在洞穴滴水Mg2+含量较高的情况下仍然能够形成[8]。因而，石笋的矿物类型受滴水饱和度与Mg2+含量共同控制，而由于这种类型的石笋纹层并不常见，其具体形成机制因不同地区不同洞穴而异。
图6 博茨瓦纳石笋中文石与方解石交替纹层. A:文石，C:方解石.（引自文献7，Railsback et al., 1994）
痕量元素纹层。痕量元素是指在石笋中含量很低的元素，例如Mg、Sr、Ba等，我们常用Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca来表示。它们可以来自大气沉积、基岩和上覆风化层等，随着洞穴滴水保存在石笋矿物晶格或者包裹体之中[9] 。无论何种形式存在的微量元素，其含量对于环境变化反应敏感，随着气候的季节性韵律，石笋微量元素含量形成规律的峰谷年循环[3](图7)。例如，对最常用的Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca来说，当方解石优先沉积（PCP）占主导过程时，在较为干旱的情况下PCP过程强烈，造成滴水则Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca比值增加，在湿润的情况下PCP过程弱， Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca比值减小[10]，形成显著的季节变化。有些学者认为痕量元素年际变化比荧光纹层或可见纹层更能代表石笋年纹层，因为无论是否能看到石笋年纹层，但在年际尺度上某种形式的化学变化是正常的[3]。
图7 石笋中微量元素（Mg/Ca，Sr/Ca）季节性旋回 （引自文献10，Johnson et al., 2006）
However，石笋中有时也会出现年层的缺失或者伪年层（一年内生长多条纹层）的状况，需结合其他石笋地球化学指标和其他定年方法来做具体的判定。
石笋的年纹层为建立过去气候变化精确的时标提供了重要支撑，它们就像一个个不知疲倦、尽忠职守的记录员，千万年守候，把温度、降水等气候信息都记载保存下来，成为记录过去气候和环境变化的理想的“自然档案”。每条纹层就是一页，每一页上都有信息，每条信息都渴望被人类破译，信息被破译之后，可以通过分析过去不同气候背景下气候变化的规律与驱动机制来预估全球变暖背景下未来突变事件发生的可能性。
包含“年轮”（年纹层）的石笋是神奇的，也是艺术的，是具有科学性的，也是具有诗性的：
炎蒸动泉源
积潦搜山趾
契阔话凉温
交结青云士
——[唐] 刘禹锡
参考文献
1. 谭明，潘根兴，王先锋，等. 1999. 石笋与环境——石笋纹层形成的环境机理初探[J]. 中国岩溶，18(3)：197-205.
2. Genty D，Quinif Y . 1996. Annually laminated sequences in the internal structure of some Belgian stalagmites – importance for paleoclimatology [J]. Journal of Sedimentary Research，66: 275-288.
3. Baker A，Smith C L，Jex C，et al. 2008. Annually Laminated Speleothems: a Review [J]. international journal of speleology，37(3):193-206.
4. Duan W H，Cai B G，Tan M，et al. 2012. The growth mechanism of the aragonitic stalagmite laminae from Yunnan Xianren Cave, SW China revealed by cave monitoring [J]. Boreas，4：113-123.
5. Tan M, Baker A , Genty D, et al. 2006. Applications of stalagmite laminae to paleoclimate reconstructions: Comparison with dendrochronology/climatology [J]. Quaternary Science Reviews，25(17-18)：2103-2117.
6. Orland I J，Bar-Matthews M，Kita N Tet，et al. 2009. Climate deterioration in the Eastern Mediterranean as revealed by ion microprobe analysis of a speleothem that grew from 2.2 to 0.9 ka in Soreq Cave, Israel [J]. Quaternary Research，71：27-35.
7. Railsback L B，Brook G A，Chen J，et al. 1994. Environmental Controls on the Petrology of a Late Holocene Speleothem from Botswana with Annual Layers of Aragonite and Calcite [J]. Journal of Sedimentary Research，64(1)：147-155.
8. 张海伟，蔡演军，谭亮成. 2010. 石笋矿物类型、成因及其对气候和环境的指示[J].中国岩溶，29(3)：222-228.
9. Fairchild I J, Treble P C. 2009. Trace elements in speleothems as recorders of environmental change [J]. Quaternary Science Reviews，28：449–468.
10. Johnson K R，Hu C Y， Belshaw N S，Henderson G M. 2006. Seasonal traceelement and stable-isotope variations in a Chinese speleothem: the potential for high-resolution paleomonsoon reconstruction [J]. Earth Planetary Science Letters. 244, 394–407
11. Tan L C, An Z S, Huh C A, et al. (2014b). Cyclic precipitation variation on the western Loess Plateau of China during the past four centuries. Sci Rep. 4(29): 6381.
12. Zhang H W, Cheng H, Sp？tl C, et al. 2018. A 200-year annually laminated stalagmite record of precipitation seasonality in southeastern China and its linkages to ENSO and PDO[J]. Scientific Reports. 8(1):12344-.
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