玛珥湖-古气候研究中的瑰宝

全球变化对人类生存的环境产生巨大的影响；目前，人类对气候进行系统性观测的历史不超过200年，那么地质历史时期的古气候是如何变化的呢？类似于从电脑光盘上读取记录的各种信息，科学家们依靠连续沉积的各类古气候信息载体，可以系统性地还原数千年、数万年乃至数百万年以来的古气候变化。这些记录古气候变化的地质生物载体主要包括冰芯、黄土、洞穴石笋、树木年轮、珊瑚、砗磲、海洋沉积物和湖沼沉积物，其中湖沼沉积物具有高连续性、高分辨率以及对气候变化的高敏感度等特点，是科学家研究古气候变化的理想材料之一。近年来，玛珥湖的沉积岩心在众多湖泊沉积物中异军突起，成为科学家研究过去全球变化的热门材料。今天我就给大家介绍一下所有湖泊中风景最优美的（极具科学价值的）玛珥湖。

（德国Eifel地区玛珥湖 图摘自网络）

什么是玛珥湖？

玛珥湖是一种特殊的湖泊类型，广泛分布于全球各大陆的火山地区。湖泊的名字叫玛珥是不是和马的耳朵有什么联系呢？这个真没有。事实上这个名字具有明显的音译风格，如同咖啡、三明治一样，它也是一个舶来词。19世纪，德国科学家Steininger和Humboldt最早把德国西部Eifel第四纪火山区发育的小而圆形的火山口湖命名为maar（玛珥），maar来源于拉丁文mare，原始的含义为sea，ocean。从上世纪70年代开始，众多的火山学家对玛珥湖的概念、类型及形成机制进行了详细的研究，认为它起源于岩浆水汽火山喷发作用。具体来说，富含气体的岩浆在上升过程中由于压力减小释放出气体，同时高温岩浆与地下水混合产生大量水蒸汽，在巨大的压力作用下，发生爆炸式火山喷发，经过一次或多次爆炸式喷发后，喷发物堆积在喷出口周围形成犹如围墙的火山碎屑岩环，喷发中心则形成深而圆的盆地，而后积水成湖。玛珥湖湖盆大小不一，直径从几十米到几千米，一般为100-1000m。德国科学家Buchel对德国西部Eifel地区的玛珥进行研究之后，提出玛珥是一个由环形墙、火口沉积物、火山筒和馈浆通道组成的系统，其中玛珥湖是它的一部分。

（玛珥湖形成过程示意图 引自储国强和刘嘉麒，2018）

火山锥 2. 推测火山锥 3. 玛珥湖 4. 推测玛珥湖 5. 城市

（中国玛珥湖分布图 引自刘嘉麒等，2000）

玛珥湖分布在哪里？

玛珥湖作为一种常见的地貌类型，遍布全球各大陆的火山区，其中以德国、中国、美国、意大利、西班牙、以色列、加拿大、墨西哥、阿根廷、新西兰以及缅甸等分布最多。简单来说，发生过火山活动的地区都有产生玛珥湖的可能性。中国的玛珥湖从热带、亚热带到温带和高寒地带都有分布，其中有的湖水深度超过100m，有的则已经枯竭。热带地区的玛珥湖主要分布在雷琼地区，包括雷州半岛南部的湖光岩、田洋、青桐洋、罗经盘等，其中除湖光岩以外其余玛珥湖均已干枯，它们的形成都与雷琼新生代火山活动有关。暖温带玛珥湖主要集中于齐鲁火山群中部，山东临朐、山旺、昌乐一带，这一地区中新世和上新世火山活动强烈，形成了许多火山锥和火山口，其中部分火山口可能为玛珥湖，这些玛珥湖经长期沉积充填，目前都已干枯。中温带玛珥湖主要分布于吉林龙岗火山区、锡林浩特-阿巴嘎火山区以及辽西四合屯地区，其中尚有积水的玛珥湖包括大龙湾、小龙湾、二龙湾、四海龙湾等。除此之外，一些研究成果表明北温带大兴安岭哈拉哈河-淖尔河火山群中的卧牛泡子和乌苏浪子湖也可能为玛珥湖。目前各级地方政府已经在尚有积水的玛珥湖建立了风景区或者自然保护区，某些玛珥湖还衍生出不少神秘传说，这些风景宜人的玛珥湖也是个徒步散心的好去处。

（吉林四海龙湾玛珥湖景观 图摘自网络）

（吉林三角龙湾景观 图摘自网络）

（广东湖光岩玛珥湖日出景色）

（湖光岩玛珥湖黄昏景色）

玛珥湖为何如此特别？

玛珥湖之所以能获得古气候学家们的青睐，主要是因为与普通湖泊相比，它具有以下特点：第一，玛珥湖是小型封闭湖泊，没有出口和入口，湖盆深度大，湖水的补给仅靠环形墙内的大气降水，相对的封闭性基本排除了外界的干扰因素；第二，玛珥湖湖盆结构简单，湖底较平坦，湖水较深，水体相对稳定，湖泊沉积速率快，最有利于纹层的形成和保存，厚度大且连续沉积的纹层是研究古气候、古环境的绝佳材料，为高分辨率的古气候重建提供了可能性；第三，玛珥湖的出现与火山作用密切相关，通过对湖泊周围的火成岩进行年龄测定，可以较容易地确定玛珥湖形成年代。因此，玛珥湖是形成和保存高分辨率沉积记录的理想场所，在解决一些重要的古气候、古环境问题方面展现出巨大潜力。

（东北龙岗火山区四海龙湾玛珥湖沉积物纹层 引自刘强等，2004）

（广东省湛江市湖光岩玛珥湖 何均发 摄）

科学家们如何研究玛珥湖?

前面介绍了这么多玛珥湖的基本情况，读者朋友们一定很好奇科学家是怎么对玛珥湖进行古气候研究的。所有古气候研究的第一步都是建立起沉积物的年代框架，简单地说，就是知道它是什么时代形成的。对于玛珥湖等湖泊沉积物来说，常用的测年方法包括物理方法（数沉积物年纹层）和地球化学方法（放射性同位素定年），其中统计年纹层数量的方法较放射性同位素定年简单且精度更高。在过去的研究中，科学家在湖泊中发现有一年沉积的纹层状沉积物，这种反映周年循环的连续沉积物被称为年纹层，一个年纹层可由两个或者多个代表不同季节形成的纹层组成。科学家通过数湖泊沉积物年纹层的数量，就可以从现在倒推它最初开始沉积的时间。对于纹层界限清楚且厚度较大的年纹层，科学家只需目测就可以快速地统计纹层数量。然而针对界限不太清晰、厚度小的年纹层，科学家通常借助于高倍数的光学显微镜和扫描电子显微镜观察纹层薄片来进行计数。

（四海龙湾玛珥湖冷冻岩芯的X射线图像和显微镜下显示的年纹层 引自刘强等，2004）

虽然统计年纹层的方法简单快捷，但只能应用于具有纹层沉积物的玛珥湖，对于更多的没有纹层的玛珥湖，科学家常用沉积物中的14C测年。（见14C测年）对玛珥湖等湖泊而言，测量沉积物中的有机碳或植物残体，其放射性碳衰变的时间就是沉积物形成至今的年龄。从上世纪50年代开始人类进行了频繁的核实验，核实验产生的人工放射性同位素大量进入大气，在大气中交换和混合，最后均匀沉降到地表，在沉积物中富集，导致沉积物中的14C变化不再符合上述测年原理。一般来说，测得的14C年龄是指沉积物形成至1950年的年龄。虽然14C测年得到的年龄值已经有很高的精度，但14C年龄可能受到湖泊碳库效应的影响而变得不准确，因而需要用其他测年方法同时对沉积物进行测年来对比。此时，210Pb和137Cs定年具有得天独厚的优势，在一干定年方法中脱颖而出。210Pb和137Cs的半衰期很短（二三十年），湖泊沉积物中的210Pb和137Cs大多是1950年之后人工核实验产物，210Pb和137Cs含量的高值时段对应于核实验的几次高峰期，而核实验的高峰期能很容易地被查到，通过数学计算可以得到210Pb和137Cs的年龄结果，沉积物中210Pb和137Cs的年龄值常作为14C测年结果的补充。

（基于湖光岩岩芯14C测量结果的沉积年代序列 引自Wang et al., 2016）

（玛珥湖沉积物137Cs含量随深度变化 引自Wang et al., 2016）

在建立了玛珥湖沉积物的年代框架之后，科学家要做的事就是选取合适的古气候代用指标，通过该段时间内古气候指标的变化来反演古气候的变化。玛珥湖沉积物的古气候代用指标主要包括颜色、粒度、有机碳含量、孢粉种类及含量、以磁化率为代表的环境磁学参数以及以S、Mn、Ti为代表的地球化学元素含量等。不同古气候指标的变化具有不同的古气候意义，且同一指标在不同地区玛珥湖也具有不同的古气候意义。接下来，我举个湖光岩玛珥湖的研究实例来增强大家的理解。湖光岩玛珥湖位于中国广东省湛江市西郊，是世界上为数不多尚有积水的玛珥湖之一，且沉积物厚度较大，具有很高的科研价值。自上世纪九十年代以来，古气候学家和地质学家对湖光岩玛珥湖开展了系统的研究，取得了一系列引人注目的成果。通过湖光岩沉积物的14C、210Pb和137Cs测年结果（见图5），我们可以发现湖光岩沉积物从大约16000年前（末次冰消期）开始沉积，因而湖光岩的古气候指标记录了大约16000年以来高时间分辨率的古气候变化。湖光岩沉积物中的磁化率（χ）、S-0.3T与（下图中a、e）与磁性矿物种类和含量有关，而磁性矿物种类和含量由环境和气候决定，最近的研究认为它们数值较小的时期对应了孢粉总含量（下图中c）、水生植物孢粉含量（下图中d）、热带植物孢粉含量（下图中e）的高值时期以及Ti、Mn（下图中g、h）的低值时期，共同反映了气候的温暖湿润期。同时，湖光岩沉积物记录的区域气候变化可以很好地与全世界范围内其他地质记录对比。有了这些古气候演化记录，科学家就可以进一步了解过去气候变化的驱动机制和潜在规律，为科学预测和模拟未来气候变化奠定基础。随着相关测试技术水平的逐步提高，玛珥湖沉积物必将在今后多学科的全球变化综合研究中大放异彩。

（湖光岩古气候记录与其他古气候记录的对比，图中a-j为湖光岩古气候指标数据，k-o分别为其他古气候记录 引自Wang et al., 2016）

参考文献：

刘嘉麒, Negendank J, 王文远等. 2000. 中国玛珥湖的时空分布与地质特征. 第四纪研究，20（1）：78-86

刘强，游海涛，刘嘉麒. 2004. 湖泊沉积物年纹层的研究方法及其意义. 第四纪研究，24（6）：683-694

刘嘉麒，伍婧，储国强等. 2013. 玛珥湖古气候环境研究进展. 矿物岩石地球化学通报，32（6）：639-650

Wang XS, Chu GQ , Sheng M et al. 2016. Millennial-scale Asian summer monsoon variations in South China since the last deglaciation. Earth and Planetary Science Letters, 451: 22-30

储国强和刘嘉麒. 2018. 中国玛珥湖及其研究意义. 岩石学报，34（1）：4-12