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支链GDGTs与黄土古温度重建:机遇与挑战

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第四纪研究 2024年

作者：卢红选王欢业刘旭盛维娟刘卫国中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安地球环境创新研究院

目前对全球古温度的理解主要基于海洋记录,由于缺乏可靠的陆地古温度指标,对陆地温度变化的认识较为有限,这限制了对全球变暖背景下,陆地温度变化规律和机制的深入理解。支链甘油二烷基甘油四醚类化合物(brGDGTs)是某些细菌微生物细胞... 详细信息

目前对全球古温度的理解主要基于海洋记录,由于缺乏可靠的陆地古温度指标,对陆地温度变化的认识较为有限,这限制了对全球变暖背景下,陆地温度变化规律和机制的深入理解。支链甘油二烷基甘油四醚类化合物(brGDGTs)是某些细菌微生物细胞脂膜中的四醚化合物,近20年来已成为广泛关注的陆地古温度计。该温度计一经推出,便在黄土古温度,特别是长时间尺度的古温度重建中发挥了重要作用。本研究首先回顾了brGDGTs温度计的发展历史,总结了近年来该温度计在细菌培养实验、现代过程调研、仪器分析方法、数据处理技术等方面的创新和进展。然后介绍了支链GDGTs在黄土古土壤剖面中不同时间尺度的古温度重建研究进展。黄土高原brGDGTs记录的陆地温度呈现明显的冰期-间冰期波动特征,表明太阳辐射和全球冰量对陆地温度变化重要的驱动作用;但与海洋温度相比,冰盛期-冰消期时段增温超前于海洋记录,推测陆地下垫面(植被、土壤湿度等)动态演化可能会对陆地温度变化起着重要的调控作用。最后多角度分析了brGDGTs陆地古温度重建面临的机遇和挑战。作为稀缺的陆地古温度计,brGDGTs为认识陆地温度变化规律和机制提供了难得的工具,但其确切生物来源、形成机制尚不明确。另外,全球黄土brGDGTs温度在变化趋势、周期和幅度上存在较大差异,且造成这种差异的原因还不清楚。为了应对这些挑战,应继续加强brGDGTs温度计的基础理论研究,明确其来源和形成机制,优化分析方法和校正模型。同时,结合现代观测和模拟研究,探究不同时间尺度下陆地下垫面(植被、土壤湿度等)与温度变化之间的反馈机制,进一步丰富我们对全球温度变化规律和机制的认识。

关键词： brGDGTs 古温度黄土气候指标

支链GDGTs与黄土古温度重建：机遇与挑战

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第四纪研究 2024年第05期 1296-1307页

作者：卢红选王欢业刘旭盛维娟刘卫国中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安地球环境创新研究院

目前对全球古温度的理解主要基于海洋记录，由于缺乏可靠的陆地古温度指标，对陆地温度变化的认识较为有限，这限制了对全球变暖背景下，陆地温度变化规律和机制的深入理解。支链甘油二烷基甘油四醚类化合物(brGDGTs)是某些细菌微生物... 详细信息

目前对全球古温度的理解主要基于海洋记录，由于缺乏可靠的陆地古温度指标，对陆地温度变化的认识较为有限，这限制了对全球变暖背景下，陆地温度变化规律和机制的深入理解。支链甘油二烷基甘油四醚类化合物(brGDGTs)是某些细菌微生物细胞脂膜中的四醚化合物，近20年来已成为广泛关注的陆地古温度计。该温度计一经推出，便在黄土古温度，特别是长时间尺度的古温度重建中发挥了重要作用。本研究首先回顾了brGDGTs温度计的发展历史，总结了近年来该温度计在细菌培养实验、现代过程调研、仪器分析方法、数据处理技术等方面的创新和进展。然后介绍了支链GDGTs在黄土古土壤剖面中不同时间尺度的古温度重建研究进展。黄土高原brGDGTs记录的陆地温度呈现明显的冰期-间冰期波动特征，表明太阳辐射和全球冰量对陆地温度变化重要的驱动作用；但与海洋温度相比，冰盛期-冰消期时段增温超前于海洋记录，推测陆地下垫面(植被、土壤湿度等)动态演化可能会对陆地温度变化起着重要的调控作用。最后多角度分析了brGDGTs陆地古温度重建面临的机遇和挑战。作为稀缺的陆地古温度计，brGDGTs为认识陆地温度变化规律和机制提供了难得的工具，但其确切生物来源、形成机制尚不明确。另外，全球黄土brGDGTs温度在变化趋势、周期和幅度上存在较大差异，且造成这种差异的原因还不清楚。为了应对这些挑战，应继续加强brGDGTs温度计的基础理论研究，明确其来源和形成机制，优化分析方法和校正模型。同时，结合现代观测和模拟研究，探究不同时间尺度下陆地下垫面(植被、土壤湿度等)与温度变化之间的反馈机制，进一步丰富我们对全球温度变化规律和机制的认识。

关键词： brGDGTs 古温度黄土气候指标

青藏高原中部伦坡拉盆地新生代地层年代、古环境与古高度研究综述

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科学通报 2024年第18期69卷 2463-2479页

作者：孙继敏李建国刘卫国靳春胜中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院南京地质与古生物研究所南京210008 中国科学院地球环境研究所西安710061

新生代以来,地球上最为显著的地貌变化就是印度与亚洲板块碰撞导致的青藏高原隆升.长期以来,关于碰撞的起始时间、碰撞方式与过程以及古高度等均有较大的争议.本文主要针对近年在古高度重建方面最受关注的高原中部伦坡拉盆地的研究进行... 详细信息

新生代以来,地球上最为显著的地貌变化就是印度与亚洲板块碰撞导致的青藏高原隆升.长期以来,关于碰撞的起始时间、碰撞方式与过程以及古高度等均有较大的争议.本文主要针对近年在古高度重建方面最受关注的高原中部伦坡拉盆地的研究进行了综述,旨在总结年代学、古环境演变以及古高度重建方面的进展和分歧.首先,伦坡拉盆地的新生代地层年代近年获得了长足的进展,特别是在伦坡拉盆地的牛堡组和丁青组地层陆续发现了10层左右的凝灰岩,为限定地层时代提供了很好的绝对年龄约束,牛堡组的时代已经从此前的古新世-始新世调整为始新世-早渐新世,丁青组则为晚渐新世至晚中新世.其次,伦坡拉盆地牛堡组的植物化石揭示了早始新世晚期(47 Ma)为热带亚热带湿润的森林环境,始新世晚期(39 Ma)则为亚热带开阔森林环境.丁青组的植被类型以暖温带针阔叶混交林为主.丁青组中、下部地层记录了40万年准周期的干湿旋回,表明地球轨道的长周期偏心率波动驱动了该时期伦坡拉盆地的古降水变化;而丁青组上部的稳定同位素记录揭示了14 Ma以来高原中部发生的降温与干旱增强事件,而且该事件是对14 Ma以来东南极冰盖扩张、全球持续变冷事件的响应.此外,伦坡拉盆地牛堡组中段及丁青组含有丰富的动植物化石.近年,越来越多的生物学证据(包括植物大化石与孢粉)表明,伦坡拉盆地在晚始新世的古高度基本在2000~2700 m左右,晚渐新世-早中新世初期(26~20 Ma)的古高度为3000~3200 m.即便到晚中新世早期的12 Ma,水生浮叶植物的证据表明,伦坡拉盆地古湖面的最大高度为3400 m,由此表明伦坡拉盆地的海拔高度很可能在晚中新世以后仍有1200 m左右的上升.

关键词：青藏高原隆升伦坡拉盆地牛堡组与丁青组时代古环境古高度

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黄土高原古气候变化定量重建的新进展

地质学报 2024年第3期98卷 1006-1023页

作者：孙有斌卢红选章泽科中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室陕西西安710061

中国黄土-红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造-千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,... 详细信息

中国黄土-红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造-千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,黄土高原古气候变化研究逐步从定性描述拓展到定量重建,本文旨在回顾基于中国黄土定量重建古温度和古降雨变化取得的重要进展。首先,梳理了古气候要素定量重建的指标和方法,古温度重建指标包括植硅体、碳酸盐耦合同位素、微生物脂类代用指标等;古降水变化敏感指标包括磁化率、白云石/方解石含量、生物微钙体Sr/Ca比值、有机碳同位素以及^(10)Be等。然后,汇总了典型黄土剖面定量重建的古气候变化序列,分别从构造、轨道及千年时间尺度上探讨了古温度和古降雨的变化特征。结果表明,基于生标重建的不同时间跨度的土壤古温度变化序列,在冰期—间冰期尺度上的波动特征基本一致,但在冰盛期—冰消期时段出现了增温超前现象,说明陆地植被对土壤温度变化有重要调制作用。然而,不同指标重建的降水变化幅度差异较大,主导周期也存在差异,说明定量重建降水变化仍有较大挑战。最后,简要总结了黄土高原古气候定量重建存在的问题,明确了区分温度和降水季节性变化的重要性,指出加强地质记录与模拟结果的对比同化,将有助深化对多尺度季风变化动力学的理解。

关键词：黄土高原黄土-古土壤序列古温度古降水东亚季风

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牦牛粪燃烧排放黑碳的化学老化过程

环境化学 2024年

作者：张扬王启元李丽田杰李钰冉伟康张勇中国科学院大学西安地球环境创新研究院中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室

当前,对青藏高原牦牛粪燃烧排放的含黑碳(BC)颗粒物在老化过程中的演变机制了解还不足.为深入研究这一问题,本文采用氧化流动反应器模拟牦牛粪燃烧排放BC颗粒物的不同老化程度,并利用单颗粒气溶胶质谱仪对老化前后BC颗粒物的化学组成、... 详细信息

当前,对青藏高原牦牛粪燃烧排放的含黑碳(BC)颗粒物在老化过程中的演变机制了解还不足.为深入研究这一问题,本文采用氧化流动反应器模拟牦牛粪燃烧排放BC颗粒物的不同老化程度,并利用单颗粒气溶胶质谱仪对老化前后BC颗粒物的化学组成、混合状态、老化机制等进行了表征.结果显示,在不同程度的老化模拟过程中,牦牛粪燃烧排放的BC颗粒物均呈现显著的有机碳(OC)、硫酸盐(HSO4-)和硝酸盐(NO3-)离子峰特征.老化前,有机碳(其特征峰主要为m/z=27C2H3+/CNH+、37C3H+、43C2H3O+、50C4H2+、51C4H3+和63C5H3+)在正离子相对峰面积中占比为42.8%,而硫酸盐在负离子相对峰面积中占比高达72.4%.基于自适应共振神经网络算法(ART-2a),将BC颗粒物分为4类:BC、BCN、BCOCS和Other.硫酸盐与BCOCS颗粒类型高度混合(99%),而硝酸盐与BCN颗粒类型高度混合(98%).此外,随着老化程度的增加,二次组分(如43C2H3O和62NO3-)在各颗粒类型中的混合程度也越高.硝酸盐、草酸盐(89HC2O4-)和铵盐(18NH4+)的数量百分比与老化程度呈显著的正相关关系,表明在BC颗粒物老化的过程中它们的贡献会增加.本研究有助于更加全面地理解青藏高原大气中BC颗粒物的行为,为该区域大气环境保护提供科学依据.

关键词：青藏高原黑碳化学组成混合状态老化模拟

人工无本底土壤培养实验下GDGTs的含量与分布特征

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岩矿测试 2024年

作者：苗瑞赵增浩蔡泽园刘旭王欢业中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室中国科学院大学西安地球环境创新研究院

微生物来源的甘油二烷基甘油四醚类化合物（GDGTs）是古气候变化研究的重要工具。培养实验有助于明确GDGTs对环境参数的响应机理，检验相关气候代用指标的可靠性。然而目前的GDGTs培养实验主要针对单一菌株或存在本底信号影响，制约了... 详细信息

微生物来源的甘油二烷基甘油四醚类化合物（GDGTs）是古气候变化研究的重要工具。培养实验有助于明确GDGTs对环境参数的响应机理，检验相关气候代用指标的可靠性。然而目前的GDGTs培养实验主要针对单一菌株或存在本底信号影响，制约了对土壤环境中GDGTs对环境因子精确响应的系统理解。本文利用人工配置的无GDGTs土壤进行了4年相同温度不同土壤含水量（SWC）条件下（0～10%、0～20%、0～30%、0～40%）的实验室培养，以探究无本底培养实验获得的GDGTs的含量与分布特征及其对培养条件的响应。结果表明：（1）GDGTs含量与SWC正相关，但添加磷酸盐缓冲溶液会抑制GDGTs的产生；（2）基于野外调查提出的能反映土壤湿度变化的支链与类异戊二烯四醚（BIT）指标与SWC无明显相关性，因而土壤中BIT指标可能间接而非直接响应SWC变化；（3）本实验条件下6-甲基支链GDGTs（brGDGTs）较5-甲基brGDGTs占绝对主导，导致古温度指标MBT'5ME值极高而MBT'值极低，从培养实验角度证实较高的6-甲基brGDGTs相对含量会影响brGDGTs古温度指标的准确性。

关键词： GDGTs 培养实验高分辨质谱土壤湿度指标温度指标

三重四极杆电感耦合等离子体质谱仪测定铼含量

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矿物岩石地球化学通报 2024年第3期43卷 570-578页

作者：张玉红汪进贺茂勇邓丽王安琪曲远馨中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 中国科学院大学北京100049 西安地球环境创新研究院西安710061

铼(Re)是自然界中最稀有的元素之一,因其含量低而测定较为困难。三重四极杆电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS/MS)为解决该难题提供了技术支持。本文利用ICP-MS/MS建立了快速分析Re含量的方法。结果表明,ICP-MS/MS的灵敏度较传统的单杆ICP... 详细信息

铼(Re)是自然界中最稀有的元素之一,因其含量低而测定较为困难。三重四极杆电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS/MS)为解决该难题提供了技术支持。本文利用ICP-MS/MS建立了快速分析Re含量的方法。结果表明,ICP-MS/MS的灵敏度较传统的单杆ICP-MS显著提高,能够准确分析Re含量低至0.5 pg/mL的样品;样品中基体(Ca、K、Mg、Na)浓度在较低时对Re的分析没有影响,浓度高于2000μg/mL时基体干扰会降低分析结果的准确性。因此,分析时可先通过离子交换纯化或稀释以减小基体效应的影响再进行样品测试。采用该方法对河水标样SLRS-6、岩石标样BHVO-2和BCR-2的Re含量进行分析,其结果分别为(14.4±0.4)pg/mL、(0.59±0.05)ng/g和(12.46±1.21)ng/g,均与报道结果一致。最后,利用建立的方法分析常见的自然样品(如河水、岩石、土壤、沉积物等)的Re含量,获得了与前人报道一致的分析结果,这些结果丰富了自然界Re含量储库,也增加了对自然界Re变化的认识。

关键词：三重四极杆电感耦合等离子体质谱 Re含量实验分析标准曲线

基于对流层检测仪和臭氧检测仪的我国近地面NO_(2)浓度的估算对比与优化

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光学学报 2024年第6期44卷 123-134页

作者：周文远秦凯何秦王璐瑶罗锦洪谢卧龙中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 西安地球环境创新研究院陕西西安710061 山西省生态环境规划和技术研究院山西太原030000

由于二氧化氮(NO_(2))在大气中的存活寿命较短,卫星遥感反演的对流层NO_(2)柱浓度与近地面NO_(2)浓度关系密切。欧洲航天局(ESA)S5P卫星的对流层检测仪(TROPOMI)载荷提供了目前最高空间分辨率的对流层NO_(2)数据,其在近地面NO_(2)浓度... 详细信息

由于二氧化氮(NO_(2))在大气中的存活寿命较短,卫星遥感反演的对流层NO_(2)柱浓度与近地面NO_(2)浓度关系密切。欧洲航天局(ESA)S5P卫星的对流层检测仪(TROPOMI)载荷提供了目前最高空间分辨率的对流层NO_(2)数据,其在近地面NO_(2)浓度估算方面的潜在优势亟待检验。为此,本文采用极限梯度提升(XGBoost)算法和4年(2018—2021年)的TROPOMI/臭氧检测仪(OMI)数据估算了我国近地面NO_(2)浓度并开展了对比性分析。结果表明:1)TROPOMI的估算结果在精度和空间覆盖度两个方面,均明显高于OMI的结果;2)OMI数据由于自身空间分辨率的限制,无法和TROPOMI一样识别出NO_(2)浓度高值区附近的空间分布细节,导致其估算结果存在更严重的高估或低估。进一步,针对机器学习方法估算近地面NO_(2)普遍存在高值低估的现象,通过集成模型进行优化,得到了更优的结果(R^(2)=0.85,slope为0.89)。该研究结果有利于促进卫星遥感在近地面NO_(2)浓度估算与暴露评估领域的深入应用。

关键词：遥感与传感器近地面二氧化氮浓度估算极限梯度提升算法特征分析估算优化

利用近震Sp转换波到时和远震接收函数P波峰值延迟研究华北盆地浅部结构

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地球物理学报 2024年第6期67卷 2272-2290页

作者：朱冰清王伟涛谢俊举李志伟姚新强黄翔卞真付林逸中国地震局地球物理研究所北京100081 中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所北京100094 天津市地震局天津300180

收集2017—2020年中国地震科学探测台阵在华北地区布设观测宽频带流动地震观测台采集的高信噪比近震远震地震波形,采用远震接收函数P波峰值延迟和近震Sp转换波到时对华北沉积层厚度进行了估算.由远震接收函数P波峰值延迟,近震Sp转换波和... 详细信息

收集2017—2020年中国地震科学探测台阵在华北地区布设观测宽频带流动地震观测台采集的高信噪比近震远震地震波形,采用远震接收函数P波峰值延迟和近震Sp转换波到时对华北沉积层厚度进行了估算.由远震接收函数P波峰值延迟,近震Sp转换波和S波到时差方法推断的华北地区沉积层厚度在6~7 km,燕山造山带区域沉积层厚度较小,结晶基底埋深一般小于1 km,华北盆地中部和东南部盆地结晶基底埋深较厚,厚度普遍大于3 km,局部厚度可达7 km.盆地内地垒式隆起区邢衡隆起有3 km厚度的沉积层,冀中坳陷、黄骅坳陷厚度6~7 km;沉积层厚度与地质构造相对应,坳陷区沉积层厚度较大,隆起区沉积层厚度较小,体现了沉积盆地内部不同二级块体的沉降差异.震相拾取误差、震源方位角和震中距对沉积厚度计算结果影响不明显;进行时深转换采用的一维速度模型准确性对计算结果存在一定影响.总体来说,远震接收函数P波峰值延迟和近震Sp转换波到时可以研究沉积层厚度,能够可靠、有效地确定沉积层厚度结构的特征,为地震风险评估提供基础信息.

关键词：沉积层近震Sp转换波到时远震接收函数P波峰值延迟