科普之窗——湖光岩——古气候记录者

湖光岩风景区位于广东湛江市西南约14千米（110o17′E，21o9′N）处，风景秀丽，湖水纯净，是国家5A级旅游风景区。湖光岩风景区最吸引游客的就是湖光岩。来到湖光岩，游客们也许不能有幸目睹“龙鱼”、“神龟”、“水怪”的真容，但却可以真真切切地看到湖光岩湖面上无蛇无蛙、落叶无影无踪。湖水神奇的自我净化能力让游客们不得其解。其实，湖光岩是地质学家心中的“天然年鉴”，它的神奇不止我们刚才提到的这些，下面就让笔者带领大家进一步去了解它的神奇之处吧——

湖光岩是典型的玛珥湖

为什么湖光岩生态环境良好，湖中却罕见青蛙、蛇等水生动物，落叶也不见踪影呢？科学家对湖水的水质进行了检测，认为水中含有有毒的硫化氢，而硫化氢的产生与湖光岩是火山口湖有关。对地质学家来说，它的特别之处不只在于它是火山口湖，还因为它是一个典型的玛珥湖。

什么是玛珥湖？

玛珥（maar）最早是居住在德国莱茵地区的人们对当地有水的湖泊、沼泽的称呼。19世纪早期，德国科学家Steininger用它来描述德国西部Eifel第四纪火山区发育的小而圆形的火山口湖。此后，火山学家们从火山学角度对玛珥的概念、特征及起源进行了深入系统的研究。近年来，Buchel对Eifel区的玛珥进行了综合研究，提出了玛珥系统的概念，即玛珥是由由环形墙、火口沉积物、火山筒和馈浆通道组成的系统，玛珥湖是它的一部分(如图1)。玛珥则主要代表一种火山类型，即岩浆与水相互作用产生的蒸汽岩浆喷发的火山。

图1 玛珥的结构

玛珥湖的形成、演化及主要特征

玛珥湖的形成和演化过程主要包括：1）早期是正常的火山喷发过程（图2a）；2） 火山喷发后岩浆通道被堵，火山口积水（图2b）；3） 蒸汽岩浆爆发，即地下岩浆在上升过程中遇到地下水或地表水（或富含冰水的永冻土层），形成巨大的水蒸气压而引起爆炸（图2c），玛珥湖周围的喷发沉降物中，70%~90%是由围岩的物质组成，在喷发过程中也没有熔岩形成；4）爆炸后形成玛珥低平火山口涌流凝灰环锥，后塌陷积水形成玛珥湖(图2d)（黄振国，1993）；5） 沼泽化，即玛珥湖部分有浅水成湿地（图2e）；6） 形成干玛珥湖（图2f）。湖光岩便是这么形成的，目前它仍处在玛珥湖的盛年期。

湖光岩中“神奇”的气候指标

在了解了玛珥湖的形成和演化过程后，我们知道玛珥湖在形成后作为一个相对独立的沉积环境，与外界的物质交换较少，因此它可以很好地记录古气候的变化。换句话说，玛珥湖就相当于一本书，它专门用来记录古气候的变化特征，而记录这些变化的“文字”就是隐藏在玛珥湖中的气候指标。非常幸运的是，湖光岩玛珥湖就是分布在我国的一本可以记录全球古气候变化的“神奇气候书”。接下来，让我们一起走进这些“神奇的”气候指标，看看它们是如何告诉我们“地球的故事”。

图2 玛珥湖的形成及演化

1）神奇的纹泥

也许我们从来没有正眼瞧过沉积在湖中间的淤泥，当然普通湖泊中的淤泥也不具有计算年龄的功能，我们确实可以无视。但是，玛珥湖中的纹泥却具有计年功能。它与树木年轮很相似，它可以用来描述湖泊中由于碎屑输入而形成的季节性变化，使沉积物具有一年一个轮回的层理，又被称为年层。它能够反映湖泊季节性的沉积旋回，分辨率可以精确到年，甚至是季节。对纹层进行计数，正确估计可能的误差，就可以获得高精度的纹层年代学标尺。与树木年轮相比，它可以得到的时间尺度更长。将纹层揭示的相对年龄与沉积物测量的绝对年龄（如137CS，210Pb和14C年龄等）相结合，便可以建立起高分辨率的古气候时间序列，为气候突变事件的时限、火山灰层定年等提供精确的时间标尺。

纹泥中还有一种体积非常小的单细胞浮游生物——硅藻，它是种类最丰富的真核生物，也是一种气候指标。硅藻的种类不同，它反映的温度、盐度、PH值和生产力也不同。因此，通过研究纹层中硅藻的种属变化，即可发现不同季节硅藻种属的变化规律，也可以反映古气候变化。

以湖光岩硅藻研究为例，科学家通过详细研究湖光岩玛珥湖硅藻现代生态习性，发现硅藻组合变化与不同强度的冬季风影响下的水体动力循环有密切关系，通过进一步监测、分析，建立了可靠的硅藻-冬季风代用指标关系图，进而重建了15000年以来东亚冬季风的演化历史。他们通过研究发现，冬季风变化自全新世（大约11000年）以来是由强变弱的，在轨道尺度上全新世冬季风和夏季风是同向变化的。在千年尺度上，全新世时期冬季风的强度决定了冬季风和夏季风的关系。

2）神奇的火山灰

除纹泥外，玛珥湖内沉积的火山灰是理想的定年材料，在古气候及地质年代学研究中占有重要位置。火山灰可以作为标志层用于不同岩芯之间的对比；火山灰的同位素和其它定年方法（如K-Ar，40Ar-39Ar，裂变径迹和热释光）的研究；利用玛珥湖火山灰中新鲜玻屑的成分，与已知年龄的火山喷发的玻屑成分对比，确定火山灰的年龄、来源以及探讨火山活动对气候的影响。

科学家利用电子探针分析了湖光岩玛珥湖岩芯火山灰中玻屑的成分，经过与全球年龄已知火山喷发物的成分对比和分析，认为该火山灰的年龄为74000 a B.P.，火山灰来源于苏门答腊Toba火山喷发。

当然，除此之外还有许多气候指标，包括沉积物中的地球化学元素指标、孢粉、环境磁学等都可以指示，在湖光岩形成后古气候是如何变化的。而湖光岩也正是通过这些神奇的气候指标，在不断告诉我们——过去15000年以来，东亚季风的演化历史为何？厄尔尼诺的发生规律是什么？近2000年来，人类又是如何影响气候变化的？

湖光岩，不仅是美丽的风景湖，更是神奇的古气候记录者！□

（作者单位：中国地质调查局地质力学研究所）D20