田興，高遠(yuǎn)，王成善

1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 引言

早在1896 年，瑞典地質(zhì)調(diào)查局就已將年紋層狀沉積物（annually laminated sediments）簡(jiǎn)單地記錄為旋回性沉積紋層，瑞典語(yǔ)為“varfig lera”[1-2]。后來(lái)年紋層術(shù)語(yǔ)“varve”由瑞典地質(zhì)學(xué)家de Geer 于1912 年定義，最初指的是冰川的季節(jié)性消融導(dǎo)致碎屑物質(zhì)輸入的季節(jié)性變化，從而形成具有周期性的，一年一旋回的紋層，這種經(jīng)典的年紋層一般由兩層季節(jié)性亞紋層構(gòu)成，分別是夏季的粗顆粒紋層和冬季的細(xì)顆粒紋層[2]。隨著研究的不斷深入，在海洋、湖泊等環(huán)境中也相繼發(fā)現(xiàn)了大量的年紋層狀沉積物，這些沉積物也用“varve”表示，因此，廣義的年紋層指沉積韻律為一年的紋層狀沉積物[1,3-5]，它是一種原生沉積結(jié)構(gòu)單元[6]，一般由深色和淺色的季節(jié)性亞紋層對(duì)構(gòu)成，我們將這樣的紋層對(duì)稱(chēng)之為“層偶（couplet）”[7]?！皏arve”一詞也曾被一些中國(guó)學(xué)者翻譯為紋泥[8-9]，主要出現(xiàn)在紋層狀的泥質(zhì)沉積物中。根據(jù)其廣義的定義，本文更加傾向于將其翻譯為年紋層（annual laminations/varves）。

研究年紋層的意義在于其能提供高精度的時(shí)間標(biāo)尺，同時(shí)，年紋層的厚度、組分及結(jié)構(gòu)也可以作為恢復(fù)其沉積時(shí)期古氣候與古環(huán)境指示器[1,9]。紋層年代學(xué)是精確的定年方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)紋層年代學(xué)做了大量的工作，尤其是晚第四紀(jì)的紋層年代學(xué)研究。國(guó)際上，Kitagawaet al.[10]對(duì)日本Suigetsu 湖泊進(jìn)行了紋層年代學(xué)研究，建立了長(zhǎng)達(dá)29 100 年的紋層記錄；Zolitschkaet al.[11]對(duì)德國(guó)Holzmaar 湖做了大量的研究，也建立了長(zhǎng)達(dá)23 220 年的紋層記錄。我國(guó)年紋層研究起步較晚，但發(fā)展較快，前人在東北龍崗火山區(qū)的四海龍灣[12]和二龍灣[13]也相繼建立了長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)年的紋層記錄。精確定年的湖泊年紋層被廣泛應(yīng)用于氣候事件的精確重建[14-15]和校正14C 測(cè)年曲線(xiàn)[16]。此外，通過(guò)對(duì)年紋層的研究，也能反映季風(fēng)、太陽(yáng)活動(dòng)周期和厄爾尼諾—南方濤動(dòng)（ENSO）等年際—年代際/人類(lèi)尺度古氣候變化[17-18]。

全球湖泊年紋層研究的時(shí)空分布極不均衡。目前，第四紀(jì)湖泊年紋層研究程度較高的地區(qū)主要分布在歐洲和北美等地，亞洲如中國(guó)和日本等地僅有零星報(bào)道[4]。我國(guó)第四紀(jì)湖泊年紋層研究程度相對(duì)較高的主要集中于東北火山區(qū)的瑪珥湖[8]，河北壩上高原[19]、柴達(dá)木盆地[20]和青藏高原的少量湖泊[21-23]。從已發(fā)表的湖泊年紋層文獻(xiàn)可以看出，目前大部分的年紋層研究成果主要集中于第四紀(jì)，尤其在全新世最盛，針對(duì)更老的深時(shí)（即第四紀(jì)之前）年紋層研究相對(duì)較少。究其原因，主要是由于湖泊年紋層的保存環(huán)境較為苛刻，發(fā)現(xiàn)和證明湖泊年紋層的存在也極具挑戰(zhàn)性。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，亟需通過(guò)文獻(xiàn)綜述的方式梳理并總結(jié)前人關(guān)于湖泊年紋層的研究實(shí)例，進(jìn)而探討年紋層的識(shí)別、分類(lèi)以及分布等。此外，隨著湖泊年紋層研究的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的論文發(fā)表，也需相應(yīng)的綜述性文章進(jìn)行總結(jié)。

本文總結(jié)了湖泊年紋層的識(shí)別和分類(lèi)，并對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，探討了湖泊年紋層的形成和保存因素，介紹了紋層年代學(xué)以及湖泊年紋層在古氣候與古環(huán)境中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，深入挖掘湖泊年紋層的研究?jī)r(jià)值，并根據(jù)目前湖泊年紋層研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，提出了研究展望，以期推動(dòng)我國(guó)湖泊年紋層研究的發(fā)展。

1 年紋層的識(shí)別與分類(lèi)

1.1 年紋層的識(shí)別

年紋層的識(shí)別與鑒定是年紋層研究的關(guān)鍵，年紋層的計(jì)數(shù)是紋層年代學(xué)研究的基礎(chǔ)[24]。對(duì)于年紋層的識(shí)別，前人有過(guò)相關(guān)的總結(jié)，例如Zolitschkaet al.[1]主要根據(jù)五個(gè)方面識(shí)別年紋層的年際特征以及建立湖泊年紋層模型：（1）詳細(xì)的巖石地層學(xué)研究；（2）沉積物監(jiān)測(cè)及其與湖底同時(shí)期沉積紋層的對(duì)比；（3）生物地層學(xué)研究；（4）連續(xù)重復(fù)采樣，并記錄每年沉積物的增量；（5）同一湖盆采集多個(gè)平行樣品，并進(jìn)行對(duì)比和記錄年紋層的水平一致性。李萬(wàn)春等[9]主要將湖泊年紋層的識(shí)別與驗(yàn)證總結(jié)為六個(gè)方面：（1）比較典型的重要?dú)v史事件，比如火山噴發(fā)、森林火災(zāi)或器測(cè)記錄的限定；（2）年紋層內(nèi)古生物的季節(jié)性演替，如硅藻、微生物席等；（3）年紋層內(nèi)孢粉組合或生物殘?bào)w信息；（4）沉積學(xué)和古地磁學(xué)的證據(jù)；（5）年紋層計(jì)數(shù)與同位素測(cè)年相互驗(yàn)證，如AMS14C、137Cs、210Pb 等；（6）現(xiàn)代沉積物監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，同位素測(cè)年等具有一定的局限性，無(wú)法驗(yàn)證缺乏測(cè)年材料的年紋層樣品，也無(wú)法滿(mǎn)足年代較老的深時(shí)年紋層鑒定。因此，對(duì)于年齡較新的地層，年紋層尚且可以通過(guò)年紋層計(jì)數(shù)和同位素定年技術(shù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，而對(duì)于較老的地層，由于目前定年技術(shù)的限制，定年誤差較大，無(wú)法利用定年直接進(jìn)行驗(yàn)證。

針對(duì)不能直接利用定年技術(shù)或記錄進(jìn)行驗(yàn)證的這部分深時(shí)湖泊年紋層，只能通過(guò)年紋層本身的物理、化學(xué)和生物特征進(jìn)行間接驗(yàn)證，同時(shí)與現(xiàn)代沉積物監(jiān)測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比。為區(qū)分年紋層和普通紋層，除了前人提及的同位素定年和現(xiàn)代湖泊沉積物監(jiān)測(cè)鑒別特征外，此次將湖泊年紋層的其他鑒別特征均概括為年紋層的宏觀(guān)、微觀(guān)特征，具體如下。

1.1.1 年紋層的宏觀(guān)特征

經(jīng)典的年紋層為碎屑年紋層[2]，起源于前人對(duì)冰川的研究，冰川的季節(jié)性融化導(dǎo)致碎屑輸入的季節(jié)性的變化，其形成的年紋層一般以?xún)蓪蛹竟?jié)性亞紋層構(gòu)成的層偶（couplet）為主，這種紋層通常會(huì)出現(xiàn)跟冰川相關(guān)的沉積現(xiàn)象，比如墜石構(gòu)造（圖1a）[25]，這種典型的年紋層層偶往往反映的是一年中的干冷和暖濕兩個(gè)狀態(tài)。比如圖1a 為前人在澳大利亞Pirrilyungka 組中發(fā)現(xiàn)的深時(shí)典型冰川湖年紋層層偶（couplet），這種層偶類(lèi)型也常見(jiàn)于碎屑年紋層[2]，其中紋層W代表的亞紋層為冬季碎屑輸入較小的細(xì)顆粒富有機(jī)質(zhì)或者富黏土亞紋層，因此顏色較深，紋層S代表夏季碎屑輸入較大的粗顆粒碎屑亞紋層，因此顏色較淺。圖1b展示的是Ingemar Renberg在瑞典北部拍攝的現(xiàn)代冰川湖年紋層，可見(jiàn)冰川湖年紋層也可具有三層結(jié)構(gòu)（triplet），每層亞紋層分別代表每年中的不同季節(jié)或不同氣候狀態(tài)。然而，值得注意的是，湖泊年紋層更多的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)為第一種年紋層層偶，可能由于紋層中反映季節(jié)性的沉積物漸變的結(jié)果。年紋層的三層結(jié)構(gòu)在其他類(lèi)型湖泊年紋層中也有報(bào)道，比如Andersonet al.[26]通過(guò)對(duì)美國(guó)卡斯蒂爾（Castile）盆地的年紋層研究發(fā)現(xiàn)，該盆地中大約1.5%的年紋層屬于triplet，前人對(duì)該盆地三層結(jié)構(gòu)年紋層的解釋為潮濕的季節(jié)沉積CaCO3層或者含有機(jī)質(zhì)層的CaCO3層，其次在CaCO3層之上沉積硬石膏層，隨著鹽湖的干旱，最后在頂部沉積一層巖鹽層[27]；Zhanget al.[28]通過(guò)對(duì)我國(guó)遼寧義縣組的詳細(xì)沉積學(xué)研究發(fā)現(xiàn)該地層年紋層中也存在三層結(jié)構(gòu)的年紋層，由顏色較淺的硅質(zhì)碎屑層，過(guò)渡層和顏色較深的富有機(jī)質(zhì)層構(gòu)成。當(dāng)然，單個(gè)年紋層還可能擁有更多的季節(jié)性亞紋層，可以更加精確和明顯地記錄一年中氣候與環(huán)境的季節(jié)性變化。因此，湖泊年紋層普遍具有層偶（couplet），或者由多個(gè)季節(jié)性亞紋層組合而成，這是湖泊年紋層最為直觀(guān)的現(xiàn)象。

圖1 自然界中典型的湖泊年紋層結(jié)構(gòu)（a）來(lái)自澳大利亞Pirrilyungka組成冰紀(jì)中的典型冰川湖年紋層couplet，可見(jiàn)墜石構(gòu)造，其中紋層W代表冬季干冷氣候條件下碎屑陸源輸入較少的深色紋層，紋層S代表夏季暖濕氣候條件下碎屑陸源輸入較多的淺色紋層[25]；（b）來(lái)自瑞典現(xiàn)代冰川湖泊中的年紋層triplet，其中紋層M為紋層S和紋層W之間的過(guò)渡類(lèi)型，圖片來(lái)自https://pastglobalchanges.org/node/136624Fig.1 Common structures for lacustrine varves in nature(a) Cryogenian glacial lake varve couplets from the Pirrilyungka Formation showing dropstones.Dark sublamina W represents less input of detritus debris under dry and cold climate conditions in winter,whereas lighter sublamina S is the opposite,representing warm and humid climate conditions in summer;(b) modern glacial lake varve triplet from Sweden.Sublamina M is the transition type between sublaminae S and W,the photo is from https://pastglobalchanges.org/node/136624

年紋層在沉積厚度上與普通的紋層相當(dāng)，屬于微米到毫米級(jí)，但在定義上兩者仍具有區(qū)別。年紋層用“varve”或者“annual lamination”表示，指的是一年內(nèi)沉積的紋層狀沉積物，其內(nèi)部通常由季節(jié)性亞紋層構(gòu)成。大部分年紋層的厚度介于0～1.5 cm，由于地層的壓實(shí)作用，現(xiàn)代湖泊年紋層的厚度一般大于地質(zhì)歷史時(shí)期的湖泊年紋層厚度[29]。而紋層指的是季節(jié)性不明顯，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分較為均一，是沉積層序組成的最小單元，形成時(shí)間較短（范圍從1 秒到幾年不等），厚度一般小于10 cm，用“l(fā)amination”或“l(fā)aminae”表示[30]。此外，由于大部分年紋層沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，因此其在水平空間上可以延伸較遠(yuǎn)距離（從幾米到幾千米不等），這主要取決于湖泊的大小和穩(wěn)定性[31-32]；在垂向上，年紋層也擁有較強(qiáng)的韻律性，這些特征均區(qū)別于大部分事件沉積的紋層（如濁流、風(fēng)暴流等產(chǎn)生的紋層）。

1.1.2 年紋層的微觀(guān)特征

年紋層中成分的變化與年紋層沉積時(shí)的氣候環(huán)境變化密切相關(guān)。季節(jié)性的氣候變化直接影響生物的季節(jié)性生長(zhǎng)和演替（圖2a）和陸源物質(zhì)的季節(jié)性輸入（圖2b）[1,33]。湖泊水體在不同的季節(jié)，其物理、化學(xué)性質(zhì)（比如溫度、含氧氣濃度等）也會(huì)發(fā)生變化，這些變化直接體現(xiàn)在年紋層的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的韻律變化。例如，Youet al.[13]通過(guò)年紋層微觀(guān)觀(guān)察，證明了我國(guó)東北地區(qū)二龍灣瑪珥湖沉積物具有良好的生物年紋層，包括秋季繁盛的甲藻孢囊亞紋層，代表冬—春季節(jié)的外源礦物或內(nèi)源的硅藻、綠藻等生物的有機(jī)質(zhì)亞紋層；Davieset al.[34]通過(guò)對(duì)年紋層層偶中季節(jié)性亞紋層的微體古生物分析，發(fā)現(xiàn)晚白堊世北冰洋中的年紋層層偶主要為夏季的硅藻休眠孢子亞紋層和冬季的硅藻營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞亞紋層構(gòu)成，后來(lái)他們?cè)诿绹?guó)加利福利亞州的Marca 頁(yè)巖中也發(fā)現(xiàn)了以夏季碎屑亞紋層和冬季硅藻亞紋層構(gòu)成的晚白堊世年紋層[35]；陳鈺等[36]利用青藏高原北部可可西里庫(kù)賽湖紋層中顆粒的微形態(tài)分析，認(rèn)為該湖的層偶為年紋層，由冬季冰面風(fēng)成物質(zhì)形成的粗顆粒深色層，冰融化后風(fēng)成物質(zhì)沉降的湖底堆積和夏季沉積的細(xì)顆粒淺色層交替形成。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)年紋層中生物和碎屑顆粒的微觀(guān)觀(guān)察與分析，能夠證明湖泊年紋層的存在。

圖2 年紋層沉積機(jī)理簡(jiǎn)化模型示例[1,33]（a）生物年紋層概念模式；（b）碎屑年紋層概念模式Fig.2 Examples of simplified conceptual models for varves[1,33](a) simplified models for depositions of a biogenic varve,and (b) a clastic varve

此外，具有季節(jié)性差異沉積的元素和礦物也是年紋層的重要證據(jù)。比如Duet al.[37]通過(guò)對(duì)美國(guó)加利福利亞南部圣巴巴拉盆地鉆孔獲取了連續(xù)的紋層狀沉積物，對(duì)比紋層中Ti 元素的變化和1950—2000 年的局地降水?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)紋層中Ti 的峰值剛好對(duì)應(yīng)每年的冬季降水，這個(gè)結(jié)果與前人的觀(guān)測(cè)結(jié)果吻合，因此他們認(rèn)為所采集的紋層為年紋層；Maet al.[38]對(duì)我國(guó)柴達(dá)木盆地中古近紀(jì)和新近紀(jì)紋層狀沉積巖進(jìn)行了研究，通過(guò)礦物分析發(fā)現(xiàn)為黃色和灰色文石亞紋層構(gòu)成的紋層層偶，基于該盆地的地質(zhì)背景，認(rèn)為夏季藻類(lèi)的繁盛促使沉積更多的文石，從而形成黃色的文石亞紋層，冬季藻類(lèi)活動(dòng)和湖水動(dòng)力均弱，沉積較多的有機(jī)質(zhì)和較少的文石，從而形成灰色的文石亞紋層，后來(lái)他們針對(duì)單個(gè)紋層又連續(xù)做了更多的巖石學(xué)和地球化學(xué)工作，進(jìn)一步驗(yàn)證了該年紋層的可靠性[39]。近年來(lái)，隨著微區(qū)測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，微區(qū)元素和礦物相分析使得年紋層微區(qū)研究更為方便快捷，同時(shí)，季節(jié)性亞紋層中的元素和礦物的變化，結(jié)合年紋層的沉積機(jī)理/模式，也可以作為年紋層的有力證據(jù)。

1.2 年紋層的分類(lèi)

根據(jù)組分特征可以對(duì)年紋層進(jìn)行劃分（表1），如碎屑年紋層、球石年紋層、藻類(lèi)年紋層、微生物席年紋層、黃鐵礦年紋層、菱鐵礦年紋層、碳酸鈣年紋層、蒸發(fā)鹽年紋層等等。根據(jù)年紋層的成因也可以進(jìn)行劃分，如Zolitschkaet al.[1]主要將湖泊年紋層劃分為：物理成因年紋層（主要包括碎屑年紋層等）、化學(xué)成因年紋層（主要包括方解石年紋層、鐵錳年紋層以及蒸發(fā)鹽年紋層等）、生物成因年紋層（主要為生物有機(jī)質(zhì)年紋層等）以及混合成因的年紋層（比如碎屑—生物年紋層、碎屑—有機(jī)質(zhì)年紋層等）四類(lèi)。按照Z(yǔ)olitschkaet al.[1]的成因分類(lèi)，在自然界中，純物理、化學(xué)和生物年紋層較少，多為混合成因年紋層，而混合年紋層不能很好地區(qū)別湖泊年紋層的主要成因。本文將湖泊年紋層重新歸為物理、化學(xué)和生物成因年紋層（表1），與前人的年紋層成因分類(lèi)基本一致。至于Zolitschkaet al.[1]提出的混合成因年紋層，可以根據(jù)年紋層中各個(gè)組分的含量多少或者主控因素進(jìn)行物理、化學(xué)和生物成因年紋層的重新歸類(lèi)。

表1 湖泊年紋層分類(lèi)方案Table 1 Varve classification schemes

2 湖泊年紋層的控制因素與研究現(xiàn)狀分析

2.1 湖泊年紋層形成和保存因素

湖泊年紋層的形成和保存條件苛刻，其控制因素可以歸結(jié)為地質(zhì)因素、氣候因素和生物因素[1]（圖3）。一般來(lái)說(shuō)，氣候因素和生物因素屬于可變因素，主要控制著湖泊年紋層的形成；地質(zhì)因素屬于穩(wěn)定的因素，主要控制著湖泊年紋層的保存。湖泊年紋層形成與保存的控制因素可以進(jìn)一步分為湖盆的基巖化學(xué)作用、地貌形態(tài)、湖泊形態(tài)、太陽(yáng)輻射、蒸發(fā)降水等等。湖泊沉積物的季節(jié)性供應(yīng)和沉積，是湖泊年紋層形成的基本前提，其他因素比如水體季節(jié)性甚至永久的分層則有利于湖泊年紋層的保存[42]。不同主控因素下形成的年紋層類(lèi)型也會(huì)存在較大的差異。

圖3 湖泊年紋層狀沉積物形成的控制因素和過(guò)程（據(jù)Zolitschka et al.[1]修改）Fig.3 Formation of lacustrine varved sediments: controlling factors and processes (modified from Zolitschka et al.[1])

合適的湖盆地貌形態(tài)對(duì)湖泊年紋層的形成與保存至關(guān)重要。良好的形成和保存條件要求湖底沉積物不受或者少受風(fēng)暴的影響，湖底還要避免沉積物的滑塌和滑動(dòng)，因此，盡可能平的湖底有利于年紋層的形成與保存。湖底還應(yīng)該處于缺氧的環(huán)境，因?yàn)樵谌毖醯臈l件下，湖底年紋層在形成過(guò)程中才不會(huì)被微生物或者其他生物影響，這有利于湖泊年紋層后期的保存。通過(guò)總結(jié)湖泊年紋層狀沉積物的形成環(huán)境，前人認(rèn)為湖泊年紋層更傾向于出現(xiàn)在水深較深（＞10 m），而湖面積較小的湖泊[43]。前人甚至根據(jù)富含年紋層的湖泊水深和湖面面積關(guān)系，得出經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算湖泊可能存在年紋層的水深[42,44-45]。如Larsenet al.[44]根據(jù)297個(gè)湖泊提出的經(jīng)驗(yàn)公式：式中：A 指的是湖面面積（ha），Zmm指的是大部分非紋層狀沉積物沉積的臨界水深（m），當(dāng)超過(guò)這個(gè)水深深度，則出現(xiàn)年紋層狀沉積物的幾率較大。然而，這些公式僅考慮到湖泊形態(tài)，并且這些公式建立在已發(fā)表的數(shù)據(jù)上，具有一定的地理局限性，隨著數(shù)據(jù)的不斷增多，公式可能被不斷修改完善。

2.2 湖泊年紋層的研究現(xiàn)狀分析

前人已建立了較為完善的第四紀(jì)湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)。Ojalaet al.[4]建立了全球湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)（Varve Data Base，簡(jiǎn)稱(chēng)VDB），該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了全球108 個(gè)湖泊年紋層數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，Zolitschkaet al.[1]將該數(shù)據(jù)庫(kù)增加至143 個(gè)。Ramischet al.[46]在他們的基礎(chǔ)上，建立了湖泊年紋層專(zhuān)用網(wǎng)站/數(shù)據(jù)庫(kù)（Varved Sediments Database，VARDA），旨在匯集全球湖泊年紋層的年代學(xué)數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的古氣候、古環(huán)境指標(biāo)。截至2023 年3 月，VARDA 收集了全球190個(gè)第四紀(jì)湖泊年紋層點(diǎn)位的數(shù)據(jù)（圖4）。從湖泊年紋層點(diǎn)位投圖來(lái)看，湖泊年紋層研究較多的地區(qū)主要為北美和歐洲地區(qū)，非洲少部分地區(qū)和東亞的少部分國(guó)家僅有零星分布（圖4）。

圖4 世界范圍湖泊年紋層研究分布圖，湖泊年紋層的地理位置信息基于年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)VARDA[46-47]https://varve.gfz-potsdam.de/database（訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：2023年3月22日），地圖底圖來(lái)自http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc010 4%22Fig.4 Lacustrine varve distributions worldwide,the geolocation information of the lacustrine varves is from the varve database VARDA[46-47] https://varve.gfz-potsdam.de/database,(accessed on 22 March 2023),the base map is from http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0 104%22

我國(guó)年紋層研究起步較晚，但進(jìn)展較快。目前，我國(guó)第四紀(jì)湖泊年紋層研究主要集中于東北龍崗火山區(qū)的瑪珥湖（四海龍灣、二龍灣、小龍灣）[13,48-50]，河北壩上高原安固里淖[19]，柴達(dá)木盆地的蘇干湖[20]，青藏高原東部的新路海[21]以及青藏高原北部的庫(kù)賽湖等[36]。我國(guó)湖泊眾多，分布甚廣，研究潛力巨大，特別是青藏高原地區(qū)和東北地區(qū)。但是我國(guó)學(xué)者在國(guó)際刊物上發(fā)表過(guò)的論文相對(duì)較少，從而導(dǎo)致在第四紀(jì)湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)了較大的盲區(qū)。

相對(duì)于第四紀(jì)湖泊年紋層，目前尚未建立較為完善的深時(shí)湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)，并且深時(shí)年紋層的報(bào)道數(shù)量相對(duì)第四紀(jì)年紋層較少。筆者認(rèn)為第四紀(jì)尚且廣泛存在湖泊年紋層，“深時(shí)”所涵蓋的地質(zhì)歷史時(shí)間更長(zhǎng)，理應(yīng)存在更多的湖泊年紋層。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)我國(guó)不同陸相盆地發(fā)育的深時(shí)/前第四紀(jì)年紋層開(kāi)展了諸多探索，并取得了一定成果，如Shiet al.[51]對(duì)渤海灣盆地始新世年紋層進(jìn)行了研究，并在年紋層序列中發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)活動(dòng)周期；Maet al.[38-39]報(bào)道并解釋了柴達(dá)木盆地古近紀(jì)和新近紀(jì)文石年紋層；Tianet al.[17]報(bào)道了秀水盆地早白堊世的微生物席年紋層；Tanget al.[52]在華北霧迷山組中的中元古代地層中發(fā)現(xiàn)了微生物席年紋層等。即便如此，從Web of Science（WOS）和Varve Working Group（VWG）國(guó)際年紋層組織統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)庫(kù)可知，湖泊年紋層的研究報(bào)道在時(shí)間跨度上主要集中在第四紀(jì)和現(xiàn)代，而關(guān)于深時(shí)湖泊年紋層的研究報(bào)道相對(duì)較少，主要原因可能是深時(shí)湖泊年紋層更難保存，解譯難度較大，并且沒(méi)有系統(tǒng)的鑒別標(biāo)準(zhǔn)。

3 紋層年代學(xué)研究

3.1 年紋層計(jì)數(shù)和誤差估計(jì)

紋層年代學(xué)的應(yīng)用建立在其能夠提供精確計(jì)年的基礎(chǔ)之上，而年紋層計(jì)數(shù)是紋層年代學(xué)研究的基礎(chǔ)。對(duì)于年紋層厚度較大（＞0.5 mm）并且紋層界線(xiàn)清晰的年紋層，我們可以通過(guò)仔細(xì)地觀(guān)察年紋層新鮮切面進(jìn)行簡(jiǎn)單而又快速的年紋層計(jì)數(shù)；而對(duì)于厚度較小的年紋層，則只能通過(guò)光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）等其他手段進(jìn)行觀(guān)測(cè)和計(jì)數(shù)[24]。目前年紋層計(jì)數(shù)方法較多，大致可以歸結(jié)為人工宏觀(guān)計(jì)數(shù)，半自動(dòng)微觀(guān)年紋層計(jì)數(shù)與自動(dòng)計(jì)數(shù)，每種計(jì)數(shù)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。人工宏觀(guān)計(jì)數(shù)方法是研究者通過(guò)肉眼或放大鏡等在高分辨率新鮮沉積物照片或沉積巖光面中標(biāo)定年紋層界線(xiàn)，然后通過(guò)人工計(jì)數(shù)的方式直接獲取紋層年代的方法。但人工宏觀(guān)計(jì)數(shù)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且計(jì)數(shù)結(jié)果也會(huì)隨著計(jì)數(shù)者的經(jīng)驗(yàn)以及年紋層的厚度產(chǎn)生差異，因此這種計(jì)數(shù)方式僅適用于年紋層厚度較大（＞0.5 mm）的樣品。自動(dòng)計(jì)數(shù)方法是將年紋層的韻律變化直接轉(zhuǎn)化為高分辨率數(shù)字信號(hào)，如灰度、元素等的變化，然后通過(guò)識(shí)別數(shù)字信號(hào)中的波峰或者波谷從而達(dá)到年紋層的計(jì)數(shù)。由于年紋層的非均質(zhì)性較強(qiáng)，灰度和元素等數(shù)據(jù)容易受到年紋層內(nèi)物質(zhì)的干擾，因此這種計(jì)數(shù)方法僅適用于非常規(guī)則并且紋層內(nèi)物質(zhì)相對(duì)均一的湖泊年紋層。半自動(dòng)微觀(guān)年紋層計(jì)數(shù)是通過(guò)制作巖相學(xué)大薄片，顯微鏡下分析年紋層特征并利用軟件程序（如Photoshop，Illustrator等）標(biāo)定年紋層界線(xiàn)，然后利用其他軟件程序（如ImageJ等）進(jìn)行年紋層計(jì)數(shù)[17]；或者通過(guò)電腦處理年紋層的高清圖片，使得紋層界線(xiàn)更加明顯，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)年紋層進(jìn)行直接計(jì)數(shù)[53]。這種計(jì)數(shù)方法相對(duì)于人工宏觀(guān)計(jì)數(shù)方法較為客觀(guān)，并且相對(duì)于自動(dòng)計(jì)數(shù)方法更為準(zhǔn)確。盡管年紋層的人工宏觀(guān)計(jì)數(shù)是目前年紋層計(jì)數(shù)采用最多的方法，但半自動(dòng)微觀(guān)年紋層計(jì)數(shù)因其優(yōu)越性將逐漸獲得更多的應(yīng)用。

即使是發(fā)育最好的年紋層也可能有不規(guī)則的局部變化或微小的擾動(dòng)，這導(dǎo)致年紋層計(jì)數(shù)產(chǎn)生不可避免的誤差。紋層年代學(xué)誤差單位為“±”紋層年或者表示為“%”，總的年紋層誤差一般由鉆孔的頂?shù)降庄B加，所以一般在鉆孔的底部，年紋層的誤差最大[23]。年紋層的誤差歸結(jié)為兩個(gè)主要來(lái)源，一是系統(tǒng)誤差，如湖底擾動(dòng)、流域/湖岸侵蝕、滑塌以及地震等等因素引起的年紋層不清晰或者缺失，這類(lèi)誤差人為不可控制，因此選擇合適的研究材料是減少系統(tǒng)誤差的有效途徑；二是人為誤差，研究者對(duì)沉積物的擾動(dòng)或者紋層計(jì)數(shù)過(guò)程中的人為不確定性，以及年紋層計(jì)數(shù)方法的選擇等，都有可能導(dǎo)致后期紋層年代學(xué)研究的誤差，因此合適的年紋層計(jì)數(shù)方式是減少人為誤差的有效途徑。

從前人統(tǒng)計(jì)的年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)看，紋層年代學(xué)誤差估計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一的方法[1,4]。單個(gè)鉆孔或樣點(diǎn)的年紋層誤差估計(jì)方法歸結(jié)起來(lái)包括年紋層質(zhì)量分級(jí)法[54]、加減層法、交叉檢驗(yàn)法[55]和交叉年代學(xué)方法等[1,4]。年紋層的交叉檢驗(yàn)是目前紋層年代學(xué)誤差估計(jì)使用最多的方法，所謂的交叉檢驗(yàn)，即單人多次或者多人多次對(duì)湖泊年紋層進(jìn)行計(jì)數(shù)[56-57]，這種方法不僅可以極大地減少計(jì)數(shù)者主觀(guān)不確定性帶來(lái)的誤差，也可以減少由于湖底地形差異、水動(dòng)力環(huán)境差異、湖岸滑塌和湖底生物擾動(dòng)等因素引起的紋層擾動(dòng)、缺失等帶來(lái)的誤差[58]。如圖5，展示的是前人利用交叉檢驗(yàn)法多人多次計(jì)算紋層年代學(xué)誤差的實(shí)例[55]，分為三種情況：情況a 代表標(biāo)定的年紋層界線(xiàn)明顯（超過(guò)半數(shù)確定即為明顯），則紋層年代不會(huì)產(chǎn)生誤差；情況b 代表中間的一個(gè)年紋層界線(xiàn)不明顯，則紋層年代與情況a 一致，誤差為-1；情況c 為兩個(gè)相隔的年紋層界線(xiàn)不明顯，則紋層年代相對(duì)情況a減去1，誤差為+1。

圖5 紋層年代學(xué)誤差估計(jì)方法（據(jù) et al.[55]修改）（a）相鄰三個(gè)年紋層界線(xiàn)確定；（b）中間年紋層界線(xiàn)不確定；（c）兩邊年紋層界線(xiàn)不確定Fig.5 Error estimation of the varve chronology (modified from et al.[55])(a) The boundaries of three adjacent varves are well defined;(b) The middle varve is disputable;(c) The varves on both sides are disputable

3.2 絕對(duì)紋層年代記錄和紋層年代學(xué)驗(yàn)證方法

紋層年代學(xué)被認(rèn)為是比較精確的定年方法，可以提供絕對(duì)獨(dú)立的、連續(xù)的時(shí)間標(biāo)尺。在沒(méi)有精確時(shí)間標(biāo)志點(diǎn)或其他年代學(xué)方法驗(yàn)證的情況下，紋層年代學(xué)方法定年得出的為“浮動(dòng)”的紋層年代，可以為古環(huán)境與古氣候事件提供天然的年歷[59]，與之相對(duì)的則是絕對(duì)獨(dú)立且連續(xù)的紋層年代，可以補(bǔ)充樹(shù)木年輪年代長(zhǎng)度的不足，也可為校正放射性同位素（如14C）年齡提供又一種重要途徑[1,60]。從前人建立的湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)[1,4]可知，歐洲和北美等地年紋層研究較多，但是目前（截至2023 年3 月）數(shù)據(jù)庫(kù)中展示的最長(zhǎng)絕對(duì)紋層年代記錄在日本[10]，其次在德國(guó)[11]，第三在土耳其[61]，我國(guó)年紋層研究起步較晚，但絕對(duì)的連續(xù)紋層年代學(xué)記錄仍能排在第四[12]。

紋層年代學(xué)研究往往存在不可避免的系統(tǒng)誤差，比如保存較差，紋層不清晰等，因此建立獨(dú)立而精確的紋層年代記錄離不開(kāi)其他定年手段或歷史記錄的驗(yàn)證，目前用來(lái)驗(yàn)證紋層年代學(xué)的定年手段主要為放射性元素定年（如AMS14C，137Cs和210Pb 等）。雖然光釋光定年（OSL），熱釋光定年（TL），以及古地磁長(zhǎng)期變化等[62]也能驗(yàn)證紋層年代學(xué)記錄，但這些方法應(yīng)用相對(duì)較少[1]。選擇何種定年手段驗(yàn)證紋層年代學(xué)的精準(zhǔn)性往往取決于紋層年代學(xué)記錄的長(zhǎng)度、年紋層的成分以及每種定年手段的有效測(cè)年范圍[4]。比如放射性14C 同位素年代學(xué)是驗(yàn)證紋層年代學(xué)最常用的手段，可被用于驗(yàn)證近55 000 年來(lái)的湖泊年紋層記錄，在年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)（VDB）中，有超過(guò)50%的紋層年代學(xué)記錄采用14C 測(cè)年手段進(jìn)行驗(yàn)證，而137Cs和210Pb 則常被用于近現(xiàn)代150 年內(nèi)紋層年代學(xué)記錄的驗(yàn)證[1,4]。

4 湖泊年紋層在古氣候和古環(huán)境研究中的應(yīng)用

4.1 反映太陽(yáng)活動(dòng)變化

太陽(yáng)是地球氣候與環(huán)境變化的主要外部驅(qū)動(dòng)力，年紋層的形成受控于地球的季節(jié)性變化，因此最終也受控于太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化；反過(guò)來(lái)，年紋層記錄也可以作為恢復(fù)太陽(yáng)活動(dòng)變化的良好地質(zhì)載體[63]。例如，前人研究認(rèn)為全球冰川湖碎屑年紋層厚度的變化可能受控于太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化，太陽(yáng)活動(dòng)影響冰川的消融，進(jìn)一步影響冰川湖的年紋層沉積[1,64]?；谶@種理論，前人甚至認(rèn)為冰川湖年紋層可以進(jìn)行洲際對(duì)比，但由于記錄的缺乏和技術(shù)等的限制，這種觀(guān)點(diǎn)逐漸被放棄[2]。此外，太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化也可以影響地球生物的生長(zhǎng)與消亡，進(jìn)一步影響生物年紋層的形成與變化[65]。利用年紋層記錄恢復(fù)太陽(yáng)活動(dòng)變化的常規(guī)手段是通過(guò)分析年紋層的物理、化學(xué)和生物指標(biāo)，揭示蘊(yùn)藏其中的太陽(yáng)活動(dòng)周期，諸如太陽(yáng)～11年的施瓦貝（Schwabe）黑子周期，～22年的黑爾（Hale）周期/磁周期，80～90年的格萊斯堡（Gleissberg）周期/世紀(jì)周期等[17,51]，以及揭示發(fā)生在歷史時(shí)期中的太陽(yáng)活動(dòng)事件[66]（圖6）。然而，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)年紋層形成的控制機(jī)制，特別是碎屑年紋層的形成機(jī)制，仍然是目前爭(zhēng)議較多的問(wèn)題。

圖6 樹(shù)輪剩余Δ14C（紅線(xiàn)，1 000 年滑動(dòng)平均）[67]和芬蘭東部Lehmilampi 湖泊年紋層厚度（藍(lán)線(xiàn)，51 年滑動(dòng)平均）[66]太陽(yáng)極小期（如Oort,Wolf,Sp?rer,Maunder and Dalton）陰影區(qū)域表示；2 000年來(lái)最薄的年紋層沉積于太陽(yáng)活動(dòng)高峰期，如中世紀(jì)氣候異常（MCA），據(jù)Haltia-Hovi et al.[66]修改Fig.6 Residual Δ14C on a 1 000-year moving average (red line)[67] and varve thickness from Lake Lehmilampi in eastern Finland as a 51-year moving average (blue line)[66] Phases of minimum solar activity are highlighted (Oort,Wolf,Sp?rer,Maunder,and Dalton).The thinnest varves of the last 2000 years were deposited during maxima of solar activity,i.e.during the Medieval Climate Anomaly (MCA) modified from Haltia-Hovi et al.[66]

目前已有大量的年紋層被用于恢復(fù)地球歷史時(shí)期的太陽(yáng)活動(dòng)變化。例如Haltia-Hoviet al.[66]通過(guò)對(duì)芬蘭東部過(guò)去2 000 年的年紋層研究認(rèn)為太陽(yáng)輻射（特別是紫外輻射）改變了地球的大氣—海洋環(huán)流模式，從而影響了湖泊沉積，通過(guò)與樹(shù)輪Δ14C對(duì)比和現(xiàn)代年紋層監(jiān)測(cè)取樣，進(jìn)一步證實(shí)了年紋層，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了中世紀(jì)氣候異常與小冰期期間的多起太陽(yáng)活動(dòng)事件。Livingstoneet al.[68]通過(guò)對(duì)瑞士中部約3 000年（9 740～6 870 yr B.P.）的生物成因的碳酸鹽年紋層分析發(fā)現(xiàn)，10.9年的太陽(yáng)施瓦貝周期主導(dǎo)了該地區(qū)年紋層的形成。通過(guò)對(duì)德國(guó)南部中—晚全新世（5 500 yr B.P.）年紋層的研究，Czymziket al.[69]發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)對(duì)北半球的夏季輻射的逐漸減弱，疊加百年尺度的太陽(yáng)活動(dòng)極小期是導(dǎo)致洪水變化的主要原因。目前針對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)事件的研究主要集中于第四紀(jì)，前人也報(bào)道過(guò)不少深時(shí)太陽(yáng)活動(dòng)變化的年紋層記錄[17,65,70-71]，而針對(duì)深時(shí)太陽(yáng)活動(dòng)變化的研究主要集中于揭露太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化[17]，即便如此，前人成果證明湖泊年紋層可以作為研究深時(shí)太陽(yáng)活動(dòng)變化的良好地質(zhì)載體。

4.2 恢復(fù)年際—年代際古氣候變化

隨著全球氣候變暖，年際—年代際/人類(lèi)尺度氣候變化將如何變化？這個(gè)問(wèn)題直接關(guān)系到人類(lèi)自身的生存和發(fā)展，然而，針對(duì)人類(lèi)尺度的氣候變化也僅有幾百年的歷史記錄，這很大程度地制約了我們對(duì)未來(lái)氣候預(yù)測(cè)的能力，因此亟需尋找新的超高分辨率地質(zhì)記錄用以恢復(fù)更長(zhǎng)歷史的人類(lèi)尺度氣候變化。由于具有季節(jié)—年尺度超高分辨率特征，年紋層理論上可以作為研究人類(lèi)尺度古氣候變化的良好材料。厄爾尼諾—南方濤動(dòng)（ENSO）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）以及季風(fēng)等是控制地球年際—年代際氣候變化的重要因素[72-73]，已有大量學(xué)者利用年紋層研究地質(zhì)歷史時(shí)期的這些古氣候波動(dòng)。例如Sunet al.[74]利用緬甸東北部年紋層恢復(fù)了530 年來(lái)的印度洋夏季風(fēng)歷史，并認(rèn)為公元1 800 年以來(lái)年紋層中Sr 和Ca的增加可能與季風(fēng)減弱有關(guān)。Zahreret al.[75]通過(guò)對(duì)德國(guó)北部近現(xiàn)代（1945—2002年）湖泊年紋層的微相研究發(fā)現(xiàn)，NAO 在冬季的變化控制著該區(qū)年紋層的微相變化和硅藻沉積。Guyardet al.[73]通過(guò)對(duì)法國(guó)西部過(guò)去4 150年的年紋層研究也得出了類(lèi)似的結(jié)論，他們認(rèn)為NAO可能通過(guò)控制歐洲高寒地區(qū)的氣候變化，從而控制著冰川的消亡和該區(qū)冰川湖碎屑年紋層的形成。Wolffet al.[18]通過(guò)肯尼亞?wèn)|南部過(guò)去25 000 年的湖泊年紋層分析，結(jié)合現(xiàn)代監(jiān)測(cè)和氣候模擬，認(rèn)為該年紋層厚度主要受到ENSO 的控制，ENSO 與印度洋偶極子遙相關(guān)[76-77]，進(jìn)而影響了赤道東非的降水（圖7）。Fagelet al.[78]基于湖泊年紋層的頻譜分析，評(píng)估了過(guò)去600年來(lái)智利南部的ENSO變化。類(lèi)似的研究實(shí)例[74,79]均說(shuō)明湖泊年紋層可以作為研究ENSO 的良好地質(zhì)載體。由于深時(shí)年紋層相較于第四紀(jì)年紋層更難證明，同時(shí)缺乏可直接對(duì)比的資料，目前深時(shí)湖泊年紋層研究年際—年代際古氣候仍處于起步階段[35,80]，實(shí)際研究中還應(yīng)結(jié)合古氣候模擬等其他證據(jù)。

圖7 肯尼亞Challa 湖年紋層厚度（藍(lán)線(xiàn)）與尼諾3.4 指數(shù)（紅線(xiàn)）[76]和印度洋西南部海表溫度異常（SST，三步滑動(dòng)平均，綠線(xiàn)）[77]時(shí)間序列的負(fù)相關(guān)關(guān)系。薄紋層對(duì)應(yīng)厄爾尼諾事件，厚紋層對(duì)應(yīng)拉尼娜事件，據(jù)Wolff et al.[18]修改Fig.7 Time series of the varve thickness in Lake Challa (blue line) showing negative correlations with the Ni?o3.4 index (red line)[76],and HadISST anomalies averaged over the western Indian Ocean (SST,3-point running mean,green line)[77] .Thin varves correspond to El Ni?o events and thick varves to La Ni?a events,modified from Wolff et al.[18]

4.3 重建地球磁場(chǎng)變化

地球主磁場(chǎng)的方向和能量經(jīng)歷著系統(tǒng)而緩慢的變化，這種變化被稱(chēng)為古地磁長(zhǎng)期變化（Paleomagnetic Secular Variation，PSV），具有十年—千年甚至百萬(wàn)年時(shí)間尺度的變化[81]。其中相對(duì)短尺度（如十年—千年尺度）的PSV信息可被高分辨率地質(zhì)記錄（如湖泊年紋層）保存下來(lái)。由于地磁存在周期性的震蕩[82]，地球磁場(chǎng)相對(duì)古強(qiáng)度（Relalive Paleomagnetic Intensity，RPI）、天然剩磁（Natural Remanent Magnetism，NRM）、非磁滯剩磁（Anhysteretic Remanent Magnetism，ARM）、古地磁磁偏角和磁傾角等PSV信息可被用于重建地球磁場(chǎng)變化歷史；此外，還可以通過(guò)不同點(diǎn)位PSV的對(duì)比建立可靠的古地磁年代[83]。湖泊年紋層序列具有沉積連續(xù)無(wú)間斷，沉積速率快，沉積物穩(wěn)定和分辨率高等優(yōu)勢(shì)，是重建高分辨率地球磁場(chǎng)變化歷史的絕佳材料[84]，我們可以在建立紋層年代框架的基礎(chǔ)上，重建可靠的古地磁變化歷史[1,84]。

關(guān)于利用湖泊年紋層序列重建地球磁場(chǎng)的變化歷史，前人在歐洲和北美地區(qū)做過(guò)大量工作。例如前人最早利用美國(guó)明尼蘇達(dá)州的Elk 湖的年紋層序列，重建了過(guò)去13 000年來(lái)的PSV[83-84]；前人還發(fā)現(xiàn)芬諾斯堪迪亞地區(qū)的湖泊年紋層序列保存了較強(qiáng)的PSV信號(hào)，并重建了過(guò)去10 000年的PSV[82,85]；隨著研究的不斷積累，前人通過(guò)不同湖泊年紋層序列的PSV對(duì)比，可靠地重建了歐洲過(guò)去5 000年來(lái)的古地磁變化歷史，這些結(jié)果也很好地與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比（圖8）[1]。利用湖泊年紋層序列重建高分辨率古地磁變化歷史的研究主要集中于歐、美地區(qū)，時(shí)間上主要集中于全新世。

圖8 基于湖泊年紋層序列和模擬重建的歐洲過(guò)去5 000 年的古地磁變化歷史，灰色曲線(xiàn)為原始數(shù)據(jù)，黑色曲線(xiàn)為5 步滑動(dòng)平均數(shù)據(jù)（據(jù)Zolitschka et al.[1]修改）數(shù)據(jù)來(lái)自（a）芬蘭東部Pohjaj?rvi湖[86]；（b）芬諾斯堪迪亞地區(qū)的7 湖的合成數(shù)據(jù)（FENNORPIS，灰色區(qū)域?yàn)?5%置信區(qū)間）[82]；（c）芬蘭中部的Nautaj?rvi湖[85]；（d）芬蘭東部的Lehmilampi湖[87]；（e）全球古地磁場(chǎng)模型CALS7K.2[88]Fig.8 Relative and absolute magnetic palaeointensity records from Europe for the last 5 000 years with raw data (grey line) and a 5-point running average (black line) (modified from Zolitschka et al.[1])Data from (a) Lake Pohjaj?rvi in eastern Finland[86];(b) A stack of seven Finnish and Swedish lakes (FENNORPIS,the gray area shows 95% confidence level)[82];(c) Lake Nautaj?rvi in central Finland[85];(d) Lake Lehmilampi in eastern Finland[87];(e) The paleomagnetic model of CALS7K.2[88]

4.4 限定古事件的發(fā)生和持續(xù)時(shí)間

古火山活動(dòng)、古地震、古洪水、人類(lèi)活動(dòng)（冶金、森林砍伐、土地利用等）以及重大古氣候事件等均可對(duì)湖泊年紋層的形成和保存產(chǎn)生一定的影響，反之，湖泊年紋層序列也可作為存儲(chǔ)這些事件信息的高分辨率地質(zhì)記錄。其中火山活動(dòng)在湖泊年紋層序列中表現(xiàn)為火山灰?jiàn)A層，具有火山玻璃等特殊含有物，宏觀(guān)屬性（如顏色，巖性等）明顯區(qū)別于紋層狀泥巖[89]；地震的識(shí)別標(biāo)志為震積巖，通常在湖泊年紋層序列中表現(xiàn)為具有液化構(gòu)造，泄水構(gòu)造，重沉積現(xiàn)象等的震積巖夾層[90]；洪水事件在湖泊年紋層序列中的主要表現(xiàn)為微沖刷現(xiàn)象和沉積物粒級(jí)的變化等，這些特征與年紋層序列差距較大，Schillereffet al.[91]建立了古洪水分析流程的模型，并認(rèn)為湖泊年紋層是分析古洪水事件的良好材料；人類(lèi)活動(dòng)在湖泊年紋層序列中可能表現(xiàn)為初級(jí)生產(chǎn)力、孢粉、藻類(lèi)、重金屬污染和沉積速率等的變化[92]。古氣候事件在湖泊年紋層序列中具體表現(xiàn)為湖泊年紋層厚度、元素等指標(biāo)的突然變化，比如前人[93-94]根據(jù)德國(guó)Meerfelder 瑪珥湖中的年紋層序列，同時(shí)對(duì)比其他高分辨古氣候記錄（如格林蘭冰芯），較為精確地限定了新仙女木事件（YD）的發(fā)生（12 679 yr B.P.）和持續(xù)時(shí)間（1 020～1 090 yr B.P.，圖9）。

圖9 Meerfelder 瑪珥湖（MFM）年紋層厚度變化及其與格林蘭冰芯δ18O 記錄的對(duì)比（據(jù)Brauer et al.[93]修改）（a）5步滑動(dòng)平均的年紋層厚度序列和格林蘭冰芯氧同位素的對(duì)比；（b）年紋層序列記錄的阿勒羅—新仙女木事件之間的轉(zhuǎn)換；（c）年紋層序列中50 μm間距的Fe元素曲線(xiàn)Fig.9 Varve thickness changes from Meerfelder Maar (MFM) and their relationship to the δ18O record of the Greenland ice core (modified from Brauer et al.[93])(a) Comparison of the 5-step sliding average of the varve thickness sequence and oxygen isotopes of the Greenland ice core;(b) Conversion between the Aller?d-Younger Dryas recorded in the varved sequence;(c) Element Fe profiles at a 50 μm spacing in the varved sequence

在湖泊年紋層限定古火山活動(dòng)、古地震、古洪水等事件的發(fā)生時(shí)間和恢復(fù)人類(lèi)活動(dòng)歷史方面，前人[89,95]利用德國(guó)埃菲爾（Eifel）西部Holzmaar 和Meerfelder 瑪珥湖的年紋層序列準(zhǔn)確地限定了冰后期Laacher See 火山灰層（LST，12 880 yr B.P.）和Ulmener Maar 火山灰層（UMT，11 000 yr B.P.）的發(fā)生年齡，后來(lái)又利用LST 成功地將德國(guó)西部和波蘭北部的湖泊年紋層序列進(jìn)行了對(duì)比[96]；公元1960 年發(fā)生的地球迄今為止最強(qiáng)地震（瓦爾迪維亞大地震，里氏震級(jí)M 9.5）在智利南部的湖泊年紋層序列中表現(xiàn)為明顯的震積巖夾層[97]；Czymziket al.[69,98]利用德國(guó)阿默湖（Ammersee）年紋層序列恢復(fù)了該地區(qū)中—晚全新世以來(lái)的洪水事件，并認(rèn)為洪水事件的爆發(fā)主要受到了地球軌道和太陽(yáng)活動(dòng)變化的影響；基于德國(guó)Holzmaar 和Belauer See 湖泊年紋層厚度變化，前人[11,99]發(fā)現(xiàn)自青銅時(shí)代結(jié)束后（～2 800 yr B.P.），人類(lèi)活動(dòng)（特別是農(nóng)業(yè)活動(dòng)）促使德國(guó)湖泊的沉積速率呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增加。此外，湖泊年紋層序列中的水銀（Hg）、鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬含量的變化被視為人類(lèi)重金屬污染的一本天然“史書(shū)”，如Renberget al.[100]利用湖泊年紋層序列，結(jié)合其他湖泊沉積物序列206Pb/207Pb以及Pb濃度的變化，恢復(fù)了瑞典過(guò)去4 000 年的Pb 污染史，并發(fā)現(xiàn)自約公元1 000 后，鉛污染呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這與歐洲的冶金史相吻合。

5 總結(jié)與展望

5.1 優(yōu)化湖泊年紋層鑒別方法，加強(qiáng)現(xiàn)代湖泊沉積物監(jiān)測(cè)

湖泊年紋層的識(shí)別是開(kāi)展其研究的關(guān)鍵，年紋層計(jì)數(shù)則是基礎(chǔ)[24]。通過(guò)總結(jié)前人的研究，第四紀(jì)湖泊年紋層的鑒定方法可以歸納為：（1）宏觀(guān)特征（如判定結(jié)構(gòu)上是否具有層偶或紋層組，定量評(píng)估年紋層的韻律和連續(xù)性等）；（2）微觀(guān)特征（如觀(guān)察紋層內(nèi)是否具有季節(jié)性生物生長(zhǎng)，結(jié)合區(qū)域氣候，判定是否具有季節(jié)性的碎屑輸入等特征）；（3）通過(guò)現(xiàn)代沉積物監(jiān)測(cè)，探討湖泊年紋層的沉積機(jī)理，以及年紋層內(nèi)物質(zhì)的季節(jié)性形成特征；（4）通過(guò)同位素年代學(xué)、古地磁年代學(xué)和事件標(biāo)志層等對(duì)年紋層序列進(jìn)行交叉驗(yàn)證，這也是第四紀(jì)湖泊年紋層研究最普遍運(yùn)用的鑒別方法。然而，由于目前放射性同位素定年技術(shù)的局限性，比如14C 測(cè)年無(wú)法測(cè)量深時(shí)沉積物年齡，U-Pb 測(cè)年誤差較大等，放射性同位素定年技術(shù)也只能作為深時(shí)年紋層的輔助證據(jù)用以對(duì)比湖泊平均沉積速率。深時(shí)事件沉積也具有難對(duì)比性，因此相對(duì)于第四紀(jì)湖泊年紋層的識(shí)別，第四條鑒別方法很難直接用于深時(shí)湖泊年紋層的鑒別。鑒于此，深時(shí)湖泊年紋層研究應(yīng)加強(qiáng)前三條湖泊年紋層的鑒別方法，特別是第三條中的現(xiàn)代湖泊沉積物監(jiān)測(cè)，可為了解湖泊年紋層的形成機(jī)理和過(guò)程提供思路。

5.2 利用多種研究手段，系統(tǒng)構(gòu)建并完善湖泊年紋層研究體系

傳統(tǒng)的沉積學(xué)研究手段諸如全巖礦物、元素測(cè)試，光學(xué)顯微鏡照相等手段已無(wú)法滿(mǎn)足湖泊年紋層的精細(xì)研究，隨著微區(qū)取樣、微區(qū)元素、微區(qū)同位素和礦物等分析手段的不斷革新，這些先進(jìn)手段為年紋層序列的超高分辨率分析提供了可能。比如針對(duì)年紋層樣品微區(qū)取樣難的問(wèn)題，微區(qū)取樣儀（如MicroMill）可提供高精度取樣工作，為部分紋層較厚（＞0.5 mm）的年紋層微區(qū)取樣提供了可能，這種方法相對(duì)傳統(tǒng)的人工逐層剝離法更加精確，并且污染較小，然而對(duì)更薄的年紋層，目前仍沒(méi)有較為精確的取樣手段和方法。針對(duì)年紋層元素分析，微區(qū)元素分析儀（μ-XRF）可提供微米級(jí)分辨率元素分析，如德國(guó)的M4 Tornado 可為提供精度為20 μm 的超高分辨率元素分析；礦物學(xué)方面，利用QEMSCAN和TIMA 等先進(jìn)技術(shù)也可以進(jìn)行定量或半定量評(píng)價(jià)；此外，目前也有針對(duì)樣品的微區(qū)同位素分析技術(shù)，比如NanoSIMS 等表面測(cè)試技術(shù)，可提供納米級(jí)超高分辨率的同位素測(cè)試。為迎合沉積學(xué)從宏觀(guān)到微觀(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，有必要利用以上多種高分辨率分析測(cè)試手段，同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)試分析方法（如掃描電子顯微鏡，偏光顯微鏡，陰極發(fā)光顯微鏡，CT成像等技術(shù)），系統(tǒng)而全面地構(gòu)建湖泊年紋層研究體系。

5.3 深入挖掘深時(shí)湖泊年紋層的研究?jī)r(jià)值，聚焦深時(shí)年際古氣候變化等科學(xué)前沿

湖泊年紋層同樹(shù)木年輪、冰芯、珊瑚等類(lèi)似，因其具有超高分辨率特征，不僅可以建立高精度的年代標(biāo)尺，更是重建過(guò)去人類(lèi)尺度古氣候與古環(huán)境變化的寶貴材料。然而，相對(duì)于其他年際—年代際高分辨率古氣候地質(zhì)載體（如石筍、冰芯等），年紋層的研究數(shù)量相對(duì)較少[29]。此外，從前人已建立的第四紀(jì)湖泊年紋層數(shù)據(jù)庫(kù)（如最新的數(shù)據(jù)庫(kù)VARDA[47]）、論文數(shù)據(jù)庫(kù)（如WOS）和年紋層工作組（VWG）統(tǒng)計(jì)的所有年紋層相關(guān)的文獻(xiàn)庫(kù)可知，目前湖泊年紋層的研究在空間的分布極不均衡，時(shí)間上也主要集中于第四紀(jì)湖泊年紋層的報(bào)道。究其原因，可能是因?yàn)樯顣r(shí)湖泊年紋層更難保存，解譯難度更大，并且目前沒(méi)有系統(tǒng)的鑒別標(biāo)準(zhǔn)。然而研究深時(shí)年際古氣候變化（比如深時(shí)ENSO、NAO以及太陽(yáng)活動(dòng)等的變化）可為研究全球變化提供重要參考，從而幫助我們更好地預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候、環(huán)境變化趨勢(shì)，且高分辨率古氣候研究也是沉積學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿[101-102]。深時(shí)湖泊年紋層作為年際古氣候信息的重要地質(zhì)載體，有必要對(duì)其進(jìn)行深入挖掘，并加強(qiáng)其在高分辨率古氣候研究中的作用。