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一、研究背景

隨著科技的發展，如今的我們可以通過氣象臺提供的天氣預報輕松地了解到天氣狀況，而對于古氣候的研究卻大有不同。古氣候又稱地質氣候或地史氣候，與歷史時期氣候不同，古氣候是指史前地質時期的氣候。研究這一時期氣候狀況和變遷的學科稱古氣候學，研究的主要依據是古生物和地史資料等中得到的化石、沉積物、孢粉等信息推斷氣候的干濕和冷暖變化，常見的研究對象為貝殼、古化石、鐘乳石、藻類等。研究的主要過程如圖1所示。

圖1 研究過程

研究古氣候的意義表現在如下方面：

1、認知地球：人類誕生于三億年前，而地球的出現遠遠早于人類，可以追溯到幾十億年前，因此，研究古氣候可以幫助我們更好地了解地球；

2、了解發展：研究古氣候更具體地了解地球從過去到現在的變化情況；

3、展望未來：研究古氣候可以更好地應對未來的重重困境。

二、研究對象

進行古氣候的考察時，主要的研究對象有鐘乳石和貝殼兩種。

鐘乳石是碳酸鹽巖地區洞穴內在漫長地質歷史中和特定地質條件下形成的石鐘乳、石筍、石柱等不同形態碳酸鈣沉淀物的總稱。其中干旱導致洞頂不再滴水以外，石筍一般每年都會生長。隨著季節的變化，洞頂滴下的水里面含的物質成分不同，這樣一來，與樹木形成的樹輪一樣，石筍也會形成自己的年輪，通過年輪還可以數出石筍的年齡，如圖2所示。許多石筍是很久之前形成的，后來由于沒有滴水就不再生長，成為“死掉”的石筍，而研究人員有辦法準確的測出這些石筍生長的年代。

貝殼是生活在水邊軟體動物的外套膜，是由軟體動物的一種特殊腺細胞的分泌物所形成的保護身體柔軟部分的鈣化物，如圖3所示。貝殼的主要成分為95%的碳酸鈣和少量的殼質素。

貝類生物的貝殼生長所需的碳是從生物圈中獲得的，科學研究表明，貝類動物從海洋或陸地植物中吸收有機碳，從海水重碳酸鹽、大氣二氧化碳或淡水重碳酸鹽中吸收無機碳。貝殼的外層不代表年齡，它的形成是由于外套膜邊緣因受某些原因（食物不足、季節不同、生殖期間等）的影響、而不能繼續分泌的結果。

圖3 貝殼實物圖

我們在研究中選擇石筍作為實例的原因如下：

1、石筍目前所獲取的都是50萬年以來的古氣候信息(受測年方法限制)，而中國大陸的地質地貌和河流發育約在百萬年前已定型，所以在不同地區，這段歷史時期的古氣候變化不會受區域性的地質構造運動所影響；

2、石筍研究程度較高，研究區域也較為廣泛，易于多區域的空間對比。

三、研究方法

多通道接受電感耦合等離子體質譜儀（MC-ICP-MS）

多接受電感耦合質譜儀是目前世界上用于高精度鈾系**年代測定的主要儀器，因為石筍的U/Th釷比值適合于鈾系精確定年，所以儀器可用于該項研究。

XRF-X射線熒光光譜分析（圖4）

XRF是利用初級X射線光子或其他微觀離子激發待測物質中的原子，使之產生熒光（次級X射線）而進行物質成分分析和化學態研究的方法。

圖4 X射線熒光光譜分析

LIBS技術

LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) 全稱激光誘導擊穿光譜，它是基于激光等離子體發射光譜的探測分析技術。

LIBS技術的工作原理是通過高能量密度超短脈沖的激光器打到樣品上。這樣激光能量加熱，蒸發，霧化，使得樣品物質離子化，產生一個小范圍的等離子體。這樣處于等離子體的受激原子和離子會發射出次級光。*后通過光譜分析設備對等離子光進行光譜探測和分析。LIBS技術分別與ICP-MS 和XRF技術的優缺點對比如圖5、圖6所示。

圖5、圖6 各方法優缺點對比

四、海洋光學ACCULIBS 2500多通道光譜儀分析系統（圖7）

海洋光學的ACCULIBS分析系統配置如下：

1、MX2500+8通道光譜儀；

2、HG-1校準光源一個；

3）定制化的樣品倉；

4）定制的操作軟件MaxLIBS。

ACCULIBS系統圖

圖8 ACCULIBS 2500優勢

測試方法（圖9）

ACCULIBS測試流程示意圖

數據處理

MaxLIBS的數據處理步驟主要分為以下幾步：

1）樣品取樣、選點、定點；

2）利用LIBS技術測量得到樣品等離子光譜譜線圖；

3）找到Sr/Ca/Mn/Ba/Zn/Pb/ Mg/K/Na/Li表現較好元素峰及強度；

4）計算Sr/Ca、Mn/Ca、K/Ca比值等；

5）分析結果。

圖 LA-ICP-MS與LIBS結果對比圖

三組曲線從上至下依次為Ba元素、Mg元素和Sr元素的對比結果。綠色曲線代表LIBS結果，灰色曲線代表LA-ICP-MS結果。

數據分析

在研究中，石筍內Sr/Ca、Ba/Ca的值和生長速率顯著相關，這兩個值的大小主要受控于溫度控制下的生長速率變化；其中，Sr/Ca比值與季風降雨量呈反向變化關系；而不同元素含量變化趨勢也反應待測樣品形成過程中發生的微妙變化，為后續的研究提供一定的輔助數據說明；與此同時，重金屬元素的相對趨勢也能一定程度上反應環境污染情況。

五、結論

綜上所述，LIBS技術在氣候環境領域的研究存在著廣泛的應用前景，海洋光學的ACCULIBS 2500多通道光譜儀分析系統憑借其自身的優良性能，將會在各方面滿足客戶的需求。

引用自:文章編號：1001-7410（2018）06-04 《激光誘導擊穿光譜儀在古氣候研究中的應用：建立石筍微量元素記錄》