贵州纳朵洞洞穴系统氢氧同位素运移特征研究

摘要

我国石笋氧同位素序列陆续发表并得到古气候学界的广泛引用，洞穴石笋已经成为全球变化研究的重要载体，氧同位素(δ18O)无疑是石笋应用最为广泛的指示气候变化的指标，以往对石笋δ18O信号的解译是基于洞穴滴水δ18O继承了大气降水δ18O的假设。由于洞穴所在地区气候条件、洞穴上覆岩层厚度、裂隙发育、洞穴内部温湿度变化以及空气流动等的差异，导致每个洞穴中沉积物的氢氧同位素都可能具有各自的独特性。因此对洞穴系统中降水、土壤水、洞穴滴水δ18O进行现代监测，分析系统中氢氧同位素的运移过程，不仅有助于加深对洞穴沉积物形成机理的理解，对解译东亚季风区石笋δ18O信号的工作也具有重要意义。
　　本文通过对贵州安顺纳朵洞进行了长达两个水文年的野外监测，观测洞穴中温度、湿度、空气CO2浓度、滴水滴率、滴水pH、滴水电导率等物理化学指标，并对洞穴系统中的大气降水、表层岩溶泉水、洞穴滴水、池水的氢氧稳定同位素进行系统采样，就其运移特征进行探讨，得到以下结论：
　　（1）对纳朵洞洞穴内外环境特征进行分析，发现纳朵洞封闭性较好，洞穴内部温度、湿度较洞穴外部更为稳定，年际变化小；通过对滴水点滴率与降水量相关性分析发现，滴水点滴率基本能够响应降水的季节变化，受各个滴水点上覆岩层裂隙管道发育、覆盖层厚度、岩溶水滞留时间、形成滴水前的运移路径、滴水点距离洞穴出入口的距离等因素影响，使各个滴水点对降水的响应程度表现出差异性。
　　（2）以纳朵洞洞外大气降水中氢氧稳定同位素的监测数据为基础，建立了研究区大气降水线（LMWL），δD=8.77δ18O+19.06(R2=0.99)，该大气水线方程反映出研究区湿润多雨的气候特征；表层岩溶泉水、土壤水、滴水和岩溶池水中δ18O、δD都分布在当地大气降水线附近，表明大气降水是洞穴系统中岩溶水的主要来源，大气降水到达地面后进入洞穴形成滴水的过程中没有经历明显的蒸发作用，滴水基本继承了当地大气降水氢氧稳定同位素的变化特征。
　　（3）洞穴系统中各种岩溶水体的δ18O值变化幅度差异较大，土壤水、大气降水、表层岩溶泉水、洞穴池水、洞穴滴水的变化幅度在年内尺度依次显著减小，不同期次降水在上覆土壤层和基岩中的混合作用导致不同岩溶水中δD、δ18O的富集产生差异，但总体而言，纳朵洞内的各种类型的岩溶水均继承了当地大气降水中氢氧同位素的基本特征，滴水、表层岩溶泉水和池水中氧同位素的算术平均值与当地大气降水的均值接近。
　　（4）安顺地区大气降水中稳定同位素值存在明显的季节变化，表现在冬春季节降水中δ18O、δD值偏高，夏秋季节降水中δ18O、δD值偏低，降水中δ18O变化不具有显著的降水量效应以及温度效应，说明降水中的同位素组成特征主要受降水水汽来源因素的控制，夏季降水的水汽源于热带海洋气团的输送，冬春季节则主要受西风带携带的大陆性气团的影响；滴水和池水相对于降水中δ18O、δD的季节变化具有滞后效应，但也表现出雨季偏轻，旱季偏重的特征，说明纳朵洞石笋可用于古气候重建。
　　（5）利用HYSPLIT后向轨迹模型对安顺地区降水的水汽输送轨迹进行验证分析发现：研究区的水汽主要来源于3条水汽通道，冬春季节降水的水汽主要来源于西风带输送的大陆性气团，降水中重同位素富集；夏季降水的水汽主要来源于西南季风、东南季风输送的海洋性气团，降水中同位素贫化；降水中氧同位素组成与El Nino在年际变化上具有相似的周期，大气环流的强信号对降水中稳定氢氧同位素的组成具有重要影响。

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第1章 绪论

1.1选题背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3 研究内容与研究过程

第2章 研究区概况

2.1 研究区概况

2.2 样品采集与数据获取

第3章 纳朵洞洞穴内外环境特征分析

3.1 温度和降水量特征

3.2 洞穴滴水滴率特征

3.3 洞穴空气温度特征

3.4 洞穴空气CO2浓度特征

3.5 洞穴水的pH变化特征

3.6 洞穴水的电导率变化特征

3.7 本章小结

第4章 纳朵洞洞穴系统中不同水体氢氧同位素的运移特征

4.1 不同水体氧同位素信号的传递

4.2 大气降水线

4.3 大气降水、滴水和池水中氧同位素季节变化特征

4.4 大气降水中δ18O与温度和降水量的关系

4.5 降水的氘盈余参数特征

4.6 滴水、池水和土壤水的氘盈余参数特征

4.7 本章小结

第5章 纳朵洞洞穴系统中氢氧同位素与大气环流的关系

5.1 HYSPLIT模型介绍

5.2 大气降水的水汽来源模拟与分析

5.3 纳朵洞降水和滴水中δ18O与大气环流的关系

5.4 本章小结

第6章 结论与不足

6.1 主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢