贵州中部洞穴系统微量元素变化特征及其环境效应——以安顺地区洞穴为例

摘要

全球气候变暖与变冷争议无处不在，全球气候变化日渐成为当今人类最为关注的重大社会问题，与人类的生存环境密切相关。岩溶作用对全球变化的反应迅速敏捷，岩溶作用保留了多方面全球变化特别是环境变化和气候变化的信息。其中洞穴沉积物由于其分辨率高，连续记录，高精度定年成为古气候和古环境研究的重要地质载体，记录了丰富的古气候和古环境信息，拥有诸多代用指标。目前，δ18O应用较为广泛和成熟，微量元素研究由于其来源多样和影响因素复杂使其应用范围受一定局限。但微量元素记录了洞穴水对外界环境的响应以及在岩溶含水层的运移过程，对微量元素的在洞穴系统的运移研究可以为解译洞穴沉积物记录的环境信息提供科学依据。
　　本文以贵州省安顺市西秀区石将军洞和本寨洞为主要研究场所，对石将军洞和本寨洞大气温度、降水量、洞穴CO2浓度等进行长期监测，并收集洞穴滴水，分析样品中的Ca、Mg、Ba、Sr的浓度、Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca和Mg/Sr比值以及其他地球化学指标对地表环境变化的响应。以研究土壤化学组成和植被对洞穴水地球化学组成的影响为重点内容，分析石将军洞和本寨洞洞穴滴水和洞穴现代沉积物的微量元素变化特征对2011年1月极端低温（冻雨）事件和2012年春季干旱夏季强降雨天气的环境效应，得出了如下结论:
　　(1)洞穴滴水元素及其比值变化受洞穴上覆土壤和基岩厚度以及地下水在基岩中的运移方式、路径和距离等因素影响，滴水元素浓度及其比值差异对的极端干旱和强降雨天气的响应不同。
　　石将军洞滴水Ca、Mg浓度对2011年1月极端低温（冻雨）干旱天气的响应较明显。2011年1月-3月石将军洞洞穴滴水Ca浓度降低幅度大，2011年4月以后，随着气温回升，降水增多使地下水对基岩的溶解增强导致Ca浓度微升，Mg浓度则因气温升高使溶解度增大而增加。石将军洞洞穴滴水Ca、Mg、Sr对2012年的春季干旱夏季强降雨天气的响应较明显。2012年4-7月洞穴滴水的Ca、Mg、 Sr、Ba浓度增加，但Ca的增加幅度比Mg、Sr、Ba大，Mg/Ca、Sr/Ca比值变化不大，Ba/Ca比值先增加后降低，同样是因为降水增多，对基岩的溶解增强。2012年7月以后，Ca、Ba、Sr浓度降低，Mg浓度增加，其中Ca降低趋势最明显，其原因很可能是5月以来强降雨带来丰富降水，降水量增多使地下水水量增多.稀释作用增强，稀释了Ca浓度。
　　本寨洞洞穴滴水Ca、Mg、Sr对2012年的春季干旱夏季强降雨天气的响应较明显。2011年4月-12月本寨洞Sr浓度变化趋势与Ca浓度一致，尽管Sr受温度影响不大，随着气温回升，降水的增多稀释作用增强，但是由于上覆土壤和季节性植被的存在，提供了其来源。另外可能有不同岩溶水的混合作用加入。在2012年4-7月，Ca浓度增加，Mg浓度增加趋势不明显但仍是缓慢增加，Sr浓度与Ca浓度相似。其原因可能是基岩中CaCO3优先溶解。2012年7月以后，Ca、Sr、Ba浓度及其比值变化与石将军洞一致降低，说明本寨洞Ca、Sr、Ba浓度对强降雨事件也有响应，是因为降水增多，稀释作用加强，使Ca、Sr浓度趋势一致都降低，而Mg受温度影响使其溶解速率增大而缓慢增加。
　　(2)地下水在上覆含水层的流经时间、流经距离以及洞穴滴水Ca、Mg和Sr浓度共同影响Mg/Ca、Sr/Ca比值。石将军洞2011年1月-2012年12月SJJ-W1＃、SJJ-W2＃、SJJ-W6＃和SJJ-W7＃由于Ca浓度较高，Mg的浓度变化不大，推测地下水流通通道为石灰岩(CaCO3)区域，从而导致Mg/Ca、Sr/Ca比值低。而SJJ-W3＃、SJJ-W5＃和SJJ-W8＃的Ca、Sr浓度较低，Mg的浓度变化不大，地下水流通通道为白云岩[CaCO3+MgCO3]区域，从而导致Mg/Ca比值高，Sr/Ca比值低。本寨洞2011年4月-2012年12月Mg/Ca比值影响因素中Mg浓度变化对其贡献率较大，Sr/Ca比值影响因素中Sr浓度变化对其贡献率较大。
　　(3)当石笋出现沉积间断时，我们推论可能是受极端低温（冻雨）和强降雨天气的影响。通过对比石将军洞和本寨洞沉积量，石将军洞自2010年11月至2012年3月有沉积物，而2012年3月到2012年12月仅有SJJ-W1＃和SJJ-W2＃有沉积物;而本寨洞2012年3月到2012年12月有沉积物。洞穴上覆环境及土壤的不同对沉积速率有影响，根据已有现代沉积物沉积量并结合洞穴监测数据，说明极端低温（冻雨）和强降雨天气的出现使洞穴沉积物没有沉积。
　　(4)从已收集的现代沉积物中元素及其比值发现，两个洞穴沉积物对极端天气的记录有较大差异。石将军洞对2011年1月极端低温（冻雨）天气的记录表现在SJ J-W6＃和SJJ-W7＃两个滴水点现代沉积物Sr/Ca比值出现与滴水一致的趋势。对2012年春季干旱夏季强降雨的记录，本寨洞BZ-W3＃滴水点现代沉积物Mg/Ca、Sr/Ca比值与滴水一致，而石将军洞则不明显。说明不同上覆土壤环境，使洞穴沉积物微量元素变化对极端低温（冻雨）天气和强降雨天气的响应有较大差异。同时也使高频率采样、样品实验室保存更加重要。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 气候变化的研究意义

1．1．2 古气候研究载体及洞穴沉积物代用指标研究

1．2 国内外研究现状

1．2．1 洞穴沉积物微量元素来源

1．2．2 洞穴沉积物微量元素的影响因素

1．2．3 洞穴沉积物微量元素与Ca的比值(Mg／Ca，Sr／Ca，Ba／Ca等)、Mg／Sr比值

1．3 研究内容与拟解决的关键问题

1．3．1 研究内容

1．3．2 拟解决的关键问题

1．4 技术路线

第2章 研究区概况及主要研究方法

2．1 研究区概况

2．2 采样点设置

2．2．1 野外监测

2．2．2 实验室处理与分析

第3章 洞内外环境条件分析

3．1 洞外降水量、温度变化

3．2 洞内空气CO2浓度变化

3．3 大气降水Ca、Mg、Ba、Sr变化特征

第4章 上覆土壤和基岩元素变化特征及环境效应

4．1 上覆土壤Ca、Mg、Ba、Sr分布特征

4．1．1 不同土壤剖面的Ca、Mg、Ba、Sr变化

4．1．2 同一土壤剖面的Ca、Mg、Ba、Sr变化

4．2 基岩对上覆土壤元素特征的影响

4．3 本章小结

第5章 洞穴滴水微量元素变化特征及环境效应

5．1 洞穴滴水Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+变化特征分析

5．2 滴水Mg／Ca、Sr／Ca、Ba／Ca、Mg／Sr比值变化特征及环境效应

5．3 洞穴滴水Ca、Mg、Ba、Sr相关性分析

5．4 本章小结

第6章 洞穴现代沉积物微量元素变化特征及环境效应

6．1 洞穴现代沉积物Ca、Mg、Ba、Sr变化特征分析

6．2 洞穴现代沉积物Mg／Ca、Sr／Ca、Ba／Ca、Mg／Sr比值变化特征分析

6．2．1 石将军洞SJJ-W6#、SJJ-W7#中Mg／Ca、Sr／Ca、Ba／Ca、Mg／Sr比值

6．2．2 本寨洞BZ-W3#中Mg／Ca、Sr／Ca、Ba／Ca、Mg／Sr比值

6．3 本章小结

第7章 主要结论与展望

7．1 主要结论

7．2 存在问题及展望

参考文献

附表

致谢

作者简介