重庆芙蓉洞洞穴水—现代次生沉积物的地球化学特征、联系及意义

摘要

随着全球社会经济发展,全球变暖日益突出,其关系着人类生存环境的安全和社会经济的可持续发展,现已成为全球共同关注的环境问题,因此关于环境变化的研究广泛开展起来。石笋是研究古环境变化的良好载体,其丰富的替代指标可以指示诸如温度、植被、大气降水、水文条件等多种古气候古环境信息,但是其替代指标的环境解译还存在多解性或不确定性。为了提高其解译环境信息的准确性,需要加强石笋形成机理的研究,了解洞穴现代次生沉积物与外界环境的关系。
　　 2009年9月-2011年8月期间对重庆芙蓉洞洞穴环境、洞穴水、现代次生沉积物进行了连续监测,探讨了其变化特征及与外界环境的联系,并得到以下初步结论:
　　 (1)在本研究期间,芙蓉洞温湿度季节变化不大,而洞穴空气CO2季节变化明显,并对外界环境有一定的响应。冬季,由于上覆土壤植被呼吸及生物活动作用所产生的CO2量较少;外界空气流向洞内,对洞内CO2也有一定的稀释,所以此时芙蓉洞CO2浓度最小。
　　 (2)芙蓉洞洞穴水pH值、电导率(EC)、HCO3-、方解石饱和指数(SaturationIndexofCalcite,SIc)有一定的时空变化特征。其中pH变化最为明显,冬季最高。主要是由于冬季在上覆土壤中岩溶水溶解的CO2量较少,同时上覆岩层饱水带未有饱水,岩溶水的运移时间较长,CO2容易脱气,故pH冬季高。空间上,由于各点滴量和SO42-浓度不同,pH也略有差异,其中滴量较小点、SO42-浓度较高点的滴水pH值较高。EC和HCO3-季节变化较小,只在雨季略有增加。滴水SIc受控于pH,与其变化同步。
　　 (3)芙蓉洞滴水SO42-主要是受岩层中石膏夹层和上覆土壤影响。滴水中Ca2+、Mg2+浓度变化受控于水-土-岩的相互作用,其中水源差异、活塞效应、水岩相互作用时间对其产生了重要影响。洞穴水中Mg/Ca主要受Ca含量的影响,能够指示外界温度和降水的变化。
　　 (4)芙蓉洞滴水δ18O与降水量的相关性以及滴水滴量与降水量的相关性都较差,滴水δ18O体现的是大气降水氧同位素变化的平均状态,冈此滴水δ18O应该指示的年际降水氧同位素的信号。
　　 (5)芙蓉洞现代次生沉积物主要是由方解石组成;滴水沉积速率受方解石饱和指数影响,冬季方解石饱和指数较高,沉积速率也较快。
　　 (6)芙蓉洞现代沉积物中的Mg/Ca比值与对应滴水中的Mg/Ca比值、洞内温度、降水量的相关性不明显,分析原因可能是由于芙蓉洞内空气温度变化很小,且滴水水量变化受厚层基岩混合效应的影响,未能及时响应洞外大气降水;此外在滴水沉积过程中晶体结构变化等因素也可能影响最终的Mg/Ca比值。芙蓉洞现代沉积物Mg/Ca比值可能不能够指示外界环境的短期变化,但其长期的环境指示意义还需要更进一步深入的研究。
　　 (7)芙蓉洞内现代次生沉积物中的氧同位素沉积于同位素平衡分馏条件下,指示的是年际降水氧同位素信号。
　　 洞穴次生沉积物的替代指标可以指示外界环境状况,但是由于其影响因素复杂,外在的信息需要更长的时间、经历更复杂的中间过程才能最终到达洞穴,因此有些替代指标受“噪音”干扰较重,可能短期内并不能够指示环境变化。因此,在以后的洞穴沉积物机理研究中,还需要多方面更系统的长期监测。