重庆芙蓉洞洞穴系统元素运移的地球化学过程及其环境意义

摘要

洞穴次生沉积物已成为研究岩溶地区古气候变化的重建过程中一种重要的替代指标。洞穴上覆基岩和土壤是滴水中多种元素的主要来源，是洞穴次生化学沉积物的重要物质库；而大气降水在土壤和基岩运移过程中的物理化学和生物化学作用过程决定了洞穴沉积物中的各种元素含量。因此研究滴水和洞穴沉积物中元素的来源及各种岩溶过程中地球化学信号的运移机理是利用石笋中多种元素特征指示过去环境变化的基础。对不同地区不同的气候条件，不同土壤环境中物质的生物地球化学循环过程的差异，滴水和洞穴沉积物中元素值或比值与当地气温降水之间并不存在着简单的对应关系，需要进一步的工作阐明其真实涵义。
　　 本文在前人的研究基础上，对重庆芙蓉洞上覆基岩和土壤中元素分布特征以及表层岩溶泉水、土壤渗透水和洞穴滴水水化学指标为期1年的系统监测，进一步探讨了洞穴滴水中元素对上覆环境的继承和对环境变化响应。主要获得以下结论：⑴在岩溶系统立体剖面中，发现Ca2+、Mg2+、Sr2+和SO42-在表层岩溶系统的基岩、土壤、水(土壤渗透水和洞穴滴水)三大载体的运移过程中发生了明显分异。基岩的元素含量主导土壤各层位、土壤渗透水及滴水各载体的元素含量。芙蓉洞上覆基岩体现了以白云岩为主的碳酸盐类且元素迁移以Ca、Mg为主并影响其它元素的迁移或积聚。土壤剖面中元素分异是与当地以白云岩为主的基岩环境相一致的。⑵土壤环境中Ca、Mg和Sr元素在土壤剖面中表现出明显的淋溶和淀积作用，主要岩石组分和微量元素含量具有随深度而增加的特征，其元素含量高低直接影响土壤渗透水元素含量。当大气降水通过较薄的土壤时，溶解的土壤物质量少，使基岩对滴水化学组成的贡献增大。上覆土层的厚度、土壤物理、化学和生物过程、基岩厚度、岩溶水在基岩中的运移路径及其导致的水-岩作用时间长短等，直接或间接影响到滴水水化学特征。⑶降雨量、降雨强度以及频率会影响降雨对洞穴水的补给，引起地表入渗速率、降雨通过各级孔径的孔隙或裂隙的补给的差异。⑷洞穴滴水pH略偏碱性，枯水季节高于雨季，雨季pH出现不同程度的降低。滴水点的Ca2+、Mg2+和Sr2+的浓度分布比较集中，说明岩溶地下水在上覆土壤和基岩的运移过程中经历了类似的物理化学过程，获得了比较一致的水化学特征。各洞穴滴水中的SO42-差异较大，可能是运移路径和滞留时间所引起。滴水Mg/Ca与Sr/Ca表现出枯水季高而雨季低，均与降水量相关，反映了枯水季节存在明显的方解石优先沉积现象。⑸在岩溶系统中，土壤渗透水、岩溶泉水和洞穴滴水元素的变化幅度在年内都有各自的变化范围，并存在大致协调同步的季节变化规律：Ca2+、Mg2+、Sr2+含量的变化有枯水期变幅大，雨季变幅小的特征；而SO42-含量存在一定差异。同时6个滴水点运移的路径、时间和环境条件不同，使它们对降水响应存在一定的差异。在表层岩溶系统中，岩溶动力系统驱动环境元素的迁移。不同运移的路径、环境温度、降水、湿度等条件均会对引起元素迁移的物理化学和生物化学过程产生影响，最终导致元素迁移在空间和时间上的复杂变化。因此，当利用洞穴次生化学沉积物元素地球化学特征来反映环境变化时，需综合考虑区域元素在岩-土-水中的分布迁移特征及其与环境因素的相互关系。