洞穴滴水水文水化学特征及其意义——以芙蓉洞为例

摘要

岩溶次生沉积物已成为研究岩溶地区过去环境变化记录的重要载体，尤其体现在高分辨率、短时间尺度研究上。但是，岩溶次生沉积物在过去气候研究方面也存在一些问题。对英国洞穴系统的研究表明水与洞穴基质之间作用时间的长短或含CO2水在含水层的脱气作用将导致岩溶洞穴次生沉积物d13C值记录发生约2‰的变化，这一变化甚至可能大于由洞穴外植被变化所引起的洞穴沉积物中d13C的变化。岩溶水在洞穴顶板中的运移过程以及与基岩作用时间的长短，还影响着次生沉积物中Mg/Ca,Sr/Ca等指标所记录的过去环境变化信息。因此，对洞穴滴水的研究有助于我们对石笋记录的古气候信息进行精确解译。 本文选取重庆武隆芙蓉洞作为对象，从水文水化学方面分析芙蓉洞洞穴滴水的水文学和元素地球化学特征，监测指标包含了洞穴滴水中的滴水滴率、电导、pH、水温、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Sr2+、Ba2+、SO42-、HCO3ˉ、Clˉ、，同时对洞穴环境指标如温度等以及洞顶上方泉水的Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Sr2+、Ba2+、SO42-、HCO3ˉ、Clˉ等也进行了长期的动态监测。结果显示出，气候的变化会对洞穴滴水水文化学和地球化学季节变化比较明显的影响，可以推断出洞穴滴水主要来源于大气降雨。但是不同的滴水点滴水和池水在物质含量和响应滞后时间并不相同，其原因在于洞顶上覆土壤和项板基岩裂隙对洞穴滴水的运移路径和物质组成有很大的影响，同时我们用洞项泉水与洞穴滴水进行比较，进一步验证了这一推断，而影响洞穴滴水文水化学过程的这些因素最终将可能影响到对该地区古温度重建的判断。 主要研究成果如下： (1)滴水中的各离子含量受季节影响变化较大。从变化总体趋势来看，芙蓉洞洞穴滴水的离子含量在雨季含量逐渐变高，这主要是和土壤生物来源CO2有关。CO2的增强使得其溶解土壤和下伏碳酸盐岩能力增强，使滴水中的各离子含量相应升高，但在6～9月重庆地区连续四个月的高温和几乎为零的降雨量的恶劣环境下，土壤水大幅蒸发，储存在顶板的老水没有经过大气降雨的稀释，以饱和的状态透过了土壤和基岩，顺着滴水的运移路径，带着其各离子含量变高特点在滴水中表现出来。 (2)洞穴上覆土壤和上方基岩是芙蓉洞洞穴滴水中物质的主要来源。芙蓉洞洞穴滴水主要来源为大气降雨，通过对大气降雨和洞穴滴水的物质含量进行分析，发现其元素含量存在着很大的差异，究其原因，可以推断出，季节降雨通过土壤空隙和基岩裂隙向下运移供应洞穴滴水，其自身组分的季节淋溶直接影响了洞穴滴水的化学组成，比如土壤和基岩中的Ca2+，Mg2+等离子的淋溶造成了洞穴滴水中相应离子较大气降雨的大幅度升高。 (3)芙蓉洞洞穴沉积物中的Mg/Ca比值应该可以直接反映滴水中Mg/Ca比值的变化。芙蓉洞洞穴温度基本恒定在16℃左右，在观测期内没有出现较大的波动，因此在该洞穴环境条件下，温度引起的石笋中的Mg/Ca比值变化与滴水中Mg含量的季节变化相比是非常微弱的，从而可以直接用于反映洞穴外界气候环境变化条件的改变。 (4)芙蓉洞洞穴滴水主要来源于当季降雨，受洞穴外界气候环境变化影响较大。通过对滴水地球化学观测数据的分析表明，在雨季地表降水部分以通过较大孔隙以优先流的形式供应滴水，也有部分滴水点混入了洞穴顶板的滞留水，因此，在考虑利用洞穴沉积物进行高分辨率古气候重建的过程中一定要考虑滞留水与当季降雨的混合水的影响。 (5)芙蓉洞的2个滴水点水文学和水化学过程在两个水文年里的变化趋势基本上趋于一致，但是不同的滴水点滴水的滴率对于大气降雨的响应时间却存在很大的差异，同时不同滴水点滴水的水化学成分也存在着一定的差异。这充分说明影响洞穴滴水水文水化学过程不仅仅是外界气候环境变化，其上覆土壤的季节淋溶以及洞顶基岩厚度和裂隙都会对喀斯特水的运移方式产生影响，并最终影响到洞穴滴水的水化学过程。 (6)芙蓉洞地区洞项土壤具有良好的通透性，大气降雨进入土壤后，溶解大量CO2，在洞穴顶板内，水运移的动力过程中发生了活塞效应和方解石沉淀等，这些过程控制了洞穴滴水的主要的化学类型，表明芙蓉洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。但在对岩溶次生沉积记录进行解译的过程中，还需要充分考虑其他的作用过程的影响，这些过程对洞穴次生沉积记录信息也存在一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景

1.2国内外相关研究现状

1.3选题目的及意义

1.4研究目标

第二章研究区及研究对象

2.1研究区概况

2.2观测点的选定与介绍

第三章样品采集、分析及技术路线

3.1.样品采集

3.2现场测定

3.3室内分析实验

3.4技术路线和方法

第四章洞穴滴水水化学特征及分析

4.1滴水水文学主要特性

4.2滴水微量元素季节和空间变化

4.3滴水中MG/CA的变化

4.4滴水中SR，BA的变化

4.5洞穴滴水的来源

第五章结论与讨论

5.1主要结论

5.2不足和展望

参考文献

附录

致谢