洞穴滴水研究进展.doc

洞穴滴水在中国的研究进展摘要：全球变化已经成为地理学的研究热点，用各种地质及物候记录反映古环境的变化过程，特别是第四季气候变化，是全球变化研究的重要课题。目前国际上广泛运用深海沉积、冰芯、湖泊沉积、黄土、树轮、珊瑚等作为重建古气候、古环境的载体。各种信息载体中，洞穴石笋因其分布广泛，可记录的时间范围较宽，分辨率较高而敏感的记录了从区域直到全球环境特别是第四纪环境的变迁。由于它提供了时间分辨率达到十年甚至年际的高精度环境信息，从而在全球变化的研究中发挥了越来越重要的作用。洞穴滴水是形成岩溶沉积物动力条件，研究洞穴滴水的环境指示作用对于利用洞穴次生沉积物有着重要的作用。关键词：降水，洞穴滴水，环境意义0引言 用各种地质及物候记录反映古环境的变化过程,特别是第四纪各地气候变化,是全球变化研究的重要课题，目前国际上广泛运用深海沉积，冰芯，湖泊沉积，黄土，树轮，珊瑚等作为重建古气候古环境的载体在研究我国气候变化的过程中,北方的黄土，青藏高原冰芯和湖泊沉积物等已做了大量的工作,获得了重要进展在各种信息载体中,洞穴石笋因其分布广泛,记录的时间范围较宽,分辨率较高而敏感的记录了从区域直到全球环境特别是第四纪环境的变迁,由于它提供了时间分辨率达到十年甚至年际的高精度环境信息,从而在全球变化的研究中发挥了越来越重要的作用现今在石笋中用于古环境信息研究的指标已经很多,如生长速率，微层厚度，灰度，微量元素，荧光强度，岩石学特性和稳定同位素等1。 我国是世界上岩溶地貌最发育的国家之一,按碳酸盐岩出露面积计算达90.7万km2,在我国南方分布面积为54万km2在岩溶发育的地方就有洞穴沉积物的分布我国地处西伯利亚高原，青藏高原和西太平洋海洋性气团相互影响的季风地带,是东亚太平洋季风。印度洋西南季风，副热带高压交互作用的地区,气候变化过程复杂目前条件下,利用岩溶地区洞穴沉积物获得较高分辨率和尽可能长时间序列的古气候变化信息是最有效的方法之一,在这方面,许多学者业已取得了可喜的进展11，证实和发现了过去气候变化中环境变化过程,推进了岩溶区全球变化研究的发展,并对岩溶区古环境重建的研究方法和手段进行了有益的探索。 洞穴沉积物替代指标的应用又极其复杂:水一气一岩相互作用脱气，CO2蒸发作用及其沉淀导致的同位素动力分馏，植被光合呼吸分解作用导致的分馏,降雨和人类影响等3。因此,在进行洞穴研究时,选择替代指标从事古环境重建时必须考虑替代指标的准确性,是否可用及对环境变化的敏感程度. 洞穴滴水是气候信号的携带者,所以,洞穴沉积物中所包含的气候信号首先应该在滴水中得以体现2，同时,滴水滴率，矿物质饱和度以及滴水高度均可能影响石笋生长率(石笋层厚).在研究石笋微层记录的气候信号以及微层形成机理时,首先要对岩溶水动力学地球化学过程进行研究,通过分析石笋物质的唯一来源)洞穴滴水来探讨其所包含的气候环境信息.1.洞穴滴水取得一系列成果1.1发现洞穴滴水对降雨量的滞后性张美良等人在桂林盘龙洞发现滴水对降水有滞后性，如2007年4月29日的暴雨(降水82mm)，盘龙洞Pd和P11点的滴水滞后时间分别约为4和7小时不等。而在上方地表覆盖的岩层厚度大、植被较好的常年性滴水点，滴水受降水的影响较小，桂林盘龙洞6个滴水点的监测表明，常年性滴水一般受降雨的影响较小，特别是在雨季的初期降水或月降水在40mm以下时，滴水点的滴水速率基本不受影响，洞穴滴水的滞后时间约515天。周运超等人采用NaCl示踪的方法, 对贵州珠江水系的4个岩溶洞穴(荔波凉风洞 都匀七星洞 安顺将军洞和镇宁犀牛洞)滴水点水的来源 滴水对大气降雨的响应尺度 水动力学过程等进行研究, 揭示出由于岩溶洞穴环境 水运移路径的联通性 水动力学过程等的不一致, 4 个洞穴的不同滴水点滴水对大气降雨响应的时间尺度为 040 天。七星洞2号滴水点滴水对大气降雨的响应时间尺度为2740 天。将军洞 1号 滴水点对大气降雨的响应时间为 09天, 犀牛洞1#滴水点滴水对大气降雨的响应时间为28天以上. 斯洛文尼亚 Postojnska Jama 洞的荧光剂示踪研究污染物的运移, 美国印第安纳Marengo洞的荧光剂示踪研究表层水和滴水有机物的季节变化以及以色列Soreq洞穴3H示踪研究滴水的传输时间等. 这些均显示出洞穴滴水对大气降雨的响应, 时间短的仅45 min, 长的可达30年左右。 王新中，班风梅等人在北京石花洞发现不同顶板厚度的滴水点对降雨的滞后性不同，其中的PL滴水点顶板最厚、水流路径长对降雨滞后在2030天，SH滴水点顶板厚度次之，以渗流水供应为主，滞后时间在015天，受降雨量影响较大。JG滴水点顶板厚度较薄，主要以较大孔径的孔隙供水管道为主，对降雨响应最敏感，雨季滴率变化范围大，一般降雨后02天滴率会迅速增加，暴雨后甚至出现连续滴水。1.2发现了蒸发效应对洞穴同位素有重要的影响 田立军，周厚云等人通过对广东宝晶宫的现代观测发现了蒸发效应会对洞穴滴水的氢氧同位素产生影响。自2011年9月至2012年12月对宝晶宫大气降水和洞穴滴水按月采集。同时在洞内测试了滴水速率、空气温湿度和通风风速等指标7，在洞外设置自动雨量计记录降雨量。在宝晶宫中选择微气候差异较大的两个滴水点进行对比观测，得到宝晶宫滴水的O18变化并不是继承自降水O18信号，前人观测到的滴水与降水O18都具有“雨季偏轻，旱季偏重”的变化特征可能“同构不同因”。洞穴滴水存在“蒸发效应”表明滴水O18并没有完全无偏继承降水，因此在对石笋氧同位素信号解译时要综合考虑降水信号和滴水“蒸发效应”的影响。已有研究发现生长地点接近洞口的石笋分O18比洞内同期石笋偏重。1.3初步得到了洞穴滴水水文化学性质及影响因素 班凤梅等人在北京石花洞研究表明滴水SO42-一浓度总体表现出旱季低而稳定、雨季高而变化明显的特点，SO42-浓度变化主要由滴水的快速排放引起，这与国内外洞穴滴水SO42-浓度变化明显不同。且滴水大部分硫并不直接来自于雨水8，由此推知，滴水硫主要来自于洞穴上覆顶板。石花洞滴水中的硫可能来自于大气污染物中的硫。 刘秀明等人对贵州四个同生态环境条件下的土壤洞穴系统，开展植被、土壤(包括水、气)、岩石层、洞穴滴水、现代沉积物、降雨及气候状况等多对象、多子系统、多层次研究。通过长期的野外监测工作及室内分析，获得以下几个方面的成果和认识：洞穴滴水中的碳同位素的轻重可以反映上覆土壤的的植被构成类型；不同的滴水点对大气降水的响应时间不同；萤光强度指标可以替代DOC，为直接利用石笋萤光强度判断洞穴顶板土壤DOC含量及其气候一环境变化的可行性和可靠性提供了佐证；氢、氧同位素信号传递过程及其受控因素：雨水氢、氧同位素值与降雨量呈负相关性，随降雨量的增加，雨水的氢、氧同位素值偏轻；洞穴滴水能响应顶板碳同位素信号，具体表现为滴水的碳同位素值有季节性变化：湿热季节偏轻，干冷季节偏重；不同水文过程对滴水点的碳同位素组成影响很大9；洞内、外有空气的交换对滴水的碳同位素组成影响相对较小，但对长期暴露于空气中的塘中水碳同位素组成的影响相对较大，表现出季节性变化明显大于滴水；洞内外空气的交换对于缓慢沉淀形成的石笋的碳同位素组成的影响是不容忽视的。 张乾柱等人在贵州石将军洞研究发现滴水点滴率时间分异特征分为季节变动型与常年稳定型两种滴水pH值年际变化，明显分为暴雨多发季节4-11月份的雨季pH值高值区与12-3月旱季低值区。石将军洞穴滴水滴率、pH值表现出从洞口到洞内逐渐趋于稳定的空间分异现象，洞穴滴水温度则越靠近洞口部受季节性影响愈强，变幅越大；反之，受季节影响愈弱，变幅越小。强度的石漠化对洞穴滴水的水文化学特征也有重要的影响。 Genty和Deflandre(1998)提出滞后是因为开始的降雨填充土壤空隙和基岩裂隙,最后才渗入洞穴,到雨季,土壤含水达到饱和,降雨很快渗入洞中,并保持稳定13C和微量元素反映气候变化和其它环境特征,湿润程度与13C反比,短期(年际或季节变化)反映CO2来源(C3/C4)大气CO2)和降雨,13C长期变化主要受植被类型控制,同时Mg/Ca受上覆灰岩/白云岩风化和降雨的影响。 奥地利Obir洞1998一2003共5年观测(降雨量!土壤CO2 ,13C等),认为18O和13C是受不同季节空气循环方向变化动力驱动的滴水电导率和HCO3-正相关,13C与HCO3-负相关.巴巴多斯(Barbados)洞穴研究总共2年的观测(%.700.7)总结出以下规律:热带全年温度变幅仅45。C,使18Op没有纬度/高度/大陆效应. 由周运超,王世杰等人在一个水文年内完成了对贵州凉风洞的滴水地球化学的观测研究,并通过同位素示踪的手段发现水在凉风洞顶板的运移以优先流为主,洞穴滴水对大气降雨的响应较快,而不同滴水点间存在着差异,同时,通过对岩溶地球化学研究,利用滴水中Ca2+,M犷离子浓度,以及Ca/Mg的变化,可以表明凉风洞滴水的化学组分主要来源于土壤,并因此推断出土壤的物理,化学以及生物学过程控制了洞穴滴水的物质组成特性,而由于凉风洞土被不连续的特点,土壤的差异同样也会影响到滴水的物质组成.同时,根据同位素示踪,Ca2+,mg2+离子浓度,以及Ca/Mg可以表明凉风洞滴水点的此生沉积物可能记录了环境变化信息,但是由于不同的滴水点还受到其他的作用过程的影响,可能对洞穴此生沉积记录信息也有一定的影响. 在张平中,陈一萌的研究里,通过研究了该研究区洞穴滴水,大气降水以及对应的此生沉积物的同位素变化,可以看出万象洞滴水的Ddw和18Odw与当地的降水有密切的成因联系它反映了当地降水的同位素组成,说明了研究区洞穴上覆岩层或土壤表面的蒸发过程对洞穴滴水的影响是相当微弱的,而且万象洞内现代的石笋形成在同位素平衡条件下,其洞穴滴水的18Odw和洞内现代管状钟乳石下部的18Odw数据可以近似的反映其洞外大气平均温度. 由周运超等人对贵州都匀七星洞的9个滴水点进行了为期1个水文年的动态观测,通过采集分析土壤水,洞穴滴水以及大气降雨的诸如滴率,PH,HC03一,SO42-,Ca2+,Mg2+,K+,Na+等指标,可以得出其滴水的物质组成直接来源于洞穴环境,即上覆土壤和基岩,而大气降雨携带的物质成分较少洞穴滴水的化学组成中的元素含量变化主要由水运移过程中水-土-水-岩作用导致的岩石溶解-方解石沉淀过程所控制。由于在水运移过程中的路径不同导致了各个滴水点的滴率也有不同的变化滴水中的Mg/Ca指示了大气降雨的变化,其变化的影响因素包括了洞穴顶板内水运移过程中水)土,水)岩作用下水文地球化学过程,方解石沉淀过程以及土壤物理,化学,生物学过程。 周文亮，姜光辉等人在桂林硝盐洞洞穴滴水的对滴速、电导率、pH值、Ca2+、Mg2+、Sr2+进行监测,结果表明)岩溶洞穴滴水的离子浓度与温度降水关系密切，高温多雨时节岩溶解作用加快洞穴滴水中Ca2+、Mg2+含量升高同时强降雨会导致离子：浓度产生很大波动；滴水化学性质受到土壤、基岩顶板厚度、滴水量等的影响土壤层越厚滴水中Ca2+含量越高；受”慢速补给”的滴水点其滴水量与离子浓度呈正相关性而受“快速补给”的滴水点其滴水量与离子浓度呈负相关性；同时接受两种方式补给的滴水点其滴水量和离子浓度变化剧烈且呈良好的正相关性。 衣成城，李延勇等人通过对芙蓉洞2006年3月一2009年2月期间泉水和洞穴滴水、池水的地球化学指标监测，结合当地的器测数据，初步认为洞穴滴水的Sr2+，Ca2+、Mg2+浓度及其比值既取决于环境降水和温度的变化，也受到上覆岩土作用的影响2. 研究存在的问题与展望 虽然国内在很多地方对洞穴滴水的水文化学特性进行了观测研究,取得了一系列的成果但是也存在一些不足,主要有以下几个方面： （1）洞穴滴水的水理性质：在洞穴形成初期上覆岩层比较厚，植被构成类型也与现在有所不同。在初期可能上覆岩层较厚，降水对洞穴上覆岩层的溶蚀作用可能会因为物质来源较为丰富而达到饱和状态，而在后期的形成过程中上覆岩层由于长时间的溶蚀，降水在顶板运移的过程中可能因为顶板元素的稀薄而无法达到饱和状态，无法准确的解释所携带的气候信息。 （2）数据的准确性：在国内不同地方，不同人做的研究数据的准确性尤为重要，可能由于设备和试验方法的不同都会造成数据存在一定偏差。比如说在测定金属元素时使用的元素标准溶液的标准不一样，会影响实验结果，在采样和现场测量过程中也会存在不规范性，也会导致实验数据出现偏差。因此在研究洞穴滴水的水文化学特征时要有一个统一的标准和方法。 （3）人类活动的影响：研究岩溶滴水现在的观测数据来得到滴水所携带气候信息，通过此来恢复岩溶沉积物形成的环境存在一个极大的缺陷。过去的环境受人类活动影响较微弱，现在人类活动对环境影响较大，因此通过岩溶滴水所携带的气候信息来研究气候变化要考虑人类活动的影响。人类活动会对植被气候，大气降水及物质组成都会产生重要的影响。 虽然洞穴滴水在研究全球气候变化中存在一些问题，但通过洞穴滴水形成的沉积物如石笋有很大的有，比如说石笋具有以下几个特点:(1)正常的沉积层序,年龄清晰;(2)体积小,易于搬运;(3)常为较纯的碳酸钙,是碳氧稳定同位素,14C,U系测年的最好对象(4)只要是岩溶地区洞穴发育,就有石笋生长因此鉴于石笋的这些优点目前利用洞穴次生沉积物研究气候一环境变化的许多工作主要是围绕石笋研究来进行。洞穴滴水研究还具有数据易获得，分辨率高等优点在研究全球气候变化中有着重要作用。参考文献：1陈桥,董明星等,洞穴水c扩十,Mg2+含量特征及其对次生化学沉积物发育影响)以重庆武隆芙蓉洞为例J,水土保持学报,2006.2(1):121一125.2陈伟海,朱学稳等,重庆武隆岩溶地质公园地质遗迹特征!形成与评价M,2004.3周运超,王世杰,贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析J,第四纪研究,2005.3(2):208213.4胡超涌,黄俊华,杨冠青等,湖北清江石笋的碳氧同位素组成及其古气候意义J,矿物岩石地球化学通报,2001,20(4):388一390.5蒋忠诚,岩溶动力系统中的元素迁移,地理学报J1,1999.9(5):438一443.6姜光辉,郭芳,曹建华等,峰丛洼地表层岩溶动力系统季节变化规律J,地球科学一中国地质大学学报,2003,28(3):341一345.7李彬,袁道先,林玉石等,桂林地区降水!洞穴滴水及现代洞穴碳酸盐氧碳同位素研究及其环境意义J,中国科学(n辑),2000.2(1):81一86.8李彬,袁道先,林玉石等,洞穴次生化学沉积物中Mg,sr,Ca及其比值的环境指代意义J,中国岩溶,2000.6(2):115一121.9李红春,顾德隆,赵树森等,北京石花洞地区水系氢氧同位素及氖含量研究)石花洞研究系列之一J,地震地质,1996,18(4):325一28.29.8刘东生,谭明,秦小光等,洞穴碳酸钙微层理在中国的首次发现及其对全球变化研究的意义仁J,第四纪地质,1997(1):41一51.10李彬,袁道先,林玉石等,桂林地区洞穴碳酸盐氧碳同位素的环境指代意义1,第四纪研究,1999,2:187.1l李彬,袁道先,林玉石等,桂林地区4万年来石笋高分辨率古生态变化记录J,第四纪研究,2000,20(4):81一87.12刘东生,谭明,秦小光等,洞穴碳酸钙微层在中国的首次发现及其对全球变化研究的意义J,第四纪研究,1997,(1):41