川东北心房洞溶洞系统水质监测结果分析

川东北心房洞溶洞系统水质监测结果分析

了解气候变化的特点、规律和控制机制是气候变化研究的重要内容之一。国内外利用洞穴次生沉积物(如石笋)气候代用指标(如δ18O)进行的古气候重建工作已取得许多令人瞩目的成果。但由于各研究区地质地貎气候环境等因素存在差异,许多学者认为石笋气候代用指标的解释存在不确定性或者多解性。而洞穴环境对洞穴沉积物的物理化学指标具有重要影响,通过研究洞穴环境各项指标在年际、季节尺度的变化特征,有助于解译洞穴沉积物形成机理及其记录的古气候信息。因此,进行现代洞穴监测是解决争议的有效途径,也是近年来国内外研究的热点之一。国外利用现代科学仪器进行洞穴观测已有百年历史。如Spötl等通过监测Obir洞洞穴滴水水化学和洞穴pCO2,发现洞穴pCO2和滴水pH值具有明显的季节变化;DeFreitas等对GlowwormCave进行了为期一年的洞穴空气凝结情况的监测,结果表明洞穴内外的空气交换可能会影响凝结速率;Šebela等通过研究斯洛文尼亚PostojnskaJama溶洞,发现洞穴气温和池水温度的季节变化除受客流量影响外,在很大程度上还受到洞穴通风效应的影响。在国内,张美良等通过对贵州盘龙洞8个滴水点进行2个水文年的监测,并分析滴水的电导率(EC)、Ca2+和HCO3-离子含量及pH值等变化趋势,认为洞穴滴水对大气降水和气温的响应较快,呈现出季节性的变化特征。周福莉等通过对重庆武隆芙蓉洞5个滴水点和2个池水点的多个水理化指标(pH值、HCO3-、EC、Ca2+、Mg2+、SO42-)以及滴水滴量和现代沉积物进行连续监测,发现芙蓉洞滴水中的金属离子主要来源于上覆岩层和土壤,其地球化学指标有一定的时空变化特征。关于川东北诺水河地区,此前已有学者对该地区溶洞沉积记录的过去气候环境变化信息进行了多方面的研究,发现该地区石笋的微量元素(如石笋中常见微量元素镁、锶、钡、氩等)等都可能与过去气候环境变化存在密切联系。但是,目前对石笋里各气候指标的解释还比较偏重于理论,为了验证前人研究中对石笋各指标变化控制机制所提出的理论,对川东北地区进行洞穴监测工作十分必要。本文选择该地区的楼房洞,通过对该洞穴系统的气温、相对湿度(RH)、CO2体积分数、水体电导率(EC)和pH值等环境指标进行监测,分析这些指标的时空变化特征,并探讨其控制机制。以期为解译洞穴沉积代用指标的气候环境指代意义提供科学依据。1洞穴自然概况楼房洞(32°25′46″N,107°10′48″E)位于四川省巴中市通江县诺水河风景区,与川陕交界处相距6km(图1)。洞穴围岩为晚二叠纪石灰岩,洞穴顶板厚约40~100m。该地区盛行典型的亚热带季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干旱,年均温约15℃,年均降水量约1000~1200mm,冬季粉尘活动较强;地表土壤较薄且主要来源于风成沉积物;植被以乔木为主,主要包括一些落叶阔叶树种和松、柏等。楼房洞全长约2000m,可供游览面积≥80km2。洞内发育有一地下河,在洞穴深处经一瀑布注入(图1的SLPB附近),在距离洞口不远处(图1的QCMY)流入一落水洞,经地下暗河注入洞外诺水河。2学习方法2.1洞穴内监测点点为研究楼房洞洞穴环境的时空变化特征,同时考虑外界与洞内环境的差异与影响,在洞内外共选择4个监测点:一号洞内监测点“水帘瀑布”(SLPB),离洞口最远、封闭环境条件较好,该点是地下河洞内出口处,常年流水;二号洞内监测点“秋池满盈”(QCMY),位于地下河末端落水洞附近;三号洞内监测点“罗帐连营”(LZLY),距洞口约45m,该点在一水池旁;四号监测点诺水河(HS),在洞外距离洞口约45m处。2.2温度、湿度测量u20042011年8月―2012年6月,笔者于每月中旬对楼房洞洞穴环境方面的气温、相对湿度、CO2体积分数、pH值、电导率进行的监测,监测时间集中在当日T14:00―16:00。对洞穴内外的气温和相对湿度使用浙江托普仪器有限公司生产的便携式温湿度监测仪TPJ-20进行测量,仪器量程分别是:温度-40~80℃、相对湿度为0~100%,精度分别为±0.4℃、±3%,分辨率分别为0.1℃和0.1%RH;洞穴内外的CO2体积分数使用浙江托普仪器有限公司生产的TPJ-26-I型便携式红外CO2仪进行测量,仪器量程为0~5000×10-6,分辨率为1×10-6,实验前,使用标准气体(0×10-6)进行校准,测试时,为了避免操作者的呼吸对CO2测试形成影响,将仪器放置距离操作者3~5m处;对水样pH值的测量使用的是BANTE220便携式pH计,测量范围为2.00~16.00,精度为±0.01,该仪器可以同时测量水体温度,测量范围为0~100℃,测量精度为±1℃;对水样电导率的测量使用的是上海般特仪器有限公司生产的BANTE540便携式电导率仪,测量范围为0~200mS/cm,精度为±0.5%F.S.。3结果与分析3.1洞穴内温度分布洞内外气温表现出明显的时空变化(图2)。洞穴内外各监测点的气温变化范围分别是:SLPB14.1~19.2℃、QCMY15~18.1℃、LZLY13.1~18.2℃、HS9.2~34.4℃。平均值依次为:HS21.6℃、SLPB16.5℃、QCMY16.1℃、LZLY15.8℃。根据数据可知,洞外气温的季节变化幅度比洞内大得多(表1),且夏季洞外气温明显高于洞内,冬季洞外气温低于洞内气温(见图2)。这与Spötl等对奥地利Obir洞穴的监测结果一致,显示了洞穴系统对气温变化的显著调节作用。通常认为,洞内空气常年温度与洞外年平均地表气温(SAT)有很强的关联,但洞外河水处的年均温达到21.6℃,与洞内年均温(16.1℃)差异较大。这主要是因为每次的监测工作是在午后进行,洞外一天内气温变化幅度较大且至午后气温较高,而洞内常年温差较小。洞内各观测点气温的季节变化达到3~5℃,虽然幅度比洞外小很多(HS点达到25.2℃),但季节性特征依然明显。这可能与楼房洞内有地下河贯穿有关,楼房洞地下河水流常年流淌,很大程度上加强了洞穴的通风效应以及洞内与洞外的空气交换,而这一点也在其他洞穴得到印证;此外,游客可能是一个影响因素。人体相对于洞穴是一个发热体,而夏季是客流高峰期,游客的增加也必然会有助于洞内气温上升,楼房洞年接待游客量达10余万人次,主要集中在5―10月;而冬季游客少,冬季洞内温度则基本体现自然背景值。3.2不同湿地对洞穴中空气流动性的影响洞穴内外各监测点的相对湿度变化范围分别是:SLPB75.3%~92.4%,QCMY79.6%~93.3%,LZLY79.2%~92.9%,HS36.2%~88%。各监测点相对湿度平均值依次为:LZLY87.7%;QCMY87.3%;SLPB84.3%;HS66.8%。可以看出,洞内各点空气的相对湿度比较接近,但都明显高于洞外空气的相对湿度。与气温变化类似,洞外相对湿度的季节变化幅度比洞内各监测点都大(见表1、图3)。推测其主要原因可能是洞外气温的季节变化幅度显著大于洞内(见图2)。洞内各观测点的相对湿度也存在一定的差异。例如,SLPB和QCMY处相对湿度平均值略小于LZLY处。原因可能是LZLY靠近洞内一个水池,来自池水面的蒸发对空气水汽有较大贡献;而SLPB和QCMY两个点靠近地下河,附近空气流动性比LZLY处强度大,这显示了地下河对洞穴环境的显著影响。一般情况下,空气流动性的强度与相对湿度高低成反向关系,空气流动性越强则相对湿度越偏向低值,因此导致地下河水附近的相对湿度相对于静态池水边较低,这同时也显示了地下河对洞穴环境的影响较水池更显著。洞内监测点SLPB和QCMY的相对湿度与空气温度表现出明显相反的变化趋势(图4)。相对湿度夏秋季低,冬春季高,这表明洞内较深处的监测点相对湿度季节变化主要受气温控制。类似的现象在北京石花洞、山东九天洞及广东宝晶宫(未发表数据)均有发现。而距楼房洞洞口较近的LZLY和洞外的HS处的相对湿度与气温的相关系数不高(图4),显示除了气温之外,这2处的相对湿度还受到其他因素(如降水)的影响。3.3洞穴外空气co体积分数CO2是岩溶动力系统重要的推动力,对洞穴CO2体积分数的监测是洞穴研究的重要内容。根据监测结果(见表1),洞内外各监测点的CO2体积分数变化范围依次为:SLPB(879~4298)×10-6、QCMY(876~3310)×10-6、LZLY(268~1222)×10-6、HS(232~644)×10-6;平均值依次为:SLPB处1935.4×10-6、QCMY处1748.6×10-6、LZLY处652.6×10-6、HS处429.8×10-6。洞外空气CO2体积分数明显比洞内各点低,且变化幅度较小,看不到明显的季节性变化。洞内各监测点之间的空气CO2体积分数存在明显差异。例如,位于洞内深处的SLPB和QCMY处的CO2体积分数明显高于靠近洞口的LZLY(图5)。原因是距离洞口的远近造成洞穴通风效应存在差异,靠近洞口的LZLY处空气与洞外沟通更加顺畅,CO2体积分数较低。洞内空气CO2体积分数呈现出显著的季节性变化,在夏秋季出现峰值,随后迅速下降,至次年春季略有回升,这种季节性变化的原因主要有以下4个方面:1)夏季高温多雨导致地表植被的呼吸作用加强,土壤空气的CO2体积分数大幅度上升,这导致更多的CO2进入岩溶地下水并最终进入洞穴空气之中;2)夏季时由于洞内空气温度低于洞外空气温度,洞穴空气由洞内流向洞外;冬季洞内气温显著高于洞外,空气由洞外流入洞内,故冬季稀释洞穴空气CO2体积分数及强度均较夏季大,导致洞穴通风效应在冬季显著加强,因此这种空气流动模式在一定程度上强化了洞穴空气CO2体积分数夏高冬低的季节变化特征;3)夏季雨水增加导致地下水在土壤层和上覆石灰岩地层中的运移加快,更多的土壤空气CO2通过“泵”效应进入到岩溶洞穴之中。2011年9月在楼房洞洞内各监测点观察到的CO2体积分数显著上升(见图5)就与这一机制有关,当时是在一次持续强降水之后检测的(当月降水量达413.6mm);4)洞穴的客流量也有一定的影响。游客的呼吸作用也对洞穴空气CO2体积分数增加有一定贡献,夏秋季正值洞穴旅游高峰期,游客活动的增多也在一定程度上增加了洞内CO2体积分数。3.4ph值的季节变化监测结果显示楼房洞洞内外各监测点的pH值的变化范围分别是:SLPB7.76~8.49、QCMY7.45~8.43、LZLY7.30~8.86、HS7.55~9.46。平均值依次为:HS8.49、LZLY8.24、SLPB8.08、QCMY7.25,即偏碱性,这与其所处地区(岩溶区)有关。无论是洞外河水还是洞穴内岩溶地下水,pH值的变化均表现出显著的季节性特征,而且整体趋势基本一致,即pH值在夏秋季节高于冬春季节(图6)。在降水量较多、温度较高的时期,生物呼吸作用较强,产生更多的CO2进入岩溶区水体,形成对基岩具有溶蚀力的碳酸水。同时,在湿热多雨期,岩溶裂隙饱水,含有较高pCO2的岩溶水不易脱气,也将形成溶蚀能力较强的碳酸水,最终水体的碱性增加消耗H+引起pH值升高,冬季则相反。通过对比各监测点水体中Ca2+离子质量分数变化(数据另文发表),发现其与pH值的变化具有很好的一致性。这可能反映了在温度较高、降水较多的时期确实有更多的石灰岩被溶解。3.5洞穴内监测点ec值季节变化根据监测结果,洞穴内外各监测点的EC值变化范围分别是:SLPB260~333uf06dS/cm、QCMY259~332uf06dS/cm、LZLY263~340uf06dS/cm、HS125~218uf06dS/cm,平均值从大到小依次为:LZLY294uf06dS/cm、QCMY292uf06dS/cm、SLPB291uf06dS/cm、HS185uf06dS/cm。整体上洞内各监测点的EC值比较接近,但都显著高于洞外的河水(见表1、图7)。这反映了洞内的岩溶地下水与土壤层和石灰岩围岩有较长的接触时间和更强的水-岩相互作用,同时岩溶地下水含有较高不易脱气的pCO2也将形成溶蚀能力较强的碳酸水,从而溶解了更多的岩石和土壤物质,使其具有更高的离子含量(这也得到了实测的各种金属离子含量数据的支持,数据将另文发表)。楼房洞洞内外监测点的EC值变化总体呈现出一定的季节变化特征(见图7)。其中,SLPB和QCMY处EC值大小和变化趋势基本相同,可能反映该地下水在贯穿楼房洞的整个过程中各种离子组成和含量相对稳定。除了2011年9月,洞穴3个监测点的EC值季节变化趋势与pH值一样,也是夏秋季节高于冬春季节(见图7)。这说明气候变化导致的化学溶蚀作用(针对地表土壤和石灰岩围岩)变化是影响地下河水和池水EC值季节变化的主要因素。该区位于季风区,在高温多雨的夏秋季,土壤水溶蚀能力增强,更多的土壤和基岩矿物被溶蚀,使水体的离子总含量上升,EC值升高。河水EC值季节变化的总体趋势似乎与洞内各监测点相反(见图7),可能反映了对于地表水而言,区域降水量的变化导致稀释效应的季节变化是影响河水EC值季节变化的主要因素。例如,从2011年12月―2012年5月,研究区降水普遍较少(平均每月25.4mm),而这一时期的地表河水EC值较高(见图7)。2011年9月的强降水事件导致河水EC值显著下降(见图7),也反映了稀释效应的影响。对应的洞内2个地下河观测点EC值也表现为明显低值,而且反映与洞外水文联系较强的观测点的EC值在强降水事件中也可能受到稀释作用的影响。不过,这次事件中地下河水的pH值出现了明显下降,而SLPB和QCMY处的pH值却并没有表现出类似的下降(见图6)。造成这种差异的原因目前尚不清楚,有待今后进一步研究。洞内池水LZLY处的EC值在2011年9月不仅没有下降,反而表现出一定的上升(见图7),反映了主要接受滴水补给的池水水文化学对外界降水的响应与地下河水存在明显差异。可能是该次强降水中部分储存在上覆石灰岩地层中的“化石”岩溶水被带入楼房洞内。4洞穴监测结果的分析对川东北楼房洞4个监测点(SLPB、QCMY、LZLY、HS)的气温、相对湿度、CO2体积分数、水体pH值和电导率等进行为期近1年的监测,结果显示:1)楼房洞洞内SLPB、QCMY、LZLY处全年平均气温基本与当地全年平均温度相当,洞内气温具有一定的季节变化,变化趋势与洞外一致,但变化幅度显著小于洞外。这是洞穴调节气温、通风效应和游客等因素共同影响的结果。2)洞内各点空气的相对湿度显著高于洞外,但季节变化幅度比洞外略小;洞内SLPB和QCMY处相对湿度平均值略小于LZLY处,原因可能是LZLY受到来自池水面的蒸发对空气水汽的贡献,而SLPB和QCMY两个点靠近地下河,附近空气的流动性比LZLY强;洞内监测点SLPB和QCMY的相对湿度季节变化趋势与空气温度相