（第四纪地质学专业论文）芙蓉洞洞穴水化学指标及现代碳酸盐沉积特征研究.pdf

两南大学硕十学位论文摘要 芙蓉洞洞穴水化学指标及现代碳酸盐沉积特征研究 第四纪地质学专业硕士研究生叶明阳 指导教师王建力教授 摘要 高分辨率洞穴石笋记录研究已成为当前国际古气候研究的重点。石笋中可以 提取出诸如6 1 8 0 和6 1 3 c 、微量元素及生长速率等多种气候代用指标。 当今石笋古气候研究的重点在于利用其稳定氧碳同位素重建古气候，并利用 高精度的u t h 测年数据，对一系列气候突变事件进行对比研究。然而关于洞穴次 生化学沉积物沉积机理及其对外界环境变化的响应机制等研究却有待深入。洞穴 水既是洞穴沉积的物质传输媒介，也是气候信号的携带者，对其进行长期观测有 利于了解洞穴水的水化学特征及各种指标在碳酸盐沉积过程中的变化特征，并且 对进一步探索石笋生长机理、解译石笋中各种指标对古气候信息的记录等方面有 重要意义。 重庆市芙蓉洞是世界自然遗产地- 中国南方喀斯特”的重要组成部分，2 0 0 5 年开始，在洞内选取两处滴水( 1 f ，3 ) 和两处池水( 2 ，甜) 进行定点观测，获取四处 洞穴水的p h 、电导率和h c 0 3 。、s 0 4 厶、c l 。、c a 2 + 、m 孑+ 、k + 、n 矿离子浓度等化 学指标。本文着重分析了四处洞穴水的p h 、水化学类型、c a 2 + 、m 矿+ 、m g c a 比 值、方解石饱和指数( s i c ) 、c 0 2 分压( p e 0 2 ) 在观测期间的变化特征，并对这些指标 与降水的响应关系进行了初步探讨。 ( 1 ) 2 0 0 6 年1 1 月一2 0 0 8 年1 0 月，四个观测点洞穴水的p h 波动较大，且均在 降水量较大的月份1 2 个月之后明显降低，是降水对岩溶水的稀释作用导致的。 一年中，两处滴水的水化学类型稍有波动，大部分时间属h c 0 3 - c a 2 + - m 9 2 + 型，但 在雨季之后，转变为h c 0 3 - m 9 2 + c a 2 + 型：两处池水的水化学类型较为稳定，属于 h c 0 3 - m 矿+ c a 2 + 型。 各个观测点洞穴水的离子所占比重在一个观测年中波动较小。其中，h c 0 3 。 含量在阴离子中占的比重极高，四个点均超过8 5 ，s 0 4 2 。和c 1 含量较低；在阳离 子中四个观测点的c a 2 + 、m 9 2 + 含量之和大于9 5 。 ( 2 ) 观测期间，c a 2 + 浓度整体呈现每年7 1 2 月高于1 “月的规律，一年中m 9 2 + l 两南大学硕十学位论文摘要 表现出波动期与稳定期交替出现的特点，是研究区温度和降水的季节变化导致的。 由于夏秋季节温度较高，土壤生物呼吸、微生物分解等作用更加强烈，形成的岩 溶水酸性相对较强，下渗时能够溶解更多的碳酸盐物质使岩溶水离子浓度升高。 温度和降水分别主导岩溶水溶质和溶剂的变化，它们共同决定着岩溶水的离子浓 度。高温少雨的水热组合形成的岩溶水中的各种离子浓度偏大，有利于碳酸盐类 物质的沉积。 2 0 0 6 年9 月各个观测点的c a 2 + 、m f + 浓度均呈现大幅增加的现象可能是对当 年夏季重庆大旱的响应，表明洞穴水c a 2 + 、m 矿+ 浓度的变化对干旱气候事件的响 应非常敏感，短期干旱形成的洞穴水碳酸盐沉积速率可能更快。c a 2 + 、m 孑+ 浓度在 2 0 0 7 年夏季重庆遭遇特大洪涝后出现波动现象是强降水的稀释作用造成的，但各 点对强降水事件的响应在时间上稍有差异。 ( 3 ) 四处洞穴水的m g c a 比值的变化趋势在一年中可分为升高和降低两个阶 段，具体表现为每年1 、2 月到9 、1 0 月，m c a 比值逐渐减小；9 、1 0 月到1 、2 月，m g c a 比值逐渐增大。根据初步研究，芙蓉洞洞穴水滞后于降水1 2 月，可 见，m c a 比值基本呈现从冬季到夏季逐渐减小，从夏季到冬季逐渐增大的特点。 “) 2 0 0 6 年1 1 月到2 0 0 8 年l o 月，四个观测点在大部分时间为过饱和水，一 年中不饱和的时间仅为1 2 个月，说明洞内正在沉积次生碳酸盐；由于池水在洞 中的时间较长已经发生了碳酸盐的沉积，因此同一季节滴水的s i c 均大于池水。 降水量相对较大的月份之后的l 2 个月，各个观测点洞穴水的p c 0 2 升高，p h 降低，s i c 降低的现象，是由降水的稀释作用导致的。温度适宜时降水的稀释作用 对碳酸盐沉积的影响起主导作用。因此，次生碳酸盐的沉积状况是对外界温度和 降水变化的反映，且降水量的变化是洞穴水呈现过饱和与不饱和交替变化的主要 原因，最终导致碳酸盐沉积的季节变化。 关键词：芙蓉洞洞穴水c a 2 + 、m 9 2 + 浓度m g c a 比值次生碳酸盐沉积 l i 两南大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t 曼曼曼曼曼量曼量量鲁皇曩i mm lo 曼= m_ 量置皇量皇量皇曼曼量曼皇曼曼寰量置 p r i m a r yr e s e a r c ho nt h eg e o c h e m i s t r yo f c a v ew a t e ra n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v ec a r b o n a t ed e p o s i t si nf u r o n gc a v e m a j o r ：q u a t e r n a r yg e o l o g y n t o r ：p r o f 後n gj i a n l i p o s t g r a d u a t e ：y em i n g y a n g a b s t r a c t h i g h 。r e s o l u t i o nr e c o r d sf i - o ms t a l a g m i t eh a v eb e c o m et h ef o c u so fp a l e o c l i m a t e r e s e a r c h v a r i o u sp r o x i e sc a l lb ee x t r a c t e df r o ms t a l a g m i t e ，s u c ha sj 18 0a n dj 13 c ，t r a c e e l e m e n t s ，g r o w t hr a t e ，a n ds oo n t h ep a l a e o c l i m a t i cr e s e a r c h e sv i as t a l a g m i t ef o c u s e so nt h eu s a g eo fo x y g e na n d c a r b o ns t a b l ei s o t o p e st or e c o n s t r u c tp a l e o c l i m a t eu n d e rh i g h - p r e c i s eu t hd a t i n go n a s e r i e so fc o m p a r i s o ns t u d yo fc l i m a t ee v e n t s h o w e v e r , t h ed e p o s i t i o nm e c h a n i s m so f s p e l e o t h e m sa n di t sr e s p o n s i b i l i t yt o t h ec h a n g e so fe x t e r n a le n v i r o n m e n ts h o u l db e s t u d i e dd e e p l y t h ec a v ew a t e ri sn o to n l yt h ec a v es e d i m e n t a r ym a t e r i a lt r a n s m i s s i o n m e d i u m ，b u ta l s ot h ec a r r i e ro fc l i m a t i ci n d i c a t o r , s ol o n g - t e r mm o n i t o r i n gi nc a v e s h o u l db eb e n e f i c i a li nu n d e r s t a n d i n gt h eh y d r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a v ew a t e r a n dh o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u si n d i c a t o r sc h a n g e dw h e nt h e ms a v e di n t o s p e l e o t h e m s f u r o n gc a v e ，c h o n g q i n g ，c h i n a , i sa i li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e “s o u t hc h i n a k a r s t w h i c hi n v o l v e di nt h ew o r l dn a t u r a lh e r i t a g ei n2 0 0 7 f o u rs i t e sh a db e e n s e l e c t e df o ral o n gt e r mm o n i t o r i n gi nf u r o n gc a v ef r o mo c t 2 0 0 5 ，i n c l u d i n gt w od r i p w a t e rs i t e s ( 1 # ，3 撑) a n dt w op o o ls i t e s ( 2 撑，4 彬r e s p e c t i v e l y t h ep h ，t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o no fh c 0 3 i nw a t e rs a m p l e sh a db e e nt e s t e do nt h es p o t t h e nt h ew a t e r s a m p l ew e r ea n a l y z e df o rt h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e rm a i ni o n si nt h el a b o r a t o r y ( e g s 0 4 2 ，c r ，c a ”，m 矿+ ，k + ，n a * ，e t c ) ，a n dt h ev a l u eo fm g c a , t h ep c 0 2 ( p r e s s u r eo fc 0 2 ) a n dt h es i c ( s a t u r a t i o ni n d e xo fc a l c i t e ) w e r ec a l c u l a t e d a f t e rt h ep r e l i m i n a r ys t u d y , w e c a ng e ts o m ec o g n i t i o nw h i c hw e r es h o w ni nt h ef o l l o w i n gt e x t ： ( 1 ) d u r i n g2 0 0 6 1 1t o2 0 0 8 1 0 ，i nt h ea l lf o u rs i t e s ，t h ep ho f c a v ew a t e rf l u c t u a t e l a r g e l ya n dr e d u c eo b v i o u s l yl a g1t 02m o n t h st ol a r g ea m o u n to fp r e c i p i t a t i o ni nt h e y e a r , t h i ss h o w st h es i g n i f i c a n td i l u t i o ne f f e c ti nt h ek a r s ta q u i f e rw h i c hc a u s e db y p r e c i p i t a t i o n i nay e a r ，t h eg e o c h e m i s t r yf e a t u r e s o ft w od r i p p i n gw a t e r c h a n g e d s l i 曲t l y ，a n di tc a nb ed e f i n e da st h eh c 0 3 - c a 2 + m g z + w a t e rd u r i n gm o s to ft h et i m e f o l l o w i n gt h e r a i ns e a s o n , t h i sc a l l t u r nt o h c 0 3 。m g z + c a 2 + t y p e ；w h e r e a st h e i i i 西南大学硕十学位论文a b s t r a c t 置量量量皇皇鲁量舅! ( mmn 皇曼曼鼍曼舅皇曼曼量罾皇寡曼曼曼量曼鼍曼量 g e o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w op o o l sw a t e ra r em o r es t a b l ea n dc a nb et e r m e d a sh c 0 3 - _ m 9 2 + c a 十w a t e r t h er e l a t i v ep r o p o r t i o no ft h ei o n si nc a v ew a t e ro ft h ef o u rs i t e sh a sas l i g h t v a r i a t i o nd u r i n gt h em o n i t o r i n gp e r i o d t h ec o n t e n to fh c 0 3 i nt h ea n i o no c c u p i e sa v e r yh i g hp r o p o r t i o n ，f o u rs i t e sa l le x c e e d8 5 ，i nt h ec a t i o n ，t h es u mc o n t e n to fc a 十 a n dm g + i se x c e e d9 5 ( 2 ) t l l ec o n c e n t r a t i o no fc a + a n dm 矿十h a sac y c l i cc h a n g ei nay e a rt i m e s c a l e ， w h i c hi sm u c hh i g h e rf r o mj u l yt od e c e m b e rt h a nt h a tf r o mj a n u a r yt oj u n e 咖l et h e c o n c e n t r a t i o no fm g + s h o w sf l u c t u a t i o n st o o ，b o t ho ft h e ma r ed o m i n a t e db yt h e s e a s o n a lt e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o nc h a n g e t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o na r et h e m a j o rf a c t o r sw h i c hc o n t r o lt h ec h a n g e so fs o l u t ea n ds o l v e n ti nk a r s tw a t e r ，s a m ea s d e t e r m i n i n gt h ei o n sc o n c e n t r a t i o n t h e r ei sh i g h e ri o n sc o n c e n t r a t i o ni nc a v ew a t e r w h e nt h ec o n d i t i o n so u to fc a v ea r ei nh i g ht e m p e r a t u r ea n dl e s sp r e c i p i t a t i o n t h e i n c r e a s eo fi o n sc o n c e n t r a t i o ni sp r o p i t i o u st ot h ed e p o s i t i o no fc a r b o n a t e s b o t ho ft h ec o n c e n t r a t i o no fc 矿a n dm 矿+ b e c a m eh i g h e ri ns e p t e m b e r2 0 0 6 ， w h i c hs h o w e dt h a tt h ec a v ew a t e ri nf u r o n gc a v er e s p o n d e dv e r ys e n s i t i v e l yt ot h ed r y w e a t h e r , a n dt h i sd r yw e a t h e rp e r i o dr e s u l t si nh i g h e rc o n c e n t r a t i o no ft h ei o n s a c c e l e r a t i n gt h ed e p o s i t i o no fc a r b o n a t e s n ed i l u t i o ne f f e c to f t h er a i n s t o r md u r i n gt h e s u m m e r , 2 0 0 7 ，h a dc h a n g e dt h ec o n c e n t r a t i o no fi o n si nt h ec a v ew a t e r b u tt h el a gt i m e i ss t i l ld u b i o u si nd i f f e r e n ts i t e si nf u r o n gc a v e ( 3 ) t h ev a l u eo fm g c ao ft h ef o u rc a v ew a t e rc a i lb ed i v i d e di n t ot w op h a s e si na y e a r i ng e n e r a l ，t h ev a l u eo fm g c as h o w sd e c r e a s i n gf r o mw i n t e rt os u m m e r , a n d i n c r e a s i n gf r o ms u m m e rt ow i n t e r ， ( 4 ) i nm o s tm o n t h sf r o m2 0 0 6 1 lt o2 0 0 8 10 ，t h ew a t e ro ft h ef o u rs i t e si s o v e r s a t u r a t e dt oc a l c i t e ，w h i c hs h o w st h ea c t i v ed e p o s i t i o no fc a r b o n a t e f u r t h e r m o r e ， t h es i co f d r i pw a t e rw a su s u a l l yh i g h e rt h a nt h a to fp o o lw a t e ri nt h es a m es e a s o n t l l i s s h o u l da t t r i b u t et ot h ed e p i s i t i o no fc a r b o n a t ei np o o lw a t e rw h i c hd on o to c c u ri nd r i p w a t e rb e c a u s eo f t h e d r i p p i n g i na b o u t1 2m o n t h sa f t e rt h ea b u n d a n tp r e c i p i t a t i o n ，p c 0 2o ft h ef o u rc a v ew a t e r i n c r e a s e d ，b e c a u s eo ft h ed i l u t i o ne f f e c t ，w h i l ep ha n ds i cr e d u c e d s ot h ee f f e c to f p r e c i p i t a t i o nd i l u t i o nd o m i n a t e dt h ed e p o s i t i o nw h e nt e m p e r a t u r ei si no r d e r r a i n f a l l m a y b ei st h ek e yf a c t o rf o r t h ed e p o s i t i o na n dl e a dt ot h ea l t e r n a t i o nb e t w e e ns a t u r a t i o n a n du n s a t u r a t i o n ，w h i c he v e n t u a l l yl e a dt ot h es e a s o n a ld e p o s i t i o no fc a r b o n a t e s h e a v y p r e c i p i t a t i o ni sa d v e r s et oc a r b o n a t ed e p o s i t i o n k e y w o r d s ：f u r o n gc a v e ，g e o c h e m i s t r y , c a v ew a t e r , c a + a n dm 矿+ ，m g c a , s i c ， i v 独创性声明 学位论文题目： 芸蓥涸涸峦丞丝堂指拯厘班岱毯酸垒 沉抠挂延班究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者、叶1 可a 平日签字日期：岁 年辱月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名：1 , - t - 1 , j 丑下日 导师签名： 签字日期：z 7 年牛月牙日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：) 们，尹年午月夕i i 电话： 邮编： 两南大学硕十学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 洞穴次生沉积物与古气候研究 地球系统及其各子系统是人类赖以生存和获取能量的空间。为了了解地球系 统的变化规律，掌握其变化的控制因子，预测该系统的发展方向，减小大的灾害 性事件发生的可能性或尽量减小危害，做到趋利避害，从上世纪8 0 年代初提出， 并陆续实施全球变化及其影响的研究。全球变化的研究对象是地球系统及各个圈 层的维持、运行机制和变化规律，以及人类活动对地球环境的影响( 叶笃正等， 1 9 9 4 ) 。目前正在进行的全球变化研究主要由四个内容上密切联系又彼此相对独立 的国际研究计划构成，分别是：国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、全球环境变化人文 计划( i h d p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 和生物多样性计划( d i v e r s i t a s ) 。这些 研究计划各有侧重，但围绕一个共同的目标：逐步减少对地球系统演变规律认识 的不确定性，提高对未来几十至几百年内地球气候与环境变化的预测能力，为人 类开发自然资源、控制污染及全球环境宏观决策提供科学依据( 张志强等，1 9 9 9 ；张 兰生等，2 0 0 0 ) 。 过去全球变化( p a g e s ：p a s tg l o b l ec h a n g e s ) 是全球变化研究的核心计划之一， 要求将一定时期的古气候、古环境进行全球对比，以揭示其变化的区域差异和驱 动机制( 张兰生等，2 0 0 0 ) 。因此必须在全球范围内，利用广泛存在的记录了地球系 统变化信息的各类沉积物，进行全球对比。在时间尺度上，第四纪以来这段地质 时期距离现代最近，各种气候记录保存良好，能够较清晰的揭示2 m ab p 的全球变 化。其中2 0 k ab p 的古气候变化对人类关心的未来全球变化提供的参考价值最大， 成为过去全球变化研究中的重中之重( 李廷勇，2 0 0 7 ) 。 随着各种实验测试技术的不断提高，人类已经利用冰芯( 姚檀栋等，1 9 9 7 ，2 0 0 6 ； t h o m a s o ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 、黄土和古土壤( 刘东生等，1 9 8 5 ，1 9 9 0 ；a n ，e ta 1 ，1 9 9 1 ；p o r t e r , e ta 1 ，1 9 9 5 ；郭正堂等，1 9 9 6 ) 、珊瑚礁( 余克服等，2 0 0 1 ) 、树木年轮( f a r q u h a r , e ta 1 ， 1 9 8 2 ) 、大洋沉积物( b o n d ，e ta 1 ，1 9 9 5 ) 、湖泊纹泥( 王苏民等，1 9 9 9 ；z o l i t s c h k a , e ta 1 ， 1 9 9 9 ) 和洞穴沉积物( b a k e r , e ta 1 ，1 9 9 3 ；汪永进等，2 0 0 2 ) 等各种古环境感应体( 黎廷 宇，2 0 0 4 ) 及考古和历史文献记载对2 m ab p 的古环境状况及其变迁和主要的气候 事件进行较细致的研究。 近年来高分辨率、高灵敏的t i m s 、a m s 及i c p m su t h 测年技术的引入和 两南大学硕十学干 7 ：论文第1 罩绪论 发展，特别是石笋年层概念的提出，使建立石笋可靠的系列时标成为可能( b a k e t a l 。，1 9 9 3 ) ，岩溶洞穴石笋的古气候古环境研究得到快速发展，成为过去全球变化研 究的重要指标。石笋研究具有以下特点( 李彬等，1 9 9 8 ；章程等，2 0 0 1 ；张会领等， 2 0 0 4 ) ：( 1 ) 分布广泛。全球岩溶面积约0 2 1 0 8k n a 2 ，从滨海到内陆，从热带到寒 带都可以找到石笋。( 2 ) 时间跨度大。岩溶石笋的古气候记录，从现代可以追溯到 数千乃至几十万年。( 3 ) 受外界干扰小。石笋一般发育在洞穴中，风化侵蚀等外动 力地质作用一般不会对其产生影响，保存的信息完整。( 4 ) 生长机制对外部环境敏 感。石笋中的稳定同位素、微量元素等，都可以敏感地反映地表环境的变化。( 5 ) 代 用指标丰富。洞穴化学沉积物古环境重建常用的古环境指标有8 0 和j 1 3 c 稳定同 位素( 汪永进等，2 0 0 2 ；李廷勇等，2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 、生长率( 邵晓华等，2 0 0 3 ) 、m g c a 比 值( r o b e r t s ，e ta 1 ，1 9 9 8 ) 、微层( 秦小光等，1 9 9 8 ) 、灰度、微量元素( 李彬等，2 0 0 0 ；马 志邦，2 0 0 2 ；李廷勇等，2 0 0 6 ) 等十余种。多指标的环境解译体系，增加了古环境重 建的正确性。( 6 ) 可建立精确的时标。i c p m s 测试技术的引入，使得利用较少的 石笋样品，获取高精度的“绝对年代 数据成为现实。( 7 ) 采样成本低廉。正是洞 穴石笋的这些优点，使其成为一种不可多得的陆地古环境信息源，成为当前国际 古气候研究的重点( f a i r c h i l d ，e ta 1 ，2 0 0 0 ；汪永进等，2 0 0 2 ；w a n g ，e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 当前，石笋古气候研究的重点在于利用其稳定氧碳同位素重建古气候，并利 用高精度的帆测年数据，对一系列气候突变事件进行对比研究。我国西南地区 灰岩分布广泛，发育了很好的岩溶洞穴及洞穴沉积物，为研究我国西南地区的古 气候特点、重建古气候模型提供了条件。 1 2 洞穴水研究现状 洞穴水既是洞穴沉积的物质传输媒介，也是气候信号的携带者，对其进行长 期观测有利于了解洞穴水的水化学特征及各种指标在碳酸盐沉积过程中的变化规 律及其对外界环境变化的响应机制，并且对进一步探索石笋生长机理、解译石笋 各种指标对古气候信息的记录等方面有重要意义( 王新中等，2 0 0 5 ；周运超等，2 0 0 5 ； 张美良等，2 0 0 7 ；李廷勇，2 0 0 7 ，2 0 0 8 ) 。恰当的选择指标是研究岩溶水的基础，当前 国内外学者已经开始对洞穴水进行多方面的监测研究，取得的成果主要集中在洞 穴水的水文特征( 周运超等，2 0 0 5 ) 、化学组份来源和运移过程( 王新中等，2 0 0 5 ) 、d i s o 和6 1 3 c ( 李彬等，2 0 0 0 ；张平中等，2 0 0 4 ) 、微量元素变化等指标的气候环境意义 以及洞穴上覆土壤对洞穴水地球化学特征的影响( x i e ，e ta 1 ，2 0 0 8 ) 等方面。 2 西南大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 贵州凉风洞的滴水研究 周运超等人对贵州凉风洞的滴水地球化学特征进行了观测( 周运超等，2 0 0 4 ) ， 通过同位素示踪手段发现岩溶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，不同滴水点之间存在差异。通过对岩溶水中c a 2 + 、m 孑+ 离 子浓度，以及c a m g 比值变化的研究，得出凉风洞滴水的化学组分主要来源于土 壤，并推断土壤的物理、化学、以及生物学过程控制着洞穴滴水的物质组成特性， 而且土壤的差异能够影响滴水的物质组成。 ( 2 ) 甘肃万象洞的滴水研究 张平中等人通过研究洞穴滴水、大气降水以及对应的次生沉积物同位素变化 ( 张平中等，2 0 0 4 ) ，得出万象洞滴水的扣d w 和j 1 8 0 d w 与当地的降水有密切的成因联 系，能够反映当地降水的同位素组成，表明上覆岩层或土壤表面的蒸发过程对洞 穴滴水的影响很微弱，而现代石笋形成在同位素平衡条件下，其洞穴滴水的6 1 8 0 d w 和洞内现代管状钟乳石下部的6 1 8 0 眦数据可近似的反映洞外大气平均温度。 ( 3 ) ，北京石花洞的滴水研究 王新中等人通过对北京石花洞的c a 2 + 、m 9 2 + 、s 0 4 2 等的观测( 王新中等，2 0 0 5 ) ， 得到了以下结论：雨季降水可通过土壤较大孔隙向下运移供应洞穴滴水，而旱 季土壤水不饱和使部分滴水点断流。土壤自身组分的季节淋溶液直接影响滴水化 学组成，其中比较明显的是土壤中的c a 2 + 、m f + 淋溶引起滴水中该组分的明显增 加；滴水中c a 2 + 浓度夏季较高，在8 月中旬出现峰值，表明有较大沉积量，石 笋暗层可能形成于这个时期；北京石花洞洞穴沉积物中m c a 比值可以反映滴 水中m g c a 比值的变化，进而反映外界气候环境条件的改变( 干湿条件) ；雨季 滴率对降雨快速响应，雨季地表降水通过较大的孔隙以优先流的形式供应滴水， 滴水中m 孑+ 、s 0 4 2 。的变化都表明雨季滴水主要来源于当季降水。 ( 4 ) 贵州犀牛洞的滴水研究 2 0 0 4 - - 2 0 0 5 年，周运超等人对贵州犀牛洞滴水滴率和水化学组成进行连续观测 发现( 周运超等，2 0 0 5 ) ：由于人类活动剧烈，犀牛洞地区植被为刺丛草坡，使洞顶 土壤紧实，通透性较差，水在洞穴顶板的运移以基质流为主，洞内滴水对大气降 水的响应较快，为2 8 天左右。岩溶地球化学研究表明，犀牛洞滴水的化学组分主 要来源于土壤和岩石，土壤的物理、化学和生物过程对洞穴滴水的物质组成特性 也有影响。在洞穴顶板内，水运移的动力过程中一般会发生水源改变、稀释作用、 岩石溶解和方解石沉淀等，但几个滴水点主要受控于岩石的溶解和方解石的沉淀 两南大学硕十学位论文第1 章绪论 作用，表明犀牛洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。由于不同的滴 水点还受到其他的作用过程的影响，这对洞穴次生沉积记录信息有一定影响。 ( 5 ) 贵卅i 七星洞的滴水研究 由周运超等人对贵州都匀七星洞的9 个滴水点进行了1 个水文年的动态观测 ( 周运超等，2 0 0 6 ) ，通过采集、分析土壤水、洞穴滴水以及大气降雨的诸如滴率， p h 、h c 0 3 。、s 0 4 厶、c a 2 + 、m 矿+ 、k + 、n 矿等指标，得出其滴水的物质组成直接来 源于洞穴上覆土壤和基岩，而大气降雨携带的物质成分较少。洞穴滴水的化学组 成中元素含量的变化主要由水运移过程中水土、水岩作用过程中的岩石溶解方 解石沉淀过程所控制，由于水运移过程中路径的不同导致了各个滴水点的滴率也 有不同的变化。滴水中的m c a 指示了大气降水的变化，其变化的影响因素包括 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。 ( 6 ) 广西盘龙洞的滴水研究 张美良等人对桂林南部的盘龙洞内滴水、流水进行了一个水文年的动态监测 研究( 张美良等，2 0 0 7 ) ，发现洞穴滴水主要来源于大气降水的入渗，是岩溶洞穴内 的低能量的渗流水，它受控于水土一岩的相互作用，对大气降水的响应较快，其记 录的滴水特性直接反映大气降水的物理、化学特征，并系统地记录了滴水溶侵蚀 和沉积过程，以及与生态环境和石漠化的演化历史。常年性滴水的动态监测，揭 示在夏半年( 5 1 0 月) 是新碳酸盐的主要沉积时段，表现出新碳酸盐的沉积具有与雨 热同季的特点。暴雨或季节性滴水基本保持了雨水的物理化学特性，滴水量大， 滴速快，因而具有较强的溶侵蚀作用，导致盘龙洞石笋p a 、p b 、p c 形成后被溶一 侵蚀的体积分别达3 3 98 7 2c m 3 、1 36 8 0 c m 3 和3 37 9 2 e m 3 ；在冬半年，常年性滴水 由于滴速、滴量较小，其溶一侵蚀作用较弱；而在夏半年，由于滴水的饱和度高， 沉积量大，往往将冬半年形成细微的滴溶蚀凹坑或孔穴填平补齐。 ( 7 ) 芙蓉洞洞穴水及洞穴沉积物研究进展 2 0 0 5 年1 0 月，在王建力教授和李红春教授的带领和指导下，李廷勇、王听亚、 唐亮亮等组成研究小组，开始展开对芙蓉洞洞穴水的水文水化学特征及周边环境 的定点连续观测和实验分析，初步研究结果显示：芙蓉洞洞穴水的水文地球化 学过程受n j f 界气候环境变化的影响较大，洞穴滴水主要来源为大气降雨，洞穴 上覆土壤和基岩是芙蓉洞洞穴中各种物质的主要来源；芙蓉洞洞内温度引起石 笋m c a 比值变化与滴水中m g 含量的季节变化相比是非常微弱的，洞穴沉积物 4 两南大学硕十学位论文第1 章绪论 中的m g c a 比值可以直接反映滴水中m c a 比值的变化，可以直接用于反映洞穴 外界气候环境条件的改变；影响芙蓉洞洞穴水水文水化学过程的因素不仅仅是 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岩溶 水的运移方式产生影响，最终影响洞穴水的水化学过程( 王昕亚，2 0 0 7 ；唐亮亮， 2 0 0 8 ) ；芙蓉洞内各种沉积物及滴水、池水的氧同位素比较一致，可能反映了该 地区年平均降水中的氧同位素值。但是各种沉积物中碳同位素变化比较复杂，且 碳同位素的变化并不是由于滴水高度或微生物影响造成的，说明洞穴沉积物中碳 同位素的变化在某些情况下，不能完全记录滴水中的碳同位素的变化，也就不能 确切记录洞穴外的植被变化情况。因此在利用碳同位素进行古植被状况的讨论时， 需要谨慎( 李廷勇，2 0 0 7 ) 。 2 0 0 6 年1 0 月，李廷勇等对芙蓉洞内多处不同时期沉积物的占1 8 0 、6 1 3 c 进行了 系统的取样研究，发现美蓉洞内各种近现代次生化学沉积物的氧同位素非常一致， 能够反映该地区年降水中氧同位素的平均状况；通过结合洞穴水8 1 s 0 、d ：3 c 的综 合分析，认为洞内次生沉积物中的氧同位素与洞穴滴水处于稳定洞穴温度下的平 衡分馏状态，可以用来进行古气候研究( 李廷勇等，2 0 0 8 ) 。 1 3 研究思路和研究目标 大气降水中的c a 、m g 、k 、n a 等元素含量极低，远远低于洞穴滴水和池水中 这些元素的含量，洞穴水中的各种金属元素物质主要来源于水一土、水一岩作用的结 ( 王听亚等，2 0 0 7 ) 。研究表明，c 0 2 是形成喀斯特地上和地下景观的原始动力( 蒋忠 诚，1 9 9 9 ；潘根兴等，1 9 9 9 ) ，控制着碳酸盐的溶解和沉积。土壤中的生物呼吸、微 生物分解等作用释放出大量c 0 2 ，使土壤空气的c 0 2 浓度比周围大气的c 0 2 浓度 高几十到几百倍( 袁道先，2 0 0 2 ) 。经过土壤层的“洗礼”，大气降水溶解c 0 2 ，转变 为具有溶蚀能力的酸性土壤水。酸性土壤水沿基岩裂隙、节理下渗的过程中不断 溶蚀基岩，成为富含h c 0 3 。、c a 2 + 、m 矿+ 的岩溶水，为洞穴次生碳酸盐的沉积提供 条件( 王静等，2 0 0 4 ) 。进入洞穴后，因为岩溶水的p c 0 2 高于洞内空气而释放部分 c 0 2 ，导致s i c 随p c 0 2 降低和p h 的升高而升高，当s i c 0 时，形成碳酸盐沉淀。 可见，岩溶水中离子浓度的变化及洞穴次生碳酸盐沉积的形成受岩溶水酸性强弱 的控制，并最终取决于外界温度和降水变化。 本研究选取世界自然遗产地- 中国南方喀斯特”重要组成部分重庆武隆芙 蓉洞为研究地点，在重庆市自然科学基金项目“重庆地区5 0 0 0 年来古气候变化石 两南大学硕十学位论文第1 章绪论 量皇曼曼曼曼曼量曼量i i _ i !i 鼍鼍量量皇曼曼曼曼舅曼曼曼 笋微量元素记录研究 和西南大学博士基金项目“重庆芙蓉洞环境地球化学系统 观测研究”的支持下，对洞内四处洞穴水进行长期定点观测和实验分析，得到洞 穴水的p h 、温度( t ) 、电导率( e c ) 、c a 2 + 、m 矿+ 、k ，、n a + 、h c 0 3 。、s 0 3 厶、n 0 3 、 c l 。等浓度，并计算得到c 0 2 分压( c 0 2 ：t h ep r e s s u r eo f c 0 2 表示) 和方解石饱和指数 ( s i c ：s a t u r a t i o ni n d e xo f c a l c i t e ) 等指标。结合武隆县近几年的气象资料，本文拟从 洞穴水的p h 、洞穴水水化学类型、c a 2 + 、m 9 2 + 离子浓度和现代碳酸盐沉积特征着 手，探讨这些指标对当地温度和降水的响应。特别是观测期间，重庆地区经历了 2 0 0 6 年夏季百年一遇特大干旱和2 0 0 7 年夏季5 0 年一遇特大洪涝灾害两种极端气 候事件，为研究洞穴水化学指标对洞外环境变化的响应提供了难得的机遇。 通过长期观测和实验分析，本研究欲达到以下目标： ( 1 ) 通过分析芙蓉洞内四处洞穴水的p h 、水化学类型特征在观测期间的变化 情况，探讨大气降水对芙蓉洞洞穴水p h 、水化学类型的影响。 ( 2 ) 通过对四个观测点c a 2 + 、m 孑+ 浓度的变化，分析洞穴水离子浓度变化对当 地气候的响应关系，尤其是对2 0 0 6 年夏特大干旱和2 0 0 7 年夏特大洪涝特殊气候 事件的响应。分析特殊气候事件对洞穴水的影响，为解释古气候中特殊气候事件 对石笋生长的影响提供参考。 ( 3 ) 分析洞穴水m g c a 比值的变化，探讨洞穴水m g c a 比值变化的原因及其 对外界温度和降水的响应。 ( 4 ) 根据实验结果，计算芙蓉洞滴水、池水的方解石饱和指数( s l c ) ，探讨芙蓉 洞内次生碳酸盐的沉积情况，并进一步探讨s i c 与其影响因素的关系，及其对当地 温度、降水的响应关系。 1 4 技术路线 通过野外观测和实验室仪器分析，对芙蓉洞四处洞穴水进行长期定点研究， 具体技术路线如图1 1 所示： 6 西南大学硕士学1 _ 奇：论文第1 章绪论 纂 选 霁 耆 择 某 量一箸一蓁 确 指 现 定标 场 室 内 分 析 实 验 用i c p o e s 分析测定 k + 、n a + 、c a 2 + 、m 0 2 + 、 b a 2 + 、s r + 离子的浓度 用离子色谱测定 n 0 3 。、s 0 4