重庆雪玉洞地下河水文地球化学特征及其影响因素

以重庆市丰都县雪玉洞为研究对象,对地下河的水化学指标进行长期监测,并选取水鸣洞做平行研究,二者都属于雪玉洞群。通过对2011年11月-2013年2月的水化学结果进行分析得知：雪玉洞地下河的水化学类型为HCO3-Ca型,属于低矿化度岩溶水,水鸣洞水化学类型与雪玉洞相同;其主要水化学指标均表现出明显的季节变化趋势,pH值雨季低,旱季高,与降水变化趋势相反。地下河水 Ca2＋、Mg2＋、HCO3-浓度和电导率在雨季升高而旱季降低,旱季水鸣洞的HCO3-、Ca2＋、Mg2＋和Ec值高于雪玉洞;[ Mg2＋]/[ Ca2＋]表现出旱季较高而雨季较低的季节变化特征,可以反映外界干湿变化,其值受控于洞穴水运移过程中的的水土-水岩作用过程,旱季水鸣洞的值高于雪玉洞;SIc值旱季高雨季低,pCO2的变化趋势与pH相似、和SIc相反,旱季低雨季高,全年的SIc值大部分都在0之上,有利于碳酸盐的沉积,水鸣洞的SIc除2013年1月低于雪玉洞以外,其他月份略高于雪玉洞,相对应的 pCO2低于雪玉洞各监测点。     

岩溶水锶元素水文地球化学特征

通过对桂林地区地下河系统不同类型岩溶水水样Sr2+ 含量和87 Sr /86 Sr 值分析,得到如下结论: ( 1)桂林地区岩溶水中Sr2+ 含量普遍较低,流经不同岩层的地下水Sr2+ 含量不同,岩溶水中Sr2+ 含量随着Ca2+ 含量的增大而增大,随着Mg2+含量的增大而减小;地下河水中的Sr2+ 含量始终介于表层岩溶带水、饱水带裂隙水、地表坡面流和外源水(如果存在外源水补给)的最大、最小值之间。( 2)流经不同岩层地下水的87 Sr /86 Sr值不同,流经砂岩层地下水87 Sr /86 Sr 值较高,其次为流经白云岩层和灰岩层的地下水;地下河水87 Sr /86 Sr 值也是介于表层岩溶带水、饱水带裂隙水、地表坡面流和外源水(如果有外源水补给)的最大、最小值之间。因此Sr2+和87 Sr /86 Sr能反映岩溶水形成的信息,是较理想的天然示踪剂,在岩溶水研究中具有很广阔的应用前景。      

芙蓉洞洞穴水离子浓度和元素比值变化特征及其环境意义

通过对芙蓉洞2006年3月—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。芙蓉洞外山上的6#泉水Ca2+平均浓度为45.81mg/L,洞内1#、3#滴水Ca2+的平均浓度64.59mg/L,2#和4#池水中由于Ca2+沉积,浓度下降到24.74mg/L,下降了大约61.7%。Mg2+和Sr2+的浓度在泉水、滴水和池水中的变化规律与Ca2+基本一致。各种水体中Cl-的浓度变化幅度较小,平均浓度为1.72±0.2mg/L。岩溶水与基岩作用时间长短以及运移过程中Ca2+的前期沉积作用对各元素与离子含量变化具有重要作用。旱季Ca2+的前期沉积作用和雨季基岩的溶蚀及雨水的稀释作用主导着岩溶水中Mg/Ca与Sr/Ca的变化,这些指标能对干旱和洪涝等极端气候事件做出响应。      

重庆丰都雪玉洞水文地球化学指标的时空变化研究

自2006年11月到2007年12月对重庆丰都雪玉洞地下河水和滴水进行了近1年的观测,结果表明其主要水化学指标均表现出明显的季节变化趋势.地下河水Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度和电导率在雨季升高而旱季降低,pH值在雨季降低而旱季升高.在地下河径流路径上,由于溶蚀效应与沉积效应的相互制约以及受采样点水动力条件和水气CO2交换程度的影响,水化学指标的空间变化较为复杂.位于洞穴顶部的滴水由于受顶板覆盖层厚度的影响,洞穴上层滴水点Ca2+、Mg2+年平均浓度分别为95.1mg/L、7.87mg/L,而下层滴水点分别为110.1mg/L、9.68mg/L,表现出上层高、下层低的空间变化特征.由于[Mg2+]/[Ca2+]值具有雨季低而旱季高的变化特征.所以可用之来指示洞穴所在地区降雨条件的变化.     

重庆芙蓉洞上覆基岩、土壤元素分布特征及其对洞穴滴水水化学影响

通过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特征的系统监测,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。Ca2+、Mg2+和Sr2+在基岩中平均质量比分别为239949ppm、129607ppm和123ppm,在土壤中分别为37458ppm、28360ppm和49ppm,土壤渗透水中分别为25.55mg/L、11.04mg/L和0.026mg/L,而在洞穴滴水中分别为64.37mg/L、37.87mg/L和0.044mg/L。Ca、Mg和Sr在土壤剖面中表现出明显的淋溶和淀积作用,其元素含量高低直接影响土壤渗透水元素含量;基岩的元素含量主导了土壤各层位、土壤渗透水及滴水中元素含量。不同滴水点的水其运移的路径、时间和环境条件不同,因此在利用洞穴次生化学沉积物元素地球化学特征来反映洞外环境变化时,需综合考虑各元素在岩-土-水中的分布迁移特征及其与环境因素的相互关系。      

豫西鸡冠洞洞穴水及现代沉积物Mg, Sr和Ba记录及其意义

采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）对2009年12月-2013年8月采自河南省栾川县鸡冠洞洞穴水（滴水、池水及地下河水）和现代碳酸盐沉积物的 Ca、Mg、Sr和 Ba 微量元素地球化学指标进行了分析。结果显示：（1）鸡冠洞洞穴水的 Mg/Ca对地表环境的干湿条件变化响应迅速,具体表现为池水和地下河水 Mg/Ca旱季高而雨季低,而 Sr/Ca 和Ba/Ca的变化与降水和气温的关系并不明显;（2）鸡冠洞现代沉积物的 Mg/Ca 变化与滴水有着良好的对应关系,但现代沉积物的 Sr/Ca和 Ba/Ca可能受大气粉尘活动和地表土壤的影响,变化趋势与 Mg/Ca 相反;（3）鸡冠洞碳酸盐岩与岩溶水间 Sr/Ca和 Mg/Ca的分配系数KSr值在0.02-0.18之间,KMg值在0.01-0.03之间,KMg值与洞穴温度的正相关关系不明显。     

桂林地区岩溶水中Ba元素的水文地球化学特征

钡是岩石圈上部最丰富的微量元素之一,与镁、钙、锶同属碱土金属族元素,它们的化学性质比较接近,但在不同的岩石中它们的含量却有显著区别,所以不同类型岩溶水Ba2+含量有较大差别。对桂林地区不同类型岩溶水Ba2+含量分析,可以发现如下一些特点: 桂林地区各种岩溶水中的Ba2+浓度普遍不高,其浓度介于4. 08× 10- 6～ 28. 12× 10- 6 g /l之间。Ba2+ 浓度随着Sr2+和Ca2+浓度增大而减小,随着Mg2+浓度增大而增大。不同岩层地下水的Ba2+浓度有明显差别,灰岩表层岩溶带水中Ba2+浓度明显低于白云岩表层岩溶带水中的Ba2+浓度;三条地下河中,毛村地下河的Ba2+浓度最高,其次为浪石地下河,最后是丫吉地下河。可见,钡在河水中的含量与其补给径流区的岩石组分有关,是较好的天然示踪剂。      

洞穴滴水、石笋中元素及元素比值对气候环境变化响应的研究进展

滴水/石笋元素是除δ18O和δ13C,研究气候环境变化的又一重要代用指标。外界气候环境变化通过改变表层岩溶带和岩溶含水层中的水文环境,甚至洞穴环境,进而影响元素的溶解、运移和沉淀过程,从而使得滴水/石笋中元素表现一定的变化规律。本文通过分析影响洞穴滴水元素及元素比值变化的因素：元素来源、水—岩相互作用和滞留时间、差异性淋滤、先期碳酸盐沉淀及分配系数的基础上,从元素对岩溶区“二元结构”和极端天气/气候事件响应的角度,探讨了滴水/石笋中元素的气候环境指示意义。取得了以下认识：① 强降水带来的冲刷作用和溶解作用,促进土壤和基岩中元素、胶体和天然有机质（NOM：Natural Organic Matter）等物质在短时间内快速溶解和运移,使滴水中元素含量增加;但随着降水增多带来的稀释作用,使得滴水/石笋中Mg,Sr和Ba等元素含量降低,因此,单一元素的解译较为复杂;② 基岩/溶液中元素溶解和沉积的差异,导致元素相对含量的变化,使得元素X/Ca值对外界环境的响应具有一致性,尤其是Mg/Ca和Sr/Ca值：在干旱条件下,降水减少导致方解石先期沉积（PCP：Prior Calcite precipitation）作用增强,使Mg/Ca和Sr/Ca值增大。但目前存在着一些问题：① Mg/Ca和Sr/Ca值变化对强降水事件的响应并不明显,可能与新、老水混合及元素溶解过程中的溶解比例差别不大有关;② 多源、多期混合水源会导致洞穴滴水元素对极端事件响应减弱;③ Mg/Ca和Sr/Ca的变化为解释δ18O的“雨量效应”及“源效应”提供了见解,但元素变化能否反映季风强度的变化,仍有待进一步的研究。基于以上认识,笔者提出开展更加系统的大气—土壤—包气带—洞穴的监测;开展更高分辨率、更长时间尺度的洞穴监测;开展多区域、多洞穴系统对比研究来更加深入地开展洞穴石笋元素研究。     

典型岩溶槽谷区地下水化学特征及地球化学敏感性分析

利用2012年4月—2013年3月的水化学数据研究了重庆老龙洞地下河流域地下水系统地球化学敏感性。结果表明,研究区表层岩溶泉和地下河水化学阳离子分别以Ca2+、Mg2+和Ca2+、Na+为主,阴离子以HCO3-、SO42-为主;表层岩溶泉雨季Mg2+/ Ca2+摩尔比和地下河雨季Na+/ Ca2+摩尔比旱季大于雨季,表层岩溶泉和地下河雨季 HCO3-/SO42- 摩尔比分别为3.428～6.524、3.122～5.966,旱季HCO3-/SO42-摩尔比分别为5.693～8.664、3.428～6.524,表现出低SO42-、高HCO3-的特征,主要受农业活动影响的表层岩溶泉主量元素地球化学敏感性依次为HCO3-> SO42->Ca2+> NO3-> Mg2+> Na+> K+>Cl-,而受农业活动、工业活动、城镇建设活动等多种因子共同影响下的地下河主量元素地球化学敏感性有所变化,依次为HCO3->Na+> Ca2+> K+> Cl-> Mg2+> NO3-> SO42-,随着人类影响的加剧,离子敏感指数将会有增加的趋势。      

桂林硝盐洞滴水水文和水化学动态变化特征

为认识裸露型岩溶包气带洞穴水文水化学动态变化特征,以桂林硝盐洞滴水为例,选取桂林硝盐洞3处滴水,对滴速、电导率、pH值、Ca2+、Mg2+、Sr2+进行监测,结果显示:(1)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;(2)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;(3)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。      

重庆岩溶地下河水文地球化学特征及环境意义

岩溶地下河系统是岩溶地区重要的地下水资源,重庆地区分布有岩溶地下河380条,是重庆市重要的地下水资源。为宏观掌握重庆地区岩溶地下河水化学特征,了解区域岩溶地下河水化学影响因素及分布规律,研究了重庆不同地区61条岩溶地下河水文地球化学特征。结果表明,重庆地区岩溶地下河的溶解组分主要来源于碳酸盐岩的溶解,水化学类型为Ca-HCO₃型或Ca(Mg)-HCO₃型,但部分地下河水化学受到人类活动影响变为Na+Ca-HCO₃型、Na+Ca-SO₄型、Na+Ca-Cl型或Ca-SO₄+HCO₃型,且农业活动或城市废水对地下河水化学的影响比工矿业活动普遍。地下河水温度随海拔升高而逐渐降低。在相同的地质背景下,地下河Ca2+、Mg2+、HCO₃-等离子由于受不同区域岩溶作用强度差异的影响呈现出明显的区域性,SO₄2-、NO₃-、Cl-等指标由于受不同区域人类活动强度和方式的影响也显示出明显的区域性。总体来看,岩溶地下河水质正在恶化。     

溶洞穴滴水元素季节变化及其气候指示意义研究—以贵州省麻黄洞为例

为揭示岩溶洞穴滴水元素季节变化特征及其对外界气候环境变化的响应关系,对贵州绥阳双河洞系支洞麻黄洞内3处滴水的Mg、Ca、Sr元素进行了为期13个月的监测。结果显示:(1)3个滴水点M1、M2和M3的水化学类型主要为HCO3·Ca型,岩溶水对于方解石与白云石等矿物的溶解处于饱和状态;(2)上覆土壤和岩层厚度逐渐增加,导致水-土-岩作用时间也随之增加;(3)Ca^2+、Mg^2+、Sr^2+浓度变化总体上呈逐级递增的特点,各离子浓度在高温多雨季节波动幅度大,低温少雨季节变化平稳;(4)Mg/Ca、Sr/Ca均表现出雨季低、旱季高的特征,反映该地区外界干湿条件的变化;(5)由模型模拟显示,3个滴水点皆以PCP/ICD作用为主,M1对降雨响应不敏感,M2滴率与离子浓度呈雨季高、旱季低的变化规律,M3位于洞穴最深、顶板最厚处,滴率与离子浓度无显著季节变化特征。结合各滴水点洞穴环境变化规律,推断M2更能准确响应外界气候环境变化。     

洞穴滴水、石笋中元素及元素比值对气候环境变化响应的研究进展

滴水/石笋元素是除δ18O和δ13C,研究气候环境变化的又一重要代用指标。外界气候环境变化通过改变表层岩溶带和岩溶含水层中的水文环境,甚至洞穴环境,进而影响元素的溶解、运移和沉淀过程,从而使得滴水/石笋中元素表现一定的变化规律。本文通过分析影响洞穴滴水元素及元素比值变化的因素：元素来源、水—岩相互作用和滞留时间、差异性淋滤、先期碳酸盐沉淀及分配系数的基础上,从元素对岩溶区“二元结构”和极端天气/气候事件响应的角度,探讨了滴水/石笋中元素的气候环境指示意义。取得了以下认识：① 强降水带来的冲刷作用和溶解作用,促进土壤和基岩中元素、胶体和天然有机质（NOM：Natural Organic Matter）等物质在短时间内快速溶解和运移,使滴水中元素含量增加;但随着降水增多带来的稀释作用,使得滴水/石笋中Mg,Sr和Ba等元素含量降低,因此,单一元素的解译较为复杂;② 但基岩/溶液中元素溶解和沉积的差异,导致元素相对含量的变化,使得元素X/Ca比值对外界环境的响应具有同一性,尤其是Mg/Ca和Sr/Ca比值：在干旱条件下,降水减少导致方解石先期沉积（PCP：Prior Calcite precipitation）作用增强,使Mg/Ca和Sr/Ca比值增大。但目前存在着一些问题：① Mg/Ca和Sr/Ca比值变化对强降水事件的响应并不明显,可能与新、老水混合及元素溶解过程中的溶解比例差别不大有关;② 多源、多期混合水源会导致洞穴滴水元素对极端事件响应减弱;③ Mg/Ca和Sr/Ca的变化为解释δ18O的“雨量效应”及“源效应”提供了见解,但元素变化能否反映季风强度的变化,仍有待进一步的研究。基于以上认识,笔者提出开展更加系统的大气—土壤—包气带—洞穴的监测;开展更高分辨率、更长时间尺度的洞穴监测;开展多区域、多洞穴系统对比研究来更加深入地开展洞穴石笋元素研究。     

习水县岩溶水系统ρ(Sr2+)、ρ(Sr)/ρ(Ca)、ρ(Sr)/ρ(Mg)分布特征及其应用

通过对流域内不同类型水取样分析,发现流经不同岩层的地下水具有不同的ρ(Sr2+)、ρ(Sr)/ρ(Ca)、ρ(Sr)/ρ(Mg)值.一般来说,流经砂岩层的基岩裂隙水ρ(Sr2+)低,而ρ(Sr)/ρ(Ca)、ρ(Sr)/ρ(Mg)值较高,当砂岩中的基岩裂隙水受到灰岩岩溶水或煤系地层水补给时,其ρ(Sr2+)、ρ( Sr...     

桂林地区不同类型岩溶地下水中δ13CDIC、δ18O的特征及意义

对桂林地区地下河水、岩溶大泉中的δ13CDIC、δ18O及Ca2+、Sr2+含量进行了测试分析。结果表明,地下河水的δ13CDIC值范围为–15.99‰～–12.29‰,平均值为(–14.03±1.15)‰;δ18O值范围为–6.63‰～–5.78‰,平均值为(–6.24±0.24)‰。岩溶大泉的δ13CDIC值范围为–15.26‰～–9.22‰,平均值为(–12.05±1.57)‰;δ18O值范围为–6.97‰～–3.19‰,平均值为(–5.68±0.97)‰。岩溶大泉的δ13CDIC值、δ18O值比地下河水的分别偏重1.98‰和0.56‰。通过分析发现,水的循环方式引起了不同类型地下水的同位素差异,地下河以管道流的形式进行循环,循环速度快,水岩作用时间短,碳酸盐岩碳的贡献相对较少;同时,出口处水所经历的蒸发作用时间也短,水的δ18O值偏轻。岩溶大泉以裂隙流的形式进行循环,循环速度慢,水岩作用时间长,碳酸盐岩碳的贡献相对较多;泉口处水所经历的蒸发作用时间也长,水的δ18O值偏重。Sr/Ca值与δ13CDIC值具有正相关关系,而与δ18O值的相关性差。这意味着δ13CDIC值与Sr/Ca值一样,可以在一定程度上反映出地下水的径流条件。     

延河泉岩溶水系统Sr/Mg、Sr/Ca分布特征及其应用

山西省延河泉岩溶水系统是我国北方岩溶大泉之一。依据碱土金属比值Sr Mg、Sr Ca与矿化度关系,分析了延河泉岩溶水系统Sr Mg、Sr Ca分布规律及形成条件。从补给区到径流区、排泄区,Sr Mg、Sr Ca值逐渐增高;径流条件好,Sr Mg、Sr Ca值低;径流条件差,其值高;径流滞缓区最高。并且Sr Mg、Sr Ca值主要受径流条件控制,不受人为作用的影响。因此,Sr Mg、Sr Ca是比较理想的天然示踪剂。根据Sr Mg、Sr Ca值将延河泉岩溶水系统划分为三个子系统,即下河泉子系统(泉1、2、3、5),延河泉子系统(泉4、6),南部散泉子系统(泉7、8、9)。     

城市化对岩溶水系统化学组分演化的影响——以重庆市南山老龙洞地下河为例

为研究城市化作用下的岩溶区地下水水质演变状况,基于2008-2012年对老龙洞地下河的pH值、电导率、水温、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、NO3-、SO42-、PO43-等水物理化学指标的连续监测,分析了老龙洞地下河流域水质的演变趋势,并对2011年8月的单场降雨条件下地下河水质的动态变化进行主成分分析(PCA)。结果表明,在城市化过程中,地下河水Na+、Cl-、PO43-、Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子浓度受人类活动影响而明显上升,NO3-、SO42-浓度则因为城市化效应增强和农业活动强度的降低而下降。老龙洞地下河水补给来源复杂,其中碳酸盐岩地质背景、人类活动及水土流失对地下河水质变化起着决定作用。城市化水平的提高、区域环境的变化,使得老龙洞地下河的水质也处于不断变化中,从硝酸盐、硫酸盐的年际变化看,地下河水质已有较大改善。      

桂林潮田河Ca2+、Mg2+与HCO3-关系模型及岩溶碳汇影响因素分析

尽管大气中CO2浓度不断增加,但全球碳源与碳汇相抵后还存在遗失碳汇(missing sink).一般认为遗失碳汇主要为地质碳汇.而碳酸盐岩的溶蚀作用可在短时间内产生大量的地质碳汇,与此同时,该过程也伴随着HCO3-、Ca2+、Mg2+等离子进入水中.由于水中的Ca2+、Mg2+比HCO3-稳定,故探讨Ca2+、Mg2+与HCO3-的关系,可以间接得到影响碳汇的各种主要因素.本文通过对岩溶区3种岩性5个监测点的Ca2+、Mg2+与HCO3-数据建立关系模型发现:(1)灰岩地区Ca2+可以与HCO3-建立良好的关系模型,相关性较好,而白云岩区Ca2+、Mg2+与HCO3-的相关关系比Ca2+与HCO3-的相关关系好;总之,在岩溶动力系统下,Ca2+、Mg2+全面考虑可更好指示碳汇的去向;(2)Ca2+、Mg2+与HCO3-的关系模型可以间接说明碳汇主要影响因子;由Ca2+、Mg2+与HCO3-的关系模型可得岩溶区地表明流段,水生生物的光合作用是碳汇主要影响因子,而地下河或泉水出口处,地质作用、CO2分压可能是碳汇的主要影响因子.得出碳汇主要影响因素,为潮田河流域碳汇研究区域划分以及准确计算地质碳汇提供依据与基础.     

安徽蓬莱仙洞不同滴水点差异PCP作用及其古气候记录研究意义

正石笋由于分布广泛、定年准确,并且具有丰富的气候和环境代用指标(如氧碳稳定同位素~([1,2])、微层厚度~([3])、微量元素~([4~6])等),因而受到古气候学家广泛关注。其中,微量元素和稳定碳同位素常被用来间接地反映局地干湿变化。当降水减少时,洞穴滴水在洞顶储存时间较长,使岩溶水在补给石笋之前已经发生了方解石沉积作用。由于Mg,Sr和Ba在方解石和溶液中的分配系数远小于1~([7,8]),从而使Ca优先于Mg,Sr和Ba沉积出来,使得溶液(渗流水及其所形成的滴水)和现代次生碳酸盐沉积物中的Mg,Sr和Ba富集,进而导致Mg/Ca,Sr/Ca和Ba/Ca比值增大~([4,5,9]),这种现象被称为方解石前期沉积作用(Prior Calcite Precipitation,简称PCP)。此外,当降水减少,洞穴滴水滴率变慢(即PCP作用增强)时,CO_2脱气时间增长也会导致石笋碳同位素偏     

洞穴滴水地球化学的空间和时间变化及其控制因素--以北京石花洞为例

通过对北京石花洞滴水地球化学一个水文年的观测,揭示了洞穴滴水水文地球化学季节变化与外界气候变化的关系,3个滴水点的滴率随降雨量的增加都有明显的变化,但不同滴水点滞后时间不同。滴水滴率、Mg²⁺和SO^{2-₄含量的季节变化数据显示,雨季洞穴滴水主要来源于当季降水,但也存在岩层滞留水的混入。滴水中Mg/Ca比值存在明显季节变化,旱季较低而雨季较高,但在雨季初期出现较大的波动。分析洞穴上覆土壤和洞内裂隙土壤数据,认为雨季初期滴水中Mg/Ca比值的波动是由土壤中Mg2+的快速淋溶造成的,上覆土壤结构性质和组分变化均影响滴水地球化学特征。}