桂林洞穴滴水及现代碳酸钙(CaCO3)沉积的碳同位素记录及其环境意义

经过前期(1995~2000年)及近2 a对桂林盘龙洞13个滴水点的2 个水文年的滴水和现代碳酸钙沉积的动态监测, 发现现代洞穴碳酸钙(CaCO3)沉积有两种类型: ①常年性滴水沉积碳酸盐, 其δ13C值记录了全年气候变化特征; ②季节性滴水沉积碳酸盐, 其δ13C值记录了季节性气候变化特征。现代碳酸盐沉积监测和碳同位素分析表明, 桂林盘龙洞外部峰体主要为C3植物(几乎没有C4植物), 现代沉积碳酸盐的δ13C记录显示, 在夏半年, 夏季风强、降水丰沛、生物的活动量大, 现代碳酸盐沉积量大,δ13C值则较偏负, 平均为-13.13‰; 现代碳酸盐的δ13C全年平均值为-12.23‰, 最负值达-14.5‰; 而在冬半年, 由于降水相对较少, 新沉积碳酸盐的δ13C值, 显示稍有增加(或偏正), 其δ13C值为-10‰~-11‰。此外, 当在降大雨或暴雨后(无论是在夏半年或是在冬半年), 滴水在滞后半个月或1个月后沉积形成的碳酸盐, 其δ13C值显示突然偏负, 主要反映的是降雨效应引起的CO2 效应的影响。     

地下河水人工补给洞穴滴水、碳酸盐(钙)沉积特征及景观恢复探讨

岩溶旅游洞穴碳酸盐岩沉积物景观容易受到污染、风化,为了探讨受污损洞穴碳酸盐沉积物的修复方法以确保岩溶旅游洞穴的可持续发展,对广西桂林七星岩No.15支洞距洞口约150 m长洞段的滴水物化指标、现代碳酸盐岩沉积物进行了为期4年的监测分析。结果表明:（1）该洞段的滴水主要源于抽取地下河水的水柜渗漏及降水补给,地下河水和滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]在4个水文年中的变化趋势基本相同,雨季洞穴滴水电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]等显著降低,降雨稀释效应明显;（2）现代洞穴碳酸盐岩沉积具有明显的季节性变化,雨季洞穴滴水量/速率、碳酸钙沉积速率加快,最大沉积量达0.8 g／半月,洞穴入口约150 m长洞段快速滴水碳酸盐最大沉积量达2～4 g／半月,旱季碳酸盐沉积速率减少,最大沉积量仅为0.4 g／半月;（3）抽取岩溶地下水经由地表补给洞穴滴水可提高滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]及CaCO3饱和度,促使大量碳酸盐(CaCO3)快速沉积,实现对洞穴受风化、污染景观的修复,新沉积的碳酸钙(CaCO3)还可以将基岩裂隙和洞穴内破损、破裂的钟乳石重新“粘结”起来,利于洞穴的稳定性。      

桂林洞穴滴水与现代碳酸钙δ18O记录的环境意义--以桂林七星岩NO.15支洞为例

现代洞穴动态监测的一个先决条件就是为洞穴碳酸盐(CaCO₃)沉积物-石笋的各种替代指标的解译提供可靠的依据,充分利用现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的各种替代指标,并与现代器测气象资料进行相互对比、并用以校正,是精确或定量解释石笋气候替代指标的关键.
经对桂林七星岩15号支洞的5个滴水点进行了长达四个水文年(2008~2011年)的大气降水、洞穴滴水、现代碳酸盐沉积物的动态监测和研究,并探讨了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O与降水δ18O的相关关系.研究表明,洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的年平均δ18O值非常接近降水的δ18O平均值,并具有与地表降水δ18O相同的变化趋势,反映了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O主要来自大气降水的δ18O,即明显受控于降水的δ18O.在4个水文年中,现代洞穴次生化学碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O值与滴水的δ18O值记录的年内(或年际)变化或多年的变化趋势基本相同,表现出明显的四高峰(δ18O低值区)四低谷(δ18O高值区)的波动变化特征,具有明显的年际、季节性变化规律,显示具有雨热同季的特点.研究结果表明洞穴滴水和洞穴现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O可以记录当地或洞穴上方的气候变化信号,即现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O主要作为夏季风强度或降雨量的替代指标.     

武都万象洞方解石现代沉积体系δ~(18)O值月变化特征

万象洞所在地大气降水同位素值年内波动较大,变化起止时间存在显著的年际差异。观测期内,武都降水同位素δD-δ18O组合特征与周边城市降水同位素多年平均值重建的区域降水雨水线基本重合,洞穴所在地区降水同位素具有很好的区域代表性。洞穴滴水同位素值年内变化幅度较小,基本反映了当地大气降水同位素值的月加权平均水平。洞穴次生碳酸盐与洞穴滴水之间符合同位素平衡分馏基本规律。季节尺度上,不同监测点滴水及次生碳酸盐δ18O值因受地下水混合作用强弱差异及洞穴温度的小幅变化等影响而略有差异;年际变化上,夏季风爆发前后降雨量的权重及爆发时间的早晚对洞穴滴水-碳酸盐体系同位素水平存在一定的影响。万象洞洞穴滴水、石笋氧同位素信号在年代际尺度上可以很好地指示区域内大气降水的同位素变化特征。     

岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究--以河南鸡冠洞为例

岩溶洞穴次生沉积物--石笋因其独有的高精度测年和高分辨率记录的优势已越来越成为过去全球变化研究中重要的支柱。进行洞穴碳酸盐沉积机理研究对于理解石笋沉积速率,结晶形态、准确解译气候替代指标和现代洞穴合理保护具有重要意义。以我国南北交汇带亚洲季风敏感区河南鸡冠洞为例,通过对2010-2015年连续6个水文年对鸡冠洞滴水和碳酸盐沉积的监测发现:①洞内滴水水化学指标与沉积速率表现出很好的一致性,雨季大气降水增加,气温升高,生物活动加强,土壤CO₂含量增加,滴水滴速、Ca2+、HCO₃-、电导率（EC）和沉积速率同时增加,旱季反之;洞内CO₂对方解石沉积的抑制作用被滴水饱和度掩盖。②受2012-2013年年降雨量显著减少的影响,水岩作用减弱,2014年滴水饱和度降至最低,出现为期一年的沉积间断,直至2014年下半年降水增加,于11月重新接收到方解石沉积。③自2013年下半年开始,受人为淋滤洞穴影响,滴水NO₃-上升数十倍,模拟实验显示其对CaCO₃溶解的能力较之前提高约60%,表明NO₃-对方解石沉积存在抑制作用,这可能是个别月份滴水饱和度高却没有回收到CaCO₃沉积的原因,建议景区在进行补水的同时要考虑水质对岩溶作用的影响。     

桂林硝盐洞洞穴滴水示踪及气候环境意义研究

洞穴滴水对大气降水的滞留时间的研究是准确解译洞穴沉积物气候环境代用指标的重要内容。由于研究尺度和技术手段的差异,目前对滞留时间的研究重视程度仍不够。基于此引入水文地质领域成熟的示踪方法,对桂林丫吉硝盐洞滴水对大气降水响应时间进行了连续高分辨率的研究。利用野外自动化荧光仪和荧光示踪剂,实现了滴水的自动化示踪研究,节省了人力物力且提高了分辨率。通过两次示踪试验,确定了桂林丫吉硝盐洞滴水雨季对大气降水的响应时间小于48h,一些强降雨事件,滞留时间甚至小于4h。发现滴水的温度变化可以作为高分辨率监测时大气降水形成径流的示踪剂。对于桂林丫吉硝盐洞XY5常年性滴水点,雨季日降雨强度大于16.3mm就可以形成径流,并被监测到。XY5滴水点主要存在两个水源补给,常年的基流补给和大气降水的快速补给。这些认识对洞穴滴水监测和洞穴沉积物古气候环境重建有着很好的借鉴意义。     

甘肃武都万象洞方解石现代沉积控制因素分析

对洞穴次生碳酸盐沉积机理的认识是解释洞穴石笋气候环境指示意义的关键.近两个水文年的洞穴现代过程监测结果显示,万象洞内温湿度全年基本保持恒定;洞穴滴水的pH值夏季偏低、冬季偏高,呈现出一定的季节变化特征,电导率和HCO3-浓度及主要阴阳离子含量年内变化不显著;洞内CO2分压夏季偏高,冬季降低接近于当地大气的CO2分压水平.对不同滴水点的对比研究表明,滴水中Ca2+达到一定浓度是方解石沉积的必要条件.此外,万象洞夏季CO2分压的升高对方解石形成产生明显的抑制作用.万象洞石笋沉积的主要受控于滴水饱和度以及洞穴CO2分压.     

重庆丰都雪玉洞群洞穴现代监测与古环境研究回顾和展望

重庆丰都雪玉洞群包括羊子洞、雪玉洞和水鸣洞,西南大学的研究团队从2008年开始对雪玉洞群开展了系统的现代过程监测,以了解洞穴系统气候和环境信息的传输、转化和记录过程。通过对雪玉洞洞穴内外的大气、植被、土壤、基岩、滴水和洞穴沉积物等的动态监测,研究了碳酸盐沉积过程的水化学指标变化,揭示了现代洞穴滴水的影响因素和变化过程,以及碳酸盐沉积物对现代气候环境变化的响应,也为古气候的定量化研究提供了基础支撑。现代过程监测记录表明:雪玉洞CO₂主要来源于上覆土壤,其季节变化受降水的影响较大;在短时间尺度上受到游客旅游活动的影响明显,但幅度远远小于自然过程引起的变化。雪玉洞内次生沉积物的沉积速率具有明显的旱季、雨季特征,不同滴水点下方沉积物的沉积速率变化较大。雪玉洞群三个洞穴的石笋古环境记录研究表明,本区石笋的230Th/232Th比值较适合高精度铀系测年;部分石笋沉积速率较快,平均沉积速率达到0.25 mm·a?1,可以开展高分辨率的气候和环境变化研究。羊子洞YZ1石笋的年龄范围在116~3 ka B.P.之间（平均测年精度2σ,269年）,覆盖了整个末次冰期,δ18O和δ13C的变化曲线和东亚季风区的其他记录具有明显的一致性。同位素测试的时间分辨率平均为88年,成功记录了一些百年－千年尺度的气候突变事件,如Heinrich事件、7.2 ka事件、小冰期等。在精确年代学的基础上,雪玉洞群石笋具有重建高分辨率气候环境变化的潜力。      

贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析

通过对贵州荔波凉风洞5个滴水点进行为期1年的动态监测,表明除大气降雨携带的较少物质成份外,凉风洞滴水中的物质主要来源于土壤,同时,示踪结果显示出凉风洞滴水对大气降雨的响应较快,滴水的物质组成直接源自于洞穴环境。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-岩作用导致的方解石溶解-沉淀过程所控制,稀释作用、水来源的差异或者活塞流产生了一定的效果,但其影响较弱,表明凉风洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。但水在洞穴顶板内运移过程中发生的水文地球化学过程(岩石的溶解、方解石沉淀作用过程)以及洞穴滴水响应大气降雨的时间尺度、水动力过程、水流形式等因素,影响到凉风洞洞穴次生沉积物过去环境记录指标。因此,岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力地球化学过程的结果作为支撑。这些过程的清晰化可以更好地为研究洞穴环境次生沉积记录的高分辨率、短时间尺度的过去变化提供依据。     

广西桂林凉风洞秋冬季滴水和沉积物氧同位素对极端降水的记录研究

近年来,全球环境变化导致的极端气候事件的发生频率剧增,引起了国内外学者的广泛关注。由于器测记录时间较短,因此需要通过精确连续记录古气候变化的石笋来解译极端气候事件的规律。本文针对桂林凉风洞2015年9月至2016年1月的大气降水、洞穴滴水和现代沉积物的氧同位素组成进行了高分辨率的监测。监测结果揭示了由于秋冬水汽源的改变,导致桂林地区大气降水δD、δ~(18)O同位素值显示逐渐偏正的季节性变化,并且建立了该区域大气降水线为:δD=8.8δ~(18)O+16.38。由于大气降水作为凉风洞水源补给唯一来源,使得洞穴滴水的δ~(18)O继承大气降水的δ~(18)O所蕴含的环境信息,进而记录在洞穴现代沉积物中。但是受到洞穴顶部岩溶表层带的平滑或者均一化的作用,使得洞穴滴水的δ~(18)O同位素值要偏正于大气降水的δ~(18)O同位素值。在极端降水信号输入岩溶表层带后由于存在不同的水文地球化学过程,从而导致洞穴沉积物对其极端降水事件的响应时间存在不同,并且在δ~(18)O同位素值也存在明显差异。因此,系统监测洞穴滴水、沉积物δ~(18)O同位素对外界环境信息的响应过程,能为量化或精确解译石笋δ~(18)O同位素记录所指代的古气候环境信息提供基础。     

贵州纳朵洞洞穴滴水、现代沉积物δ18O特征及其环境意义

为了研究洞穴滴水及其对应的现代沉积物氧同位素的变化特征和对外界气候环境的指示意义,文章对贵州纳朵洞洞外大气降水、洞穴池水、6处滴水点及其对应的现代沉积物氧同位素进行了近2年的监测。结果显示纳朵洞外大气降水和洞穴池水δ18O值均呈现旱季偏重,雨季偏轻的季节特征,基本能反映洞穴所在区域的气候变化。而滴水沉积物δ18O值和滴水δ18O值自身存在协调同步的季节特征,但二者δ18O值与大气降水δ18 O值却呈现反向的季节变化,这可能是区域地形、岩溶表层带的调节和大气环流共同作用的结果。      

典型岩溶石山包气带洞穴水流的水文过程浅析

为了研究岩溶包气带洞穴水流的水文过程,在2013年7月1日至2013年11月21日期间,选取桂林丫吉试验场硝盐洞XY5滴水点为研究对象,利用GreenSpanCTDP300多参数仪对其进行了每半小时一次的高频率水文指标监测,分析了包气带洞穴滴水对降雨响应过程及水化学指标的动态变化特征。研究表明：洞穴滴水量、电导率和水温有很好的对应关系;滴水量变化主要受到降雨量、降雨强度和硝盐洞单元体前期含水量的影响,监测期间滴水量变化范围为23.15-589.47 mL/s;水温对降雨响应速度最快且主要受当地气温的影响,流量和电导率基本上表现出同时上升态势,电导率具有季节变化规律,即雨季电导率值较大,波动小,旱季值较小,波动较大;从旱季和雨季的水文过程,并结合旱季滴水主要化学组分的动态变化来看,电导率和水温有3个峰值,不同的峰对应不同产流顺序的水,即裸岩面产生的坡面径流、土壤—基岩界面径流和裂隙水。因此,通过洞穴滴水的水文过程及水化学指标的动态变化特征,可以定性的反映出滴水水源、滴水点运移路径、时间和环境条件的变化。     

北京石花洞洞穴滴水中硫酸根浓度的时空变化及其意义

硫是环境地球化学循环中重要的元素之一,是区域及全球性环境变化的重要驱动因子。本文通过对石花洞洞穴4个滴水点（JG,SH,PL1和PL2）硫酸根浓度近3个水文年的分析测定（BL点观测近两年）,结果表明:响应降雨快的滴水点（SH和JG点）滴水SO42-浓度升高幅度最明显,且滴水SO42-浓度与滴率成指数关系;滞后响应降雨的观测点滴水SO42-浓度雨季升高幅度不明显,但在长期观测期间有明显增加的趋势;对降雨没有响应的滴水点,其SO42-浓度低且雨季没有明显变化。通过分析表明,在快速响应降水的滴水点,滴水硫酸根浓度大幅升高可能在一定程度上影响滴水pH值,这也可能是导致雨季时,快速下渗进入洞穴的滴水碳酸钙饱和度降低,从而抑制滴水沉积的一个不可忽略的因素。      

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。}     

桂林凉风洞洞穴空气及滴水水化学对区域环境的响应

针对广西桂林凉风洞洞穴空气（CO2、δ13CCO2）和滴水的物理、化学指标（水温、电导率、pH、Ca2+、HCO3-）开展一年监测。结果表明:受到洞穴上覆土壤层CO2的影响,洞穴空气CO2和δ13CCO2分别呈现出明显夏季高、偏轻,冬季低、偏重的季节性变化规律;各个监测点CO2和δ13CCO2存在差异的主要因为是受到洞穴内部结构的阻隔作用,以及土壤层CO2在岩溶表层带不同滞留时间的影响,但是δ13CCO2变化相对于CO2对于外界环境的响应更加灵敏,且不同季节洞穴的通风模式差异使得洞穴空气CO2影响因素存在差异,夏季土壤CO2为主要影响因素、冬季大气CO2为主要影响因素。与此同时,洞穴滴水水化学指标也均表现出明显季节性变化特征。虽然雨季携带进入管道或裂隙的CO2增加,但是与表层岩溶带“老水”混合使其整体上呈现为缓慢上升。桂林地区季节性干旱使得洞穴顶部入渗水补给量减少,导致对围岩的溶解量相对降低,使其成为水化学指标快速下降的主要影响因素。此外,每个滴水点的水化学指标变幅因其径流路径的不同存在差异。      

贵州七星洞滴水的水文水化学特征及其意义

本文对贵州都匀七星洞9个滴水点进行厂为期1年的动态临测，结果显示滴水的物质组成直接源自于洞穴环境，即土壤和岩石。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。QXD-1#、QXD-2#、QXD-6#、QXD-7#、QXD-8#由于水运移过程中经过的土壤较薄。水-岩作用对滴水化学特性的贡献略大。稀释作用发生在干旱条件下的QXD-2#滴水点，活塞作用在雨季对QXD-7#、QXD-9#滴水产生影响，在不同的季节，QXD-1#、QXD-3#、QXD-8#滴水点的滴率产生跳跃式变化。这些作用均受控于水的来源差异。所有这些过程对滴水点水化学产生影响但其效果较弱。滴水的Mg／Ca指示了大气降雨的变化，其值受控于洞穴顶板内水运移过程中水-土、水-岩作用下的水文地球化学过程即岩石的溶解、方解石沉淀过程及土壤物理、化学、生物学过程等。