短时间高强度旅游活动下洞穴CO2的变化特征及对滴水水文地球化学的响应

洞穴高强度旅游活动产生的CO₂对洞穴滴水水文地球化学及洞穴沉积物沉积具有重要影响。本文于2017年9月30日-10月9日对贵州绥阳大风洞洞穴CO₂、温度、相对湿度、游客数量及洞穴滴水水化学指标等进行连续监测,运用系统分析方法对各要素进行综合分析。结果发现：① 受游客数量和洞穴通风效应等因素影响,洞穴空气CO₂分压（PCO_2（A））在时间序列上呈现明显的昼夜变化和日际变化,表现为白昼高、夜间低,游客多的天数高,游客少的天数低。在空间变化上,由于通风程度和洞腔体积不同,不同监测点PCO_2（A）存在明显差异,由洞内深处至洞口分别为3#（神泉玉露）>1#（时光隧道）>2#（夜明珠）;② 通过比较PCO_2（A）和滴水水温,前者对CO₂溶解度影响比后者更为显著,表明PCO_2（A）是洞穴沉积过程中最重要的驱动因素之一;③ 洞穴滴水水温、滴水PCO₂分压（PCO_2（W））与PCO_2（A）变化趋势大体一致,也呈现出明显的昼夜变化和日际变化。pH、SIc和HCO₃^-变化趋势大体上与PCO_2（A）相反,EC和Ca²⁺则无明显的昼夜变化,但存在一定的日际变化。随着旅游活动强度的增加,滴水水化学变化幅度逐渐增大。此外,不同滴水点所在洞腔结构、大小、封闭程度等不同,使PCO_2（A）的扩散和通风程度存在差异,进而影响洞穴滴水水化学组分和洞穴沉积物沉积状况。因此,本研究对于洞穴环境保护和管理及其岩溶洞穴碳循环的研究具有重要意义。     

岩溶滴水中痕量磷的测定及其古环境意义

为解决因洞穴滴水中磷酸盐含量低而无法了解磷的存在形式和分布特征这一问题,借鉴经典氢氧化镁共沉淀法,开发了集分离-富集-测定于一体的共沉淀-磷钼蓝分光光度法,用于定量测定岩溶滴水中PO43-。通过4个回收实验表明,岩溶滴水中痕量磷的回收率分别是99%、102%、95%和96%,达到定量分析的要求。对湖北清江和尚洞内HS4滴点2005—2012年的滴水样品中的磷酸盐进行测定,结果表明滴水PO43- (以P计)最大浓度为12.1μg/L,最小浓度为0.1μg/L,平均值为4.55μg/L。洞穴滴水中磷的浓度呈现季节波动,总体上夏、秋季高,冬、春季低,与同期的温度和滴水速率的季节变化相一致,较好地响应了气候和环境的变化。      

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。     

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。     

湖北清江和尚洞洞穴滴水脂肪酸分布特征及其古生态意义

对采自湖北省清江和尚洞滴水样品,采用XAD大孔径树脂吸附法及气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)检测出种类丰富的脂肪酸,包括直链(nC12:0～nC30:0)与支链(iC14:0～iC26:0,及aC15:0和aC17:0)饱和脂肪酸,直链单不饱和脂肪酸(nC15:1,nC16:1,nC17:1和nC18:1),多不饱和脂肪酸(nC18:2)及微量的支链不饱和脂肪酸(iC17:1).滴水脂肪酸分布特征显示有机质以微生物来源为主,兼有高等植物贡献.占优势的偶碳直链饱和脂肪酸(主要是nC16:0,nC18:0和nC14:0),含量相对较高的单不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸可能主要来源于地下水微藻.滴水中还检出含量较高的nC17:1和nC15:1及微量的iC17:1和iC15:1,它们很可能来自洞顶土壤厌氧层中的硫酸盐还原菌.洞顶土壤、滴水与现代石笋碳酸钙沉积脂肪酸分布对比揭示,石笋有机质主要来源于土壤,也有地下水微生物及洞穴原地微生物贡献.     

新生碳酸钙沉积矿物形态的影响因素分析

石笋是古气候重建的重要地质载体,文石与方解石是石笋碳酸钙晶体的常见矿物形态。根据现代洞穴监测数据分析洞穴新生碳酸钙沉积物 (Active Speleothem: AS)的矿物形态的研究较少。本文在重庆武隆芙蓉洞三个滴水点 (MP2、MP5、MP9)下放置玻璃片,收集新生碳酸钙沉积物和滴水样品,监测新生碳酸钙沉积物矿物形态、滴水的Mg/Ca比值、pH、滴率和洞穴环境等指标,分析玻璃片正面和反面新生碳酸钙沉积物的δ18O、δ13C和Mg/Ca比值。研究发现:(1) MP2滴水点下的玻璃片正反面新生碳酸钙沉积物的矿物形态均为方解石;MP5和MP9滴水点的正面沉积方解石和文石-方解石混合两种情况,反面沉积文石-方解石,且反面文石多于正面。 (2) MP2滴水Mg/Ca比值小于MP5和MP9,说明滴水Mg/Ca比值是影响新生碳酸钙沉积物矿物形态的重要因素;而滴水pH值对AS矿物形态的影响在不同滴水点有差异。(3) 不论是玻璃片正面还是反面,文石-方解石混合的新生碳酸钙沉积物δ18O和δ13C比以方解石为主的沉积物偏正,说明AS矿物形态的变化会导致δ18O和δ13C发生变化。通过在芙蓉洞的系统监测和分析,发现新生碳酸钙沉积物的矿物形态与地表环境、洞穴上部岩溶水文地质条件密切相关,并验证了洞穴新生碳酸钙沉积物的矿物形态对石笋δ18O和δ13C具有重要影响。      

天然荧光物质作为岩溶地下水的示踪剂研究——以湖北清江和尚洞为例

天然荧光物质作为岩溶地下水的示踪剂的相关报道较少。在详细研究了湖北清江和尚洞岩溶滴水中荧光物质的光谱特征及其季节变化的基础上,探讨了天然荧光物质作为岩溶示踪剂的可行性。研究结果表明,和尚洞岩溶滴水中的主要荧光物质是富里酸,其特征波长对为: 激发波长304nm,发射波长407nm。在年季旋回中,荧光强度与滴水的氧同位素组成有一致的季节变化( r = 0. 539, p >0. 99)。滴水δ18O和荧光强度峰值( 5月,初夏)出现明显滞后于补给水(冬季降水) ,两者的时间差指示了岩溶水的滞留。因此,天然荧光物质作为一种新型的地下水的示踪剂,具有灵敏、经济及环保等特点,特别适合源头未知的岩溶水示踪。      

洞穴滴(流)水的双重(滴－侵蚀、沉积)作用——以桂林盘龙洞为例

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- 岩的相互作用。本文通过对桂林盘龙洞滴水一个水文年的动态监测表明,洞穴滴水对大气降水的响应较快,其所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- 10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Pa、Pb、Pc 形成后被溶- 侵蚀的体积分别达339872 cm3、13 680 cm3 和33 792 cm3; 在冬半年,常年性滴水由于滴速和滴量较小,其溶- 侵蚀性较弱;而在夏半年,由于滴水的饱和度高,沉积量大,往往将在冬半年形成细微的滴溶蚀凹坑或孔穴填平补齐。      

不同植被类型覆盖下土壤CO2浓度对洞穴景观的影响

土壤中的CO2 通过影响土壤水对碳酸盐岩的溶蚀能力控制洞穴滴水中的Ca2 +初始含量 ,同时它进入洞穴水体后溶解度的变化也会影响洞穴景观的形成。研究表明 ,不同植被类型对土壤CO2 浓度会产生不同影响。本文通过模拟分析认为 ,在一定范围内 ,地表生态系统的改善有利于土壤中CO2 的增加和洞穴中碳酸钙沉积景观的发育 ,但是若超过一定的阈值 ,即土壤中的CO2 浓度过高 ,使喀斯特水中的CO2 不能在洞穴顶部碳酸盐岩体渗流过程中完全被消耗时 ,洞穴滴水的酸性会对碳酸钙产生溶蚀作用 ,易形成洞穴溶蚀景观。     

桂林现代洞穴碳酸盐——石笋的沉积速率及其环境意义

洞穴沉积物过去环境记录在短尺度、高分辨率全球变化研究中已成为不可或缺的研究内容.而洞穴滴水作为洞穴石笋形成的介质或媒体,对气候环境变化响应迅速,其物质成分、滴速以及水量的变化直接影响石笋的生长及其蕴含的环境信息,是研究地表环境变化与洞穴石笋沉积的桥梁.洞穴滴水从而成为石笋形成机理和古气候重建研究的热点.通过对桂林盘龙洞...