白云岩洞穴水水文地球化学特征及其环境变化响应研究——以绥阳双河洞为例

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岩溶洞穴水在指示洞穴内外环境变化方面的研究已经取得了重要进展,其中洞穴滴水作为洞穴次生碳酸钙沉积物的主要来源而备受关注,并且滴水起到了连接洞内外环境和传递外界气候环境变化信号的纽带作用,洞穴池水可间接的表征洞穴水环境的部分特征,洞穴地下河系统则可表征所在洞穴系统的地下水的总体水化学特征。所以通过对洞穴水的水文地球化学特征进行系统的分析,可以揭示其年际变化特征以及洞穴水水化学组分间的内在联系,在此基础上再对其水文地球化学过程进行推演,可以分析得出所在洞穴的洞穴水水文地球化学过程变化,结合洞穴空气CO2变化的特征进行综合分析,可以得出其对洞穴次生碳酸盐岩沉积环境的影响。因此,为了探讨双河洞系统中皮硝洞的水文地球化学过程变化及其环境指示意义,结合国家自然科学基金―岩溶洞穴CO2迁移变化机制及对洞穴岩溶环境的影响研究‖以及贵州省科技计划―贵州省洞穴调查数据技术服务‖等课题,以地球科学系统理论,中国岩溶动力系统理论为指导思想,于2015年4月至2016年3月对贵州省绥阳县双河洞洞穴系统中的地下河和皮硝洞进行了为期一个水文年的连续监测,使用美国Telaire-7001型便携式红外CO2仪实时监测空气CO2,德国WTW Multi-3430水质分析仪与酸碱测试盒现场分析洞穴水样的电导率(EC),水温和pH,德国Merck公司生产的碱度计和硬度计现场测定水中的HCO3-和Ca2+浓度,阳离子采用美国Varian公司VBTA MPX型电感耦合等离子体-光发射光谱仪测定,阴离子采用美国Dionex公司IS90型离子色谱仪测定。并以这些指标为基础,运用美国地质调查局开发的PHREEQC3.7低温水文地球化学分析软件,origin8.5作图软件,SPSS19.0统计软件以及piper图解,Gibbs图解等诸多分析手段探讨洞穴水各指标间的关系以及其物质来源,重点探讨洞穴滴水的水文地球化学过程变化及其与洞内外环境间的相互影响,得出以下重要结论:  (1)洞穴水的电导率(EC)和总硬度(TH)均与水样中的Ca2+,Mg2+离子呈现良好的正相关关系,结合水化学类型piper图解可以表明洞穴水中的阳离子以Ca2+,Mg2+离子为主要控制性阳离子,而在阴离子方面,皮硝洞滴水点(DS1#)和大鱼泉(DYQ)均属于HCO3-—Ca2+—Mg2+型水,表明在这两个水样点中的HCO3-根离子占据阴离子的主导地位,而石膏晶洞中的滴水点(DS2#)和两个池水点 CS1#,CS2#三个水样点呈现出SO42-—HCO3-—Ca2+—Mg2+型水,说明SO42-根离子的加入对水化学类型的影响。  (2)皮硝洞滴水点(DS1#)的滴率和 pH值变化与外界大气降水量间有一定的响应,而石膏晶洞中的滴水点则几乎没有与外界降水量变化的响应,这表明洞穴顶板厚度对洞穴水的运移时间和运移量起到了重要的控制作用,在顶板较厚的洞段,其滴水点的滴率全年变化相对稳定,而顶板较薄的洞段则会有明显的响应。  (3)从洞穴水的元素比值来看,四个洞穴水点的Mg/Ca比值均呈现―单峰‖的特点,但峰值出现的时间存在差异,石膏晶洞滴水(DS2#)的峰值出现时间相较于皮硝洞滴水(DS1#)滞后了约1个月的时间,说明顶版厚度越大,其对外界气候变化信号的传递周期越长,就 Mg/Ca比值而言,主要表现为Ca2+的―单控‖特点,而Sr/Ca比值则体现出Sr2+,Ca2+离子的―双控‖特征,这与石膏晶洞内的大量天青石沉积有关。  (4)从ΔP与矿物饱和指数(SI)之间的关系来看,皮硝洞作为一个纯天然的洞穴,其洞穴空气 CO2分压(PCO2(air))对滴水中的CO2分压(PCO2(water))影响甚微,体现出了PCO2(water)对ΔP的绝对控制,而ΔP与矿物饱和指数(SI)之间存在显著的负相关关系,两者间的关系表明ΔP对洞穴水是否发生脱气—沉积作用具有重要的指示意义,且结合经典理论,皮硝洞实测的数据表明―表观饱和指数‖的存在,关于此发现,还需日后的深入研究。
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