重庆芙蓉洞新生碳酸钙沉积物的氧碳稳定同位素分馏特征和矿物形态研究

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石笋是古气候重建的重要地质载体,以石笋为基础重建古气候,同位素平衡分馏是一个重要的前提条件,但也存在动力学分馏条件下能够重现古气候信息的先例。要解释洞穴沉积物的氧碳稳定同位素数据,需要准确分析氧碳稳定同位素的分馏特征及影响同位素分馏的环境因子。因此,在不同环境的自然洞穴中评估稳定同位素分馏效应对解释洞穴碳酸钙沉积物中的稳定同位素记录具有重要意义。文石与方解石是石笋碳酸钙晶体的常见矿物形态,目前的研究多集中于通过石笋碳酸钙矿物晶体形态推测古气候的变化,而根据现代洞穴监测数据分析洞穴新生碳酸钙沉积物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)下方放置玻璃片收集新生碳酸钙沉积物(2016~2019年)和滴水样品(2016~2021年),系统监测滴水的Mg/Ca比值、p H、滴率、以及新生碳酸钙沉积物的沉积速率和洞穴环境等指标。利用偏光显微镜对新生碳酸钙沉积物矿物形态进行鉴定,分析了玻璃片正面和反面新生碳酸钙沉积物的δ18O、δ13C和Mg/Ca比值。主要发现如下:(1)在芙蓉洞MP2、MP5和MP9滴水点,新生碳酸钙沉积物的沉积过程86%处于或接近同位素平衡分馏,即使在同一滴水点,新生碳酸钙沉积过程中同位素分馏程度在不同年份和月份也存在差异。在单个玻璃片上,新生碳酸钙沉积物的δ18O值从中心到边缘的相对偏差均小于0.40‰,除MP5处δ13C值在0.21‰~1.10‰之间变化外,其它滴水点δ13C值的偏差均小于0.37‰,这说明同一玻璃片上的新生碳酸钙沉积物大部分的沉积过程为同位素平衡分馏或接近平衡分馏。各滴水点新生碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C值在单个玻璃片上的空间分布没有明显的“中心低,边缘高”特征,这可能是由于滴水点过高,滴水中心不固定导致的。这可能表明,在芙蓉洞以洞穴碳酸钙沉积物为基础的古气候变化重建过程中,同位素样品的采样轨迹不需要严格沿中轴线进行。(2)MP2滴水点新生碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C变化受到洞穴空气p CO2和滴率的影响,洞穴空气p CO2和滴率较低时,新生碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C偏正。MP5滴水点碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C仅受到洞穴空气p CO2的影响,洞穴空气p CO2较低时,碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C偏正。MP9新生碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C值较理论平衡值的偏移比MP2和MP5更大,这可能是受到了滴水滴溅的影响。各个滴水点新生碳酸钙沉积物δ18O和δ13C的影响因素复杂,主控因素存在一定的差异性。(3)MP2、MP5和MP9滴水点新生碳酸钙沉积物的沉积速率受到洞穴空气p CO2、滴率和滴水Ca2+浓度的影响。洞穴空气p CO2较低时,滴水脱气较快,促使沉积速率加快。沉积速率与滴率及滴水Ca2+浓度呈正相关关系,滴率越高,Ca2+浓度越高,沉积速率越快,因此沉积速率可以间接反映局地水文的变化。滴水δ13CDIC受到区域多年降水量的影响,降水量越高,滴水δ13CDIC呈偏负的趋势。洞穴空气p CO2“夏秋高,冬春低”的季节变化特征可能也是影响滴水δ13CDIC“夏秋偏负,冬春偏正”季节变化的重要因素。虽然芙蓉洞上覆基岩厚度为300~500 m,但监测结果证实,洞穴沉积物的地球化学和物理指标在多年际时间尺度上仍保留了当地水文环境的变化。(4)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滴水点新生碳酸钙沉积物的矿物形态有三种情况:正反面均为方解石、正面沉积方解石,反面为文石-方解石混合和正反面沉积均为文石-方解石混合,反面文石多于正面,三个滴水点新生碳酸钙沉积物的矿物形态没有明显的季节变化。下渗流在上覆基岩中流经的岩性差异会通过影响滴水Mg/Ca间接影响到新生碳酸钙沉积物矿物的形态,MP2滴水Mg/Ca比值整体上小于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。滴率可能也是影响矿物形态的重要因素,滴率较慢时容易出现文石沉积,但是需要结合滴水的地球化学性质进行综合分析。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的δ18O和δ13C比以方解石为主的沉积物偏正,偏正幅度分别为0.23‰和0.63‰,说明矿物形态的变化可能会对新生碳酸钙沉积物的δ18O和δ13C的分馏产生影响。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。
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