洞穴滴水水文水化学过程分析及控制因素探讨——以重庆芙蓉洞为例

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洞穴沉积物作为一种自然历史档案提供古气候变化的记录,已经逐渐受到人们的重视,特别是石笋年层概念的提出,使精确分析高分辨率的气候-环境变化信息成为了可能,但是,在利用洞穴沉积物进行古气候重建的过程中,也有人注意到岩溶次生沉积记录与环境的不一致现象,而不一致的原因就在于岩溶水动力过程对次生沉积记录的影响。 本文选取重庆武隆芙蓉洞作为对象,从水文水化学方面分析芙蓉洞洞穴滴水的水文学和元素地球化学特征,监测指标包含了洞穴滴水中的滴水滴率、电导、pH、水温、Ca<2+>、Mg<2+>、K<+>、Na<+>、Sr<2+>、Ba<2->、SO<2-><,4>、HCO<-><,3>、Cl<->、,同时对洞穴环境指标如温度等以及洞项上方泉水的ca<2+>、Mg<2+>、K<+>、Na<+>、Sr<2+>、Ba<2+>、SO<2-><,4>、HCO<-><,3>、Cl<->、等也进行了长期的动态监测。结果显示出,气候的变化会对洞穴滴水水文化学和地球化学变化产生比较明显的影响,并由此推断出洞穴滴水主要来源于大气降雨。但是不同的滴水点滴水和池水的物质含量和响应滞后时间并不相同,其原因是洞穴滴水在洞顶上覆土壤和顶板基岩裂隙中的运移路径对物质组成有很大的影响,同时我们用洞顶泉水与洞穴滴水进行比较,进一步验证了这一推断。而影响洞穴滴水水化学过程的这些因素最终将可能影响到对该地区古温度重建的判断。 主要研究成果如下: (1)分析出芙蓉洞洞穴滴水的主要化学特性和物理特性,并分析出洞穴上覆土壤和上方基岩是芙蓉洞洞穴滴水中物质的主要来源。芙蓉洞洞穴滴水主要来自于大气降雨,通过对大气降雨和洞穴滴水的物质含量进行分析,可以推断出,季节降雨通过土壤空隙和基岩裂隙向下运移供应洞穴滴水,其自身组分的季节淋溶直接影响了洞穴滴水的化学组成。 (2)滴水中的各离子含量在6~9月达到峰值。从变化总体趋势来看,芙蓉洞洞穴滴水的离子含量在雨季含量逐渐变高,这主要是和土壤生物来源的CO<,2>有关。CO<,2>的增强使得其溶解土壤和下伏碳酸盐岩能力增强,使滴水中的各离子含量相应升高,但在连续高温和干旱的情况下,土壤水大幅蒸发,储存在顶板的老水没有经过大气降雨的稀释,以饱和的状态透过了土壤和基岩,顺着滴水的运移路径,同样在滴水中表现出各离子含量变高的特点。 (3)芙蓉洞洞穴温度基本恒定在16℃左右,在观测期内没有出现较大的波动,因此在该洞穴环境条件下,温度引起的石笋中的Mg/Ca比值变化与滴水中Mg<2+>含量的季节变化相比是非常微弱的,洞穴沉积物中的Mg/Ca比值应该可以直接反映滴水中Mg/Ca比值的变化,从而可以直接用于反映洞穴外界气候环境条件的改变。 (4)芙蓉洞洞穴滴水在雨季的滴率变化以及滴水中各类离子如Ca<2+>,Mg<2+>,Ba<2+>,Sr<2+>等的变化,都表明了芙蓉洞洞穴滴水主要来源于当季降雨,受洞穴外界气候环境变化影响较大。通过对滴水地球化学观测数据的分析表明,在雨季地表降水部分以通过较大孔隙以优先流的形式供应滴水,也有部分滴水点滴水混入了洞穴顶板的滞留水,因此,在考虑利用洞穴沉积物进行高分辨率古气候重建的过程中一定要考虑滞留水与当季降雨的混合水的影响。 (5)芙蓉洞的滴水点水文学和水化学过程在一个水文年里的变化趋势基本上趋于一致,但是不同的滴水点滴水滴率对于大气降雨的响应时间却存在很大的差异,同时不同滴水点滴水的水化学成分也存在着一定的差异。这充分说明影响洞穴滴水水文水化学过程不仅仅是外界气候环境变化,其上覆土壤的季节淋溶以及洞顶基岩厚度和裂隙都会对喀斯特水的运移方式产生影响,并最终影响到洞穴滴水的水化学过程。 (6)芙蓉洞洞顶泉水和芙蓉洞洞穴滴水对于气候环境的响应时间和水样物质含量都有很大的差异,这说明芙蓉洞洞顶泉水不能直接影响洞穴滴水,并进一步验证了芙蓉洞洞顶上覆土壤和顶板基岩的溶蚀溶滤作用,使芙蓉洞洞穴滴水在物理和化学性质方面都与洞顶泉水有很大的差异。
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