洞穴滴水差異分析及其影響因素研究

周景亮

摘要：洞穴滴水是氣候信號(hào)從洞穴外向洞穴內(nèi)傳遞的橋梁，具有重要研究意義。為使對(duì)洞穴滴水的研究更加深入，本文對(duì)近年來洞穴監(jiān)測(cè)所取得的成果進(jìn)行分析。本文的分析以滴水環(huán)境指標(biāo)為中心，先介紹了導(dǎo)致同一洞穴各滴點(diǎn)間和不同洞穴間環(huán)境相應(yīng)方式存在差異的原因——路徑效應(yīng)和混合效應(yīng)以及氣體交換，再對(duì)常見的環(huán)境指標(biāo)——碳氧同位素組成和微量元素的研究進(jìn)展進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：洞穴監(jiān)測(cè);洞穴滴水;石筍;環(huán)境指標(biāo)

1 引言

目前，石筍因?yàn)樗锥辍⒎植紡V和指標(biāo)多等優(yōu)勢(shì)成為了重要的古氣候代用物。比如有中國(guó)學(xué)者通過將石筍記錄與中國(guó)自唐朝以來的歷史記錄進(jìn)行對(duì)比，提出了中國(guó)朝代的更替與亞洲季風(fēng)的變化有著內(nèi)在聯(lián)系的觀點(diǎn)。然而隨著研究的深入，這樣的觀點(diǎn)受到質(zhì)疑。比如，有的學(xué)者指出，將石筍氧同位素用作降水量指標(biāo)的依據(jù)——“雨量效應(yīng)”，適用于低緯地區(qū);還有學(xué)者提出，雨量效應(yīng)這一機(jī)理不能解釋中國(guó)石筍氧同位素的變化。事實(shí)上，為解釋中國(guó)季風(fēng)區(qū)石筍氧同位素組成，相關(guān)學(xué)者已提出很多觀點(diǎn)。除氧同位素組成外，對(duì)于其它古環(huán)境指標(biāo)的環(huán)境意義，學(xué)者間存在爭(zhēng)議。這些爭(zhēng)議的存在表明，人們對(duì)洞穴滴水地球化學(xué)特征的變化規(guī)律，了解仍不充分。

為提高對(duì)石筍這一古氣候檔案的了解，從而提高古環(huán)境重建的可靠性，眾多學(xué)者將目光投向了對(duì)洞穴的監(jiān)測(cè)。本文搜集了近年來關(guān)于洞穴監(jiān)測(cè)的成果，介紹了洞穴滴水地球化學(xué)特征對(duì)外界環(huán)境相應(yīng)的主要影響因素，以及洞穴滴水常用地球化學(xué)特征。

2 滴點(diǎn)間差異的影響因素

2.1路徑效應(yīng)

世界上的各個(gè)洞穴中都存在著同一洞穴中的不同石筍的很多古環(huán)境替代指標(biāo)的值存在著明顯差異的情況，比如在對(duì)北亞得里亞海的 洞中的兩根石筍的研究中發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為這是兩石筍所對(duì)應(yīng)的滴點(diǎn)的滴水來源不同導(dǎo)致的。除此之外，還有很多對(duì)石筍的研究也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。“路徑效應(yīng)”就是為解釋該現(xiàn)象提出的。所謂“路徑效應(yīng)”就是指滴點(diǎn)由滴點(diǎn)上的裂隙所通的水源不同而導(dǎo)致的滴水的地化特征不同的現(xiàn)象。

顯然，這種現(xiàn)象與洞穴頂部的孔隙密切相關(guān)。因此，為研究該現(xiàn)象，就有必要研究洞穴上覆物內(nèi)部的“管道網(wǎng)”。目前，對(duì)于該問題應(yīng)用較為廣泛的方法有兩種，第一種為監(jiān)測(cè)法，即通過對(duì)滴點(diǎn)對(duì)降水的響應(yīng)情況，來反推相應(yīng)滴點(diǎn)的補(bǔ)給來源和響應(yīng)方式，比如有中國(guó)學(xué)者通過對(duì)和尚洞進(jìn)行研究，確定了該洞穴中滴水的來源有兩個(gè)，分別是高Sr/Ca和Mg/Ca值的大氣降水，以及來源于米水洞的地下水（上述兩個(gè)比值較低）。而國(guó)外學(xué)者在2005-2007年研究了以色列的Orenin洞的九個(gè)滴點(diǎn)的滴水對(duì)降水的響應(yīng)情況。根據(jù)對(duì)該洞滴點(diǎn)的補(bǔ)給機(jī)制，和響應(yīng)速度進(jìn)行的識(shí)別和測(cè)量結(jié)果，他們指出，該洞的這幾個(gè)滴點(diǎn)可以根據(jù)對(duì)降水相應(yīng)的時(shí)間分布分為多年型、溢出型、后暴風(fēng)型和季節(jié)型，并指出它們?cè)诘嗡懦龅膭?dòng)力學(xué)、滴速峰值以及補(bǔ)給過程這幾方面有很大的區(qū)別。

2.2混合效應(yīng)

所謂的“混合效應(yīng)”是為了解釋某些滴點(diǎn)的滴水地化特征的變化較小，似與氣候無關(guān)的現(xiàn)象提出的。它指的是由于降水滲入地下后與地下水混合，導(dǎo)致滴水的地化特征的變化被“緩沖”，從而減小了滴水地球化學(xué)特征的變化范圍的現(xiàn)象。

目前已有很多研究使用該現(xiàn)象解釋滴水氧同位素組成的變化，比如有中國(guó)學(xué)者在關(guān)于中國(guó)境內(nèi)幾處洞穴的研究中指出，中國(guó)季風(fēng)區(qū)洞穴滴水的氧同位素組成變化，可以用該現(xiàn)象解釋。他們還根據(jù)洞穴滴水的變化情況將他所研究的洞穴滴水分成了幾大類別——常年穩(wěn)定型、季節(jié)變化型以及二者的過渡類型這幾種類型。在歐洲，有研究者通過對(duì)法國(guó)的Villars和Chauvet兩個(gè)洞穴的滴水的研究表明，它們的滴水氧同位素組成沒有季節(jié)性變化，且與年降水量，以及月降水量的相關(guān)性均較差，他們認(rèn)為這是由于新進(jìn)入的滲水和先存水充分混合后對(duì)滴點(diǎn)進(jìn)行溢出式補(bǔ)給所導(dǎo)致的。

3 洞穴間差異的影響因素

不同洞穴的滴水，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的不一致，除了源于環(huán)境變化本身的不一致，以及滴點(diǎn)間可能存在的差異外，洞穴這個(gè)系統(tǒng)本與外界間的物質(zhì)和能量交換情況，也是導(dǎo)致這種差異的可能因素。顯然，對(duì)于喀斯特體系來說，洞穴內(nèi)外可以進(jìn)行交換的“物質(zhì)”，主要為液態(tài)水，水蒸氣和二氧化碳，能量交換情況，主要指洞穴溫度的變化情況。一般來說，單純的能量交換，對(duì)洞穴滴水的地球化學(xué)特征影響很小，而物質(zhì)交換過程中必然伴隨能量交換。

二氧化碳和水蒸氣是洞穴內(nèi)空氣的成分中，對(duì)于滴水—碳酸鈣體系來說最重要的，因此它也是洞穴監(jiān)測(cè)中主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象。其中水蒸氣的濃度會(huì)影響滴水在洞穴中的變化，比如當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)滴水在洞中可能會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，從而影響石筍δ18O對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)。不過目前對(duì)該現(xiàn)象的研究資料仍然較少，這可能是因?yàn)樵摤F(xiàn)象對(duì)石筍δ18O影響不大。

洞穴與外界進(jìn)行的物質(zhì)和能量交換中，與古氣候重建關(guān)系較密切者包括地表水的下滲和洞穴內(nèi)外的氣體交換（能量交換主要在這類過程中進(jìn)行）。其中，前者溶解攜帶的二氧化碳，是石筍中碳元素的主要來源，后者導(dǎo)致的洞穴空氣成分的變化，能影響洞穴石筍的形成-溶解平衡方向和反應(yīng)速率。此外，后者的強(qiáng)弱，也能影響洞穴的其它性質(zhì)，比如溫度變化幅度。因此，今后對(duì)石筍進(jìn)行的研究中，必須重視對(duì)洞穴與外界物質(zhì)和能量交換的研究。

4 洞穴滴水中的環(huán)境指標(biāo)

4.1氧同位素

石筍氧同位素組成是石筍蘊(yùn)含的古環(huán)境指標(biāo)中，應(yīng)用最廣泛，研究最多的一種[1]。然而，氧同位素組成的影響因素較多，所以它的古環(huán)境意義仍有爭(zhēng)議。洞穴滴水是降水氧同位素組成向石筍傳輸?shù)摹皹蛄骸?，?duì)其降水氧同位素組成變化影響因素的研究，對(duì)石筍氧同位素組成的研究具有重要意義，這一領(lǐng)域也因此取得了不少成果。

中國(guó)的石筍氧同位素組成一般被認(rèn)為是亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度的替代指標(biāo)，該觀點(diǎn)認(rèn)為中國(guó)石筍的氧同位素組成的變化是由不同源區(qū)的降水的比例變化導(dǎo)致的。比如有研究者通過對(duì)桂林蟠龍洞為期一年的研究發(fā)現(xiàn)，該洞的滴水氧同位素組成的季節(jié)性變化趨勢(shì)與降水氧同位素的季節(jié)性變化趨勢(shì)一致。他們提出，該洞穴中滴水氧同位素組成的季節(jié)型變化，是由水汽來源的季節(jié)性變化導(dǎo)致的。特別的，該洞夏季的洞穴滴水氧同位素組成，由夏季風(fēng)強(qiáng)度決定，這與關(guān)于中國(guó)石筍的研究中得出的結(jié)論類似。

美國(guó)落基山脈以東占美國(guó)本土的絕大部分。該地區(qū)以及墨西哥的降水在夏季由于北美季風(fēng)影響水汽來源于墨西哥灣，而冬季則受冬季風(fēng)影響水汽來源于太平洋。然而美國(guó)東南部洞穴的滴水氧同位素組成卻少有季節(jié)性變化，比如有研究者通過對(duì)新墨西哥州中部到德克薩斯西部一帶的洞穴進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該地降水氧同位素組成有著巴西洞穴類似的變化規(guī)律，但滴水的氧同位素組成卻幾乎沒有季節(jié)性變化。他們指出，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是，下滲水在地下水不飽和的地區(qū)所存在的混合作用。

由上述研究可知，當(dāng)洞穴所在地的氣候狀況，由多個(gè)大氣環(huán)流現(xiàn)象所決定時(shí)，洞穴滴水氧同位素組成主要反映水汽來源的變化，以及它所反映的大氣環(huán)流的變化;當(dāng)影響洞穴所在地氣候的大氣環(huán)流現(xiàn)象較為單一時(shí)，洞穴降水氧同位素組成則主要表現(xiàn)出雨量效應(yīng)。由此可見，洞穴滴水氧同位素組成，以及它所反映的當(dāng)?shù)亟邓跬凰亟M成的影響因素中，對(duì)它們?cè)诙坛叨壬系淖兓绊懽畲蟮囊蛩厥?，大氣環(huán)流狀況的變化，所導(dǎo)致的水汽來源的變化。

4.2碳同位素

滴水—碳酸鈣體系中的碳元素，主要來自滴水中的二氧化碳。這些二氧化碳可能來自以下來源：1.大氣二氧化碳;2.土壤中形成的二氧化碳（與植物的呼吸作用關(guān)系密切）;3.石灰質(zhì)基巖溶解形成的二氧化碳;4.洞穴空氣中的二氧化碳等。顯然，這些二氧化碳來源的碳同位素組成和二氧化碳濃度不同，故當(dāng)洞穴氣體與其它的二氧化碳源發(fā)生交換或這些二氧化碳成分進(jìn)入滴水與滴水中先存碳元素混合就會(huì)使滴水碳同位素組成發(fā)生變化，比如有研究者通過對(duì)意大利Grotta di Ernest洞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該洞在冬季時(shí)由于與大氣進(jìn)行“受迫通風(fēng)”，故洞內(nèi)二氧化碳濃度下降，從而導(dǎo)致滴水中溶解的二氧化碳發(fā)生動(dòng)力分餾，從而改變滴水碳同位素組成。

分析上述各類二氧化碳可知，自然界中存在的二氧化碳可以分為兩類——生物成因的二氧化碳和非生物成因的二氧化碳。其中，前者指的是在生物生命活動(dòng)中和有機(jī)物分解產(chǎn)生的二氧化碳，比如生物的呼吸作用和有機(jī)物分解產(chǎn)生的二氧化碳;后者指的是由于自然界中的非生物過程產(chǎn)生的二氧化碳，比如石灰質(zhì)巖石溶解產(chǎn)生的二氧化碳。此兩者的氧同位素組成有明顯區(qū)別：生物成因的二氧化碳富集輕同位素，非生物成因的富集重同位素。因此，這二者的比例變化會(huì)影響洞穴滴水的碳同位素組成。比如中國(guó)學(xué)者通過對(duì)蟠龍洞的研究指出，該洞滴水碳同位素組成的變化，所反映的并非植被類型的變化。該洞穴常年滴水碳同位素組成的變化，反映的是由溫度變化導(dǎo)致的，微生物活性的變化：溫度高時(shí)微生物活性強(qiáng)，滴水碳同位素組成偏輕，溫度低時(shí)則反之;季節(jié)性滴水則反映的是月降水量的變化。

分析前述研究可知，石筍中對(duì)碳同位素進(jìn)行解釋的較常見機(jī)理——洞穴上覆植被種類的變化并未在對(duì)滴水的研究中出現(xiàn)。這可能是因?yàn)閷?duì)滴水進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)間，普遍要小于植物群落進(jìn)行演替所需的時(shí)間。換句話說，植被類型對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行響應(yīng)所需時(shí)間一般較長(zhǎng)，而對(duì)滴水進(jìn)行研究的時(shí)間尺度較小，因此未見通過這種機(jī)理對(duì)滴水碳同位素進(jìn)行解釋;石筍反映氣候變化的時(shí)間尺度較大，故可以通過碳同位素來反映植被類型的變化[2]。因此，在古環(huán)境恢復(fù)中使用“將近論古”這種基本思路時(shí)，只有先準(zhǔn)確分析不同影響因素，在各時(shí)間尺度上的變化，才能得出較為合理的結(jié)論。

4.3微量元素

微量元素指的是在體系中含量小于千分之一的元素。目前，它們?cè)诘厍蚧瘜W(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都有重要意義。目前在對(duì)石筍的研究中主要應(yīng)用的是堿土元素，它們都被認(rèn)為是降水量或滴水補(bǔ)給量的替代指標(biāo)。除此之外，能用作古環(huán)境指標(biāo)的還有磷、鐵、鋁等，但有關(guān)這些元素在滴水中行為的研究較為少見。

堿土金屬鈣是構(gòu)成石筍的主要元素之一，其它堿土元素與鈣的化學(xué)性質(zhì)相似，所以它們?cè)谑S中的含量也有明顯的環(huán)境意義[3]。洞穴滴水堿土金屬的比值反映的是洞穴的水文變化。比如國(guó)外學(xué)者通過對(duì)澳大利亞東南部的Harrie Wood洞的研究發(fā)現(xiàn)，該洞鎂鈣比和鍶鈣比的變化，是由PCP（即前方解石沉積作用）作用導(dǎo)致的，他們認(rèn)為，在厄爾尼諾年，當(dāng)?shù)貧夂蚋珊?，故鎂鈣比和鍶鈣比變大。還有研究者對(duì)加里曼丹島西北部的尼亞大洞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該洞滴水的堿土元素含量由下滲水的停留時(shí)間決定，停留時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，滲水進(jìn)行沉淀的時(shí)間越長(zhǎng)，鎂鈣比和鍶鈣比越大，越短則反之。然而，這不是絕對(duì)的，比如有學(xué)者通過對(duì)美國(guó)得克薩斯Westcave的研究指出，該洞的鍶鈣和鋇鈣比與生長(zhǎng)速率一樣，指示季節(jié)性溫度的變化。

結(jié)論：

洞穴滴水是氣候信號(hào)從洞穴外向洞穴內(nèi)傳遞的橋梁，具有重要研究意義。目前，對(duì)洞穴滴水的研究主要集中在對(duì)洞穴環(huán)境的研究、洞穴體系對(duì)滴水響應(yīng)外界環(huán)境變化影響的研究和滴水中的古環(huán)境指標(biāo)對(duì)外界的響應(yīng)情況的研究幾個(gè)方面。

洞穴過程影響滴水對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)。其中影響最大的是路徑效應(yīng)和混合效應(yīng)。路徑效應(yīng)指的是同一洞穴內(nèi)的滴點(diǎn)可能同向不同的水源，從而導(dǎo)致同一洞穴中各滴點(diǎn)的滴水中古氣候替代指標(biāo)的值不同。混合效應(yīng)指的是雨水下滲后會(huì)與先存地下水發(fā)生混合的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象使得洞穴上覆土壤和基巖成為了一個(gè)“巨大的低通濾波器”，嚴(yán)重影響滴水對(duì)氣候的反應(yīng)。

滴水中的古環(huán)境指標(biāo)中常用的有三種：氧同位素、碳同位素和微量元素。氧同位素除了由“源效應(yīng)”影響的地區(qū)外其他地方由于混合效應(yīng)的影響季節(jié)變化較不顯著，而受到源效應(yīng)影響的地方則表現(xiàn)出了較為明顯的季節(jié)性變化，它與受“源效應(yīng)”影響的地方的石筍氧同位素組成的主導(dǎo)因素大都是“大氣環(huán)流情況”的事實(shí)也說明“源效應(yīng)”的效果十分強(qiáng)大。碳同位素的來源較廣，故對(duì)滴水碳同位素變化的解釋較多。但未見在石筍中最常見的解釋——植物種類變化。這可能是因?yàn)槿郝溲萏鏁r(shí)間相對(duì)于滴水觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的原因。目前在對(duì)洞穴的研究中最常用的微量元素是堿土元素。他們主要反映的是洞穴的水文條件的變化，有時(shí)也可能反映溫度變化。

參考文獻(xiàn)：

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