金華北山洞穴水文地球化學(xué)指標(biāo)與氣候的響應(yīng)關(guān)系研究

張微笑等

摘要：本文以金華北山的雙龍洞、桃源洞、二仙洞三個(gè)洞穴作為研究區(qū)，通過定期的水樣采集和分析，進(jìn)行洞穴滴水的理化特征監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含了洞穴滴水中的滴水滴率、水溫、洞溫、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、Mg /Ca含量，同時(shí)對(duì)研究區(qū)域洞穴水的地球化學(xué)特征分析研究。初步得出水中各離子濃度與氣候的響應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：金華北山洞穴；理化特性；氣候響應(yīng)

1 研究背景

石鐘乳等洞穴化學(xué)沉積物作為高分辨率的古氣候記錄載體，具有極高的研究?jī)r(jià)值。第四紀(jì)各地氣候變化這個(gè)全球變化是一個(gè)備受關(guān)注的重要課題。而洞穴化學(xué)沉積物中所包含的氣象信息，均會(huì)在洞穴滴水中有所體現(xiàn)，兩者具有一定的耦合現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)此研究進(jìn)展總體來說較好。舉例來說，劉明秀等人發(fā)現(xiàn)滴水的溶解有機(jī)碳和熒光強(qiáng)度以每年4～6月最強(qiáng)，并與洞穴上覆植被條件呈正相關(guān)等[1]。然而，目前許多研究在利用洞穴沉積物進(jìn)行古氣候重建的過程中出現(xiàn)了巖溶次生沉積記錄與環(huán)境的不一致現(xiàn)象。本文在研究石筍微層記錄的氣候信號(hào)及微層形成機(jī)理時(shí)，通過研究巖溶水動(dòng)力學(xué)地球化學(xué)過程來分析石筍的唯一來源——洞穴滴水來探討其包含的氣候環(huán)境信息。

1.1 洞穴沉積物的古氣候意義

鐘乳石和石筍測(cè)年輪測(cè)得很準(zhǔn)，其同位素變化反映了當(dāng)時(shí)大氣降水的同位素成分，是古氣候研究中的重要指標(biāo)。因?yàn)樵阽娙槭褪S中形成的每一層水滴中都含有當(dāng)時(shí)年代的環(huán)境成分，反映出當(dāng)時(shí)的化學(xué)環(huán)境。

滴水和土壤是洞穴沉積物形成的主要物質(zhì)來源。其中，滴水更是物質(zhì)載體和動(dòng)力來源，是氣候信號(hào)的終端和洞穴沉積物形成的始端，具有重要?dú)庀髮W(xué)意義。

滴水地球化學(xué)一直是國(guó)內(nèi)外巖溶專家關(guān)注的熱點(diǎn)，其原因不僅在于它可以反映滴水水動(dòng)力過程及其運(yùn)移路徑，還在于滴水沉積形成的石筍中微量元素含量及其相互比值的變化可作為古氣候、古環(huán)境良好的代用指標(biāo) [2]。

2 研究區(qū)概況、材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

金華雙龍溶洞群（29°12′19″N，119°37′10″E）位于浙中丘陵盆地和浙西中山丘陵的交接部金華北山山地上，屬龍門山脈。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。年平均氣溫約17℃ ，7月平均溫度29℃，1月平均溫度4.8℃；降水豐沛，多年平均降水量1414.3mm，但年際變化幅度大，季節(jié)分布不均。

2.2 洞穴滴水觀測(cè)點(diǎn)

為了研究北山洞穴滴水的水化學(xué)特性和地球化學(xué)空間時(shí)間變異，在結(jié)合北山洞穴的具體環(huán)境的基礎(chǔ)上，同時(shí)也考慮到外界環(huán)境對(duì)洞內(nèi)環(huán)境的影響，選取了離洞口較遠(yuǎn)，封閉條件好，偏離旅游線路并且滴水量、積水量較大的16個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)（表1），觀測(cè)時(shí)間為2014年1月至2014年6月。

2.3 觀測(cè)內(nèi)容與分析方法

大氣環(huán)境狀況、洞穴環(huán)境及滴水監(jiān)測(cè)是主要的觀測(cè)內(nèi)容。本文監(jiān)測(cè)了金華雙龍洞2014年1月至6月大氣狀況。

洞穴環(huán)境主要是洞溫和水溫的觀測(cè)，滴水監(jiān)測(cè)主要包括滴水速率的監(jiān)測(cè)和水樣的采集。與去年相比，今年降水相對(duì)較去年少一些。

3 結(jié)果與討論

3.1 洞穴滴水水物理特征

水的主要物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度等，不同地下水的性質(zhì)不相同。

經(jīng)過從2014年1～6月的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雙龍洞、二仙洞與桃源洞都具有無色透明、無臭無味的物理性質(zhì)。此外由于滴水的溫度取決于洞穴環(huán)境溫度，而洞穴環(huán)境溫度則和當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁孛芮邢嚓P(guān)。根據(jù)對(duì)洞穴溫度、水溫度6個(gè)月連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)洞穴溫度基本保持在20 ℃～0 ℃，可推斷三個(gè)溶洞洞內(nèi)水溫均屬冷水。

圖1顯示了2014年1～6月這幾個(gè)月的降水量的變化及1#、5#、7#、11#這四個(gè)點(diǎn)的滴水速率變化。這四點(diǎn)的滴率變化趨勢(shì)存在明顯差異。有研究表明，滴速滯后降雨在 10 天之內(nèi)，日降雨 50mm 以上的滯后期小于7天；雨季、旱季滴速滯后期基本相同，無季節(jié)差別；全年滴速、滴量響應(yīng)存在明顯季節(jié)不同。[3]

而根據(jù)本研究對(duì)雙龍洞2014年1月至6月的滴水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基本浮動(dòng)在50滴/分至100滴/分之間，濕季的數(shù)據(jù)與以前的研究相似，但干季數(shù)據(jù)明顯比文獻(xiàn)資料多，這可能與雙龍洞地區(qū)降水較多有關(guān)。

1#點(diǎn)位于雙龍洞洞口，為常年滴水點(diǎn)，滴率對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)迅速，基本不存在滯后，初步判斷1#滴率響應(yīng)機(jī)制為快速響應(yīng)型。而7#與11#點(diǎn)滴率的變化較大氣降水的變化響應(yīng)具有間斷性，分析后可推斷，7#與11#滴率響應(yīng)機(jī)制為間斷響應(yīng)型。

由此可見，不同洞穴滴水點(diǎn)之間的滴率變化在時(shí)間與空間上均存在很大差異，反映不同石筍所存在的不同的沉積模式。因此，在介紹石筍記錄時(shí)，需要考慮滴水對(duì)洞外降雨的響應(yīng)模式。

3.2 洞穴滴水水化學(xué)參數(shù)

本文主要對(duì)Ca2+濃度、Mg2+濃度、Mg/ Ca值、HCO3-、SO42-、Cl-濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖2）。

Ca2+濃度隨著季節(jié)變化，并與降水量、外界氣溫有一定相關(guān)性。根據(jù)1～3月離子濃度與降水量、氣溫響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)旱季鈣離子含量低、變幅小，雨季反之。氣溫下降，鈣離子含量上升，反之下降，表現(xiàn)出一定逆相關(guān)關(guān)系。

Mg2+濃度也隨著季節(jié)變化，并與外界氣溫有一定相關(guān)性。根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析，2月到6月，氣溫逐漸升高，對(duì)應(yīng)滴水點(diǎn)Mg2+ 濃度總體變化趨勢(shì)下降，但是到了6月份底開始，某些滴水點(diǎn)的Mg2+ 濃度又有所回升，究其原因，Mg2+濃度不僅取決于土壤和下伏基巖的組成和性質(zhì)，還受旱季巖溶水中Mg2+滯留時(shí)間決定。

滴水Mg/Ca值介于0.01-0.05之間，季節(jié)性變化明顯，2014年1月、5月出現(xiàn)峰值、3、6月出現(xiàn)低谷，結(jié)合2014年1～6月的每月降水量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降水量較少時(shí)，Mg/Ca值較大，當(dāng)降水量較多時(shí)，Mg/Ca值較小。不同滴水點(diǎn)對(duì)氣候響應(yīng)程度不同，這可能與滴水點(diǎn)滴水來源有關(guān)。由圖8可以看出7#、11#對(duì)氣候反應(yīng)較為明顯，而1#對(duì)氣候響應(yīng)不明顯，數(shù)值穩(wěn)定，但降水量突然增加時(shí)，出現(xiàn)了Mg/Ca值明顯下降。對(duì)于滯后響應(yīng)型滴水點(diǎn)，補(bǔ)給水的在蓄水層的滯留時(shí)間以及新老水的混合程度共同影響著滴水Mg/Ca值。結(jié)合每月滴率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在滴率及其響應(yīng)降水較慢的滴水點(diǎn)的Mg/Ca值明顯高于滴率及其響應(yīng)降水較快的滴水點(diǎn)。由此可看出，滴水Ca、Mg離子的變化受滴水補(bǔ)給通道以及補(bǔ)給類型對(duì)其變化過程也產(chǎn)生重要影響。endprint

滴水中HCO3-含量通常受CO2含量的控制，也即受植被發(fā)育和降雨（水-氣-巖三相相互作用）的控制。以1#點(diǎn)為例，隨著降雨量增加，滴水HCO3-減小。但個(gè)別月份出現(xiàn)了降雨量增加，滴水HCO3-同比增加的情況。可能與該點(diǎn)補(bǔ)給水的運(yùn)移快慢有關(guān)，這些月份滴水滴率升高幅度較大（可能由管道上溢流引起），稀釋作用明顯，滴水HCO3-濃度偏低。另外，由圖7可以看出，HCO3-對(duì)溫度的響應(yīng)不大。

同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)SO42-低值穩(wěn)定，高值變化幅度較大，而且不同滴水點(diǎn)SO42-濃度值及其變化差異顯著。雨季滴水點(diǎn)的滴水SO42-濃度隨滴率的升高明顯增加，滴率降低后，其SO42-濃度也出現(xiàn)了明顯降低，觀測(cè)期間呈不斷增加的趨勢(shì)，蓄水池，即雨季大裂隙流的儲(chǔ)存直接影響了其后旱季滴水水化學(xué)成分。滴水SO42-對(duì)氣候的響應(yīng)也較為明顯，1 ～3月，降水呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì)， SO42-濃度總體表現(xiàn)為上升，并產(chǎn)生一定滯后現(xiàn)象。3 ～6月，1#、7#和11#點(diǎn)SO42-濃度對(duì)降水的反應(yīng)較為明顯和迅速，屬于快速響應(yīng)型滴水，季節(jié)性較明顯，而11#點(diǎn)滴率對(duì)降水的反應(yīng)則較不明顯，兩種反應(yīng)關(guān)系之間存在一定差異，表現(xiàn)對(duì)氣候的不同反應(yīng)程度。

4 小結(jié)

通過對(duì)雙龍洞2014年1～6月各種水體理化特性分析，初步得出如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)雙龍洞各觀測(cè)點(diǎn)的水化學(xué)成分分析，可知水的陽離子主要為Ca2+，陰離子以HCO3-為主，因此雙龍洞水域主要屬于HCO3-一Ca2+型。

（2）洞穴滴水滴率、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、Mg/Ca比值對(duì)氣候均有一定的響應(yīng)。降水量增加時(shí)，Ca2+、Mg2+、SO42-、含量均有不同程度的上升，而HCO3-、 Cl-含量則表現(xiàn)出不同程度下降。溫度升高，Mg2+含量有所下降。但是，在溫度較低而且降水較少的1月份，Mg/Ca比值呈現(xiàn)高值。

（3）離子濃度、滴水速率和降水量之間存在一定的連鎖響應(yīng)，降水量增加時(shí)，滴水速率增加，SO42-含量增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明秀，王世杰，李延宇.洞穴次生化學(xué)沉積物環(huán)境代替指標(biāo)形成的地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)[J].2006，25（z1）：39-41

[2]班鳳梅.洞穴滴水地球化學(xué)變化特征及其與土壤過程的聯(lián)系——以北京石花洞為例（D）.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007

[3]韓軍.桂林洞穴滴水及其化學(xué)沉積物的地球化學(xué)特征研究摘要（D）.北京：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，2007endprint