贵州纳朵洞洞穴水水化学和δ13CDIC变化特征及其环境意义

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岩溶洞穴次生沉积物作为研究气候演变的重要载体已经取得了令人瞩目的成果。诸如石笋等次生沉积物中有着丰富的替代指标,如δ18O和δ13C、微量元素、生长速率等,可提供温度、大气降水、植被、水文条件等多种古气候古环境信息进行古气候重建。然而,洞穴水在传递、记录外界环境信号的过程中,受到方解石前期沉积作用(prior calcite precipitation,PCP)、位置、滴水水动力类型、水在洞穴顶板内的水文地球化学过程等因素的综合影响。导致各项指标的环境指示意义存在不确定性和多解性。因此,加强现代洞穴的监测工作,充分理解岩溶洞穴的水文化学过程,对应用洞穴次生沉积物进行高分辨率的古气候重建具有重要意义。  本文选取贵州关岭纳朵洞为研究区域,对洞内洞穴水进行长期定点监测和实验分析。监测的指标包括温度、湿度、CO2浓度等洞穴环境指标,滴水滴速、电导率、pH、δ13CDIC值,以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-等主要离子浓度。旨在通过野外取样、实验分析,结合当地气象资料,分析各个观测点洞穴水的水文地球化学变化特征及其驱动机制,以期了解纳朵洞水动力地球化学过程,并探讨洞穴水水文地球化学特征对外界环境变化的响应,为解译洞穴次生沉积物所记录的环境信息提供理论参考。经初步研究得出以下结论:  (1)对纳朵洞洞穴水地球化学特征分析发现,不同性质洞穴水地球化学特征主要受到上覆基岩溶解和土壤淋滤的控制。不同滴水点受到岩溶水洞顶运移路径不一致,水—土—岩反应时间不同的影响,洞穴水离子浓度变化范围和均值存在一定差异。  (2)纳朵洞洞穴水对当地降水有很好的继承和响应,可以有效反映外界环境变化。洞穴水pH、EC和HCO3-受到气温、降水以及CO2浓度等物理条件变化的影响,对CO2存在吸收和溢出情况的差异,有明显的季节变化。2014年雨季大气降水的异常偏多对洞穴水的稀释作用在其pH值和HCO3-浓度上也有一定体现。  (3)由于雨季基岩溶解和土壤淋滤作用增强,Ca2+、Mg2+、Sr2+和SO42-浓度均表现出雨季高于旱季的季节性变化。四种离子对极端气候事件引起的年际间降水变化的响应比较敏感,2013年雨季的Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-浓度高且平稳,而2014年雨季其浓度偏低且波动大。2014年降水的异常偏多,使得降水的稀释作用在对洞穴水地球化学特征的影响程度上超过了其对可溶性基岩和上覆土壤的溶解和淋滤作用。各个观测点对强降水事件的响应程度和时间并不一致,其具体的响应过程与降水强度、研究区岩层特点以及岩溶裂隙发育程度等多方面因素有关。  (4)洞穴水雨季 SIc降低,PCO2升高,二者的变化主要受控于 pH值。在温度适宜的情况下,降水是影响洞穴次生碳酸盐沉积的主导因素。  (5)纳朵洞洞穴水Mg/Ca与Sr/Ca比值可以指示外界降水的变化,但由于其同时受到 PCP、洞穴水运移路径、极端气候和环境变化等多种因素影响,不同点的影响机制和环境意义也不一致,在使用其作为环境指标时需谨慎。  (6)洞穴水δ13CDIC值受到夏季大气降水多、土壤 CO2浓度高、植物和微生物活动强等因素影响,导致其呈现出夏季偏轻,冬季偏重的季节性变化。水文地球化学过程会对洞穴水碳同位素组成造成不同程度的影响,因此各个监测点的δ13CDIC值存在一定差异。在利用洞穴次生沉积物碳同位素反演气候环境变化的研究中,若能对洞穴系统各项水文地球化学指标进行长时间监测,并结合水文地球化学过程分析,将会增大其解译的准确性。
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