巖溶洞穴現(xiàn)代監(jiān)測(cè)進(jìn)展

田 寧

(西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

1 洞穴現(xiàn)代監(jiān)測(cè)研究背景

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化水平的提高，人類對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越大，全球氣候變化吸引了越來(lái)越多人的目光。對(duì)于氣候變化的研究已不單是學(xué)科問(wèn)題，更關(guān)系著人類社會(huì)穩(wěn)定健康的發(fā)展。石筍由于其精確定年，指標(biāo)豐富易于獲取，沉積時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)成為全球變化研究過(guò)程中重要的地質(zhì)載體。然而，石筍形成過(guò)程復(fù)雜，各種代用指標(biāo)具有多解性和復(fù)雜性[1]。對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)探索石筍的生長(zhǎng)機(jī)理、解譯石筍中各種氣候信息具有重要意義。

巖溶洞穴中次生沉積物已經(jīng)成為研究巖溶地區(qū)過(guò)去環(huán)境演變的重要載體并且取得了令人矚目的成果，尤其體現(xiàn)在短尺度、高分辨率研究上。洞穴滴水是形成石筍等洞穴次生沉積物的重要基礎(chǔ)，洞穴滴水來(lái)源于大氣降水,攜帶一定的氣候信息。大氣降水到達(dá)地表后,在穿過(guò)土壤層的過(guò)程中不斷地與土壤和土壤氣體發(fā)生物質(zhì)交換，疊加了土壤層所反映的生態(tài)環(huán)境信息，因此對(duì)洞穴滴水的地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究，分析洞穴滴水水化學(xué)指標(biāo)在年際、季節(jié)尺度上的變化特征有助于加深對(duì)洞穴沉積物形成機(jī)理的理解。

2 巖溶洞穴監(jiān)測(cè)指標(biāo)研究現(xiàn)狀

2.1 石筍氧同位素研究現(xiàn)狀

在亞洲季風(fēng)區(qū)，石筍的δ18O被普遍理解為反映季風(fēng)強(qiáng)弱變化。Mather[2]發(fā)現(xiàn)中國(guó)南方與印度季風(fēng)區(qū)石筍記錄具有很好的一致性，卻與中國(guó)其他區(qū)域降水記錄不一致，提出中國(guó)南方石筍反映了水汽源的變化。Tan[3]認(rèn)為在年際——百年甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度上中國(guó)季風(fēng)區(qū)降水和石筍δ18O變化與大氣環(huán)流有關(guān)，主要反映了不同源地水汽來(lái)源及近遠(yuǎn)源水汽在夏季風(fēng)降水中所占比率的影響。最近中國(guó)南方石筍記錄表明全新世亞洲夏季風(fēng)的減弱與El Nio-Southern Oscillation (ENSO)密切相關(guān)。洞穴滴水是形成石筍的物質(zhì)來(lái)源，是聯(lián)系外界環(huán)境與洞穴沉積物的紐帶。不同研究者通過(guò)對(duì)洞穴水的分析和監(jiān)測(cè)，在滴水的運(yùn)移方式、滴水對(duì)大氣降水的響應(yīng)以及洞穴水氫氧穩(wěn)定同位素時(shí)空變化等方面取得許多認(rèn)識(shí)，洞穴滴水中δ18O以及微量元素比值和濃度的變化能夠反映洞外氣候環(huán)境以及表層巖溶帶水文地質(zhì)條件的變化。

2.2 石筍碳同位素研究現(xiàn)狀

對(duì)于洞穴δ13C的研究監(jiān)測(cè)工作，已在許多洞穴展開并取得了豐富的成果。Mattey等[4]研究New St. Michaels洞穴發(fā)現(xiàn)，溫度升高，土壤CO2濃度增加，δ13C偏輕。Sp?tl等[5]發(fā)現(xiàn)旱季低濃度的洞穴空氣CO2影響洞穴水脫氣作用，使洞穴水δ13CDIC在旱季偏重。滴水的來(lái)源、基巖溶解、土壤淋濾及大氣降水的稀釋等因素共同影響了洞穴滴水的地球化學(xué)性質(zhì)。在旱季，方解石的先期沉積作用會(huì)導(dǎo)致洞穴水脫氣作用加劇，從而使洞穴水中δ13C偏重。洞穴水水化學(xué)特征能夠反映所在區(qū)域的氣候環(huán)境特征和地質(zhì)水文狀況。Genty等[6]提出δ13C和微量元素可以反映外界環(huán)境變化特征，δ13C與濕潤(rùn)程度呈反相關(guān)，年際或季節(jié)性的碳同位素變化可以反映CO2來(lái)源和大氣降水情況，植被類型的變化影響長(zhǎng)時(shí)間尺度的δ13C值的輕重變化，同時(shí)滴水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是控制石筍生長(zhǎng)和化學(xué)特征變化的主要因素。滴水中元素比值的增大可能是因?yàn)樵诟珊禇l件下巖溶水在管道中運(yùn)移時(shí)間增長(zhǎng)，受方解石先期沉積作用的影響，Ca2+優(yōu)先沉積使得元素比值增大。Tadros等[7]認(rèn)為滴水Ca、Cl、Mg/Ca、Sr/Ca的變化與由ENSO不同相位所引起該地的雨量變化密切相關(guān)。

2.3 微量元素研究現(xiàn)狀

洞穴水的微量元素主要來(lái)自基巖和土壤[8]。而表層巖溶帶的一系列物理化學(xué)過(guò)程，包括水巖相互作用、方解石先期沉積作用、方解石的不均一溶解、“新老水”的混合作用、裂隙水的稀釋作用等，均可影響微量元素在洞穴滴水和洞穴沉積物中的變化。而上述影響滴水中微量元素變化的諸多因素，均與降水量有著直接或者間接的聯(lián)系[9]。洞穴滴水由于受地表植被土層厚度、上覆碳酸鹽巖巖層厚度以及滲流通道或路徑等因素的影響[10]，各滴水點(diǎn)滴量和滴速有差異。Mg/Ca的變化能夠反映外界干濕條件的變化，洞穴滴水Mg/Ca受到降水量、巖溶水來(lái)源、上覆土壤的淋濾作用及發(fā)生在流經(jīng)路徑上的稀釋作用和碳酸鹽先期沉積作用等因素共同作用影響。

3 現(xiàn)代洞穴監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題

(1)由于不同洞穴上部的基巖厚度和裂隙的差異，使滴水對(duì)降水的響應(yīng)不同，洞穴指標(biāo)變化不一致。

(2)缺少長(zhǎng)時(shí)間尺度的洞穴監(jiān)測(cè)記錄。

(3)開展洞穴監(jiān)測(cè)的區(qū)域較為單一，應(yīng)該多區(qū)域開展洞穴監(jiān)測(cè)工作，探究季風(fēng)對(duì)南北氣候的不同影響。