土壤滲透水微量元素對地表環(huán)境的響應及在洞穴現(xiàn)代沉積物研究中的應用.pdf

1、洞穴沉積物作為重建古氣候研究的重要載體之一，具有高分辨率連續(xù)記錄和高精度定年的特征，從洞穴沉積物中可以提取大量記錄古氣候和古環(huán)境演變的信息，且代用指標多樣化。盡管微量元素具有來源多樣性和影響因素復雜性的特征，在重建古氣候研究中的應用不如δ18O廣泛，但微量元素可以揭示地下水在洞穴上覆表層巖溶帶的運移過程與地表環(huán)境的關系，研究微量元素的影響因素是解釋洞穴沉積物記錄的環(huán)境信息的重要依據。目前研究微量元素的來源和控制因素的主要方法是洞穴監(jiān)測。

2、
　　本文選取重慶市武隆縣芙蓉洞作為研究區(qū)域，監(jiān)測洞穴所在區(qū)域的大氣降水量、氣溫、土壤環(huán)境和洞穴環(huán)境，并收集降水、土壤、基巖、土壤滲透水、洞穴水和洞穴現(xiàn)代沉積物，重點分析地表環(huán)境對各類樣品中的Ca、Mg,Sr的濃度和Mg/Ca、Sr/Ca、Mg/Sr比值的影響，并監(jiān)測土壤滲透水、洞穴水和洞穴現(xiàn)代沉積物地球化學性質對2009/2010年的西南地區(qū)冬春干旱氣候事件的反映。經過研究得出以下結論:
　　(1)芙蓉洞上覆土壤的粒度分析

3、結果顯示＜16μm粒徑組的平均比重達到63.2％，是芙蓉洞上覆土壤顆粒的主要粒徑組。0-10cm的表層土壤中＞63μm的顆粒平均比重9.07％，深度在10cm以下的土壤中其平均比重為5.14％;隨著深麥的增加土壤中粘土所占比重呈增加趨勢。土壤的粒度組成特征有助于降水的滲透，并減緩地下水在土壤中的下滲速度。土壤中Ca、Mg,Sr的濃度隨著深度的增加而增加，Sr的濃度與粘土含量呈正相關關系。但各土壤剖面中的元素濃度有較大差異，可能與土壤中含

4、有碳酸鹽碎屑物質有關。土壤的地球化學組成與基巖相似，均表現(xiàn)出Ca＞Mg＞Sr，基巖中含有白云巖使土壤中的Mg濃度較高。但由于Ca在土壤中的遷移率較大，使土壤的Mg/Ca、Sr/Ca比值大于基巖，Mg/Sr比值小于基巖。
　　(2)通過2010-2012年土壤滲透水量的變化，發(fā)現(xiàn)夏秋季節(jié)滲透水量大，冬春季節(jié)滲透水少或斷流，與研究區(qū)域的降水量季節(jié)性分布特征相似，說明滲透水量能響應大氣降水量的變化。在土壤滲透水的監(jiān)測過程中還發(fā)現(xiàn)，場次降

5、水強度和持續(xù)時間，以及土壤滲透水采樣點的坡度、土壤的顆粒組成等因素也可能影響土壤滲透水量對降水量的響應。
　　(3)對土壤滲透水的地球化學性質進行了監(jiān)測，結果顯示2009/2010年的冬春干旱氣候以后，2010年4月滲透水的Ca、Mg,Sr的濃度普遍較高，在土壤不同深度收集的滲透水Ca、Mg、Sr的濃度隨著深度的增加而上升，說明滲透水在土壤中的滯留時間和滲透距離都對Ca、Mg、Sr的濃度有重要影響，相同的影響因素導致滲透水中Ca、

6、Mg,Sr之間均呈正相關關系。2011年土壤滲透水的Mg/Ca、Sr/Ca比值同時上升，且Mg/Ca＞1，說明碳酸鈣提前沉淀(PCP)不但發(fā)生在基巖中，可能由于高溫使地表蒸發(fā)旺盛導致滲透水的CO2脫氣，在土壤中也出現(xiàn)PCP。土壤滲透水的Mg/Sr比值在一年中出現(xiàn)兩次峰值，與降水量的兩個峰值有較好的對應關系。在高溫多雨的夏季，Mg/Sr比值的峰值能快速響應氣溫和降水量的變化。但在氣溫相對較低的初夏或秋季，Mg/Sr比值峰值滯后于降雨量，說

7、明Mg/Sr比值受到氣溫和降水量的雙重影響，但氣溫高有助于提高Mg/Sr比值響應降水量的靈敏度。
　　(4)芙蓉洞洞穴環(huán)境監(jiān)測數(shù)據顯示，洞內CO2濃度有季節(jié)性變化，夏季高于冬季，與土壤CO2濃度的季節(jié)性變化相似。洞穴滴水的Mg/Ca、Sr/Ca比值在2011年5-8月同時上升，9-11月同時下降，推測原因為2009/2010年冬春干旱氣候導致表層巖溶帶含水量減少，使巖溶帶裂隙和孔隙的通風性增強，導致地下水在表層巖溶帶產生PCP，使

8、地下水的Mg/Ca、Sr/Ca比值上升。隨著地下水的運移，此氣候信息被傳遞到滴水中，說明芙蓉洞滴水的地球化學性質能夠響應極端氣候事件。各滴水點的元素濃度和元素比值的變化趨勢均一致，說明洞穴滴水的水源和地表環(huán)境對地下水的影響有相似性。
　　各滴水的元素濃度和比值在數(shù)量上存在差異，可能與地下水的水文地質過程有關。MP7滴水的Ca、Sr的濃度低于其他滴水，且Mg的濃度低于滴水的平均值，但Mg/Ca比值普遍大于1，根據MP7滴水量大于50

9、0mL/分鐘的實際情況，推測該地下水快速通過了白云巖層。滴水MP5的滴率小于MP4，MP5的Mg/Ca、Sr/Ca比值均大于MP4，因為MP5滴水的地下水在洞穴頂板滯留時間更長，從而產生了PCP，滴水MP5的Ca濃度減小，導致Mg/Ca、Sr/Ca比值增加。
　　(5)在芙蓉洞收集的洞穴現(xiàn)代沉積物的Ca、Mg濃度差異較小，但Sr的濃度差異較大。樣品20100226-MP2、20110802-MP3中Sr的濃度都超過80μg/g，可

10、能沉積物中混入了細小的粘土顆粒。樣品20111201-MP4、20111201-MP5的Sr的濃度分別為5.37μg/g和7.03μg/g，原因有待進一步分析。
　　滴水攜帶的水文地質信息可以傳輸?shù)蕉囱ǔ练e物中，如滴水MP5的Me/Ca、Sr/Ca比值均大于MP4，在MP4、MP5兩個滴水點沉積的洞穴現(xiàn)代沉積物的Mg/Ca、Sr/Ca比值也呈現(xiàn)相應特征。
　　根據采集的芙蓉洞現(xiàn)代沉積物的Ca、Mg、Sr的濃度以及Mg/Ca、

11、Sr/Ca比值的變化，沒有發(fā)現(xiàn)記錄2009/2010年冬春干旱氣候事件的相應信息，說明在洞穴沉積物形成過程中還有其他未知因素的影響，導致芙蓉洞洞穴現(xiàn)代沉積物沒有記錄地表環(huán)境極端氣候信息。
　　利用野外監(jiān)測數(shù)據得出的洞穴現(xiàn)代沉積物的KMg1平均值0.0288±0.0038，通過經驗公式計算的KMg2平均值為0.01856土0.01389，根據KMg1和KMg2計算的芙蓉洞平均氣溫，分別為16.9±2.2℃和10.9±8.2℃，在芙蓉