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洞穴滴水化学过程及其动力学与上覆土壤驱动问题

王新中  
【摘要】:利用洞穴次生化学沉积物(主要为石笋)进行气候-环境重建工作已取得较大的进步。洞穴上覆土壤是石笋形成滴水动力学和水化学的重要控制因素之一,然而从土壤学角度对洞穴滴水地球化学过程的研究相对薄弱。 本文选取北京石花洞为对象,从土壤学角度分析洞穴滴水水文学和元素地球化学特征,监测指标包括滴水滴率、水温、电导、固体溶解总量、pH、Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)、HCO_3~-和水溶性有机碳(DOC)等,同时对洞穴环境指标洞穴温度、湿度、CO_2、降雨量也进行了监测。结果显示,虽然气候变化对洞穴滴水水文学和地球化学季节变化均有明显影响,不同滴水点的滴率随降雨量的增加有明显的变化,但不同滴水点滞后时间不同,与上覆土壤厚度、汇水面积和通道长短都有关系。同时,元素地球化学的季节变化结果表明,洞穴滴水主要来源于当季降水。夏季,大气环境温度上升,导致生物活动强烈,大气降雨在土壤中形成高CO_2分压的水,同时携带大量土壤中物质,形成裂隙水,最后沉积形成洞穴次生碳酸盐。 主要研究结果如下: (1)洞穴上覆土壤影响洞穴滴水水动力和水化学。雨季降水可以通过土壤较大孔隙快速向下运移供应洞穴滴水,滴水滴率加快,不同滴点滞后时间不同;旱季土壤水处于不饱和状态运移速率减慢,滴水速率主要受渗流水的影响,部分滴点出现断流。土壤自身组分的季节淋溶也直接影响滴水化学组成,比如土壤中Ca~(2+),Mg~(2+)和SO_4~(2-)的淋溶引起滴水中该组分的明显增加。 (2)滴水中Ca~(2+)含量在8~10月含量最高。滴水中高浓度的Ca~(2+)含量为较快的沉积速率提供了物源的条件,石笋中较厚的“亮层”很可能主要形成于这一时期。北方土壤中Ca~(2+)含量较高,夏季高温,微生物活动强烈,土壤中高浓度的CO_2溶于大气降水中,可以促进CaCO_3的溶解。 (3)雨季滴率对降雨的快速响应、滴水中Mg~(2+)和SO_4~(2-)的变化,都表明雨季滴水主要来源于当季降水。洞穴滴水地球化学观测数据表明,在雨季地表降水通过较大的孔隙以优先流的形式供应滴水,但不能排除有滞留水的混入,因此在利用洞穴沉积物包含的地球化学信息(同位素)进行高分辨率(年、季)气候重建时要考虑混合水的影响。 (4)北京石花洞洞穴温度基本恒定,没有较大波动,因此在洞穴条件下,温度引


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