重慶芙蓉洞上覆泉水—滴水的氫氧穩(wěn)定同位素變化研究

李 玄，王建力，2，李俊云，李九彬，馮慧文，劉 偉

(1.西南大學 地理科學學院，重慶 北碚400715;2.山峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 北碚400715)

滴水中穩(wěn)定同位素分析的一個重要應用是對以其為母液生長起來的石筍中古氣候記錄的解釋。利用石筍中的穩(wěn)定同位素可以代表古溫度［1］，也可以表示古代降水量［2］。在中國2001年發(fā)表的南京葫蘆洞末次冰期石筍氧同位素重復序列，作者認為其石筍氧同位素主要受控于冬季和夏季雨量比率的變化［3］。程海等指出在大尺度上，亞洲季風的變化是影響中國南方石筍氧同位素在百年到千年尺度上變化的主導因素［4］，后又指出石筍氧同位素輕重變化反映東亞季風的強弱變化［5］。這一結果得到了證實，研究者還明確指出了水汽的不同來源和路徑［6］。但目前隨著對洞穴系統(tǒng)現(xiàn)代過程監(jiān)測工作的開展，也出現(xiàn)一些新的問題，對洞穴沉積物的δ18O值與年均溫的對應關系得出了不同的結論，并且指出水動力條件和洞穴上覆介質等一系列重要影響條件［7，8］。這些都說明洞穴系統(tǒng)中氧同位素等氣候替代指標解譯的復雜性，需要進一步的工作。

本文在芙蓉洞洞穴系統(tǒng)先前研究工作的基礎上，如對洞穴滴水微量元素的分析等［9］，通過對洞穴系統(tǒng)的監(jiān)測和采樣分析，試利用洞穴上覆和洞穴內部不同水體的氫氧穩(wěn)定同位素的月季變化特征，剖析洞穴內外氧同位素的演化和信息的傳遞，探討其影響因素和意義。

1 研究區(qū)概況

芙蓉洞(29°13'N，107°54'E)位于重慶市武隆縣，距芙蓉江與烏江匯合口約4 km。所在地區(qū)發(fā)育于川黔邊界大婁山褶皺帶芙蓉江大背斜近其軸部的寒武統(tǒng)平井組(∈2p)白云質灰?guī)r和白云巖中，區(qū)域地層主要為中、上寒武統(tǒng)平井組、后壩組、毛田組，屬于大婁山與武陵山褶皺地帶的典型的巖溶峽谷地區(qū)。其洞穴系統(tǒng)是峽谷岸邊含水層完全開放的條件下發(fā)育的洞穴地貌類型。該區(qū)屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，在監(jiān)測的2010-2012年間，年均降水量917.4 mm，年均氣溫 17.6℃.5-10 月降水量約 639.4 mm，11-4月降水量約278 mm，并未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，且兩年間10—11月降水量變化大。在洞穴內部年均溫16.7℃，年平均濕度94%，季節(jié)變化平穩(wěn)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

本研究小組自2010年5月開始于每月中旬進行1次野外水樣采集(在雨季5—11月每月加密一次)。在芙蓉洞上覆山體匯水區(qū)選擇3個泉水點進行觀測(SW1、SW2、SW3)，見圖1。其中SW1水量穩(wěn)定，夏季水量達到最大值，是當?shù)卮迕耧嬘盟?SW2為地表滲透泉水;SW3為裂隙泉水，季節(jié)響應明顯，雨季水量充足，旱季干涸。

圖1 重慶芙蓉洞地區(qū)地形概況及上覆泉水研究點分布圖(根據芙蓉洞等高線地形圖繪制而成)

洞穴滴水包括芙蓉洞內滴(MP1、MP2、MP3、MP6、MP7、MP8、MP9)和池水點(2#、4#)，見圖 2。其中 MP1、MP2 為洞穴大廳內的滴水點，距洞頂高度＞5 m，MP3、MP6為洞穴深處滴水點，滴水點高度＜30 cm，MP7、MP8、MP9為洞穴深處滴水點，距洞頂高度 ＞5 m。分別在野外對其電導、pH、HCO3、水溫及大氣溫濕度和CO2濃度進行測試，選取MP3、MP6、MP8這三個點進行滴率和滴量的分析(這三個滴水點滴水點穩(wěn)定只有一個便于監(jiān)測，其余均為裂隙水滴，水滴不穩(wěn)定檢測誤差大)。選取的兩個池水點2#與4#常年水位平穩(wěn)。2#點面積約0.25 m2，4#點面積較大且內部沿池壁生長有大量方解石結晶。

圖2 芙蓉洞洞穴平面及洞內研究點分圖(修改自朱學穩(wěn)，1994)

采樣時取10 ml的水樣的裝入清潔的聚乙烯瓶中密封，用來測試和計算水體的δ18O、數(shù)值。

2.2 水樣測試

所有水樣的δ18O、δD均在中國科學院青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點實驗室完成δ18O分析使用美國Picarro公司生產L2130-i超高精度液態(tài)水和水汽同位素分析儀測試。所有分析結果用相對于維也納標準平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示:

式中:RS和RV-SMOW分別為水樣中和V-SMOW中的氧(或氫)穩(wěn)定同位素比率 R(18O/16或 D/H)。其中 δ18O精度達 0.011‰，精度達 0.038‰。

3 結果與討論

3.1 各類水體穩(wěn)定同位素特征

3.1.1 巖溶泉水

3個泉水點均發(fā)育于土—巖界面或巖石裂隙中，其中SW1泉水是其中流量最大的點，周邊未見沉積現(xiàn)象，SW2和SW3點水量較小，周邊巖石受泉水侵蝕嚴重，風化作用強烈。根據兩年的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)它們與降水的響應很快。2010年10月一次場降雨與 SW1點的 δ18O值分別 -11.033‰和 -11.640‰，表明這個點在從大氣降水到泉水過程中，氧同位信號并沒有失真。而同一時期SW2和SW3點的δ18O值分別為-8.901‰和-12.401‰。表明不同泉水點對雨水的響應并不同步，流量越大響應時間越短，同時這個觀點也需要進一步的監(jiān)測研究來證實。

近兩年來泉水δ18O平均值為-7.83‰比洞穴滴水的平均值偏負0.491‰，與滴水相比并未出現(xiàn)同位素富集現(xiàn)象。標準偏差平均值為1.351，大于洞穴滴水的平均值1.251。在季節(jié)變化上表現(xiàn)為旱季比雨季偏負的特點，在3.4部分將具體討論其原因。

3.1.2 洞穴滴水和池水

芙蓉洞監(jiān)測的7個滴水點在近兩年中其δ18O、數(shù)值變化不大，數(shù)值范圍在 δ18O-7.7‰～ -6.8‰、-47.7‰～ -40.7‰之間，標準偏差為 0.2。其中 δ18O雨季均值為 -7.378‰，旱季均值為-7.356‰。其變化并未像巖溶泉水那樣表現(xiàn)出大的季節(jié)波動。在洞穴內部表現(xiàn)為靠近洞穴深處同位素偏輕的特點，偏輕約0.26‰。主要由于越往洞穴深處水汽層結越穩(wěn)定，蒸發(fā)作用不明顯。另外本文也對不同高度的滴水穩(wěn)定同位素進行了分類統(tǒng)計。但發(fā)現(xiàn)影響不大，可以在研究中忽略這一因素。

洞穴池水由各個洞穴滴水匯集而成，穩(wěn)定同位素值的年變化更為穩(wěn)定。2#與4#點 δ18O平均值分別為 -7.353‰、-7.556‰，4#點略微偏負。其標準偏差也較各個滴水點穩(wěn)定。其穩(wěn)定同位素曲線形態(tài)也較為平滑(圖6)。主要由于其是多個滴水點的匯集，各種新老水體混合和緩沖作用明顯。

3.2 洞穴滴水、池水和泉水氫氧同位素組成與LMWL

由于水在蒸發(fā)和凝結過程中的同位素分餾，使得大氣降水中氫氧同位素組成出現(xiàn)了現(xiàn)行相關的變化。這一規(guī)律由Craig(1961)在研究北美大陸的大氣降水時發(fā)現(xiàn)的［11］，該公式表示:δD=8δ18O+10，這就是至今仍廣泛應用的全球大氣降水線方程(GMWL)。除GMWL外，不同地區(qū)都有反應自己降水規(guī)律的局地降水線(LMWL)。由于研究地降水樣品的缺失，未能建立當?shù)氐腖MWL，但在研究區(qū)域附近分別有李廷勇副研究員于2006—2008年在重慶市北碚區(qū)建立的重慶大氣降水線方程(δD=8.73δ18O+15.73 r=0.97)［12］，以及基于GNⅠP數(shù)據得到的長沙地區(qū)的大氣降水線方程(δD=8.47δ18O+15.46 r=0.97)。它們三者位置相近，并且屬于同一氣候帶。

3.2.1 巖溶泉水、洞穴滴水和池水氫氧同位素關系

三種水體氫氧同位素關系如圖3所示。三種水并不能直接落在LMWL(北碚)上，而更接近于LMWL(長沙)(圖3)，且相比二者值略微偏輕且洞穴滴水向于右上方偏重。并沒有表現(xiàn)出甘肅萬象洞滴水氫氧同位素完全落在當?shù)卮髿庥晁€上與貴州涼風洞滴水氫氧同位素基本落在當?shù)卮髿庥晁€上但向右下方偏輕的特點［8，13］。

這表明，一方面，大氣降水可能是芙蓉洞巖溶泉水和滴水的重要來源，另一方面芙蓉洞這三種水受蒸發(fā)引起的同位素分餾的影響略小于二者。分析其原因，首先在選擇LMWL上，LMWL(北碚)的作者在分析其大氣降水方程時指出其所取樣品為次降水數(shù)據，而基于此的雨水穩(wěn)定同位素容易受到蒸發(fā)、溫度的影響，從而導致其局地大氣降水線的斜率和截距偏大［12］。另外洞穴水體處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，并且由于當?shù)鼐o鄰水庫，一年四季空氣濕度大，另外洞穴內空氣濕度也偏大，使得同位素略微偏輕。

圖3 FRD滴水、池水和巖溶泉水氫氧同位素組成與LMWL(長沙、北碚)關系

圖3還顯示洞穴水體氫氧同位素與上覆巖溶泉水的氫氧同位素相關性圖重疊，但分布集中在(δ18O-7.8‰～-6.8‰、δD-48‰～ -40‰)范圍內，二者變幅差異明顯。說明芙蓉洞滴水同位素組成反應了洞穴上部水源的同位素組成，而之所以分布范圍狹窄，分析其原因主要是由于芙蓉洞上覆深厚的基巖、廣闊的匯水面以及復雜的管道和喀斯特蓄水層使得影響洞穴滴水同位素值的庫效應明顯，洞外的同位素信息被混合平滑的進入到洞穴沉積體系當中。雖然能夠表明其來源的一致性，但是卻無法說明其季節(jié)性。

3.2.2 洞穴滴水和池水氫氧同位素關系

洞內水體氫氧同位素關系(圖4)，同樣也表現(xiàn)出靠近LMWL(長沙)的特點，但分布比較均勻?？傮w來看洞內各點δ18O的偏差最大可達1‰。相比前人研究的貴州涼風洞、七星洞、將軍洞和犀牛洞的偏差值均要大［8，14］?？赡芘c芙蓉洞洞穴規(guī)模大，上覆介質厚度大，滴水管道復雜，從而對大氣雨水的響應慢且在洞穴內部出現(xiàn)一定的差異性有關。

在空間分布分布上表現(xiàn)出由洞穴深處到大廳值由輕變重。其中左下方分布的點即MP7、MP9、4#和MP6點即為洞穴深處的采樣點，因為越往洞穴深處濕度越高，滴水蒸發(fā)作用不明顯，同位素偏輕。另外MP9、MP7這兩個高滴水點其同位素值更要偏輕一些，與它們滴率滴量較大從而對蒸發(fā)的削弱作用更強有關。然而洞穴大廳的點相比而言并未出現(xiàn)一致的同位素富集，例如洞穴大廳的MP1和MP2點其δ18O有約0.4‰的偏差，可能與其不同的管道來水有關。

另外對各點同位素的離散度進行分析，1#、MP3和MP9點離散度更大一些。1#和MP3的偏離更集中在縱軸上而MP9點則是在橫軸上的偏離。在空間分布上也表現(xiàn)出偏輕的趨勢。其中MP9點位偏離度最大的點而其也是洞穴監(jiān)測最深處的一個點，表明洞穴深處氫氧同位素關系更為復雜的 特點。

表1 芙蓉洞上覆巖溶泉水、洞內滴水和池水同位素組成

3.3 洞穴滴水δ18O與 大氣溫度和降水的關系

對石筍中δ18O的分析主要是為了反映當時這一區(qū)域的氣候信息。本次研究結合芙蓉洞滴水點的月平均值和芙蓉洞所在地區(qū)月均溫和月降水量信息。

圖4 FRD滴水和池水氫氧同位素組成與LMWL(長沙、北碚)關系

對芙蓉洞滴水所傳遞的氣候信息進行進一步的分析。

分析芙蓉洞滴水與當?shù)卦戮鶞睾驮陆邓筷P系得知。其并沒有出中國南方地區(qū)降水中的δ18O與氣溫降水的負相關關系。并且相關系數(shù)也比較低(圖5、圖6)。表明它并不能與當?shù)卮髿鉁囟扰c降水量在月季尺度上建立相關關系。在研究過程中我們改變了其時間尺度，集中在雨季和旱季這一半年尺度進行分析。在建立的相關性系數(shù)方面在雨季滴水δ18O與月降水量關系出現(xiàn)略微的負相關，相關系數(shù)r=-0.28，而在旱季負相關性比其要大一些，相關系數(shù) r=-0.314。在雨季滴水δ18O與月均溫相關關系仍為正相關，相關系數(shù)r=0.14，而在旱季與溫度的正相關關系則非常不明顯，相關系數(shù)也上升到0.314。

雖然芙蓉洞滴水的δ18O平均值與當?shù)鼐鶞嘏c月降水量不能建立很好的相關關系，但是在旱季和雨季這兩個溫度和降雨量差異比較大的時間段內，滴水的δ18O平均值與溫度與降水量的相關性系數(shù)增大，尤其在旱季更為明顯，達到了0.3左右，是原來的二倍左右。另外滴水與降水量的負相關性也得到體現(xiàn)。討論其原因，一方面芙蓉洞上覆的庫效應使得滴水所傳遞的外界氣候信息被混合，另一方面滴水從雨水來源進入到洞穴內還經歷了一個延遲的過程，使得一年的氣候信息在進入洞穴后被打亂，而在雨季旱季的相關系數(shù)提高，表明大的季節(jié)反差仍然能被記錄在滴水信號里，并且初步判斷洞穴內外氣候信號滯后的時間在6個月以內。在2012年雨季我們在芙蓉洞洞頂進行熒光示蹤劑實驗，但在接下來一個多月的連續(xù)監(jiān)測中并未捕捉到示蹤信息。關于芙蓉洞外水體進入洞穴的延遲時間仍需進一步科學的證實。

圖5 芙蓉洞滴水中δ18O與取樣地月均溫T相關關系

圖6 芙蓉洞滴水中δ18O與取樣地月降水量P相關關系

3.4 過量氘與氫氧同位素變化

在雨水與冰川研究當中，各位專家學者采用了過量氘這個指標分別用來水汽來源的示蹤、探討水汽蒸發(fā)情況和解析冰川中的氣候信息。在平衡條件下，δD和δ18O的線性關系為 δD=8δ18O，其中 δD=8δ18O =0 代表了平均海水的穩(wěn)定同位素濃度。但蒸發(fā)過程中的動力分餾，及D和18O的不同分餾速率使得它們除了線性變化外還產生一個差值，Craig把δD和8δ18O之間的關系定義為大氣雨水(Meteoric Water Line，MWL)，Dansgaard把這一關系的差值定義為過［16］d= δD-8δ18O，其大小主要取決于水汽源地的相對濕度，并與之成負相關關系。本文將嘗試利用這一指標結合氫氧同位素豐富重慶芙蓉洞各類水體的分析。

芙蓉洞上覆巖溶泉水、洞內滴水和池水氫氧同位素及過量氘曲線在年際范圍內地表巖溶泉水較洞穴內水體表現(xiàn)出更大的變幅(圖7)。氧同位素方面表現(xiàn)出2010年春季同位素偏重，2011年秋季同位素偏輕的特點。而在2010年11月到2011年9月間便沒有出現(xiàn)大的變化。氫同位素表現(xiàn)出與其同步的特點。在d的曲線形態(tài)上最為明顯的就是2011年11月一次偏輕的過程。然而在氧和氘同位素曲線上并未捕捉到這一變化。

針對δ18O曲線和d曲線兩年間秋季的錯位偏輕趨勢，通過監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，在2010年10月的氣象記錄中出現(xiàn)連續(xù)一周的高溫。在野外期間洞外監(jiān)測數(shù)據溫度最高達到31℃，所有監(jiān)測點的均溫較2011年10月個觀測點均溫高約7℃。另外洞穴均溫也比相鄰兩月均溫高0.3℃。氣溫較高使得一部分水汽開始蒸發(fā)，由于氫氧同位素不同的分餾速率使得δD較δ18O的數(shù)值減小從而使得d降低。而在2011年則表現(xiàn)出降水效應，2011年10月降雨量較上一年增加了84 mm形成一年中降雨的第二個峰值。并且該月上覆泉水的氫氧同位素數(shù)值出現(xiàn)一個大的偏負過程。分析其中的原因，一方面隨著太陽直射點的南移，熱帶海洋上的水汽團也隨之南移，季風環(huán)流將經歷更長的距離才能到達，在這個運移過程中水汽團的重同位素損失較以往增大。另外一方面在這個季節(jié)，反氣旋活動逐步南移。反氣旋條件下的降水屬等壓冷卻過程，在其控制下的降水δ18O小于氣旋條件下降水的δ18O。這個結論已經被證實［17］。

重慶地區(qū)盛行秋冬雨，而我們所處的研究區(qū)由于面臨水庫，緊鄰芙蓉江烏江交匯處，加之當?shù)靥厥獾纳降氐匦巍Ｔ谇锒瑫r節(jié)也多大霧天氣，空氣中水汽充足。而且隨著冬季風的加強，該地在秋冬季如果長期處于反氣旋天氣的控制則會使當?shù)厍锛窘邓?8O偏負效應突出，從而對其年均值的變化產生影響。

4 結語

綜上研究可知，經過兩年的芙蓉洞上覆泉水、池水和滴水同位素監(jiān)測，巖溶泉水隨著季節(jié)變化出現(xiàn)旱季δ18O偏重雨季δ18O偏輕的特點，在10月份多雨的情況下這一特征最為明顯。而洞穴內水體δ18O變化幅度不大，反映了降水的平均氧同位素，并不能捕捉到其季節(jié)以及年際變化的信息。更多地反映了水汽來源的穩(wěn)定性是穩(wěn)定的季風環(huán)流的體現(xiàn)。

在雨季洞穴滴水δ18O月均值與當?shù)卦陆邓颗c月均溫相關性系數(shù)提高，并出現(xiàn)負相關性表，而旱季與溫度的相關性下降與雨量的相關性上升。表明雨量 只有1～2個砂層段［圖8］，泥質夾層很少，泥質夾層只有0對滴水δO的影響更為明顯。另外兩年監(jiān)測中的10月-11月的d和δ18O不同步偏負表明秋季降水對穩(wěn)定同位素數(shù)值影響的重要性。

洞穴上覆基巖及其蓄水層對洞穴滴水穩(wěn)定同位素影響巨大它們對雨水的調蓄作用削弱巖溶水的季節(jié)振幅，使得洞穴滴水遠小于同期雨水的同位素變化。這為石筍的高精度研究提出一些前提，首先要了解洞穴滴水對外界降水的響應時間，不同洞穴這個響應時間并不相同;另外洞穴上覆的厚薄對其影響也不同，這樣就需要建立相關的參數(shù)進行分析，包括洞穴上覆的厚度，蓄水層結構，以及石筍生長過程中洞穴的空間變化等。

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