武都萬(wàn)象洞方解石現(xiàn)代沉積體系δ18O值月變化特征

白 曉, 桑文翠,2, 李豐山, 張德忠

(1. 蘭州大學(xué) 西部環(huán)境與氣候變化研究院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 甘肅 蘭州 730020; 3. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

洞穴石筍δ18O古氣候記錄憑借其高分辨率、定年準(zhǔn)確和分布廣泛等優(yōu)勢(shì), 在近20年的古氣候研究中發(fā)揮了重要的作用, 成為晚第四紀(jì)古氣候研究的重要檔案之一[1]。我國(guó)季風(fēng)區(qū)的石筍研究[2–7]高分辨率重建了晚第四紀(jì)亞洲季風(fēng)的演化歷史, 為區(qū)域氣候高分辨率對(duì)比、亞洲季風(fēng)區(qū)氣候及其全球聯(lián)系乃至氣候變化機(jī)制研究提供了重要的研究資料。與δ18O記錄研究的開展?fàn)顩r相比, 洞穴沉積現(xiàn)代過(guò)程的研究仍相對(duì)薄弱。雖然石筍δ18O信號(hào)的具體環(huán)境、氣候指示意義在近 10年的研究中[2–8]不斷修訂, 但來(lái)自氣候模擬方面的研究[9–14]仍對(duì)當(dāng)前石筍δ18O信號(hào)主要記錄了亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度的這一主流觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。針對(duì)這一問(wèn)題, 洞穴研究學(xué)者們對(duì)大氣降水同位素及其與季風(fēng)環(huán)流的關(guān)系、洞穴沉積現(xiàn)代過(guò)程等逐步展開了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)工作[15–36]及相關(guān)討論[37–39], 逐步加深了學(xué)者們對(duì)石筍沉積機(jī)理、洞穴現(xiàn)代過(guò)程中δ18O信號(hào)的繼承和變異特征及大氣降水δ18O氣候環(huán)境指示意義的認(rèn)識(shí)。洞穴現(xiàn)代過(guò)程研究表明, 不同的洞穴中, 洞穴沉積環(huán)境和沉積機(jī)理存在很大差異, 而洞穴現(xiàn)代過(guò)程研究是明確石筍δ18O信號(hào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[40]。

萬(wàn)象洞是我國(guó)西北地區(qū)為數(shù)不多的大型溶洞之一, 地理位置靠近現(xiàn)代亞洲夏季風(fēng)的西北邊緣, 洞內(nèi)發(fā)育的次生碳酸鹽沉積物鈾含量很高, 石筍沉積連續(xù)穩(wěn)定, 為晚第四紀(jì)古氣候研究提供了豐富的研究材料。同時(shí)萬(wàn)象洞密閉性良好, 洞內(nèi)滴水豐富, 方解石現(xiàn)代沉積活躍[41], 適合開展洞穴現(xiàn)代過(guò)程的研究。本研究擬通過(guò)分析2011―2012年萬(wàn)象洞大氣降水和洞穴滴水的同位素分析結(jié)果, 結(jié)合萬(wàn)象洞現(xiàn)代方解石沉積的季節(jié)變化特征[26], 對(duì)萬(wàn)象洞石筍δ18O氣候環(huán)境指示意義進(jìn)行探討。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 洞穴概況及滴水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

萬(wàn)象洞(33°19′N, 105°00′E)位于甘肅省武都縣縣城東南19km處的漢王鎮(zhèn)(圖1), 地處黃土高原西緣的西秦嶺山地地區(qū), 西鄰青藏高原, 靠近現(xiàn)代夏季風(fēng)的西北邊界, 氣候特征表現(xiàn)為典型的半干旱季風(fēng)氣候, 年均溫度12.6 ℃, 年均降水量為489 mm,降水大多集中在5～9月[32], 最冷月(1月份)累年月平均氣溫為3.7℃, 地表土壤冬季無(wú)凍結(jié)。萬(wàn)象洞發(fā)育于隴南地區(qū)石炭紀(jì)石灰?guī)r地層中, 洞口海拔1200 m,全長(zhǎng)約1400 m, 洞穴僅有1個(gè)出口, 且內(nèi)部有數(shù)個(gè)狹窄的通道, 密閉性良好。洞穴頂板厚度變化較大,由洞口至洞穴底部頂板厚度由 10余米逐漸增加至200 m左右。洞穴上覆土壤層發(fā)育于黃土之上, 土壤表層至石灰?guī)r基巖厚度約為 1 m; 萬(wàn)象新洞惟一的洞口距萬(wàn)象洞洞口僅10 m左右, 于2007年施工取土?xí)r被發(fā)現(xiàn)并人為挖出, 此前萬(wàn)象新洞無(wú)出口與洞外連通。由于展布方向不同, 與萬(wàn)象洞相比, 萬(wàn)象新洞洞穴頂板厚度相對(duì)較薄, 為 10～40 m。2011年4月, 我們?cè)谌f(wàn)象洞內(nèi)選取了3個(gè)常年滴水點(diǎn)作為洞穴滴水的觀測(cè)點(diǎn), 其中觀測(cè)點(diǎn)X1距洞口約300 m,觀測(cè)點(diǎn)X2和X3相距較近(直線距離約5 m), 位于距離洞口約1300 m處; 2011年12月, 在萬(wàn)象洞內(nèi)距離洞口 1100 m、1200 m兩處分別選取了兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)X6、X5; 2011年9月選取萬(wàn)象新洞內(nèi)一處距離洞口約20 m的滴水點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)X4(觀測(cè)點(diǎn)位置見圖 1)。

圖1 萬(wàn)象洞與萬(wàn)象新洞地理位置、洞穴平面展布及觀測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.1 Sketch of location, layout and monitoring sites of Wanxiang Cave and Wanxiang New Cave

1.2 洞穴監(jiān)測(cè)及樣品收集、分析方法

為了探討氣候環(huán)境與石筍沉積的聯(lián)系, 分析δ18O信號(hào)在洞穴現(xiàn)代過(guò)程中的信號(hào)繼承及其影響因素, 自2011年4月起, 我們對(duì)萬(wàn)象洞地區(qū)的大氣降水狀況、洞穴狀況(洞穴溫濕度、洞穴 CO2分壓)、洞穴滴水特征(滴水速率、pH值、濃度、電導(dǎo)率)在每月月末前后進(jìn)行1次觀測(cè), 每次觀測(cè)后在滴水點(diǎn)下方安置毛玻璃片來(lái)承接洞穴次生碳酸鹽沉積用于方解石沉積狀況、結(jié)晶形態(tài)的觀測(cè)及方解石同位素分析測(cè)試[26]。本研究采用的樣品收集及分析測(cè)試方法如下。

滴水特征監(jiān)測(cè)及水樣品的收集 在滴水特征測(cè)量前, 在滴水點(diǎn)下方放置1個(gè)500 mL PVC瓶收集滴水, 在滴水收集夠測(cè)試用量后進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)量[26]。滴水速率通過(guò)計(jì)數(shù)1 min內(nèi)滴水的點(diǎn)數(shù)來(lái)獲取(單位:D/min), 為了提高精度, 對(duì)滴水較慢的觀測(cè)點(diǎn)連續(xù)計(jì)數(shù) 4～5 min, 最后除以計(jì)數(shù)時(shí)間來(lái)獲得該滴水點(diǎn)的滴水速率; 對(duì)滴水較快的點(diǎn)采取多次計(jì)數(shù) 1 min內(nèi)滴水點(diǎn)數(shù), 最后取平均值來(lái)代表該點(diǎn)的滴水速率。滴水同位素樣品裝入10 mL棕色瓶中, 瓶?jī)?nèi)無(wú)空氣殘留, 樣品瓶貼標(biāo)簽并封口置于恒溫 5 ℃的冰箱中保存。

降水收集及同位素測(cè)試 在雨量?jī)x附近放置帶漏斗的PVC雨水收集桶接取雨水, 漏斗中放 1枚乒乓球用以防止昆蟲及雜物進(jìn)入雨水桶。雨水桶身用鋁箔紙包裹以避免陽(yáng)光照射, 并在桶中倒入約5 mm厚的液體石蠟來(lái)防止雨水蒸發(fā)造成的同位素分餾。雨水樣品每月采集 1次, 冬季少數(shù)月份降水稀少或無(wú)降水時(shí)無(wú)法收集造成當(dāng)月降水同位素缺測(cè)。雨水由桶底部的閥門放出, 用分液漏斗除去殘余液體石蠟后將樣品裝入10 mL棕色瓶中, 貼標(biāo)簽并封口置于恒溫5 ℃的冰箱中保存。滴水和降水氧同位素的分析測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成, 測(cè)試儀器為美國(guó)Picarro公司生產(chǎn)的波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜儀(Wave Scan-Cavity Ring Down Spectrometer)L2130i, 測(cè)試結(jié)果以 VSMOW 標(biāo)準(zhǔn)給出, 誤差δ18O≤0.08‰,δD≤0.4‰。

方解石現(xiàn)代沉積獲取及同位素測(cè)試 在完成對(duì)滴水特征的測(cè)量后, 在滴水點(diǎn)下方固定 1個(gè) 60 mm × 60 mm × 3 mm規(guī)格的毛玻璃片, 每月更換1次以收集洞穴碳酸鹽現(xiàn)代沉積樣品。樣品同位素測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成, 分析儀器為Kiel IV碳酸鹽自動(dòng)進(jìn)樣裝置連接的Thermo-Finnigan MAT-253型質(zhì)譜儀, 測(cè)試結(jié)果以VPDB標(biāo)準(zhǔn)給出,δ13C和δ18O分析誤差均小于0.1‰。

2 結(jié)果與討論

2.1 萬(wàn)象洞大氣降水、洞穴滴水與地方大氣雨水線

萬(wàn)象洞地理位置位于蘭州(36°N, 104°E, 1517 m)、西安(34°N, 109°E, 397 m)和成都(31°N, 104°E, 506 m) 3個(gè) GNIP站點(diǎn)城市中間, 為了表征當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代大氣降水同位素構(gòu)成, 從全球同位素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)(GNIP)獲取了這3個(gè)城市最近15 a的降水氫氧同位素?cái)?shù)據(jù), 擬合出武都地方性大氣雨水線(圖2)。該雨水線與Craig[42]提出的全球雨水線和中國(guó)大氣雨水線[43]斜率接近,但截距相差較大。將2011年、2012年萬(wàn)象洞大氣降水及收集的洞穴滴水的δD和δ18O值也標(biāo)繪在圖中,可以看出樣品的同位素值直接落在地方性大氣雨水線上。發(fā)生蒸發(fā)的過(guò)程會(huì)使水同位素δD-δ18O組合顯著偏離雨水線而位于當(dāng)?shù)卮髿庥晁€的右下方[42],而萬(wàn)象洞洞穴水同位素δD-δ18O組合并未偏離當(dāng)?shù)氐拇髿庥晁€, 這說(shuō)明洞穴水源在下滲之前并未發(fā)生明顯的蒸發(fā)過(guò)程。洞穴水的同位素組合構(gòu)成可以代表洞穴上覆土壤、巖層的地下水同位素組合特征,萬(wàn)象洞上覆頂板地下水與大氣降水相同的同位素組合特征說(shuō)明地下水的補(bǔ)給來(lái)自顯著降水的快速入滲,而存在顯著蒸發(fā)的地表水很有可能不能形成有效入滲來(lái)補(bǔ)給地下水, 洞穴上覆巖層和土壤表面的蒸發(fā)過(guò)程對(duì)洞穴滴水同位素的影響較小[44]。與張平中等[27]得出的結(jié)論一致, 說(shuō)明萬(wàn)象洞洞穴滴水繼承了當(dāng)?shù)卮髿饨邓耐凰匦盘?hào)。

圖2 武都地區(qū)雨水線與萬(wàn)象洞大氣降水、洞穴滴水同位素的關(guān)系Fig.2 Relationship between local meteoric water line for Wudu and isotope values for precipitation and drip water in Wanxiang Cave

2.2 萬(wàn)象洞地區(qū)月降雨量、降水及洞穴滴水δ18O間的關(guān)系

圖3顯示了觀測(cè)時(shí)段內(nèi)萬(wàn)象洞地區(qū)降雨量與降水及洞穴氧同位素的變化特征, 其中 2011年 12月降水量過(guò)少無(wú)法采集同位素樣品, 2012年8月樣品在郵寄過(guò)程中水樣瓶碎裂, 造成這兩個(gè)月降水δ18O數(shù)據(jù)缺失。2012年4月的降水δ18O值顯著比前后兩個(gè)月的δ18O值更為偏負(fù), 表現(xiàn)出較為明顯的雨量效應(yīng); 兩年的5月降水δ18O值近似,隨后的變化有較大差異, 2011年6月、7月降水δ18O值逐步偏負(fù)并于8月降至–10‰以下, 11月降水δ18O值略有偏正, 后又迅速回偏至全年最負(fù)值, 而2012年6月同位素值便已顯著偏負(fù)至季風(fēng)爆發(fā)時(shí)降水δ18O值的水平, 10月迅速回正, 與5月δ18O值接近, 不同年份間, 降水同位素值夏季偏負(fù)的開始時(shí)間差異明顯。圖中黑五星標(biāo)注的是 2012年6月下旬單次場(chǎng)降水(水樣收集覆蓋了降水的全過(guò)程, 收集及保存、測(cè)試方法與月降水方法一致)的δ18O值, 而2012年2月初僅有降雨量為2

mm的一次降雨過(guò)程,所以當(dāng)月降雨δ18O值也反映的是單次降水的δ18O特征, 可以看出兩次場(chǎng)降水的δ18O值均在其前后月的降水δ18O值之間,且基本落在兩個(gè)數(shù)值之間的連線之上,這說(shuō)明利用月均降水的同位素可以代表當(dāng)?shù)亟邓?8O的變化特征。

由圖3中可以看出萬(wàn)象洞地區(qū)年內(nèi)降水氧同位素差異巨大, 偏正最大值為–1.72‰, 最負(fù)值為–11.40‰, 差值高達(dá)9.68‰; 而洞穴滴水同位素差值僅有 1.9‰。與羅維均等[23]觀測(cè)得出的大氣降水-土壤水-洞穴滴水之間的同位素年內(nèi)變幅呈現(xiàn)出顯著的逐漸減小的現(xiàn)象一致。以2011年7月—2012年6月作為一個(gè)完整的水文年進(jìn)行分析, 依據(jù)月降雨量與對(duì)應(yīng)月均δ18O值, 計(jì)算出該水文年的δ18O加權(quán)平均值為–8.2‰,δD為–53.8‰。由于2012年4月降水異常偏多, 月降水量達(dá)到了122 mm, 占該水文年總降水量593 mm的20%, 而多年的氣象資料顯示, 萬(wàn)象洞地區(qū)4月降雨量的多年平均值僅為40 mm, 占年均降水量的十分之一左右, 所以盡管“雨量效應(yīng)”使得當(dāng)月降水同位素值較前后兩月顯著偏負(fù), 但–5.19‰的同位素值仍對(duì)年降水的δ18O 加權(quán)平均值有一定的偏正影響, 估算出其對(duì)所在水文年均δ18O的偏正貢獻(xiàn)量為 0.7‰左右。萬(wàn)象洞 X1、X2、X3和X5這4個(gè)滴水點(diǎn)δ18O值差異不大, 變化范圍在–7.83‰～–9.53‰之間, 平均值為–9.03‰; X6 滴水同位素的區(qū)間為–8.78‰～–8.36‰, 均值–8.63‰; 新洞滴水δ18O的最大值為–7.39‰, 最小值為–9.33‰, 平均值–8.06‰, 較萬(wàn)象洞的滴水同位素值偏正約1‰。

圖3 萬(wàn)象洞月降雨量、降水δ18O值及洞穴滴水δ18O值變化特征Fig.3 Local monthly precipitation, precipitation δ18O and drip water δ18O variations at each monitoring sites in Wanxiang cave

對(duì)比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴水δ18O的平均值可以看出, 萬(wàn)象新洞X4觀測(cè)點(diǎn)＞萬(wàn)象洞X6觀測(cè)點(diǎn)＞其余觀測(cè)點(diǎn)(圖4)。綜合滴水水化學(xué)特征變化狀況, 萬(wàn)象洞和新洞滴水δ18O值差異可初步由兩個(gè)洞穴地下水源的海拔差異來(lái)解釋。萬(wàn)象新洞洞穴較小, 洞頂海拔整體不超過(guò)1250 m, X4滴水點(diǎn)接近洞穴開口部位, 其對(duì)應(yīng)的山體高度與洞口高度差異不大; 而萬(wàn)象洞洞穴較大, 整體結(jié)構(gòu)向山體內(nèi)部延伸, 各滴水點(diǎn)的滴水來(lái)源于更高海拔處的大氣降水。由于大氣降水存在海拔效應(yīng), 同位素值隨海拔高度的升高而偏負(fù), 可部分解釋萬(wàn)象洞滴水的δ18O偏負(fù)于萬(wàn)象新洞的原因。此外更為重要的是, 萬(wàn)象洞內(nèi)X6點(diǎn)對(duì)洞穴外大氣降水響應(yīng)相對(duì)較快, 這一點(diǎn)在其較大的滴率月際波動(dòng)中有所體現(xiàn)。觀測(cè)期內(nèi), 萬(wàn)象洞地區(qū)部分降水δ18O較為偏正的月份降雨量異常偏多(2011年 5、6月, 2012年4月), X6對(duì)降水變化的響應(yīng)較快, 偏正的的同位素值是其下滲過(guò)程中“庫(kù)效應(yīng)”相對(duì)較小的體現(xiàn)。相較之下, 萬(wàn)象洞內(nèi)其余觀測(cè)點(diǎn)雨水下滲時(shí), 與洞穴上覆頂板含水層中地下水的“混合作用”相對(duì)較強(qiáng), 緩沖及平滑作用使得單場(chǎng)降水的同位素異常信號(hào)被削弱, 對(duì)降水變化響應(yīng)也相對(duì)滯后, 滴水δ18O在觀測(cè)期內(nèi)尚未顯示出顯著的偏正趨勢(shì)。

將萬(wàn)象洞及新洞內(nèi)各滴水點(diǎn)氧同位素逐月變化信號(hào)放大后與月降雨量、降水氧同位素、洞穴滴水速率進(jìn)行對(duì)比(圖4)可以看出, 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴水同位素存在差異, 整體上洞穴滴水δ18O值分布范圍僅有1.9‰。此外, 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴水速率及δ18O值隨時(shí)間表現(xiàn)出不同的變化特征: 其中, X5監(jiān)測(cè)點(diǎn)的δ18O與滴水速率變率最小; X6的δ18O變化趨勢(shì)與滴水速率及降雨量的變化趨勢(shì)均不同, 呈現(xiàn)出逐漸偏正的態(tài)勢(shì), 同時(shí)X4處2012年滴水δ18O也較2011年更為偏正, 這與上文中X4、X6滴水對(duì)降水同位素偏正的快速響應(yīng)這一推論在邏輯上相一致, 從滴水δ18O變化趨勢(shì)上來(lái)看, 兩個(gè)點(diǎn)對(duì)降水δ18O的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于6個(gè)月。2012年4月降水為觀測(cè)期內(nèi)最大月降雨量, 該月降水δ18O值較年均降水δ18O加權(quán)平均值偏正, 之后的一個(gè)月各觀測(cè)點(diǎn)的氧同位素均表現(xiàn)出一定幅度的偏正, 但各點(diǎn)的偏正幅度差異較大, 以 X3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化最為明顯, X2、X4監(jiān)測(cè)點(diǎn)次之, X3滴水δ18O值偏正幅度達(dá)到1‰, X2、X4為0.5‰; X2、X3點(diǎn)的平均滴水速率均較大, 但X2滴速有明顯的季節(jié)變化, 而 X3滴速并未顯示出與降雨量變化之間存在顯著的聯(lián)系; X4滴水點(diǎn)處, 頂板厚度相對(duì)較薄, 滴水δ18O波動(dòng)特征顯示其對(duì)降水δ18O信號(hào)變化的響應(yīng)比其他時(shí)段更為迅速, 說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)大量的降水可能會(huì)導(dǎo)致洞穴滴水下滲通道或方式發(fā)生改變,大量的雨水快速入滲, 可能會(huì)沿新的下滲通道快速補(bǔ)給洞穴滴水, 這部分水與土壤含水層中的地下水“混合作用”減弱, 從而使得滴水δ18O 與上月降水δ18O值更為接近, 且滴水速率快、下滲時(shí)間短的點(diǎn)響應(yīng)更為明顯。2011年11月, X2點(diǎn)表現(xiàn)出約1‰偏正, 之前的9月份降雨量為當(dāng)年最大降水量, X2的滴水速率在 11月逐漸上升, 表現(xiàn)出約兩個(gè)月的滯后。由于觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度的限制, 不能進(jìn)行各點(diǎn)同位素不同水文年之間的對(duì)比, 其詳細(xì)的影響因素有待于進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析及土壤水δ18O季節(jié)變化的研究。

圖4 萬(wàn)象洞月降雨量、降水氧同位素、洞穴滴水速率及信號(hào)放大后的滴水氧同位素變化特征Fig.4 Variation characteristics of local monthly precipitation, precipitation oxygen isotope, drip water rate and its oxygen isotope at monitoring sites in Wanxiang Cave

2.3 萬(wàn)象洞現(xiàn)代碳酸鹽沉積氧同位素的分餾平衡

一般認(rèn)為, 當(dāng)碳酸鹽與母液間氧同位素分餾建立平衡后, 碳酸鹽的氧同位素值直接對(duì)應(yīng)于所處環(huán)境的溫度值[44–45]。Kimet al.[46]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究, 得出適合于10～40 ℃溫度區(qū)間無(wú)機(jī)碳酸鹽的平衡方程式:

103lnac–w= 18.03(103×T–1)–32.42,

即δ18Oc=δ18Ow+18.03(103×T–1)–32.42

T為方解石沉積時(shí)沉積環(huán)境的絕對(duì)溫度(T=273+t,t的單位為℃),δ18Oc和δ18Ow分別為現(xiàn)代方解石(mc)和滴水(dw)的氧同位素組成。

洞穴滴水δ18O的PDB標(biāo)準(zhǔn)值可通過(guò)Coplenet al.[47]研究得出的PDB與SMOW標(biāo)準(zhǔn)間的換算公式計(jì)算得出:

δ18OPDB= 0.97002δ18OSMOW–29.98

在洞穴滴水δ18O值和次生碳酸鹽沉積時(shí)洞穴溫度已知的情況下, 可以計(jì)算得出平衡分餾下的次生碳酸鹽δ18O值。

萬(wàn)象洞洞穴內(nèi)部(X2、X3、X5、X6監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域)實(shí)測(cè)溫度均為11.2 ℃且全年保持恒定, 而X1監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離洞口較近, 且處于旅游開放區(qū)域, 洞穴溫度不同季節(jié)在10.6～12.4 ℃之間波動(dòng), 均值為11.7 ℃;萬(wàn)象新洞洞內(nèi), 實(shí)測(cè)溫度在不同季節(jié)存在變幅約2 ℃的波動(dòng), 在12.7～13.9 ℃之間, 冬季低而夏季高, 均值為 13.1 ℃。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)洞穴滴水δ18O值存在約1.9‰的差異, 在討論洞穴沉積物分餾平衡時(shí), 各滴水點(diǎn)應(yīng)分開考慮。對(duì)萬(wàn)象洞洞穴現(xiàn)代沉積的監(jiān)測(cè)研究表明, 萬(wàn)象洞洞穴次生碳酸鹽沉積受到滴水過(guò)飽和度和洞穴 CO2分壓的雙重影響, 很多滴水點(diǎn)在夏季沉積出現(xiàn)中斷[26], 加上游客干擾等意外因素, 導(dǎo)致多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大部分時(shí)間內(nèi)沒有收集到碳酸鹽沉積樣品。監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi), 共收集到 9個(gè)現(xiàn)代碳酸鈣樣品。通過(guò)當(dāng)月滴水δ18O值、實(shí)測(cè)洞穴溫度值計(jì)算得出當(dāng)月碳酸鈣沉積樣品的理論δ18O值, 與實(shí)測(cè)碳酸鈣δ18O值對(duì)比結(jié)果表明(圖5), 在1.8‰的分析測(cè)試誤差范圍內(nèi)(0.08‰滴水測(cè)試誤差+0.1‰碳酸鈣測(cè)試誤差), 9組碳酸鈣沉積物δ18O實(shí)測(cè)值與根據(jù)滴水計(jì)算得出的理論δ18O值基本一致。萬(wàn)象洞及萬(wàn)象新洞洞穴內(nèi)部相對(duì)濕度常年為100%, 僅在最冷月, 洞口處由于旅游活動(dòng)及洞穴內(nèi)外溫差導(dǎo)致洞穴內(nèi)空氣與洞外空氣交換加快, 濕度略有下降。因此, 兩個(gè)洞穴現(xiàn)代次生碳酸鹽沉積過(guò)程中, 因蒸發(fā)而引起動(dòng)力分餾的情況可以忽略, 基本滿足平衡分餾的沉積條件。

圖5 萬(wàn)象洞滴水δ18O值、洞穴溫度計(jì)算得出的碳酸鈣δ18O理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparison among theoretical calcite δ18O value as calculated from drip water δ18O value, cave temperature and measured calcite δ18O value

根據(jù) Epsteinet al.[45]與 O’Neilet al.[48]的無(wú)機(jī)碳酸鹽化學(xué)沉積經(jīng)驗(yàn)公式可知, 在氧同位素分餾平衡條件下, 碳酸鈣沉積物的δ18O(δ18Oc)和母液的δ18O(δ18Ow)平衡關(guān)系的變化與溫度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 即洞穴化學(xué)沉積物的氧同位素值受洞穴滴水(母液)與洞穴溫度的共同影響。Schwarczet al.[49]注意到當(dāng)洞穴內(nèi)的溫度相對(duì)恒定且鹽沉積溫度不低于 10 ℃時(shí), 受溫度影響的水-方解石分餾系數(shù)為–0.24‰/℃。萬(wàn)象洞與萬(wàn)象新洞雖洞口相距僅10 m, 但兩個(gè)洞穴的上覆頂板地下水及洞穴溫度均存在較大差異, 由圖 5中可以看出, 觀測(cè)期內(nèi)萬(wàn)象洞與萬(wàn)象新洞同期次生碳酸鹽δ18O值存在約 0.8‰的差異, 這種差異即為對(duì)洞穴水同位素及洞穴溫度差異的體現(xiàn)。

2.4 萬(wàn)象洞滴水、石筍δ18O年內(nèi)及年際尺度的指示意義

綜上分析, 在年內(nèi)尺度上, 同期萬(wàn)象洞及萬(wàn)象新洞不同滴水點(diǎn)之間的δ18O信號(hào)會(huì)略有不同, 體現(xiàn)了不同滴水點(diǎn)之間由于巖溶下滲通道及地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性而導(dǎo)致的差異, 但同一滴水點(diǎn)下, 滴水的δ18O 信號(hào)則大多較為穩(wěn)定, 季節(jié)變化更為平緩; 部分穩(wěn)定的滴水點(diǎn)無(wú)顯著季節(jié)變化特征。在平衡分餾的前提下, 次生碳酸鹽δ18O值季節(jié)尺度上波動(dòng)是降水同位素信號(hào)平滑后的變率及洞穴溫度小幅波動(dòng)的綜合體現(xiàn); 但與此同時(shí), 相對(duì)極端的強(qiáng)降水或干旱事件可能引起巖溶水下滲通道的改變或地下水體系統(tǒng)的變化, 在短期內(nèi)引起洞穴滴水以及次生碳酸鹽δ18O值的波動(dòng)。因此, 在季節(jié)尺度上, 萬(wàn)象洞石筍δ18O信號(hào)源較為復(fù)雜。在年代際尺度上, 由于同一區(qū)域洞穴系統(tǒng)地下水接受相同的大氣降水補(bǔ)給, 降水同位素的年際波動(dòng)可以引起洞穴滴水系統(tǒng)性的變化, 不同滴水點(diǎn)間同位素的變化趨勢(shì)也應(yīng)該趨于一致, 因此, 在年代際尺度上, 石筍δ18O 信號(hào)的變化反映的是大氣降水同位素的長(zhǎng)期變化信息。觀測(cè)期內(nèi)降雨量及大氣降水同位素的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明, 不同年份間, 月降雨量在不同年份間變率很大, 尤其是在夏季風(fēng)爆發(fā)前后降雨量的差異, 可導(dǎo)致該年份地下水同位素均值發(fā)生較大變化, 而這一變化則會(huì)很大程度上影響洞穴石筍的δ18O值。此外, 不同洞穴間溫度的差異是系統(tǒng)而連續(xù)的, 所以在進(jìn)行石筍記錄的對(duì)比及拼接時(shí), 不同洞穴之間溫度的差異所引起的水-方解石分餾差值應(yīng)當(dāng)予以考慮。

3 結(jié) 論

萬(wàn)象洞當(dāng)?shù)卮髿饨邓凰卅腄-δ18O組合與蘭州、成都、西安多年降水同位素?cái)?shù)據(jù)重建的地方性雨水線基本重合, 可以表征區(qū)域內(nèi)的大氣降水同位素特征; 大氣降水同位素存在較為顯著的年際差異,同時(shí)降雨量效應(yīng)及溫度效應(yīng)在觀測(cè)期內(nèi)均有明顯體現(xiàn), 反映了當(dāng)?shù)卮髿饨邓凰赜绊懸蛩鼐哂幸欢ǖ膹?fù)雜性。逐月收集的洞穴滴水樣品δ18O值年內(nèi)基本保持恒定, 基本反映了當(dāng)?shù)卮髿饨邓脑录訖?quán)平均水平。但不同滴水點(diǎn)特別是萬(wàn)象洞與萬(wàn)象新洞洞穴滴水同位素存在較大差異, 這是不同滴水點(diǎn)下滲水的“庫(kù)效應(yīng)”強(qiáng)弱差異的體現(xiàn)。萬(wàn)象洞洞穴滴水同位素值基本落在了當(dāng)?shù)卮髿庥晁€上, 洞穴水補(bǔ)給水源下滲前無(wú)顯著的蒸發(fā)過(guò)程; 洞穴內(nèi)方解石現(xiàn)代沉積與洞穴滴水之間符合同位素?zé)崃W(xué)平衡分餾。季節(jié)尺度上, 洞穴滴水及碳酸鹽沉積同位素信號(hào)受到降水同位素特征、巖溶水混合作用的強(qiáng)弱變化以及洞穴溫度等多重氣候要素影響; 在年際變化上, 石筍δ18O值可靠反映了區(qū)域內(nèi)大氣降水同位素年際平滑信號(hào)。

筆者感謝審稿專家提出的寶貴意見; 感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所譚明研究員和段武輝博士對(duì)此項(xiàng)研究的指導(dǎo)和幫助; 感謝武都萬(wàn)象洞管理所工作人員對(duì)本研究的協(xié)助與大力支持。

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