桂林洞穴滴水與現(xiàn)代碳酸鈣δ18O記錄的環(huán)境意義①——以桂林七星巖NO.15支洞為例

張美良 朱曉燕 吳 夏 張碧云 潘謀成

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國(guó)土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 桂林 541004;2.廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545000)

0 引言

眾多的調(diào)查研究已經(jīng)證實(shí)了洞穴次生化學(xué)沉積物的穩(wěn)定同位素組成提供了實(shí)用的大陸氣候變化的替代指標(biāo)記錄(McDermott，2004;Fairchild et al.，2006;Lachniet，2009)［1-3］。洞穴次生化學(xué)碳酸鹽巖沉積物中最常用的氣候替代指標(biāo)是δ18O，它能記錄研究區(qū)(點(diǎn))大氣降水的δ18O變化，基于假定:①洞穴滴水δ18O值隨當(dāng)?shù)赜晁?8O的變化而變化;②洞穴空氣溫度恒定;③現(xiàn)代洞穴沉積的碳酸鹽巖(CaCO3)與滴水之間達(dá)到同位素準(zhǔn)平衡(Hendy，1971)［4］。熱帶和亞熱帶地區(qū)的石筍δ18O記錄主要反映降雨量(Neff et al.，2001;Matthews et al.，2003;Baker et al.，2007)［5-7］，然而，在高緯度地區(qū)，大氣溫度是主要的控制因素(Lachniet，2009)［3］。其他用來解釋石筍中δ18O變化的控制因素包括:水汽源的變化(Cruz et al.，2005)［8］，季 風(fēng) 強(qiáng) 度 的 變 化 (Wang et al.，2001)［9］和颶風(fēng)著陸(Frappier et al.，2007)［10］。早期的研究表明，降雨和滴水穩(wěn)定同位素之間的關(guān)系明顯受洞穴特有的復(fù)雜因素的影響，如降雨從地表到洞穴滴水之間的穩(wěn)定同位素信號(hào)產(chǎn)生的衰減程度，它由于洞穴上覆基巖厚度影響著含水層的滯留時(shí)間而造成衰減程度不同(Matthews et al.，1996;Ayalon et al.，1998;McDermott，2004;Fairchild et al.，2006;Lachniet，2009)［1，2，9，11-12］。而 Yonge 等［13］在北美地區(qū)不同洞穴中的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行的滴水監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，作為滲流水流過或穿過洞穴之上的基巖時(shí)，由于滲流水或滴水受到均一化作用，降水中同位素的季節(jié)性信號(hào)被衰減直至完全平滑，這種均一化作用是由水流通過洞頂巖溶化的基巖時(shí)所經(jīng)歷的曲折通道所造成。Geode等［14］通過在澳大利亞的小型試驗(yàn)證實(shí)了滴水均一化現(xiàn)象。Williams和 Fowler(2002)［15］在新西蘭做的研究工作同樣也印證了洞穴滴水受均一化作用的結(jié)果。但是，Li等［16］對(duì)桂林地區(qū)的洞穴滴水研究表明，洞穴滴水的氧同位素卻反映了地表降水的季節(jié)性氧同位素變化。而Beynen等［17］對(duì)紐約的Indian Oven Cave的洞穴滴水和大氣降水的同位素監(jiān)測(cè)，研究表明洞穴滲流水經(jīng)過表層巖溶帶時(shí)發(fā)生較弱的均一化作用，導(dǎo)致季節(jié)性降雨中的同位素信號(hào)雖有所衰減，但滴水的同位素值仍表現(xiàn)出季節(jié)性的變化特征。

當(dāng)前監(jiān)測(cè)研究的長(zhǎng)周期的高分辨率降水與同期洞穴滴水、現(xiàn)代碳酸鹽沉積物同位素時(shí)間序列的關(guān)系，能為洞穴石筍古氣候替代指示記錄研究提供重要的指導(dǎo)(Matthews et al.，1996;Ayalon et al.，1998;Sp?tl et al.，2005;Mattey et al.，2008;Lachniet，2009)［3，11-12，18-19］。如羅維均等［20］利用貴州涼風(fēng)洞石筍中δ18O進(jìn)行氣候環(huán)境研究時(shí)，利用在2003～2004年間的降水、洞穴滴水監(jiān)測(cè)記錄的δ18O值，揭示了大氣降水，土壤水和洞穴滴水的δ18O值是同步變化的，即洞頂?shù)嗡c洞外大氣降水的δ18O具有很好的相關(guān)性，認(rèn)為石筍的δ18O代表了沉積時(shí)的古大氣降水的δ18O變化。Pape等［21］采集了從德克薩斯州到新墨西哥州六個(gè)洞穴的滴水進(jìn)行氧同位素分析，顯示離墨西哥灣越遠(yuǎn)，其氧同位素值越偏輕，這種變化來自于風(fēng)暴路徑和水汽來源的變化。譚明等［22］從大氣環(huán)流這個(gè)角度出發(fā)對(duì)石筍氧同位素信號(hào)的意義進(jìn)行研究，討論了降水氧同位素年際變化的一種氣候變化效應(yīng)—“環(huán)流效應(yīng)”，指出La Nina型年份，中國(guó)季風(fēng)區(qū)內(nèi)來自近源的太平洋水汽份額減少，導(dǎo)致中國(guó)季風(fēng)區(qū)的雨水及石筍氧同位素變輕;El Nino型年份，中國(guó)季風(fēng)區(qū)內(nèi)來自近源的太平洋水汽份額增大，導(dǎo)致中國(guó)季風(fēng)區(qū)的雨水及石筍氧同位素變重。所以，開展現(xiàn)代洞穴監(jiān)測(cè)對(duì)于了解到達(dá)洞穴頂部的降水中氧同位素在表層巖溶帶中的轉(zhuǎn)變過程，是精確校準(zhǔn)氣候指示意義的關(guān)鍵。

本文通過對(duì)桂林地區(qū)的降水、桂林七星巖15支洞的洞穴滴水和現(xiàn)代碳酸鹽沉積物的δ18O研究，以揭示大氣降水的水汽來源和季風(fēng)氣候變化的信號(hào)，并可為解譯石筍記錄的環(huán)境信息提供理論依據(jù)。

1 研究概況和樣品的采集與分析

1.1 概況

七星巖NO.15支洞位于桂林市東區(qū)—漓江左岸的七星公園內(nèi)，公園內(nèi)由三座殘存巖溶石峰組成，其中，NO.15支洞位于普陀山石峰的東部的南側(cè)。地理坐標(biāo)為:25°31＇N，107°50＇E，海拔標(biāo)高 155 m。洞穴發(fā)育在上泥盆統(tǒng)融縣組(D3r)厚層狀亮晶砂屑灰?guī)r中，屬下層洞，并與現(xiàn)代地下河相通。實(shí)測(cè)七星巖NO.15支洞長(zhǎng)1 108 m。洞頂基巖覆蓋層厚20～40 m(進(jìn)入洞穴深部400 m后，洞頂覆蓋層厚達(dá)80 m)，基巖裸露，裂隙發(fā)育。而在基巖面上基本沒有土層，僅在一些基巖裂隙中有極少量黏土充填，巖溶表層帶調(diào)蓄能力差，有利于降水下滲。在洞穴頂部分布有亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林，如榿木、香椿、桂花樹、楓樹和恩樹等，呈稀疏分布，在洞穴頂部的峰體上均為C3植物，基本上沒有C4植物。

區(qū)內(nèi)年平均降水為1 868 mm，年蒸發(fā)量1 268 mm，年平均濕度76%，日照為1 285 h。桂林七星巖NO.15支洞內(nèi)年平均氣溫為19.2℃，相對(duì)濕度約為90%～98%。洞穴內(nèi)不僅發(fā)育有豐富的洞穴次生化學(xué)碳酸鹽沉積物，而且仍有許多現(xiàn)代滴水和現(xiàn)代碳酸鹽沉積。

桂林七星巖NO.15支洞的滴水和新碳酸鹽沉積監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示，共有5個(gè)滴水監(jiān)測(cè)點(diǎn)、一個(gè)池水監(jiān)測(cè)點(diǎn)、7個(gè)現(xiàn)代碳酸鹽沉積監(jiān)測(cè)點(diǎn)?，F(xiàn)代碳酸鹽沉積物的監(jiān)測(cè)方法是將玻璃板放置在滴水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的新石筍上，監(jiān)測(cè)并收取玻璃板上的碳酸鹽(CaCO3)沉積物。

1.2 洞穴滴水、現(xiàn)代碳酸鹽樣品的采集與分析

在2008年1月至2011年12月期間，我們進(jìn)行了4個(gè)水文年的洞穴滴水的水樣和現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)樣品的收集。大氣降水以天或場(chǎng)為單位，每次降水后即將降水樣裝入預(yù)先沖洗好的塑料瓶中并封閉保存。滴水收集于洞穴中的5個(gè)滴水點(diǎn)(圖2)，樣品為每半月采集1次。樣品采集需先預(yù)沖洗塑料瓶，在樣品采集前再用洞穴滴水沖洗。

洞穴中現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)樣品的采集，主要是利用平板玻璃片或表面皿作為沉積試板(片)，分別放在現(xiàn)在正在生長(zhǎng)的新石筍頂部，使洞穴滴水滴落在試板(片)上，接受現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)沉積(圖3)，并按半月對(duì)玻璃試片或表面皿上沉積的現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)用刀片刮取，然后裝入袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，并烘干和進(jìn)行碳氧同位素分析。

洞穴滴水的分析，由國(guó)家測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)室完成，以δ表示氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算公式如下:

δ=［(Rsample/Rstd)-1］×1000，其中R分別為D/H，18O/16O。

其中，洞穴滴水的δ18O采用CO2與水的平衡方法。樣品用Gasbench-MAT253質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素測(cè)定。δ18O和δD值相對(duì)于VSMOW標(biāo)準(zhǔn)，δ18O精度為±0.01‰，δD 的精度為±0.2‰。

圖1 桂林七星巖NO.15支洞平面圖及滴水監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.1 No.15 branch cave plane of the Seven Star Cave in Guilin and monitoring sites of drip water

圖2 滴水及玻璃板上CaCO3沉積Fig.2 Drip water and carbonate deposit

現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)樣品的碳氧同位素分析，由中國(guó)科學(xué)院南京古生物研究所同位素實(shí)驗(yàn)室完成，用KielⅣ-MAT253質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素分析，每8個(gè)樣品插一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品(NBS-19)，δ18O值為相對(duì)于VPDB(Vienna Pee Dee Belemnite)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)誤差為＜0.1‰。

2 結(jié)果與討論

圖3 表面皿上CaCO3的沉積Fig.3 Carbonate(CaCO3)deposit

研究表明，桂林七星巖NO.15支洞的洞穴上方基巖基本裸露(僅在一些基巖裂隙中有極少量黏土充填)，亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林呈稀疏分布，地形為陡坡不允許降水匯集，巖溶表層帶調(diào)蓄能力差，有利于降水快速流失或下滲，因此，洞穴滴水的穩(wěn)定同位素不受地面蓄水庫(kù)蒸發(fā)作用的影響，也不會(huì)導(dǎo)致剩余水中的同位素含量增大;而季風(fēng)強(qiáng)弱、降水氣團(tuán)來源與雨量效應(yīng)是影響七星巖NO.15支洞滴水及現(xiàn)代沉積CaCO3的δ18O信號(hào)的主要因素。

2.1 降雨中同位素信號(hào)的季節(jié)性變化

通常，將大氣降水中同位素的組分與各環(huán)境要素之間的相關(guān)關(guān)系稱為環(huán)境同位素效應(yīng)。溫度效應(yīng)，是指降水的δD與δ18O值隨著年平均溫度升高而增加的現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)，即指溫度與同位素的正相關(guān)關(guān)系。在各個(gè)環(huán)境同位素效應(yīng)中，溫度效應(yīng)尤其重要，這是因?yàn)榄h(huán)境同位素的分餾作用主要受制于相變過程中的溫度。

據(jù)2008年至2011年間降水及降水δ18O值分析結(jié)果，獲得了4年的大氣雨水線方程(δD=8.89δ18O+18.58，R2=0.98)，大氣降水δ18O的組成及降水量和溫度變化曲線圖(圖4)。由曲線可以看出，本區(qū)大氣降水的δ18O值變化較大，變化范圍在-14.48‰～+2.38‰之間，平均為-5.78‰ (462件降水的δ18O平均值)?？傮w表現(xiàn)為在夏半年(5～10月)降水多，占總降水量的67.6%，δ18O值相對(duì)偏低或偏負(fù)，其變化范圍在-14.48‰～-5.38‰(VSMOW)之間，平均值為-8.04‰(共261組);δD 變化范圍在-140‰～+33.3‰，δD平均為-56.03‰。經(jīng)對(duì)2008～2011年間的降水δ18O值及降水量的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析，獲得了相關(guān)方程為:δ18O=-0.027P-9.417，其相關(guān)系數(shù) R2=0.64，顯示降水的δ18O值與降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系—量效應(yīng)，特別是在夏半年(或夏季)存在明顯的降水的量效應(yīng)，即單場(chǎng)的降水量越大，降水δ18O值越負(fù)。

利用HYSPLIT模式中的后向軌跡法(Backwards Trajectory)追蹤(關(guān)于水汽源的討論將在另文發(fā)表)，揭示在夏半年季風(fēng)降水期間(5～10月)，大氣降水的穩(wěn)定同位素組成主要受夏季風(fēng)或夏季臺(tái)風(fēng)的影響，即受來自孟加拉灣、南海海洋氣團(tuán)的水汽源的控制，存在有明顯的降水的量效應(yīng)，降水的δ18O值偏低或偏負(fù)，是由于重同位素在水汽輸送過程中因不斷冷凝而大大貧化，從而降水中δ18O偏低或偏小，服從瑞利同位素平衡分餾模式，明顯反映了季風(fēng)區(qū)降水的特點(diǎn)。在冬半年(11月至次年4月)降水減少，占總降水量的32.4%，δ18O值相對(duì)偏高或不斷富集，其變化范圍在-7.48‰～+2.38‰(VSMOW)之間，平均δ18O值為-2.89‰(共 210 組)，δD 平均值為-9.23‰ (共210組)。

分析結(jié)果表明，冬半年(11月至翌年4月)大氣降水中的δ18O值普遍偏正，揭示桂林地區(qū)冬半年大氣降水的水汽源主要來自西太平洋暖濕氣團(tuán)、冬季風(fēng)冷氣團(tuán)或西風(fēng)環(huán)流所攜帶的大陸性氣團(tuán)和局地水汽環(huán)流的影響。由于冬半年具有降水少而小、濕度低、蒸發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，說明降水的水汽在輸送途中受到一定蒸發(fā)作用的影響，同時(shí)，又疊加了局地蒸發(fā)水汽循環(huán)的影響，這是導(dǎo)致冬半年大氣降水中δ18O值偏重或偏正的主要因素。

夏半年大氣降水的δ18O值與降水量、溫度之間存有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系——量效應(yīng)(主要是指單場(chǎng)的降水量與降水的δ18O值而言，而不是指月平均降水量與月平均降水的δ18O)和反溫度效應(yīng)，即降水量越大或是溫度高、降水的δ18O值越低或越負(fù)。例如，2008年和2009年間(6～8月)的幾場(chǎng)暴雨，降水的δ18O值較偏低或偏負(fù)(圖4)，其降水的量效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)掩蓋了溫度效應(yīng)。在冬半年，由于受西太平洋的暖濕氣團(tuán)與冬季風(fēng)冷氣團(tuán)的影響，有時(shí)部分疊加了局地水汽環(huán)流的影響，所形成的峰面雨的δ18O值相對(duì)偏正或偏高。但由圖4可以看出，在2010年和2011年的秋冬大氣降水的δ18O值與降水量、溫度之間存有顯著的正相關(guān)關(guān)系，即降水量小或是溫度低，而降水δ18O值則偏低或偏負(fù)，為什么?這是因?yàn)?010年和2011年為最近50年來最干旱的年份(夏季風(fēng)強(qiáng)盛，雨帶北移)，秋冬季大氣降水量雖然小或少，溫度降低，但是據(jù)HYSPLIT模式中的后向軌跡法(Backwards Trajectory)追蹤發(fā)現(xiàn)，其大氣降水的大部分水汽均來源于南?；蛭魈窖髤^(qū)的熱帶海洋的暖濕氣團(tuán)，這是導(dǎo)致秋冬大氣降水的δ18O值偏低或負(fù)的主要原因。由此說明，不同大氣降水的水汽團(tuán)來源及性質(zhì)對(duì)大氣降水的δ18O值的年際變化起著重要的作用。

圖4 桂林七星巖附近2008～2011年大氣降水的δ18O與氣溫、降水量關(guān)系Fig.4 The curve of surface temperature，precipitation and δ18O of the meteoric precipitation during 2008～2012 in the nearly Seven Star Cave of Guilin

2.2 洞穴滴水的δ18O信號(hào)

經(jīng)過4個(gè)水文年對(duì)桂林七星巖NO.15支洞的洞穴滴水(共計(jì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中，5個(gè)為洞穴滴水點(diǎn)，1個(gè)為池水點(diǎn)和1個(gè)為地下水)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)所采集的不同滴水點(diǎn)的水樣進(jìn)行了氧同位素分析，獲得的結(jié)果如圖5所示，其滴水的 δ18O值變幅為-4.2‰～-8.6‰之間(存在有4.4‰的差異，主要受季節(jié)性降水變化的影響)，平均值為-5.8‰(據(jù)632組數(shù)δ18O值平均)。洞穴滴水的δ18O相對(duì)于大氣降水的δ18O平均值(-6.25‰)稍偏重或偏正0.45‰，但兩者的變化趨勢(shì)基本一致，表明洞穴滴水的δ18O主要來源于大氣降水，其δ18O值主要受大氣降水δ18O的影響或控制。

由圖5可清楚地表明洞穴滴水的δ18O明顯與同期的降雨量、降雨的δ18O值具有很好的相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出明顯的四高峰(δ18O低值區(qū))四低谷(δ18O高值區(qū))的波動(dòng)變化特征。在夏半年(晚春、夏季)，大氣降雨與滴水的 δ18O值相對(duì)偏負(fù)或偏低，平均為-6.08‰(VSMOW);在冬半年(冬季、早春)，大氣降雨與滴水的δ18O值相對(duì)偏正或偏重，平均為-4.92‰(VSMOW)。結(jié)果表明，在夏半年，大氣降雨的δ18O值與滴水的δ18O值明顯受降雨量的影響——量效應(yīng)的影響，即大氣降水量越大(特別是單場(chǎng)降水)，大氣降水和洞穴滴水的δ18O值則明顯偏負(fù)或偏低(圖5)，同時(shí)，洞穴滴水的δ18O值也會(huì)受到較弱的均一化或混合作用的影響。但是，在秋季(9～11月)，如在2008、2010和2011年的9～11月，大氣降水的 δ18O值雖然比較偏負(fù)或偏低(圖5a)，但是因其氣候干燥、相對(duì)濕度小，降水的量較小或偏小，月降水量不足50 mm(單場(chǎng)降水為1～8 mm不等)，大氣降水的一部分基本保存在地表的表部，另一部分因空氣比較干燥，而被蒸發(fā)掉，而能真正參與表層巖溶帶的調(diào)蓄或下滲補(bǔ)給洞穴的滴水極少或甚至無。這種干旱的氣候條件，缺乏地表降水的下滲補(bǔ)給，導(dǎo)致洞穴滴水的滴速相對(duì)較慢，滴水量相對(duì)較小，表明洞穴滴水的δ18O值沒有獲得9至11月大氣降水的補(bǔ)給，所以，滴水的δ18O也不能反映秋季(9～11月)降水的δ18O值的信息。由此說明，單場(chǎng)降水量的大小及其降水的δ18O值對(duì)洞穴滴水的δ18O值起著至關(guān)重的作用。在冬半年，洞穴滴水的δ18O值明顯偏重或偏正(圖5b)，具有明顯的季節(jié)性變化特征，如在12月至次年4月的降雨表現(xiàn)為細(xì)雨綿綿，連續(xù)不斷，空氣濕度大，累計(jì)降水量相對(duì)較大(月降水量達(dá)50～150 mm)，從而使冬季降水達(dá)到了參與表層巖溶帶的調(diào)蓄并能下滲補(bǔ)給洞穴，并參與洞穴滴水過程，所以，滴水的δ18O比較偏重或偏正，保存了冬季大氣降雨中的同位素信號(hào)。

圖5 桂林七星巖No.15支洞滴水與大氣降水的δ18O曲線Fig.5 The δ18O curve of the meteoric precipitation and drip water in No.15 branch cave of the Seven Star Cave in Guilin

從圖5b可以看出，其中2008年及2009年6～8月的Q5、Q1滴水和Q池水的δ18O值極偏負(fù)，其原因是，這三個(gè)點(diǎn)的滴水速率相對(duì)較快，監(jiān)測(cè)取樣的時(shí)間剛好是在降大雨或暴雨后的當(dāng)天或第2天，反映明顯受單場(chǎng)大雨或暴雨的量效應(yīng)的影響;而2010年及2011年6～8月的滴水δ18O值沒有發(fā)現(xiàn)像2008年及2009年6～8月那樣的異常偏負(fù)的δ18O值，原因是在降大雨或暴雨后沒有跟進(jìn)或沒有進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)與取樣，通常監(jiān)測(cè)與取樣是按半月一次進(jìn)行的，所以，經(jīng)常是在降大雨或暴雨后過了1周或2周以后才進(jìn)行的監(jiān)測(cè)與取樣，所以，沒有急時(shí)抓住降大雨或暴雨事件或漏掉了降大雨或暴雨事件后快速補(bǔ)給的滴水樣品的信息，所取的監(jiān)測(cè)滴水樣品的信息己受到巖溶表層帶中巖石孔隙水或蓄水的混合作用，使其滴水的δ18O值己受到混合影響，故而，對(duì)2010年及2011年6～8月的滴水監(jiān)測(cè)，未能揭示出滴水的異常δ18O值。

從降水量的記錄來看，從2008年(2 074 mm)、2009年(1 691 mm)、2010年(1 630 mm)至 2011年(1 133 mm)降水量逐年減少，洞穴滴水的δ18O值則顯示逐年偏重，表明洞穴滴水的δ18O值明顯受降雨的量效應(yīng)的影響;而洞穴滴水δ18O值的年內(nèi)變化則是從夏季的6月最負(fù)或最低開始到冬季逐漸偏重或偏正，次年則再次循環(huán)從夏季最負(fù)到冬季逐漸偏重的循環(huán)過程。洞穴滴水的δ18O研究結(jié)果顯示，在同一洞穴中的不同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滴水δ18O是相同的，具有明顯的重現(xiàn)性特征，表明洞穴各點(diǎn)滴水的δ18O具有相同信號(hào)和季節(jié)性變化特征，可以準(zhǔn)確反映大氣降水量及降水的δ18O變化特征，繼而反映氣候的特征。

2.3 洞穴次生化學(xué)沉積物(CaCO3)—石筍的δ18O信號(hào)

石筍是洞穴碳酸鹽(鈣)沉積的滴石類型，其形成過程，包括:①洞穴碳酸鹽巖的溶解過程;②洞穴碳酸鈣(鹽)的沉積過程。在碳酸鹽巖地區(qū)，大氣降水在下滲過程中吸收了大氣中的CO2和大量源于土壤層中由(微)生物制造的CO2，形成了具有侵蝕能力的碳酸水，這種含CO2的水沿洞穴上部碳酸鹽巖的(微)裂隙或孔隙下滲，對(duì)其流經(jīng)的碳酸鹽巖產(chǎn)生溶解作用，其反應(yīng)過程為:

在其作用過程中不斷溶解碳酸鹽巖，使之形成富含碳酸鈣的滲流水，當(dāng)含碳酸鈣的水溶液由洞頂裂隙或孔隙滲出構(gòu)成洞穴滴水，當(dāng)?shù)嗡湓诙吹谆蚱渌练e物上時(shí)，滴水變成極薄的水膜后，由于CO2的逸出或水分蒸發(fā)而導(dǎo)致CaCO3過飽和而析出沉淀。其反應(yīng)如下:

綜上所述，臨床治療高血壓腦出血采用早期微創(chuàng)顱內(nèi)血腫清除術(shù)能夠有效提高臨床效果，促進(jìn)炎癥因子水平減輕，顯著改善神經(jīng)功能。

由方程(1)可見，控制洞穴次生化學(xué)碳酸鹽沉積物的氧同位素成分主要是滴水，而形成洞穴化學(xué)碳酸鹽沉積物的滴水主要來自大氣降水。研究表明，洞穴滴水的δ18O變化基本繼承了大氣降水的δ18O變化特征。在此之前，Yonge等(1985)［1］的研究結(jié)果也與這一結(jié)論相吻合。

據(jù)四個(gè)水文年8個(gè)滴水點(diǎn)(其中，1個(gè)為池水沉積點(diǎn))的監(jiān)測(cè)，獲取了768個(gè)現(xiàn)代洞穴碳酸鹽沉積物(CaCO3)樣，經(jīng)對(duì)碳酸鹽沉積物(CaCO3)的氧同位素分析結(jié)果顯示，δ18O值的年際變幅為-8.24‰～-4.06‰(圖6)，平均值為-5.87‰。8個(gè)滴水點(diǎn)的現(xiàn)代洞穴碳酸鹽沉積物的δ18O的年際變化趨勢(shì)相同，具有明顯的重現(xiàn)性特征，表明現(xiàn)代洞穴碳酸鹽沉積物的氧同位素記錄的信號(hào)相同。

從圖6可知，1到4月為碳酸鹽沉積物的δ18O值較高(或偏重)時(shí)段，從4月開始，碳酸鹽沉積物的δ18O值開始下降，在6～8月降到最低值，爾后從9月開始上升，到10～12月達(dá)到最高值。在2008年至2011年的4個(gè)水文年中，現(xiàn)代洞穴碳酸鹽沉積物的δ18O值與滴水的δ18O值記錄的年內(nèi)(或年際)變化或多年的變化趨勢(shì)基本相同，表現(xiàn)出明顯的四高峰(δ18O低值區(qū))四低谷(δ18O高值區(qū))的波動(dòng)變化特征。在夏半年(晚春、夏季)，現(xiàn)代洞穴碳酸鹽沉積物的δ18O值與滴水的δ18O值相對(duì)偏輕或偏低，平均為-6.4‰(VPDB)，具有夏半年降水δ18O值的特征，顯示具有雨熱同季的特點(diǎn);在冬半年(冬季、早春)，洞穴現(xiàn)代碳酸鹽沉積物的δ18O值與滴水的δ18O值相對(duì)偏重或偏正，平均為-5.2‰ (VPDB)，具有明顯的冬半年降水δ18O值的特征，表現(xiàn)出明顯的年、季節(jié)變化規(guī)律。

此外，現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)和滴水的δ18O記錄的年際變幅沒有大氣降水的δ18O的變幅大，主要原因在于現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)和滴水的監(jiān)測(cè)取樣是按半月一次，并存在有一些降水效應(yīng)、較弱的均一化或混合作用的影響，而對(duì)于秋季那些低于5 mm的降水，由于空氣比較干燥，受強(qiáng)蒸發(fā)作用的影響，通常極少參與下滲補(bǔ)給洞穴的滴水;冬季降雨則表現(xiàn)為細(xì)雨綿綿，連續(xù)不斷，空氣濕度大，累計(jì)降水量相對(duì)較大，降水參與表層巖溶帶的調(diào)蓄，并能下滲補(bǔ)給洞穴，所以，洞穴滴水的δ18O較好保存了季節(jié)性降水的δ18O信號(hào)。

圖6 桂林七星巖No.15支洞現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)δ18O記錄曲線Fig.6 The curve of δ18O record from the modern carbonate(CaCO3)in No.15 branch cave of the Seven Star Cave in Guilin

據(jù)圖5、6可以看出，現(xiàn)代洞穴碳酸鹽δ18O值的變幅受降水的變化影響較明顯，如2010年1～6月的碳酸鹽δ18O值受2010年1～3月降水或降水δ18O的影響，碳酸鹽δ18O值表現(xiàn)為快速的波動(dòng)特征，顯示了冬季降水的δ18O變化特征。由此說明，現(xiàn)代碳酸鹽的δ18O主要記錄(或反映)了大氣降水和季風(fēng)強(qiáng)度變化的信息，即能作為可靠的氣候替代指標(biāo)。

3 結(jié)論

通過對(duì)桂林七星巖No.15支洞4個(gè)水文年的滴水和新碳酸鹽沉積物的及降水的氧同位素研究，可得出以下初步的結(jié)論:

桂林大氣降水線方程具有獨(dú)特的局地氣候特征，夏半年大氣降水的δ18O值與降水量、溫度之間存有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系—量效應(yīng)和反溫度效應(yīng)，且降水量效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)掩蓋了溫度效應(yīng)。降水同位素信號(hào)的季節(jié)性變化仍然比較明顯，降水同位素信號(hào)受較強(qiáng)的季節(jié)性降水和大氣環(huán)流效應(yīng)的影響。

(2)洞穴滴水δ18O值的重現(xiàn)性

研究區(qū)從2008年(2 074 mm)至2011年(1 133 mm)四個(gè)水文年的降水量逐年減少，滴水的δ18O值則呈現(xiàn)逐年偏重的變化，表明洞穴滴水的δ18O值明顯受降雨的量效應(yīng)的影響，特別是單場(chǎng)降水量的大小及其降水的δ18O值對(duì)洞穴滴水的δ18O值起著至關(guān)重的作用;而洞穴滴水δ18O值的年內(nèi)(或年際)變化則是從夏季的6月最負(fù)或最低開始到冬季逐漸偏重或偏正，次年再次循環(huán)從夏季最負(fù)到冬季逐漸偏重的循環(huán)過程。

據(jù)近4年洞穴滴水的δ18O研究結(jié)果顯示，在同一洞穴中的不同部位其滴水的δ18O是相同的，具有明顯的重現(xiàn)性特征，表明洞穴各點(diǎn)滴水的δ18O記錄具有相同信號(hào)和季節(jié)性變化特征，可以準(zhǔn)確反映大氣降水量及降水的δ18O變化特征，繼而反映氣候變化特征。

(3)洞穴滴水與新沉積碳酸鹽的δ18O值

在4個(gè)水文年中，現(xiàn)代洞穴次生化學(xué)碳酸鹽沉積物的δ18O值與滴水的δ18O值記錄的年內(nèi)(或年際)變化或多年的變化趨勢(shì)基本相同，表現(xiàn)出明顯的四高峰(δ18O低值區(qū))四低谷(δ18O高值區(qū))的波動(dòng)變化特征，具有明顯的年、季節(jié)變化規(guī)律，顯示具有雨熱同季的特點(diǎn)。

研究表明，洞穴滴水和現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)的年平均δ18O值非常接近降水的δ18O平均值，并具有與地表降水δ18O相同的變化趨勢(shì)，反映了洞穴滴水和現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)的δ18O主要來自大氣降水的δ18O，即明顯受控于降水的δ18O。這些結(jié)果說明洞穴滴水和洞穴現(xiàn)代碳酸鹽(CaCO3)沉積物的δ18O可以記錄當(dāng)?shù)鼗蚨囱ㄉ戏降臍夂蜃兓畔?，即能作為可靠的氣候替代指?biāo)。故認(rèn)為現(xiàn)代洞穴次生化學(xué)碳酸鹽沉積物(CaCO3)的δ18O主要作為夏季風(fēng)強(qiáng)度或降雨量的替代指標(biāo)。

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