巖溶洞穴現(xiàn)代沉積間斷的影響因素研究
——以河南雞冠洞為例

孫喆,楊琰,施強(qiáng),張萍,梁沙,張娜,劉肖,聶旭東,彭濤,梁勝利,張志欽

1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715 2.國土資源部巖溶生態(tài)環(huán)境—重慶南川野外基地,重慶 408435 3.西南大學(xué)地球化學(xué)與同位素實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715 4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南洛陽 471023 5.中國氣象局武漢暴雨研究所/暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074 6.河南省欒川縣氣象局,河南欒川 471500 7.雞冠洞風(fēng)景名勝區(qū)管理處,河南欒川 471500

巖溶洞穴現(xiàn)代沉積間斷的影響因素研究
——以河南雞冠洞為例

孫喆1,2,3,楊琰1,2,3,施強(qiáng)4,張萍1,2,3,梁沙1,2,3,張娜1,2,3,劉肖1,2,3,聶旭東1,2,3,彭濤5,梁勝利6,張志欽7

1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715 2.國土資源部巖溶生態(tài)環(huán)境—重慶南川野外基地,重慶 408435 3.西南大學(xué)地球化學(xué)與同位素實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715 4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南洛陽 471023 5.中國氣象局武漢暴雨研究所/暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074 6.河南省欒川縣氣象局,河南欒川 471500 7.雞冠洞風(fēng)景名勝區(qū)管理處,河南欒川 471500

巖溶洞穴次生沉積物—石筍因其獨(dú)有的高精度測年[1-2]、高分辨率記錄[3]的優(yōu)勢和豐富的氣候替代指標(biāo)[4-8]，在第四紀(jì)全球變化研究中的作用愈發(fā)重要。洞穴碳酸鹽沉積機(jī)理研究作為理解石筍沉積速率，結(jié)晶形態(tài)和準(zhǔn)確解譯氣候替代指標(biāo)以及現(xiàn)代洞穴合理保護(hù)的理論基礎(chǔ)，一直以來是巖溶洞穴研究的熱點(diǎn)[9-15]。當(dāng)前國內(nèi)外研究成果主要來自于洞穴監(jiān)測[10,13-14,16]和模擬計(jì)算[17-18]，不過由于洞穴次生沉積受到不同區(qū)域氣候條件的影響[12-13]，碳酸鹽沉積形成的時(shí)間及環(huán)境影響因素存在較大的差異，其記錄的環(huán)境氣候信息亦可能不同。例如,張美良[19]在廣西盤龍洞的研究認(rèn)為該洞對氣候環(huán)境響應(yīng)敏感，氣溫、降水和土壤CO2影響滴水飽和度，是導(dǎo)致沉積速率雨季大于旱季的原因。甘肅萬象洞[20]的研究證明，滴水飽和度是沉積發(fā)生的必要前提，但沉積速率受洞穴CO2的制約，呈現(xiàn)旱季大于雨季。Casteel[21]在研究美國德州一處洞穴時(shí)發(fā)現(xiàn)，與同地區(qū)其他洞穴夏季受洞內(nèi)CO2抑制相反，該洞由于通風(fēng)條件好，洞內(nèi)CO2濃度與外界接近，不存在對方解石沉積的抑制，其沉積速率與滴水微量元素受溫度驅(qū)動(dòng)，夏季沉積最快。即便在相似的氣候背景下，南京葫蘆洞卻沒有像安徽蓬萊仙洞一樣表現(xiàn)出活躍的現(xiàn)代沉積特征[22]。沉積間斷是石筍記錄中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，導(dǎo)致石筍間斷的原因有很多[23]，當(dāng)前對沉積機(jī)理的研究多為討論沉積的季節(jié)、年際特征的影響因素[10,19-20]，對沉積間斷原因的分析較少，選擇一個(gè)出現(xiàn)沉積—間斷—再次沉積的洞穴進(jìn)行分析，對于深入理解巖溶洞穴沉積過程是大有裨益的。

雞冠洞位于河南省洛陽市欒川縣，處在我國南北交匯帶季風(fēng)敏感區(qū)，其特殊的地理位置暗示著對環(huán)境響應(yīng)的敏感性，趙景耀[24]通過對洞內(nèi)不同類型水的穩(wěn)定氫氧同位素分析驗(yàn)證了“環(huán)流效應(yīng)”[25-26]，劉肖[27]對滴水、地下河和池水的水化學(xué)指標(biāo)研究認(rèn)為該洞對外界環(huán)境響應(yīng)敏感，可以記錄極端氣候事件。筆者自2009年開始對其進(jìn)行監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)在2013—2014年存在超過一年的沉積間斷，并于2014年11月重新開始沉積，這為洞穴沉積機(jī)理研究提供了很好的素材，本文通過對雞冠洞滴水和碳酸鹽沉積物的觀測與分析，探究影響洞穴沉積的因素，為石筍沉積間斷的形成、石筍年層計(jì)數(shù)和環(huán)境信息解譯提供理論依據(jù)，對現(xiàn)代洞穴保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

雞冠洞(33°46′N,111°34′E)位于黃土高原東南緣，河南省洛陽市欒川縣城西4 km處的雞冠山上(圖1)，洞口海拔約900 m，洞內(nèi)長約5 600 m，分上下5層，落差約138 m。已開發(fā)洞長1 800 m，觀賞面積達(dá)23 000 m2。洞內(nèi)實(shí)測均溫16.4℃。據(jù)欒川氣象資料統(tǒng)計(jì)，雞冠洞所在地區(qū)年均溫約13.09℃，年降水量844.85 mm，7—9月為降水集中期，約占全年降水的52%。上覆基巖較薄，約30～40 m；土壤層為棕壤，厚度不大，10～30 cm左右[28]；基巖裸露達(dá)10%～30%。植被主要是次生殼斗科、松柏科喬木和低矮灌木。區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，碳酸鹽巖巖溶作用強(qiáng)烈，研究區(qū)屬華北及昆侖秦嶺地層區(qū)，碳酸巖鹽類主要出露薊縣系大理巖、青白系硅質(zhì)白云石大理巖、震旦系大理巖(雞冠洞巖性為震旦系綠泥大理巖)、二疊系變質(zhì)大理巖。構(gòu)造以三川—欒川復(fù)向斜為主體，次級褶皺發(fā)育，因構(gòu)造應(yīng)力比較集中，各種性質(zhì)的裂隙以及低次級構(gòu)造面發(fā)育，在次級褶皺構(gòu)造的軸部，特別是垂直于軸部走向的張裂往往呈羽毛狀排列[29]。雞冠洞地處秦嶺—淮河北側(cè)，位于長江、黃河兩大流域分水嶺，又是中國地理南北濕潤區(qū)與半干旱區(qū)過渡地帶，特殊的地理位置決定了該區(qū)對亞洲夏季風(fēng)變化響應(yīng)的敏感性[30]。

圖1 雞冠洞地理位置Fig.1 Location of Jiguan Cave

2 材料與方法

式中，Kc為方解石溶解于水的平衡常數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 滴水水文與水化學(xué)特征

洞內(nèi)兩處滴水類型不同，LYXS監(jiān)測期間未曾斷流，受強(qiáng)降水和持續(xù)降雨影響在2010年10月，2011年8—12月，2014年9月和2015年5月出現(xiàn)滴水變流水的情況；受欒川地區(qū)百年一遇大旱影響，2014年6月和7月滴速最?。?滴/min；正常降雨情況下LYXS滴水較穩(wěn)定。TGBD雨季滴水穩(wěn)定，滴速：24～118滴/min，對干旱事件響應(yīng)敏感，易出現(xiàn)斷流。區(qū)內(nèi)2012—2013年降雨量顯著下降，自2012年10月出現(xiàn)長達(dá)2年的干旱事件，滴水?dāng)嗔?，兩處滴水均很好地響?yīng)降雨量的變化。

圖2 滴水物化指標(biāo)和沉積速率變化注：流水代表滴速太快，已成線狀，無法測滴速Fig.2 Variations of physicochemical indices and deposition rate at drip site

監(jiān)測期間滴水pH波動(dòng)較大：7.21～8.46，表現(xiàn)為在雨季出現(xiàn)低值，旱季升高，在2010年7月和2011年9月降水較同期顯著偏多的月份(滴水變流水)之后并未表現(xiàn)出稀釋作用[32-33]，這與甘肅萬象洞[20]及貴州石將軍洞[34]的觀測結(jié)果相同。受降雨量逐年減少的影響，pH值在2014年均值達(dá)到最大，指示滴水飽和度達(dá)到最低。

表1 池水、地下河旱、雨季水化學(xué)特征(修改自文獻(xiàn)[27])

3.2 現(xiàn)代沉積速率

圖3 雞冠洞現(xiàn)代沉積物結(jié)晶晶體(修改自文獻(xiàn)[35])a.LYXS現(xiàn)代沉積物晶體; b.TGBD現(xiàn)代沉積物晶體Fig.3 Crystal of modern speleothem in Jiguan Cave(modified from literature [35])

雞冠洞的沉積特征與我國北方洞穴沉積過程主要發(fā)生在冬季不同，該洞受蒸發(fā)、空氣交換有一定的影響，將強(qiáng)烈影響洞內(nèi)二氧化碳分壓(pCO2)的變化。巖溶洞穴沉積物主要源于滴水中CO2脫氣作用使得水體過飽和析出碳酸鈣(CaCO3)，滴水與洞內(nèi)pCO2差異推動(dòng)該反應(yīng)發(fā)生[10,36]。統(tǒng)計(jì)滴水處的洞內(nèi)pCO2，雨季較旱季高14%，這是由于雨季植物呼吸作用和微生物活動(dòng)加強(qiáng)，土壤CO2濃度升高，經(jīng)巖溶管道和裂隙進(jìn)入洞內(nèi)的CO2增加，滴水脫氣也會(huì)促進(jìn)洞內(nèi)CO2濃度的升高，但與封閉洞穴相比[11-12]，雞冠洞洞內(nèi)雨旱兩季pCO2差別不大，雨季洞穴CO2對沉積的抑制作用被滴水飽和度“掩蓋”。

圖4 沉積期與間斷期滴水Cl-和對比Fig.4 Comparisons of Cl- and in drip water between sedimentary and hiatus period

綜合上述分析可以發(fā)現(xiàn)雞冠洞現(xiàn)代沉積對水熱條件響應(yīng)敏感，能夠反映季節(jié)、年際間的大氣降水量、滴水滴速、滴水飽和度以及沉積速率，是一種良好的氣候替代指標(biāo)。但影響洞穴沉積間斷不單是氣候的變化，洞穴自身?xiàng)l件和人為因素也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的作用。對于石筍沉積間斷的形成、石筍年層計(jì)數(shù)和環(huán)境信息解譯要考慮沉積學(xué)的特征，同時(shí)對現(xiàn)代洞穴保護(hù)尤其進(jìn)行旱季補(bǔ)水的時(shí)候要考慮水質(zhì)對巖溶作用的影響。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

基于對雞冠洞洞穴滴水和現(xiàn)代沉積物6個(gè)水文年的監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)洞穴沉積物對氣候變化響應(yīng)較敏感，是一種良好的氣候替代指標(biāo)。

(2) 受2010—2013年年降雨量持續(xù)減少的影響，水巖作用減弱，滴水飽和度持續(xù)下降，在2014年達(dá)到最低，出現(xiàn)為期一年的沉積間斷，直至2014年下半年降水增加，于11月重新接收到方解石沉積。

致謝 感謝西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院李廷勇副研究員在論文完成過程中給予的有益討論，感謝審稿專家提供的寶貴意見，這對完成本文有很大幫助。

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Study on the Influence Factors of Modern Speleothem Hiatus: A case from Jiguan Cave, Henan

SUN Zhe1,2,3,YANG Yan1,2,3,SHI Qiang4,ZHANG Ping1,2,3,LIANG Sha1,2,3,ZHANG Na1,2,3, LIU Xiao1,2,3,NIE XuDong1,2,3,PENG Tao5,LIANG ShengLi6,ZHANG ZhiQin7

1. Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China 2. Field Scientific Observation & Research Base of Karst Eco-environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Land and Resources, Chongqing 408435, China 3. Laboratory of Geochemistry and Isotope, Southwest University, Chongqing 400715, China 4. No.1 Institute of Geological Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geo-exploration and Mineral Development, Luoyang,Henan 471023, China 5. Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074, China; 6. Luanchuan Meteorological Bureau, Luanchuan,Henan 471500, China; 7. Administrative Office of Jiguan Cave Scenic Spot, Luanchuan,Henan 471500, China

1000-0550(2017)01-0093-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.010

2016-02-14；收修改稿日期： 2016-03-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372177,40902053)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20090182120005)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(XDJK2011B004)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41372177, 40902053; Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20090182120005; Fundamental Research Funds for the Central Universities, No.XDJK2011B004]

孫喆,男,1992年出生,碩士研究生,全球變化研究,E-mail: michael2482004@126.com

楊琰,男,博士,副教授,E-mail: yy2954@gmail.com

P642.25

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