喀斯特洞穴滴水水文化學過程的時空變化及其環(huán)境指示
——以貴州織金洞為例

曹明達, 周忠發(fā), 潘艷喜， 張 結, 殷 超, 張紹云

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

喀斯特洞穴滴水水文化學過程的時空變化及其環(huán)境指示
——以貴州織金洞為例

曹明達1,2, 周忠發(fā)1,2, 潘艷喜1，2， 張 結1,2, 殷 超1,2, 張紹云1,2

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

喀斯特; 洞穴水; 時空變化; 水化學過程; 織金洞

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省西部畢節(jié)地區(qū)的織金縣(26°38′31″—26°52′35″N和105°44′42″—106°11′38″E)境內(nèi),距織金縣城23 km，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，雨熱同期，無霜期長；多年平均氣溫18.1℃，1月份氣溫最低，月均溫6.5℃；7—8月氣溫最高，多在25～31℃。降水受南亞季風和東亞季風共同影響，季節(jié)差異明顯，夏季多暴雨，多年平均降水量1 105 mm，其中冬春季節(jié)還受到昆明準靜止鋒的影響。

織金洞區(qū)域地表水系，第一條為烏江的北支六沖河，為本區(qū)的巖溶排泄基準面，分布在本區(qū)的NE面，距織金洞2～3 km，由NW流向SE，呈深切河谷，區(qū)段內(nèi)河水面高程950～960 m，在海拔1 000，1 100，1 290 m河谷岸邊，可見零星的高階地礫石層，當時河流呈寬谷形態(tài)。第二條是位于織金洞NW約1.5 km處的綺結河,發(fā)源于織金縣城SW，為六沖河較大支流，在本區(qū)河谷深切，形成150～200 m深的峽谷、塌陷天窗及暗河，河水面高999.8～1 040 m。第三條為新寨河，發(fā)源于高寨及馬口兩地，在新寨匯合，向北至箐腳，又轉(zhuǎn)向西流，在打鐵洞附近潛入地下，流向綺結河。綺結河主流全長8.2 km，匯水面積約20 km2，夏季暴雨后，落水洞消水不及，打鐵洞一帶喀斯特谷地被淹沒[12-14]。

織金洞原名打雞洞，發(fā)育于三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)黃椿壩段(T1y2)地層中，厚210 m，T1y2下部為灰色薄—中厚層含泥質(zhì)亮晶砂屑灰?guī)r，中、上部為灰色厚層—塊狀鮞粒亮晶灰?guī)r，而織金洞發(fā)育在上部。洞口有三條斷層經(jīng)過，洞穴發(fā)育在單斜巖層中，明顯受NE68∠80°和SE∠79°兩組優(yōu)選節(jié)理裂隙的控制?，F(xiàn)已開發(fā)長度12.1 km，其中主洞全長超過3 300 m，相對高差150 m，最寬175 m，一般寬和高在60～100 m，堆積物平均高度40 m左右，最高70 m，全洞容積500萬m3，織金洞洞口且唯一的天窗出露于山坡上，因此洞穴的發(fā)育與現(xiàn)代地形、地貌無關[15-16]。

洞道起伏較大，洞穴空間總體為廳堂或洞道結構。已探明的長度為12.1 km，總面積達78萬km2，洞深242 m，洞道最寬處175 m，最窄處0.4 m，一般多在30～50 m，最高為78 m，一般多在40 m以上，上萬平米的大廳有5個，碳酸鈣沉積物形態(tài)類型眾多，洞內(nèi)沉積物包括了世界溶洞中幾乎所有堆積物的形態(tài)類型。如有菌狀石筍、花瓣狀及松球狀石筍、石盾、卷曲石、盔狀石筍、月奶石、邊石壩等。

在織金洞內(nèi)選取距離洞口較近的一處滴水(DS1#)和距離洞口較遠、封閉性較好的兩處滴水(DS2#，DS3#)進行長期連續(xù)監(jiān)測。DS1#滴水點位于沿主洞道前行200 m左右的雪壓青松景觀所在地的洞頂；DS2#滴水點位于一個名為卷曲石洞的支洞內(nèi)；DS3#滴水點位于另外一個名為玉兔宮的支洞內(nèi)部一狹小洞腔內(nèi)，為鵝管滴水(圖1)。

圖1織金洞洞穴水采樣點分布

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料及數(shù)據(jù)來源

在織金洞區(qū)域內(nèi)，我們選取降水采樣點、滴水點，其中滴水點又分為灰?guī)r裂隙水、鵝管水和鐘乳石滴水，具體包括ZJDS1#，ZJDS2#，ZJDS3#和ZJJS共4處水樣點(表1)。

表1 織金洞洞穴水樣采集點特征

2.2 試驗研究方法

3 結果與分析

3.1 滴水水文特征

DS1#滴水點滴水高度為19 m，為灰?guī)r裂隙水，水量隨季節(jié)變化大但保持常年均有滴水，且對應下方有新鮮沉積；DS2#滴水點為鐘乳石滴水(滴水高度為46 cm)，常年穩(wěn)定滴率，下部有新鮮沉積，洞腔狹小，有大量卷曲石、鐘乳石和鵝管發(fā)育；DS3#滴水點為鵝管滴水(滴水高度78 cm)，常年穩(wěn)定，隨季節(jié)變化小，內(nèi)部發(fā)育大量新鮮卷曲石和鵝管。

從圖2可以看出，所有滴水點的滴率與外界降水的變化總體趨于一致，研究區(qū)域從6月份開始進入多雨時期，降水量在8月份達到最大值，相應的滴水滴率也于9月份達到最大值，這體現(xiàn)出滴率升高的滯后性，這是由于之前冬季的干旱導致上覆土壤層和巖層中的裂隙含水量很少，所以稍增的降水剛好填充進去使其成為半飽水狀態(tài)，等到7月、8月份，隨著降水量的再度提升，最新的降水將前期儲存在土壤和巖層中的“老水”壓向洞內(nèi)，這也是“虹吸效應”的一種體現(xiàn)[19]，到9月份降水量增大到最大值時，大量新鮮的降水暢通無阻地穿過土壤層和基巖層進入到洞穴中。

圖2織金洞滴水點滴率與降水量關系

值得注意的是，DS3#滴水點的滴率全年穩(wěn)定在130～145滴，保持高速滴率和小波動，從所處位置來看，該滴水點位于一個非常狹窄而較高的卷曲石洞內(nèi)，該洞腔內(nèi)生長有大量透明如發(fā)絲的卷曲石和纖細的鵝管，而該滴水點就是從一株鵝管末端滴落下來。而常年保持高速滴率則說明它上覆頂板厚度較大且其中存在穩(wěn)定的輸水管道，才使得它無論外界的干濕條件如何都能保證它的穩(wěn)定供水。

3.2 滴水水文化學特征

織金洞3個滴水點的Ca2+離子濃度全年變化趨勢大致相同，雨季到來之前趨于平穩(wěn)，9月份達到最大值，這與前文提及的虹吸效應密切相關，雨季后稍有回落，這與降水量的增大，對上覆土壤層的淋濾作用加強有關，導致降水在土壤層和基巖層停留時間大大縮短，使其迅速經(jīng)過土壤層與基巖層;Mg2+離子濃度變化體現(xiàn)了較好的季節(jié)性變化(圖3)，雨季濃度高而旱季濃度低，這主要是由于雨熱同期的亞熱帶季風氣候特點，雨季時氣溫高，降水多，土壤生物活躍強度高，致使土壤層中Mg2+離子含量增多，而后又隨降水運移到洞穴中；Sr2+濃度變化與Mg2+大致相同，作為一種較為活潑且微量的金屬離子，它的年際濃度變化也與降水量的增減有很大的關系，隨著喀斯特表層包氣帶內(nèi)水分運移強度的增大，也會將更多的Sr2+離子帶入洞穴中。

總體來看，Ca2+離子濃度年際變化相對于Mg2+，Sr2+離子來說其氣候信號持續(xù)較短，這一方面與織金洞大部分區(qū)域的洞穴頂板較薄有關，另一方面Ca2+離子是喀斯特表層包氣帶內(nèi)的主導陽離子，也是巖溶作用過程中的重要參與者，其變化受到的影響因素較多，土壤層的溫度、含水量以及土壤層中的水—氣CO2分壓變化都會導致其增減。

SIc和SId作為巖溶動力系統(tǒng)中最重要的兩種礦物飽和指數(shù)一直受到學者們的重視，通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，織金洞內(nèi)滴水點的SIc和SId呈現(xiàn)出顯著的正相關關系，R2達到0.84(圖4)，這說明在低溫喀斯特洞穴系統(tǒng)中，方解石的溶蝕和白云石的溶蝕具有同步性的特點，這也從一個側面驗證了碳酸鹽巖侵蝕方程的準確性。

碳酸鹽巖侵蝕方程為：

圖3織金洞滴水Ca2+，Mg2+與Sr2+濃度年際變化

圖4織金洞滴水SId與SIc，lgPCO2(water)與pH值的相關性

3.3 滴水中Mg2+，Ca2+，Sr2+的關系及其環(huán)境指示意義

Ca2+和Mg2+離子是喀斯特地區(qū)滴水中的優(yōu)勢陽離子，其比重占陽離子總量的89%，Sr2+作為碳酸鹽巖地區(qū)較為富集的微量元素也積極參與到喀斯特水動力作用過程中，故其對洞穴滴水水化學的影響亦甚大，之前很多研究者對Mg/Ca比值進行了探討性研究，并將其用于古氣候的重建研究，隨著研究的深入，一些研究者認為滴水中Mg/Ca比值的變化主要取決于干濕氣候條件的變化[20]。Fairch-ild等在法國南部Clamouse洞和意大利東北部Ernesto洞進行滴水中微量元素的研究,認為洞穴滴水中Mg/Ca比值變化主要受水巖接觸時間長短的影響,干旱季節(jié)水分滯留時間長,過飽和的CaCO3水在水流到達洞穴前優(yōu)先沉積，即發(fā)生PCP(Prior calcite precipitation)作用導致滴水中Mg/Ca比值升高[21]。又有研究顯示，當Sr/Ca比值也隨著Mg/Ca比值同增同減時，能夠更好地證明PCP作用的存在[22]，因為Sr元素是微量元素，相對于Mg元素來說，Sr更加穩(wěn)定，較難參加化學反應，所以加入Sr/Ca比值可以更好地證明Ca2+離子在巖溶水進入洞穴之前就已經(jīng)被消耗,導致進入洞穴滴水中的Ca2+離子濃度偏低。

從圖5可以看出，在8月份之前，織金洞滴水的Sr/Ca比值在0.001～0.004保持穩(wěn)定的起伏，從9月開始顯著波動性上升；Mg/Ca比值年際變化基本與Sr/Ca比值一致，尤其是在8月以后，隨著降水量的急劇升高，兩個比值也隨之大幅度波動，值得注意的是，4組滴水曲線的相應彎曲程度和增減性呈現(xiàn)出顯著的一致性，即Mg/Ca與Sr/Ca比值同增同減，這也佐證了PCP作用的存在。

圖5織金洞滴水Mg/Ca與Sr/Ca比值關系

通過對3個滴水點Mg2+，Ca2+和Mg/Ca進行相關性分析(圖6)得出，Ca2+與Mg/Ca相關性并不明顯，分別為0.215，0.16，0.376，而Mg2+與Mg/Ca相關性較顯著，分別為0.936，0.927，0.891。這表明Mg/Ca值變化主要與Mg2+濃度有關。Mg2+的變化決定了Mg/Ca的變化，這與前人的研究并不相同[22]。前已述及Mg2+濃度變化具有明顯的季節(jié)性，同時Ca2+含量在年內(nèi)相對穩(wěn)定，因此可用Mg/Ca值變化來指示織金洞地區(qū)的降水情況。Mg/Ca值升高，則表示旱季；反之則表示雨季。水和方解石間Mg的分配系數(shù)主要由溫度決定，但織金洞具有明顯的氣候分區(qū)[23-24]，同時Mg2+濃度變化亦與降水有密切的關系。因此利用沉積物中Mg/Ca可以推導出洞穴滴水中Mg/Ca變化，進而推導外界環(huán)境的變化[25-26]。

圖6Mg2+，Ca2+和Mg/Ca關系

因Sr的分配系數(shù)受溫度影響較小，受方解石飽和度(SIc)影響較大，與方解石飽和度呈正相關關系[27-28]。雨季由于大量的土壤CO2隨雨水進入洞內(nèi)，導致洞內(nèi)滴水具有明顯的侵蝕性，因而SIc較小(表1)，同時由于稀釋效應等因素的影響，使得Sr2+的分配系數(shù)較小，而旱季由于SIc增大，使得Sr2+的分配系數(shù)也增大，從而Sr2+濃度增加；而Ca2+由于夏季受活塞效應和稀釋效應的影響濃度基本穩(wěn)定，冬季則又因優(yōu)先沉積作用的影響，其含量也不高，這樣使得Ca2+在全年變化相對比較穩(wěn)定，因而對Sr/Ca比值變化影響較小。同時Ca2+與Sr/Ca的相關性不高，分別約為0.105，0.169，0.157(圖7)，而與Sr/Ca的相關性則較高，分別為0.890，0.974，0.930。因此Sr2+決定Sr/Ca的比值，又由圖3和圖5可以看出，Sr/Ca比值從8月份開始顯著上升，這與前文提到的降水量增加以及洞內(nèi)滴水響應的滯后性規(guī)律相吻合，隨著降水的增加，水溶液中的Sr2+離子濃度也在略有滯后的升高，從而影響到Sr/Ca比值的波動，其滯后作用則要充分綜合洞穴頂板的厚度以及土壤層厚度和頂板基巖裂隙等要素進行考慮，這有待日后的深入研究。

圖7Sr2+，Ca2+和Sr/Ca關系

4 結 論

(1) 洞穴滴水滴率和Ca2+，Mg2+，Sr2+離子濃度均與降水量有很好的響應，但同時都表現(xiàn)出一定的滯后性，這是洞穴上墊面環(huán)境由旱季向雨季過渡時產(chǎn)生的“虹吸效應”導致的。其中Mg2+，Sr2+離子所攜帶的氣候信號較為持久，Ca2+離子濃度在雨季波動較大，雨季結束后又迅速回落。

(2) 滴水中的SIc和SId之間存在顯著的正相關關系，體現(xiàn)出低溫喀斯特洞穴環(huán)境系統(tǒng)中方解石和白云石溶蝕的同步性特征，滴水中的液相CO2分壓[lgPCO2(water)]與pH值之間呈現(xiàn)出顯著的負相關，體現(xiàn)了上覆土壤層中的高濃度CO2對洞穴滴水化學過程的重要影響。

(3) 滴水中的Mg/Ca與Sr/Ca比值在雨季到來后的曲線變化呈現(xiàn)出明顯的同增同減性特征，這可以證明在上覆土壤層中，由于夏季時土壤層溫度較高且蒸發(fā)作用強烈，CaCO3在未到達洞穴之前就已經(jīng)在土壤層和基巖層中發(fā)生了優(yōu)先沉積(PCP)，致使運移到洞內(nèi)的Ca2+離子濃度相對其他離子的升高程度小。關于土壤水的監(jiān)測研究還有待深入探討。

(4) 滴水中Mg/Ca比值季節(jié)變化較明顯，表現(xiàn)為雨季低、旱季高，可以反映外界氣候環(huán)境條件的變化。但Sr/Ca比值受Sr2+影響較大，Sr2+而雖有一定的季節(jié)變化，但其指示意義還不夠明顯，因而反映外界氣候環(huán)境的變化相對較弱。

致謝：畢節(jié)市織金縣織金洞世界地質(zhì)公園管理局何正芳局長及何禮全處長給予我們很大的幫助，在此一并表示由衷的感謝！

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TemporalandSpatialVariationofWaterChemistryandEnvironmentalIndicationofDripWaterinKarstCave—ACaseStudyofZhijinCave，GuizhouProvince

CAO Mingda1,2, ZHOU Zhongfa1,2, PAN Yanxi1，2， ZHANG Jie1,2, YIN Chao1,2, ZHANG Shaoyun1,2

(1.InstituteofSouthChinaKarst,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China;2.StateEngineeringTechnologyCenterofKarstRockDesertificationRehabilitation,Guiyang550001,China)

karst; cave water; temporal and spatial variation; water chemical process; Zhijin Cave

2016-04-13

：2016-05-19

國家自然科學基金“巖溶洞穴CO2遷移變化機制及對洞穴巖溶環(huán)境的影響研究”(41361081);貴州省科技計劃“貴州省洞穴調(diào)查數(shù)據(jù)技術服務”(黔科合G字[2014]4004-2號);貴州省重大應用基礎研究項目“喀斯特石漠化生態(tài)修復及生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控研究——巖土類型格局”(黔科合JZ字[2014]200201)

曹明達(1992—),男,安徽滁州人,碩士研究生,研究方向為喀斯特地貌與洞穴。E-mail:cmd965621@sina.com

周忠發(fā)(1969—),男,貴州遵義人,教授,博士生導師,主要從事喀斯特資源環(huán)境、GIS與遙感研究。E-mail:fa6897@163.com

P641.3

：A

：1005-3409(2017)03-0339-08