重庆丰都雪玉洞水文地球化学指标的时空变化研究

自2006年11月到2007年12月对重庆丰都雪玉洞地下河水和滴水进行了近1年的观测,结果表明其主要水化学指标均表现出明显的季节变化趋势.地下河水Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度和电导率在雨季升高而旱季降低,pH值在雨季降低而旱季升高.在地下河径流路径上,由于溶蚀效应与沉积效应的相互制约以及受采样点水动力条件和水气CO2交换程度的影响,水化学指标的空间变化较为复杂.位于洞穴顶部的滴水由于受顶板覆盖层厚度的影响,洞穴上层滴水点Ca2+、Mg2+年平均浓度分别为95.1mg/L、7.87mg/L,而下层滴水点分别为110.1mg/L、9.68mg/L,表现出上层高、下层低的空间变化特征.由于[Mg2+]/[Ca2+]值具有雨季低而旱季高的变化特征.所以可用之来指示洞穴所在地区降雨条件的变化.     

典型岩溶槽谷区地下水化学特征及地球化学敏感性分析

利用2012年4月—2013年3月的水化学数据研究了重庆老龙洞地下河流域地下水系统地球化学敏感性。结果表明,研究区表层岩溶泉和地下河水化学阳离子分别以Ca2+、Mg2+和Ca2+、Na+为主,阴离子以HCO3-、SO42-为主;表层岩溶泉雨季Mg2+/ Ca2+摩尔比和地下河雨季Na+/ Ca2+摩尔比旱季大于雨季,表层岩溶泉和地下河雨季 HCO3-/SO42- 摩尔比分别为3.428～6.524、3.122～5.966,旱季HCO3-/SO42-摩尔比分别为5.693～8.664、3.428～6.524,表现出低SO42-、高HCO3-的特征,主要受农业活动影响的表层岩溶泉主量元素地球化学敏感性依次为HCO3-> SO42->Ca2+> NO3-> Mg2+> Na+> K+>Cl-,而受农业活动、工业活动、城镇建设活动等多种因子共同影响下的地下河主量元素地球化学敏感性有所变化,依次为HCO3->Na+> Ca2+> K+> Cl-> Mg2+> NO3-> SO42-,随着人类影响的加剧,离子敏感指数将会有增加的趋势。      

雪玉洞岩溶地下水、地表水Ca2+、Mg2+、Sr2+变化特征研究

通过2011年对重庆丰都雪玉洞洞内滴水和地下河河水,上覆岩层中出露的表层岩溶泉水和雪玉洞附近龙河河水等不同类型水中Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度及Mg/Ca、Sr/Ca值的研究,发现不同水的Ca2+、Mg2+、Sr2+随外界降水条件的改变而出现明显变化。表层岩溶泉水Ca2+变化能够敏感反应外界降水条件改变,滴水对外界降雨的反应滞后接近1个月,地下河Ca2+可以反应雨季和旱季的变化,地表河水Ca2+全年比较稳定,但是对特殊干旱天气有显著响应。2011年不同类型水的Mg2+、Sr2+全年变化趋势基本一致,在降水较多的3、5、10月呈低值,在其他降水较少的月份浓度相对较高。各离子的这种变化特征主要是受到稀释效应、CO2效应以及所在地层的岩性的影响。雪玉洞不同类型水的Mg/Ca、Sr/Ca值呈现出滴水>地表河>地下河>表层岩溶泉的特点,反映出不同类型水在含水介质中滞留时间的长短,并且Mg/Ca、Sr/Ca值在降水较多的月份降低,在降水较少的月份升高;受碳酸钙的前期沉淀和运移路径差异的影响,不同类型水的Mg/Ca、Sr/Ca值变化稍有不同。因此,不同类型水的离子变化及其比值对外界降水条件变化的响应特征和时间的不同,决定了在利用元素及其比值反映外界环境变化时也要区别对待。      

2012—2013年重庆雪玉洞洞穴系统碳循环特征

重庆雪玉洞洞内CO₂浓度之高,在国内外皆罕见,但此洞穴系统碳循环特征及控制因素仍不清楚.利用土壤二氧化碳分压(P_CO2-soil)、洞内大气二氧化碳分压(P_CO2-cave)、地下河水二氧化碳分压(P_CO2-eq)、方解石饱和指数(SIc)、地下河水溶解无机碳同位素(δ13C_DIC)等指标来研究雪玉洞洞内CO₂浓度变化、控制因素以及地下河对洞内碳循环的影响.结果表明:雪玉洞上覆P_CO2-soil雨季高,旱季低;降雨量是控制上覆P_CO2-soil的重要因子.雪玉洞P_CO2-cave变化规律明显,暖季高,冷季低;温度变化导致洞内外气流频繁交换是P_CO2-cave突变的重要原因,地下河水CO₂脱气能够在短时间内让P_CO2-cave上升到较高值.雨季由于土壤CO₂效应,地下河水具有低SIc、高P_CO2-eq特性,矿化度较高,并且部分月份地下河水具有溶蚀性;旱季由于土壤CO₂效应及降雨较少,地下河水呈现高SIc、低P_CO2-eq特性,矿化度较低,以沉积为主.      

豫西鸡冠洞洞穴水及现代沉积物Mg, Sr和Ba记录及其意义

采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）对2009年12月-2013年8月采自河南省栾川县鸡冠洞洞穴水（滴水、池水及地下河水）和现代碳酸盐沉积物的 Ca、Mg、Sr和 Ba 微量元素地球化学指标进行了分析。结果显示：（1）鸡冠洞洞穴水的 Mg/Ca对地表环境的干湿条件变化响应迅速,具体表现为池水和地下河水 Mg/Ca旱季高而雨季低,而 Sr/Ca 和Ba/Ca的变化与降水和气温的关系并不明显;（2）鸡冠洞现代沉积物的 Mg/Ca 变化与滴水有着良好的对应关系,但现代沉积物的 Sr/Ca和 Ba/Ca可能受大气粉尘活动和地表土壤的影响,变化趋势与 Mg/Ca 相反;（3）鸡冠洞碳酸盐岩与岩溶水间 Sr/Ca和 Mg/Ca的分配系数KSr值在0.02-0.18之间,KMg值在0.01-0.03之间,KMg值与洞穴温度的正相关关系不明显。     

岩溶洞穴水理化性质特征及其环境意义——以贵州织金洞为例

为揭示洞穴水地球化学特征的动态变化特征、控制因素及其环境意义,从2015年1月至2015年6月对贵州织金洞洞穴水的水化学指标进行了为期6个月的动态监测,结果表明:①织金洞洞穴水的水化学类型主要为HCO3--Ca2+-Mg2+型水,阴离子中HCO3-占84.5%以上,阳离子中Ca2+、Mg2+为优势离子;②洞穴滴水 EC、Ca2+、 Mg2+、HCO3-、SO42-浓度均大于石灰岩石裂隙水、池水相应的浓度;③洞穴水滴率、滴量、Ca2+、HCO3-以及Ca2+/HCO3-比值对气候有一定的响应,其地球化学指标具有显著的季节效应;④洞穴滴水中的EC与Ca2+离子浓度呈显著线性关系。      

溶洞穴滴水元素季节变化及其气候指示意义研究—以贵州省麻黄洞为例

为揭示岩溶洞穴滴水元素季节变化特征及其对外界气候环境变化的响应关系,对贵州绥阳双河洞系支洞麻黄洞内3处滴水的Mg、Ca、Sr元素进行了为期13个月的监测。结果显示:(1)3个滴水点M1、M2和M3的水化学类型主要为HCO3·Ca型,岩溶水对于方解石与白云石等矿物的溶解处于饱和状态;(2)上覆土壤和岩层厚度逐渐增加,导致水-土-岩作用时间也随之增加;(3)Ca^2+、Mg^2+、Sr^2+浓度变化总体上呈逐级递增的特点,各离子浓度在高温多雨季节波动幅度大,低温少雨季节变化平稳;(4)Mg/Ca、Sr/Ca均表现出雨季低、旱季高的特征,反映该地区外界干湿条件的变化;(5)由模型模拟显示,3个滴水点皆以PCP/ICD作用为主,M1对降雨响应不敏感,M2滴率与离子浓度呈雨季高、旱季低的变化规律,M3位于洞穴最深、顶板最厚处,滴率与离子浓度无显著季节变化特征。结合各滴水点洞穴环境变化规律,推断M2更能准确响应外界气候环境变化。     

不同二氧化碳浓度岩溶洞穴可培养细菌群落特征——以重庆雪玉洞和水鸣洞为例

以重庆雪玉洞和水鸣洞为例，在测试地球化学参数的基础上，在不同CO2浓度条件下利用4种分离培养基，富集培养不同类型（洞穴沉积物及洞壁）样品可培养细菌并进行系统进化分析。结果表明:（1）水鸣洞可培养细菌丰度明显高于雪玉洞；（2）分离纯化得到的244株细菌基于16S rRNA基因序列比对分析发现，细菌主要由变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）与异常球菌-栖热菌门（Deinococcus-Thermus）构成。Bacteroidetes只存在于高CO2浓度的雪玉洞，推测Bacteroidetes能耐受高CO2浓度；（3）CO2浓度是影响岩溶洞穴细菌丰度、群落与活动的重要因素之一，推测雪玉洞和水鸣洞的δ13C-CO2值偏负可能是微生物与水文地球化学作用共同影响的结果。      

岩溶洞穴滴水CO2季节变化特征及来源分析——以大风洞为例

为探究白云岩洞穴滴水中CO2来源及变化特征,以贵州省绥阳双河洞洞穴系统中的大风洞为研究对象,对洞穴空气CO2浓度（pCO2（c））、洞穴上覆土壤CO2浓度（pCO2（soil））、洞穴滴水CO2分压（pCO2（w））、以及洞穴滴水水化学环境进行了为期15个月（2016年1月-2017年3月）的监测、采样和室内实验分析,运用统计分析方法对各监测指标进行主成分分析。结果表明:（1）pCO2（w）、pCO2（c）具有明显的季节性变化特征,表现为雨季>旱季。pCO2（soil）受降雨、洞穴通风效应的影响,季节性波动较大,是洞穴pCO2（w）的重要来源;（2）深层岩溶作用中渗透水在流经洞穴上覆表层岩溶带发生的水-岩相互作用及其产生的水化学环境,特别是变化,是影响pCO2（w）的主要因素之一,对pCO2（w）具有重要贡献;（3）运用主成分分析法（PCA）得出各因素对洞穴滴水的相对方差贡献率依次为:HCO3- >pCO2（s）>Soil 1#>pCO2（w）>Soil 2#。各因子对pCO2（w）的贡献率依次为:地表深层岩溶作用>洞穴上覆土壤空气环境>洞穴空气环境;（4）pCO2（w）来源概念模型表明,雨季时,降雨量大,土壤水下渗快,地下水得到充分补充,但停滞时间较短,在渗流带中与围岩反应不充分,PCP过程较弱,对pCO2（w）影响较大;旱季则相反。研究结果对洞穴石笋、石钟乳沉积物的保护具有一定意义,对洞穴旅游开发、管理及岩溶碳循环研究具有重要意义。      

重庆丰都雪玉洞群洞穴现代监测与古环境研究回顾和展望

重庆丰都雪玉洞群包括羊子洞、雪玉洞和水鸣洞,西南大学的研究团队从2008年开始对雪玉洞群开展了系统的现代过程监测,以了解洞穴系统气候和环境信息的传输、转化和记录过程。通过对雪玉洞洞穴内外的大气、植被、土壤、基岩、滴水和洞穴沉积物等的动态监测,研究了碳酸盐沉积过程的水化学指标变化,揭示了现代洞穴滴水的影响因素和变化过程,以及碳酸盐沉积物对现代气候环境变化的响应,也为古气候的定量化研究提供了基础支撑。现代过程监测记录表明:雪玉洞CO₂主要来源于上覆土壤,其季节变化受降水的影响较大;在短时间尺度上受到游客旅游活动的影响明显,但幅度远远小于自然过程引起的变化。雪玉洞内次生沉积物的沉积速率具有明显的旱季、雨季特征,不同滴水点下方沉积物的沉积速率变化较大。雪玉洞群三个洞穴的石笋古环境记录研究表明,本区石笋的230Th/232Th比值较适合高精度铀系测年;部分石笋沉积速率较快,平均沉积速率达到0.25 mm·a?1,可以开展高分辨率的气候和环境变化研究。羊子洞YZ1石笋的年龄范围在116~3 ka B.P.之间（平均测年精度2σ,269年）,覆盖了整个末次冰期,δ18O和δ13C的变化曲线和东亚季风区的其他记录具有明显的一致性。同位素测试的时间分辨率平均为88年,成功记录了一些百年－千年尺度的气候突变事件,如Heinrich事件、7.2 ka事件、小冰期等。在精确年代学的基础上,雪玉洞群石笋具有重建高分辨率气候环境变化的潜力。      

芙蓉洞洞穴水离子浓度和元素比值变化特征及其环境意义

通过对芙蓉洞2006年3月—2009年2月期间泉水和洞穴滴水、池水的地球化学指标监测,结合当地的器测数据,初步认为洞穴滴水的Sr2+、Ca2+、Mg2+浓度及其比值既取决于环境降水和温度的变化,也受到上覆岩土作用的影响。芙蓉洞外山上的6#泉水Ca2+平均浓度为45.81mg/L,洞内1#、3#滴水Ca2+的平均浓度64.59mg/L,2#和4#池水中由于Ca2+沉积,浓度下降到24.74mg/L,下降了大约61.7%。Mg2+和Sr2+的浓度在泉水、滴水和池水中的变化规律与Ca2+基本一致。各种水体中Cl-的浓度变化幅度较小,平均浓度为1.72±0.2mg/L。岩溶水与基岩作用时间长短以及运移过程中Ca2+的前期沉积作用对各元素与离子含量变化具有重要作用。旱季Ca2+的前期沉积作用和雨季基岩的溶蚀及雨水的稀释作用主导着岩溶水中Mg/Ca与Sr/Ca的变化,这些指标能对干旱和洪涝等极端气候事件做出响应。      

芙蓉洞次生碳酸盐沉积特征及与降水的关系研究

通过对重庆市芙蓉洞内两处滴水和两处池水长期定点观测,现场测试pH、温度和HCO-3浓度等指标,并采集适量水样带回实验室利用ICP—OES和离子色谱仪测试主要离子的浓度,计算CO2分压(PCO2)和方解石饱和指数(SIc),探讨了芙蓉洞内次生碳酸盐的沉积情况及与当地降水的关系。结果显示:四个观测点洞穴水在大部分时间相对于方解石为过饱和水,且正在沉积碳酸盐,可见芙蓉洞地区大部分时间具有洞穴碳酸盐沉积的温度和降水条件;不饱和出现在较大降水量之后的1~2个月内,是降水对岩溶水的稀释作用导致的。因此,降水量的变化是洞穴水呈现过饱和与不饱和交替的出现主要原因,最终导致碳酸盐沉积的季节变化,降水量过大时不利于碳酸盐的沉积。     

地下河水人工补给洞穴滴水、碳酸盐(钙)沉积特征及景观恢复探讨

岩溶旅游洞穴碳酸盐岩沉积物景观容易受到污染、风化,为了探讨受污损洞穴碳酸盐沉积物的修复方法以确保岩溶旅游洞穴的可持续发展,对广西桂林七星岩No.15支洞距洞口约150 m长洞段的滴水物化指标、现代碳酸盐岩沉积物进行了为期4年的监测分析。结果表明:（1）该洞段的滴水主要源于抽取地下河水的水柜渗漏及降水补给,地下河水和滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]在4个水文年中的变化趋势基本相同,雨季洞穴滴水电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]等显著降低,降雨稀释效应明显;（2）现代洞穴碳酸盐岩沉积具有明显的季节性变化,雨季洞穴滴水量/速率、碳酸钙沉积速率加快,最大沉积量达0.8 g／半月,洞穴入口约150 m长洞段快速滴水碳酸盐最大沉积量达2～4 g／半月,旱季碳酸盐沉积速率减少,最大沉积量仅为0.4 g／半月;（3）抽取岩溶地下水经由地表补给洞穴滴水可提高滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]及CaCO3饱和度,促使大量碳酸盐(CaCO3)快速沉积,实现对洞穴受风化、污染景观的修复,新沉积的碳酸钙(CaCO3)还可以将基岩裂隙和洞穴内破损、破裂的钟乳石重新“粘结”起来,利于洞穴的稳定性。      

济南趵突泉泉域岩溶水化学特征时空差异性研究

水文地球化学一直是水文地质领域的研究重点,而地下水化学组分的时空变化特征受多种因素的影响。为了掌握济南趵突泉泉域岩溶地下水水化学特征时空差异性,本文分别于枯、丰水期在泉域内采集并分析了岩溶地下水样品,并采用数理统计、Piper三线图、Gibbs图解法及离子比例系数法等分析手段,对研究区岩溶地下水水化学特征及时空差异性进行了研究。结果显示,研究区地下水优势阳离子为Ca,优势阴离子为HCO3,丰水期除HCO3外,其他离子的变异系数较枯水期普遍升高,且大于05,表现出丰水期空间差异性增大的特点。地下水水化学类型具有以HCO3·SO4- Ca为主,多种类型并存的特点。Ca、Mg、HCO3含量在枯、丰水期比值要小于1,且比其他离子要相对稳定,呈现出全局性特点。而Na、K含量在枯、丰水期比值波动较大,大部分比值大于1,Cl、SO4、NO3含量在枯、丰水期比值具有波动剧烈的特点,呈现出区域性特征,同时表明人类活动大大改变了研究区地下水水化学场的分布特征。