貴州荔波風沙洞lfd水氧同位素的時空變化

貴州荔波風沙洞lfd水氧同位素的時空變化

20世紀60年代，haley、son和dupnson首次研究了18o時代的天氣。然后，他系統(tǒng)討論了用苔蘚氧化取代古代氣候的方法，并將該領(lǐng)域的工作作為全球變化的熱點[4.15]。特別是近年來，隨著洞穴系統(tǒng)現(xiàn)代過程監(jiān)控的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些新問題。例如，李斌等人通過對桂林地區(qū)龍洞滴落和現(xiàn)代碳氫化合物碳酸鹽酸鹽酸鹽的氧原素質(zhì)量差異的研究，發(fā)現(xiàn)了云的存在值18o值與年平均溫度之間沒有簡單的相關(guān)性。當水動力條件差、沉積物緩慢時，沉積物的氧原素質(zhì)量差異非常小。通過研究地中海海岸洞系統(tǒng)，barlmt等人也得出了類似的結(jié)論。這表明，通過監(jiān)測和分析洞穴系統(tǒng)中的氧原素等氣候替代指標，我們可以充分了解其真實性。在本文中，我們以貴州荔波市東龍洞附近的寒風洞（lfd）（東龍洞東南約8公里）進行了一系列初步實驗研究，并對該系統(tǒng)進行了監(jiān)測和采樣分析。該系統(tǒng)由當?shù)卮髿饨邓?、土壤水分、滴水及其相?yīng)的二級化學沉積物（氫）組成。分析了當?shù)卮髿饨邓⑼寥浪?、滴水及其相?yīng)的二級化學沉積物（氫）氧化。研究了古代氣候?qū)W的重要性。1樣品的采集和整理涼風洞位于貴州省荔波縣洞塘鄉(xiāng)堯所村,基本情況見圖1和表1.該區(qū)大氣降雨主要發(fā)生在5~9月(雨季),10月~次年4月(旱季)降水量較少,約占全年的14%.所采樣品主要包括大氣降水、土壤氣(采樣方法詳見黎廷宇等人)、土壤水、洞穴滴水及其對應(yīng)次生化學沉積物(表面皿收集,始于2003年6月,2004年6月取回).其中,大氣降水隨機采集于2003年4~9月和2004年3~5月,共計14個樣品;土壤氣和洞穴滴水分別于2003年4,6,7,8,9,10月和2004年3,4,5月共收集9次;土壤水采集時間與土壤氣等一致.所采集水樣均密封于塑料管中低溫(約4℃)保存.5個滴水采樣點集中分布在主通道層中(圖1(d)).3組地表采樣點(土壤水和土壤氣等)均大致分布于洞穴上方(圖1(c)).水和沉積物氧(氫)同位素直接用連續(xù)流質(zhì)譜儀IsoPrime測試.氧(氫)同位素數(shù)據(jù)均采用SMOW(水樣)和PDB(沉積物)表示,單位為‰,氫、氧同位素測定誤差分別小于5‰和0.1‰.CO2氧同位素用MAT-252測試,精度為0.03‰.所有測試工作均在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室完成.2結(jié)果與討論2.1大氣降水和土壤水和水壓大氣降水、土壤水和滴水氫氧同位素之間的關(guān)系如圖2所示.總體上,3種水都分布在IAEA桂林站大氣降水線LMWL上或附近(由于對LFD地區(qū)大氣降水樣的采集不夠系統(tǒng),不能較好地構(gòu)筑LMWL,選用與LFD距離較近的IAEA桂林數(shù)據(jù)代替).這表明,一方面,大氣降水可能是LFD土壤水和滴水的重要來源,另一方面,部分土壤水和滴水同位素值輕微偏向于LMWL右下方,顯示蒸發(fā)作用對這兩種水的同位素組成有輕微影響.圖2還顯示,從大氣降水到土壤水和滴水,氫氧同位素值的變化幅度逐漸減小,詳見2.2節(jié)的論述.2.2新-老水動物群落的日變化和季節(jié)變化喀斯特洞穴次生化學沉積物形成過程如下:在這些過程中氧同位素交換是否平衡將直接影響同位素信號的傳遞.文中先檢驗土壤CO2與土壤水之間是否達到氧同位素平衡(關(guān)于水-巖平衡的討論與計算見表2和2.3節(jié)).檢驗結(jié)果(圖3)顯示,實測值(土壤水平均δ18O值)與根據(jù)土壤CO2的δ18O實測值(10cm以下平均δ18O值)計算所得的與之平衡的土壤水δ18O理論值基本上是一致的,表明在LFD上覆土壤中CO2與入滲水之間的氧同位素交換過程達到或接近同位素平衡,即從大氣降水到滴水過程中,氧同位素信號在土壤帶中的傳遞過程不會導(dǎo)致同位素信號的失真.實際上,根據(jù)Hesterberg等人1988~1989兩年的定點觀測,發(fā)現(xiàn)土壤CO2的δ18O值無論年內(nèi)還是年際變化均與土壤水的δ18O值變化一致,即二者之間的氧同位素交換是平衡的,其他學者也得出相似的結(jié)論[24~26].從圖4可見,大氣降水、土壤水(50和100cm)和滴水3種水的氧同位素值在雨季都出現(xiàn)偏負特征,旱季呈現(xiàn)偏正特征,3者均存在大致協(xié)調(diào)的同步變化關(guān)系,且3種水同位素值的變化幅度在年內(nèi)依次顯著減小,分別在0~-10‰、-2‰~-9‰(50和100cm分別為-2.0‰~-9.3‰和-2.7‰~-8.3‰)和-6‰~-8‰之間這種現(xiàn)象可能是不同期次水混合所致,即均質(zhì)化(homogenization)過程,但這種均質(zhì)化過程并不完全,即土壤水和滴水氧同位素值的季節(jié)變化都沒有消失.盡管土壤水和滴水均主要來源于大氣降水,但兩者都不大可能來源于單獨的某一次,甚至某一時段降水,更可能是不同場次降水,甚至是不同月份或季節(jié)降水的混合物,而這種變化幅度減小的程度取決于與水流運移機制有關(guān)的混合過程的效率和頻率,因此,像LFD這種溫暖潮濕的地區(qū),從大氣降水到洞穴滴水,變化幅度逐漸減小,以至于地下水同位素組成可能與當?shù)仄骄髿饨邓凰刂迪嘟?這些現(xiàn)象顯示出,大氣降水氧同位素的季節(jié)變化信號被大致同步地傳遞到了洞穴滴水中,其過程可能是:氧同位素季節(jié)變化極為顯著的大氣降水降落于地表→滲入土壤層,發(fā)生一定程度新-老水的混合和蒸發(fā)作用→通過基巖縫隙或管道進入洞穴形成滴水,在此過程中新-老水的混合作用更加明顯→最終沉積于次生化學沉積物中.圖1(b)顯示,LFD大氣降水δ18O降水量加權(quán)年均值約為-7.3‰,50和100cm土壤水算術(shù)平均值分別約為-5.9‰和-6.4‰,而滴水δ18O算術(shù)平均值約為-7.0‰(年均值可能還會稍微偏重些,因為缺乏11~2月觀測數(shù)據(jù)).這表明,3種水平均氧同位素值相比較,大氣降水最輕,土壤水最重,滴水介于其中.理論上,如果從地表大氣降水到洞穴滴水的過程中沒有受到外源和蒸發(fā)作用的影響,滴水δ18O算術(shù)平均值應(yīng)該與大氣降水δ18O降水量加權(quán)年均值相近.結(jié)合上一段關(guān)于3種水同位素值的變化幅度在年內(nèi)依次顯著減小現(xiàn)象的討論,說明滴水沒有完全繼承土壤水和/或大氣降水的同位素信息,一方面,可能與洞穴系統(tǒng)包氣帶含水層的結(jié)構(gòu)和功能有關(guān).圖4顯示,滴水氧同位素值更加接近雨季的大氣降水同位素值,表明雨季降水對滴水的貢獻是主要的,洞穴系統(tǒng)包氣帶含水層對滴水存在著顯著的調(diào)蓄作用.另一方面,滴水δ18O算術(shù)平均值相對大氣降水偏重0.3‰以上,是由地表蒸發(fā)作用引起的.這是由于在洞穴次生化學沉積物形成過程(方程(1)~(3))中,來自基巖(CaCO3)溶解和CO2水化和逃逸的氧質(zhì)量數(shù)相對于水中的氧質(zhì)量數(shù)是非常微量的,故基巖和CO2對沉積物(滴水)氧同位素的影響是可以忽略的,且滴水主要來源于當?shù)亟涤?圖2和4),因此,滴水相對于大氣降水的偏重是由地表蒸發(fā)所致,其調(diào)節(jié)程度≥0.3‰.前人研究[30~32]表明,地表蒸發(fā)作用強度隨著土壤深度的增加呈指數(shù)下降趨勢,其影響作用一般都在數(shù)厘米范圍內(nèi),尤其是對于像空氣相對濕度較大(77.5%±3.2%)、植被茂密的LFD這樣的地區(qū),地表蒸發(fā)作用很弱;同時,在中國南方喀斯特山區(qū),如LFD,上覆巖石裂隙發(fā)育,土壤質(zhì)地為壤質(zhì),土被不連續(xù),有利于水的下滲.因此,在研究地區(qū),地表蒸發(fā)作用對滴水的影響是有限的(圖2).另外,圖4也顯示出這樣的特征,即不論是旱季還是雨季,土壤水氧同位素值均與大氣降水接近,說明研究地區(qū)地表蒸發(fā)作用不顯著.地表蒸發(fā)對滴水氧同位素值的影響作用,與干旱或/和半干旱地區(qū),如東地中海地區(qū)約1.0%~1.5‰以上相比較,不是特別明顯.2.3古氣候時代的古氣候古地理5個滴水點滴水對應(yīng)次生化學沉積物氧同位素組成與相應(yīng)平均滴水相似,即不同點間的氧同位素值基本一致,在-6.7‰~-7.0‰(PDB)之間(表2).計算結(jié)果表明,該洞穴所有研究點基本上都達到或接近同位素平衡(實測洞穴氣溫在12.0~16.2℃之間,平均為(15.1±1.3)℃(n=9),與計算所得溫度基本一致)(表2),也即通過洞穴次生化學沉積物和其包裹體中水的氧同位素值計算洞穴氣溫(也即MAT)是可行的.另外,圖4中大氣降水-土壤水-滴水氧同位素組成均顯示出與降水量大致協(xié)調(diào)同步的季節(jié)變化關(guān)系,也即在雨季都出現(xiàn)偏負特征,旱季都呈現(xiàn)偏正特征,表明在高分辨率(如季節(jié))的古氣候研究中,洞穴次生化學沉積物氧同位素值的高低指示著當?shù)卮髿饨邓看笮?反相關(guān)關(guān)系);而3種水同位素值的變化幅度在年內(nèi)依次顯著減小的現(xiàn)象說明,在一定條件下,隨著洞穴上覆介質(zhì)厚度的增加,氧同位素受均值化的程度將會越高,因此,對于利用洞穴次生化學沉積物氧同位素值重建高分辨率的古氣候研究來說,可能滴水對大氣降水響應(yīng)較快或上覆介質(zhì)相對較薄的洞穴較為理想.盡管上述分析顯示,在LFD這種溫暖潮濕氣候下地表蒸發(fā)對滴水氧同位素值的影響不大,但通過同樣方法計算與本研究區(qū)處于同一氣候區(qū)域(貴州省的其他3個洞穴(七星洞、將軍洞和犀牛洞)(圖1(b)地表蒸發(fā)對滴水的影響發(fā)現(xiàn),3個洞穴系統(tǒng)中地表蒸發(fā)對滴水的調(diào)節(jié)程度分別約為≥0.9‰,≥0.3‰和≥0.6‰,表明在相似的氣候條件下,不同洞穴之間存在較大差異.4個洞穴系統(tǒng)中,七星洞和犀牛洞與LFD不同,而將軍洞與LFD相似.前2個洞穴上覆土被相對連續(xù),土壤質(zhì)地黏重、土層緊實、孔隙度小,基巖裂隙不發(fā)育等,不利于大氣降水向洞穴系統(tǒng)包氣帶含水層的快速滲透,這在前期的實驗示蹤研究中也得到證實:七星洞和犀牛洞對大氣降水的響應(yīng)時間明顯滯后于將軍洞與LFD.因此,地表蒸發(fā)作用對滴水氧同位素值的調(diào)節(jié)程度除與氣候條件相關(guān)外,與洞穴上覆介質(zhì)性質(zhì)也密切相關(guān).在利用次生化學沉積物氧同位素指標恢復(fù)和重建古氣候或者進行相互對比研究時,有必要考慮該影響因素.3大氣氧同位素變化綜上所述,研究洞穴的次生化學沉積物形成過