川東北心房洞溶洞系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

川東北心房洞溶洞系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

了解氣候變化的特點(diǎn)、規(guī)律和控制機(jī)制是氣候變化研究的重要內(nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外利用洞穴次生沉積物(如石筍)氣候代用指標(biāo)(如δ18O)進(jìn)行的古氣候重建工作已取得許多令人矚目的成果。但由于各研究區(qū)地質(zhì)地貎氣候環(huán)境等因素存在差異,許多學(xué)者認(rèn)為石筍氣候代用指標(biāo)的解釋存在不確定性或者多解性。而洞穴環(huán)境對(duì)洞穴沉積物的物理化學(xué)指標(biāo)具有重要影響,通過(guò)研究洞穴環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)在年際、季節(jié)尺度的變化特征,有助于解譯洞穴沉積物形成機(jī)理及其記錄的古氣候信息。因此,進(jìn)行現(xiàn)代洞穴監(jiān)測(cè)是解決爭(zhēng)議的有效途徑,也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)外利用現(xiàn)代科學(xué)儀器進(jìn)行洞穴觀測(cè)已有百年歷史。如Sp?tl等通過(guò)監(jiān)測(cè)Obir洞洞穴滴水水化學(xué)和洞穴pCO2,發(fā)現(xiàn)洞穴pCO2和滴水pH值具有明顯的季節(jié)變化;DeFreitas等對(duì)GlowwormCave進(jìn)行了為期一年的洞穴空氣凝結(jié)情況的監(jiān)測(cè),結(jié)果表明洞穴內(nèi)外的空氣交換可能會(huì)影響凝結(jié)速率;?ebela等通過(guò)研究斯洛文尼亞PostojnskaJama溶洞,發(fā)現(xiàn)洞穴氣溫和池水溫度的季節(jié)變化除受客流量影響外,在很大程度上還受到洞穴通風(fēng)效應(yīng)的影響。在國(guó)內(nèi),張美良等通過(guò)對(duì)貴州盤(pán)龍洞8個(gè)滴水點(diǎn)進(jìn)行2個(gè)水文年的監(jiān)測(cè),并分析滴水的電導(dǎo)率(EC)、Ca2+和HCO3-離子含量及pH值等變化趨勢(shì),認(rèn)為洞穴滴水對(duì)大氣降水和氣溫的響應(yīng)較快,呈現(xiàn)出季節(jié)性的變化特征。周福莉等通過(guò)對(duì)重慶武隆芙蓉洞5個(gè)滴水點(diǎn)和2個(gè)池水點(diǎn)的多個(gè)水理化指標(biāo)(pH值、HCO3-、EC、Ca2+、Mg2+、SO42-)以及滴水滴量和現(xiàn)代沉積物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)芙蓉洞滴水中的金屬離子主要來(lái)源于上覆巖層和土壤,其地球化學(xué)指標(biāo)有一定的時(shí)空變化特征。關(guān)于川東北諾水河地區(qū),此前已有學(xué)者對(duì)該地區(qū)溶洞沉積記錄的過(guò)去氣候環(huán)境變化信息進(jìn)行了多方面的研究,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)石筍的微量元素(如石筍中常見(jiàn)微量元素鎂、鍶、鋇、氬等)等都可能與過(guò)去氣候環(huán)境變化存在密切聯(lián)系。但是,目前對(duì)石筍里各氣候指標(biāo)的解釋還比較偏重于理論,為了驗(yàn)證前人研究中對(duì)石筍各指標(biāo)變化控制機(jī)制所提出的理論,對(duì)川東北地區(qū)進(jìn)行洞穴監(jiān)測(cè)工作十分必要。本文選擇該地區(qū)的樓房洞,通過(guò)對(duì)該洞穴系統(tǒng)的氣溫、相對(duì)濕度(RH)、CO2體積分?jǐn)?shù)、水體電導(dǎo)率(EC)和pH值等環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析這些指標(biāo)的時(shí)空變化特征,并探討其控制機(jī)制。以期為解譯洞穴沉積代用指標(biāo)的氣候環(huán)境指代意義提供科學(xué)依據(jù)。1洞穴自然概況樓房洞(32°25′46″N,107°10′48″E)位于四川省巴中市通江縣諾水河風(fēng)景區(qū),與川陜交界處相距6km(圖1)。洞穴圍巖為晚二疊紀(jì)石灰?guī)r,洞穴頂板厚約40~100m。該地區(qū)盛行典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干旱,年均溫約15℃,年均降水量約1000~1200mm,冬季粉塵活動(dòng)較強(qiáng);地表土壤較薄且主要來(lái)源于風(fēng)成沉積物;植被以喬木為主,主要包括一些落葉闊葉樹(shù)種和松、柏等。樓房洞全長(zhǎng)約2000m,可供游覽面積≥80km2。洞內(nèi)發(fā)育有一地下河,在洞穴深處經(jīng)一瀑布注入(圖1的SLPB附近),在距離洞口不遠(yuǎn)處(圖1的QCMY)流入一落水洞,經(jīng)地下暗河注入洞外諾水河。2學(xué)習(xí)方法2.1洞穴內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)為研究樓房洞洞穴環(huán)境的時(shí)空變化特征,同時(shí)考慮外界與洞內(nèi)環(huán)境的差異與影響,在洞內(nèi)外共選擇4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn):一號(hào)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“水簾瀑布”(SLPB),離洞口最遠(yuǎn)、封閉環(huán)境條件較好,該點(diǎn)是地下河洞內(nèi)出口處,常年流水;二號(hào)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“秋池滿盈”(QCMY),位于地下河末端落水洞附近;三號(hào)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“羅帳連營(yíng)”(LZLY),距洞口約45m,該點(diǎn)在一水池旁;四號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)諾水河(HS),在洞外距離洞口約45m處。2.2溫度、濕度測(cè)量u20042011年8月―2012年6月,筆者于每月中旬對(duì)樓房洞洞穴環(huán)境方面的氣溫、相對(duì)濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)、pH值、電導(dǎo)率進(jìn)行的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間集中在當(dāng)日T14:00―16:00。對(duì)洞穴內(nèi)外的氣溫和相對(duì)濕度使用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的便攜式溫濕度監(jiān)測(cè)儀TPJ-20進(jìn)行測(cè)量,儀器量程分別是:溫度-40~80℃、相對(duì)濕度為0~100%,精度分別為±0.4℃、±3%,分辨率分別為0.1℃和0.1%RH;洞穴內(nèi)外的CO2體積分?jǐn)?shù)使用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TPJ-26-I型便攜式紅外CO2儀進(jìn)行測(cè)量,儀器量程為0~5000×10-6,分辨率為1×10-6,實(shí)驗(yàn)前,使用標(biāo)準(zhǔn)氣體(0×10-6)進(jìn)行校準(zhǔn),測(cè)試時(shí),為了避免操作者的呼吸對(duì)CO2測(cè)試形成影響,將儀器放置距離操作者3~5m處;對(duì)水樣pH值的測(cè)量使用的是BANTE220便攜式pH計(jì),測(cè)量范圍為2.00~16.00,精度為±0.01,該儀器可以同時(shí)測(cè)量水體溫度,測(cè)量范圍為0~100℃,測(cè)量精度為±1℃;對(duì)水樣電導(dǎo)率的測(cè)量使用的是上海般特儀器有限公司生產(chǎn)的BANTE540便攜式電導(dǎo)率儀,測(cè)量范圍為0~200mS/cm,精度為±0.5%F.S.。3結(jié)果與分析3.1洞穴內(nèi)溫度分布洞內(nèi)外氣溫表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化(圖2)。洞穴內(nèi)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溫變化范圍分別是:SLPB14.1~19.2℃、QCMY15~18.1℃、LZLY13.1~18.2℃、HS9.2~34.4℃。平均值依次為:HS21.6℃、SLPB16.5℃、QCMY16.1℃、LZLY15.8℃。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,洞外氣溫的季節(jié)變化幅度比洞內(nèi)大得多(表1),且夏季洞外氣溫明顯高于洞內(nèi),冬季洞外氣溫低于洞內(nèi)氣溫(見(jiàn)圖2)。這與Sp?tl等對(duì)奧地利Obir洞穴的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致,顯示了洞穴系統(tǒng)對(duì)氣溫變化的顯著調(diào)節(jié)作用。通常認(rèn)為,洞內(nèi)空氣常年溫度與洞外年平均地表氣溫(SAT)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián),但洞外河水處的年均溫達(dá)到21.6℃,與洞內(nèi)年均溫(16.1℃)差異較大。這主要是因?yàn)槊看蔚谋O(jiān)測(cè)工作是在午后進(jìn)行,洞外一天內(nèi)氣溫變化幅度較大且至午后氣溫較高,而洞內(nèi)常年溫差較小。洞內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)氣溫的季節(jié)變化達(dá)到3~5℃,雖然幅度比洞外小很多(HS點(diǎn)達(dá)到25.2℃),但季節(jié)性特征依然明顯。這可能與樓房洞內(nèi)有地下河貫穿有關(guān),樓房洞地下河水流常年流淌,很大程度上加強(qiáng)了洞穴的通風(fēng)效應(yīng)以及洞內(nèi)與洞外的空氣交換,而這一點(diǎn)也在其他洞穴得到印證;此外,游客可能是一個(gè)影響因素。人體相對(duì)于洞穴是一個(gè)發(fā)熱體,而夏季是客流高峰期,游客的增加也必然會(huì)有助于洞內(nèi)氣溫上升,樓房洞年接待游客量達(dá)10余萬(wàn)人次,主要集中在5―10月;而冬季游客少,冬季洞內(nèi)溫度則基本體現(xiàn)自然背景值。3.2不同濕地對(duì)洞穴中空氣流動(dòng)性的影響洞穴內(nèi)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度變化范圍分別是:SLPB75.3%~92.4%,QCMY79.6%~93.3%,LZLY79.2%~92.9%,HS36.2%~88%。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度平均值依次為:LZLY87.7%;QCMY87.3%;SLPB84.3%;HS66.8%?？梢钥闯?洞內(nèi)各點(diǎn)空氣的相對(duì)濕度比較接近,但都明顯高于洞外空氣的相對(duì)濕度。與氣溫變化類(lèi)似,洞外相對(duì)濕度的季節(jié)變化幅度比洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)都大(見(jiàn)表1、圖3)。推測(cè)其主要原因可能是洞外氣溫的季節(jié)變化幅度顯著大于洞內(nèi)(見(jiàn)圖2)。洞內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度也存在一定的差異。例如,SLPB和QCMY處相對(duì)濕度平均值略小于LZLY處。原因可能是LZLY靠近洞內(nèi)一個(gè)水池,來(lái)自池水面的蒸發(fā)對(duì)空氣水汽有較大貢獻(xiàn);而SLPB和QCMY兩個(gè)點(diǎn)靠近地下河,附近空氣流動(dòng)性比LZLY處強(qiáng)度大,這顯示了地下河對(duì)洞穴環(huán)境的顯著影響。一般情況下,空氣流動(dòng)性的強(qiáng)度與相對(duì)濕度高低成反向關(guān)系,空氣流動(dòng)性越強(qiáng)則相對(duì)濕度越偏向低值,因此導(dǎo)致地下河水附近的相對(duì)濕度相對(duì)于靜態(tài)池水邊較低,這同時(shí)也顯示了地下河對(duì)洞穴環(huán)境的影響較水池更顯著。洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)SLPB和QCMY的相對(duì)濕度與空氣溫度表現(xiàn)出明顯相反的變化趨勢(shì)(圖4)。相對(duì)濕度夏秋季低,冬春季高,這表明洞內(nèi)較深處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度季節(jié)變化主要受氣溫控制。類(lèi)似的現(xiàn)象在北京石花洞、山東九天洞及廣東寶晶宮(未發(fā)表數(shù)據(jù))均有發(fā)現(xiàn)。而距樓房洞洞口較近的LZLY和洞外的HS處的相對(duì)濕度與氣溫的相關(guān)系數(shù)不高(圖4),顯示除了氣溫之外,這2處的相對(duì)濕度還受到其他因素(如降水)的影響。3.3洞穴外空氣co體積分?jǐn)?shù)CO2是巖溶動(dòng)力系統(tǒng)重要的推動(dòng)力,對(duì)洞穴CO2體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)是洞穴研究的重要內(nèi)容。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表1),洞內(nèi)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO2體積分?jǐn)?shù)變化范圍依次為:SLPB(879~4298)×10-6、QCMY(876~3310)×10-6、LZLY(268~1222)×10-6、HS(232~644)×10-6;平均值依次為:SLPB處1935.4×10-6、QCMY處1748.6×10-6、LZLY處652.6×10-6、HS處429.8×10-6。洞外空氣CO2體積分?jǐn)?shù)明顯比洞內(nèi)各點(diǎn)低,且變化幅度較小,看不到明顯的季節(jié)性變化。洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的空氣CO2體積分?jǐn)?shù)存在明顯差異。例如,位于洞內(nèi)深處的SLPB和QCMY處的CO2體積分?jǐn)?shù)明顯高于靠近洞口的LZLY(圖5)。原因是距離洞口的遠(yuǎn)近造成洞穴通風(fēng)效應(yīng)存在差異,靠近洞口的LZLY處空氣與洞外溝通更加順暢,CO2體積分?jǐn)?shù)較低。洞內(nèi)空氣CO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化,在夏秋季出現(xiàn)峰值,隨后迅速下降,至次年春季略有回升,這種季節(jié)性變化的原因主要有以下4個(gè)方面:1)夏季高溫多雨導(dǎo)致地表植被的呼吸作用加強(qiáng),土壤空氣的CO2體積分?jǐn)?shù)大幅度上升,這導(dǎo)致更多的CO2進(jìn)入巖溶地下水并最終進(jìn)入洞穴空氣之中;2)夏季時(shí)由于洞內(nèi)空氣溫度低于洞外空氣溫度,洞穴空氣由洞內(nèi)流向洞外;冬季洞內(nèi)氣溫顯著高于洞外,空氣由洞外流入洞內(nèi),故冬季稀釋洞穴空氣CO2體積分?jǐn)?shù)及強(qiáng)度均較夏季大,導(dǎo)致洞穴通風(fēng)效應(yīng)在冬季顯著加強(qiáng),因此這種空氣流動(dòng)模式在一定程度上強(qiáng)化了洞穴空氣CO2體積分?jǐn)?shù)夏高冬低的季節(jié)變化特征;3)夏季雨水增加導(dǎo)致地下水在土壤層和上覆石灰?guī)r地層中的運(yùn)移加快,更多的土壤空氣CO2通過(guò)“泵”效應(yīng)進(jìn)入到巖溶洞穴之中。2011年9月在樓房洞洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察到的CO2體積分?jǐn)?shù)顯著上升(見(jiàn)圖5)就與這一機(jī)制有關(guān),當(dāng)時(shí)是在一次持續(xù)強(qiáng)降水之后檢測(cè)的(當(dāng)月降水量達(dá)413.6mm);4)洞穴的客流量也有一定的影響。游客的呼吸作用也對(duì)洞穴空氣CO2體積分?jǐn)?shù)增加有一定貢獻(xiàn),夏秋季正值洞穴旅游高峰期,游客活動(dòng)的增多也在一定程度上增加了洞內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)。3.4ph值的季節(jié)變化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示樓房洞洞內(nèi)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的pH值的變化范圍分別是:SLPB7.76~8.49、QCMY7.45~8.43、LZLY7.30~8.86、HS7.55~9.46。平均值依次為:HS8.49、LZLY8.24、SLPB8.08、QCMY7.25,即偏堿性,這與其所處地區(qū)(巖溶區(qū))有關(guān)。無(wú)論是洞外河水還是洞穴內(nèi)巖溶地下水,pH值的變化均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特征,而且整體趨勢(shì)基本一致,即pH值在夏秋季節(jié)高于冬春季節(jié)(圖6)。在降水量較多、溫度較高的時(shí)期,生物呼吸作用較強(qiáng),產(chǎn)生更多的CO2進(jìn)入巖溶區(qū)水體,形成對(duì)基巖具有溶蝕力的碳酸水。同時(shí),在濕熱多雨期,巖溶裂隙飽水,含有較高pCO2的巖溶水不易脫氣,也將形成溶蝕能力較強(qiáng)的碳酸水,最終水體的堿性增加消耗H+引起pH值升高,冬季則相反。通過(guò)對(duì)比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體中Ca2+離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(數(shù)據(jù)另文發(fā)表),發(fā)現(xiàn)其與pH值的變化具有很好的一致性。這可能反映了在溫度較高、降水較多的時(shí)期確實(shí)有更多的石灰?guī)r被溶解。3.5洞穴內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)ec值季節(jié)變化根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,洞穴內(nèi)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EC值變化范圍分別是:SLPB260~333uf06dS/cm、QCMY259~332uf06dS/cm、LZLY263~340uf06dS/cm、HS125~218uf06dS/cm,平均值從大到小依次為:LZLY294uf06dS/cm、QCMY292uf06dS/cm、SLPB291uf06dS/cm、HS185uf06dS/cm。整體上洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EC值比較接近,但都顯著高于洞外的河水(見(jiàn)表1、圖7)。這反映了洞內(nèi)的巖溶地下水與土壤層和石灰?guī)r圍巖有較長(zhǎng)的接觸時(shí)間和更強(qiáng)的水-巖相互作用,同時(shí)巖溶地下水含有較高不易脫氣的pCO2也將形成溶蝕能力較強(qiáng)的碳酸水,從而溶解了更多的巖石和土壤物質(zhì),使其具有更高的離子含量(這也得到了實(shí)測(cè)的各種金屬離子含量數(shù)據(jù)的支持,數(shù)據(jù)將另文發(fā)表)。樓房洞洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EC值變化總體呈現(xiàn)出一定的季節(jié)變化特征(見(jiàn)圖7)。其中,SLPB和QCMY處EC值大小和變化趨勢(shì)基本相同,可能反映該地下水在貫穿樓房洞的整個(gè)過(guò)程中各種離子組成和含量相對(duì)穩(wěn)定。除了2011年9月,洞穴3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EC值季節(jié)變化趨勢(shì)與pH值一樣,也是夏秋季節(jié)高于冬春季節(jié)(見(jiàn)圖7)。這說(shuō)明氣候變化導(dǎo)致的化學(xué)溶蝕作用(針對(duì)地表土壤和石灰?guī)r圍巖)變化是影響地下河水和池水EC值季節(jié)變化的主要因素。該區(qū)位于季風(fēng)區(qū),在高溫多雨的夏秋季,土壤水溶蝕能力增強(qiáng),更多的土壤和基巖礦物被溶蝕,使水體的離子總含量上升,EC值升高。河水EC值季節(jié)變化的總體趨勢(shì)似乎與洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相反(見(jiàn)圖7),可能反映了對(duì)于地表水而言,區(qū)域降水量的變化導(dǎo)致稀釋效應(yīng)的季節(jié)變化是影響河水EC值季節(jié)變化的主要因素。例如,從2011年12月―2012年5月,研究區(qū)降水普遍較少(平均每月25.4mm),而這一時(shí)期的地表河水EC值較高(見(jiàn)圖7)。2011年9月的強(qiáng)降水事件導(dǎo)致河水EC值顯著下降(見(jiàn)圖7),也反映了稀釋效應(yīng)的影響。對(duì)應(yīng)的洞內(nèi)2個(gè)地下河觀測(cè)點(diǎn)EC值也表現(xiàn)為明顯低值,而且反映與洞外水文聯(lián)系較強(qiáng)的觀測(cè)點(diǎn)的EC值在強(qiáng)降水事件中也可能受到稀釋作用的影響。不過(guò),這次事件中地下河水的pH值出現(xiàn)了明顯下降,而SLPB和QCMY處的pH值卻并沒(méi)有表現(xiàn)出類(lèi)似的下降(見(jiàn)圖6)。造成這種差異的原因目前尚不清楚,有待今后進(jìn)一步研究。洞內(nèi)池水LZLY處的EC值在2011年9月不僅沒(méi)有下降,反而表現(xiàn)出一定的上升(見(jiàn)圖7),反映了主要接受滴水補(bǔ)給的池水水文化學(xué)對(duì)外界降水的響應(yīng)與地下河水存在明顯差異?？赡苁窃摯螐?qiáng)降水中部分儲(chǔ)存在上覆石灰?guī)r地層中的“化石”巖溶水被帶入樓房洞內(nèi)。4洞穴監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析對(duì)川東北樓房洞4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(SLPB、QCMY、LZLY、HS)的氣溫、相對(duì)濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)、水體pH值和電導(dǎo)率等進(jìn)行為期近1年的監(jiān)測(cè),結(jié)果顯示:1)樓房洞洞內(nèi)SLPB、QCMY、LZLY處全年平均氣溫基本與當(dāng)?shù)厝昶骄鶞囟认喈?dāng),洞內(nèi)氣溫具有一定的季節(jié)變化,變化趨勢(shì)與洞外一致,但變化幅度顯著小于洞外。這是洞穴調(diào)節(jié)氣溫、通風(fēng)效應(yīng)和游客等因素共同影響的結(jié)果。2)洞內(nèi)各點(diǎn)空氣的相對(duì)濕度顯著高于洞外,但季節(jié)變化幅度比洞外略小;洞內(nèi)SLPB和QCMY處相對(duì)濕度平均值略小于LZLY處,原因可能是LZLY受到來(lái)自池水面的蒸發(fā)對(duì)空氣水汽的貢獻(xiàn),而SLPB和QCMY兩個(gè)點(diǎn)靠近地下河,附近空氣的流動(dòng)性比LZLY強(qiáng);洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)SLPB和QCMY的相對(duì)濕度季節(jié)變化趨勢(shì)與空氣溫度相