山东半岛九天洞洞穴滴水微量元素季节变化及其气候环境意义研究

【摘要】岩溶洞穴次生碳酸盐沉积是记录地质历史时期陆地气候环境变化的重要档案，其中尤以石笋最为古气候环境研究者所重视。随着石笋重建古气候研究越来越深入，替代指标越来越丰富，科学家也开始认识到其环境指示意义可能还存在不确定性或多解性，需要用现代技术进行校正。洞穴水在进行物质传输的过程中可以携带大量的气候环境信息，对其进行长期的连续观测有助于我们了解洞穴水中各种环境替代指标的变化特征，并且对古气候环境的重建具有十分重要的意义。本文选择山东半岛淄博市沂源县九天洞作为研究对象，从水文学和水化学两个方面分析了九天洞洞穴滴水中各指标的变化特征及影响因素。自2012年01月起对九天洞洞穴滴水、洞穴环境指标进行了一年的连续监测，监测的指标主要包括洞穴温度、湿度、CO2浓度、滴水滴速、洞穴水电导率与PH值以及微量元素离子浓度（Ca2+、Ba2+、Mg2+、Sr2+等）及元素比值（Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca）等。此外，还对研究期间当地的气温、降水数据进行收集。本文通过对这些指标的分析，来探讨洞穴滴水微量元素的季节变化及其与气候环境的关系。结果显示，洞穴环境指标和洞穴滴水微量元素都存在显著的季节变化，而这种季节变化主要是受当地气候环境变化，特别是气温和降水变化的影响。虽然九天洞内各滴水点对外界气候环境变化都存在一定的响应关系，但不同滴水点微量元素含量及对大气降雨响应的滞后时间并不完全相同，这可能是由岩溶水在洞穴上覆土壤以及顶板基岩裂隙中运移路径不同造成的，而洞顶岩石厚度和滴水运移时间也会影响其对外界环境变化的响应。主要研究成果如下：（1）通过对九天洞洞穴环境指标观测数据的分析表明，洞内温湿度的季节性变化不大，CO2浓度的季节变化却十分明显，且均与外界气候环境变化存在一定的响应关系。此外，洞穴环境指标还存在着一定的空间差异，主要表现为随洞穴深度的增加而逐渐升高，这可能是因为距离洞口越远受到外界环境变化的影响就越小。洞外温湿度和CO2浓度的变化主要受当地气候环境变化的影响。（2）本文选取的3个滴水点都属于常年性滴水，在降雨初期存在明显的“活塞效应”。3个滴水点的滴速对当地大气降雨均存在一定的滞后现象，且滞后时间为2-3个月。这种滞后现象主要受洞顶岩层的厚度、顶板基质特性以及渗流水通过的流水管道大小、水流路径长短等因素影响。（3）在研究期间，洞穴水pH值与电导率都存在明显的季节变化。pH值主要表现为夏季低、冬季高，而电导率却与之相反。研究发现，它们的季节变化都与外界气候环境变化存在一定的响应关系。此外，池水的pH值和电导率都与滴水存在差异，主要表现为池水小于滴水，这可能是由于洞内的池水经过长期积累发生了沉积作用。（4）通过对九天洞内3个滴水点微量元素含量及其比值变化的分析表明，各滴水点微量元素离子含量及比值的变化范围和均值都存在一定差异。离子含量的变化主要受上覆土壤与基岩的厚度、岩溶水在顶板基岩裂隙中的运移路径以及水-土-岩相互作用时间等因素影响。而元素比值的变化除受上述因素影响外，还受滴水中微量元素离子浓度变化的影响。（5）九天洞内3个滴水点微量元素离子浓度均表现出旱季低、雨季高的季节变化特征，并且在降雨初期出现明显的上升趋势。结合当地的气温、降水等气候环境资料分析，认为滴水中微量元素离子浓度的季节性变化是受水文地质条件和当地气候环境变化的共同影响。（6）研究发现，滴水中Mg/Ca比值与Sr/Ca、Ba/Ca比值的变化趋势并不一致。滴水中Mg/Ca比值主要受当地降水影响表现出一定的季节性变化。而滴水中Sr/Ca、Ba/Ca比值除了受降水的影响外，还受到其他地质水文因素的干扰，季节变化不明显。因此，可以看出滴水中Mg/Ca比值对外界降水有较好的指示作用，而Sr/Ca、Ba/Ca比值对降水指示作用并不明显，可能主要指示微生物活动的强烈程度。
【作者】马倩倩；
【导师】王庆；
【作者基本信息】鲁东大学，自然地理学，2014，硕士
【关键词】洞穴滴水；微量元素；季节变化；影响因素；九天洞；

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