雪玉洞洞穴系统碳的变化特征及洞内CO_2来源研究

【摘要】岩溶动力系统的运行伴随着碳的迁移变化,土壤CO2是岩溶作用的驱动力,是岩溶作用中碳的重要来源。洞穴作为岩溶环境的重要组成部分,是研究碳的迁移变化的重要场所。洞内空气CO2是洞穴环境的重要指标,可以反映岩溶动力系统的运行状态。洞内CO2主要来源于上覆土壤CO2：一方面土壤CO2通过岩层裂隙扩散到洞穴中,另一方面土壤CO2通过岩溶水的携带进入到洞穴中。洞穴滴水和地下河水是土壤CO2进入到洞穴中的重要载体,水体在洞内的脱气作用是控制洞内CO2的关键因素,滴水和地下河水也是碳在洞穴系统中迁移的重要途径。以往研究表明,雪玉洞空气CO2浓度较高,并且在11月出现快速变化,但是没有捕捉到洞内空气CO2的上升过程,对其来源也缺乏有力的证据。本研究在以往研究的基础上,对碳从土壤CO2向洞内迁移的关键环节进行了监测,对土壤CO2浓度、土壤水、表层岩溶泉、滴水、地下河水、洞内空气CO2浓度等碳的变化进行了研究,揭示了碳在各环节中的变化特征。对2013年11月洞内CO2浓度的快速变化进行了连续监测,捕捉到了洞内空气CO2的快速上升过程；同时对地下河的水化学进行了对比监测,以研究在洞内空气CO2上升过程中地下河是否能够提供足量的CO2。另外,对洞穴系统中碳的同位素进行了研究,利用碳同位素示踪技术为洞内空气CO2的来源提供有力证据。研究发现：(1)雪玉洞土壤—洞穴系统碳的变化表现出明显的季节性,土壤CO2、洞穴空气CO2和地下河CO2分压表现出明显的一致性,表明在季节尺度上洞穴空气CO2的变化可能受到地下河所携带的土壤CO2的控制。对士壤水、表层岩溶泉水和滴水DIC的研究发现,DIC浓度呈现先升高后降低的过程,表明岩溶侵蚀作用先增强后变弱,岩溶侵蚀作用的强弱对碳的迁移起着重要的作用。洞穴系统中碳同位素的变化表明,士壤水中溶解了较多的土壤CO2,而随着岩溶作用的进行,消耗了水中溶解的土壤CO2,使岩溶水包含的土壤CO2的碳同位素信息减少.(2)通过对2013年10月30日到11月17日的连续监测研究,雪玉洞空气CO2在11月2日到9日出现大幅度上升(4个监测点平均值从3965ppm上升到9792ppm),地下河pH出现显著降低,CO2分压也大幅度上升,并且地下河上游的CO2分压明显大于下游CO2分压,且分压差在9日达到最大值,表明洞内CO2主要来源于地下河的脱气。通过对11月2日到9日地下河C02脱气量和洞穴空气CO2增量的计算,地下河脱气量(149.98m3)大于洞内空气CO2增量(105.11m3),表明地下河脱气可以为洞穴空气CO2浓度增加提供足量的CO2。碳同位素的监测表明,地下河脱气进入到洞穴空气中的CO2主要来自溶解的土壤C02,地下河δ13CDIC在洞内空气CO2上升期间沿流程不断偏重,表明地下河的显著脱气确实存在,是洞内空气CO2上升的直接控制因素。(3)地下河方解石饱和指数的变化研究发现,在洞穴空气CO2快速变化期间,洞内空气CO2浓度最高时方解石饱和指数出现最低值,同时从季节变化尺度上来看也是洞内CO2浓度较高时地下河的方解石饱和指数较低,即在较高的洞内空气CO2浓度下地下河的沉积趋势较弱。通过对滴水沉积量的实际观测也发现沉积量最大值出现在洞内空气CO2浓度较低的冬季,表明雪玉洞空气中高浓度的CO2不一定就带来较高的沉积速率,洞内的沉积速率是否较高和沉积速率的影响因素需再做研究。
【作者】王晓晓；
【导师】袁道先；
【作者基本信息】西南大学，第四纪地质学，2014，硕士
【关键词】碳的变化；洞穴CO2；碳稳定同位素；重庆雪玉洞；

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