洞穴滴水的水文地球化学过程:贵州犀牛洞的研究

为了揭示洞穴滴水的水文地球化学过程,对贵州镇宁犀牛洞3个滴水点的滴率、水化学组成等进行为期1年的动态监测,示踪结果显示出犀牛洞滴水对大气降水的响应较快(28天以上),滴水的物质组成直接源自于洞穴环境,即土壤和岩石,而大气降水携带的物质成分较少,滴水点均受到不同源来水的影响。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的岩石溶解-方解石沉淀过程所控制,表明犀牛洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。     

广东英德宝晶宫洞穴滴水元素季节变化与影响因素

为揭示洞穴滴水元素的季节变化特征及其影响因素,从2011年12月至2013年5月对广东英德宝晶宫洞穴内的3个滴水点滴水中的Ba、Sr、Ca、Mg元素进行为期一年半的监测,结果发现:13个滴水点滴水中的元素浓度基本上都表现出明显的季节变化特征,但不同的元素之间和不同的滴水点之间的季节变化趋势存在差异,表明不同的滴水点其不同的元素浓度变化的影响机制各有不同.2强降水对洞穴滴水的元素浓度具有稀释作用,Drip1和Drip2各元素浓度在有强降雨的5、6月都呈现低值.33个滴水点的Mg/Ca和Sr/Ca比值都具有较强的正相关关系,且都表现出旱季高,雨季低的特点.表明宝晶宫3个滴水点的Mg/Ca、Sr/Ca很可能受到降水量、岩溶水来源、上覆土壤的淋滤作用以及碳酸盐先期沉积作用等因素共同影响,并能较好地反映该地区的干湿变化.     

豫西鸡冠洞不同尺度滴水水化学分析及对区域极端干旱的响应

论文对自2009年10月到2015年12月豫西鸡冠洞两处滴水：鲤鱼戏水（LYXS）和天宫冰灯（TGBD）进行了连续定点监测及取样分析,并结合2015年8月4—6日对其进行的暴雨监测,从不同时间尺度上分析了滴水的滴速、pH值、HCO^-₃、电导率、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、元素比值等指标的变化特征及其与降水的关系。结果表明：1）年际尺度上,鸡冠洞滴水的水化学特征响应ENSO循环引起的多雨年与干旱年降水的变化,其主要受控于土壤CO₂的溶解、上覆物质的淋滤、先期沉积作用（PCP）的强弱;2）季节尺度上,滴水受岩溶水运移路径、淋滤作用、水-岩反应时间及先期沉积作用等因素综合影响表现出明显的季节变化特征;3）在单场降雨尺度上,滴水的水化学特征都不同程度表现出随滴率的变化而变化的趋势,主要受到岩溶水的运移路径、活塞效应、稀释作用等因素影响,而与水-岩反应时间关系不大;4）受到2013年区域极端干旱后“老水”的滞留与2014年新降水的稀释作用影响,其滴水水化学指标的极端值出现在降水量有所回升的2014年。     

重庆雪玉洞洞穴滴水水文地球化学时空变化特征及其环境意义

为揭示不同类型的洞穴滴水水文地球化学指标季节变化特征及其对外界气候变化的响应机制,从2015年3月至2017年3月对重庆丰都雪玉洞内的4处滴水点的地球化学指标进行两年的动态监测,结果表明,4个滴水点的水化学类型主要为HCO_3~--Ca~(2+)型,且常年处于沉积状态,但不同类型的滴水点在滴量及离子浓度方面差异明显;受制于基岩溶蚀作用、稀释作用、先期沉积作用(PCP)等地球化学进程,4个滴水点的Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-、EC、pH、pCO_2、SIc等地球化学指标具有显著的季节变化规律,可以很好地响应外部气候环境变化;不同类型滴水点的Mg/Ca比变化规律并不一致,这与每个滴水点的运移路径不同及PCP强度不同有关;4个滴水点的δ~(13)C_(DIC)受到土壤CO_2浓度及水动力条件的影响,与外界气温降水量均表现出一定的相关性,但在以管道流为主的滴水点中,δ~(13)C_(DIC)往往在短时间尺度上表现出雨量效应.     

桂林盘龙洞滴水的物理化学指标变化研究及其意义

影响洞穴次生化学沉积物-石笋的形成因素,包括降水、气温、水温和滴水的性质(如pH值、电导率、Ca2+、HCO3-浓度和滴率等)。通过对桂林盘龙洞8个滴水点的2个水文年的监测表明,洞穴滴水主要来源于大气降水(或土壤水),受控于水-土-岩的相互作用。洞穴滴水对大气降水的响应较快,具有季节性的变化特征。洞穴滴水的物理、化学特性受降水、洞顶基岩厚度及渗入水的滞留时间、滴率的快、慢的影响。洞穴滴水的温度变化不大,大约为19.4~21.2℃。年平均pH值为7.85。洞穴滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度与气温、水温和滴水速率表现为正相关关系。在夏半年,大气降水量大,土壤湿度大,土壤中PCO2分压高,溶解的CaCO3多,表层带下渗岩溶水的岩溶作用强,滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度增大,滴水中的碳酸盐沉积多;而在冬半年或冬季,其降水量小或少,滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度降低,指示溶解的CaCO3少,表层带下渗岩溶水的岩溶作用弱,水中Ca2+离子含量低,滴水沉积物的沉积量或生长量减少。从大气降水到土壤水再到洞穴滴水这些过程可以看出,洞穴滴水形成的岩溶次生化学碳酸盐沉积物-石笋,可记录岩溶环境变化的信息,已成为研究岩溶地区过去环境变化记录的重要载体。     

白云岩洞穴系统中水-气CO_2分压对洞穴水水文化学过程的影响:以贵州双河洞为例

为揭示白云岩岩层中所发育洞穴系统中的中的洞穴水与空气中CO_2分压对洞穴水水文化学过程的影响及其动态变化特征和控制因素。从2015年4月至9月对绥阳双河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)双河洞洞穴水的水化学类型主要为HCO_3~--SO_~(2-)-Ca~(2+)-Mg~(2+)和SO_4~(2-)-HCO_3~--Ca~(2+)-Mg~(2+)型水,在受到上覆石膏岩层的影响时,SO_4~(2-)成为优势离子且可以极大提高溶液中Ca~(2+)离子含量;(2)洞穴滴水的水-气间CO_2分压差值(△PCO_2)与SI之间存在良好的负相关关系的同时,2种重要的矿物饱和指数SI_c,SI_d之间存在着良好的正相关关系;(3)实测数据分析证明"表观饱和指数"现象的客观存在;(4)洞穴水中的液相CO_2(PCO_2_(water))与溶液的pH值呈现出显著的负相关关系,且在未开发的天然封闭洞腔中洞穴空气CO_2分压对洞穴水水文地球化学过程影响较小。     

贵州纳朵洞洞穴水水文地球化学变化特征及其环境意义

对贵州关岭纳朵洞2012年12月至2014年12月期间,三处滴水(S1、S2、S3)和一处池水(SC)的地球化学指标进行动态监测.结合当地气象资料,分析了观测期间纳朵洞洞穴水水文地球化学季节变化及其对外界气候变化的响应.结果表明,纳朵洞洞穴水的水化学类型主要为HCO_3~--Ca~(2+)型,除每年降水量最大的月份外,滴水和池水长期处于沉积状态;纳朵洞3个滴水点的离子浓度由于岩溶水在洞顶的运移路径和时间不同存在一定差异,池水因受到洞穴混合水和洞穴空气较高CO2浓度的影响,其离子浓度高于滴水且变化幅度偏大;纳朵洞洞穴水地球化学指标具有显著的季节变化规律,可以很好地响应外部气候环境变化;离子浓度对极端气候事件引起的年际间降水变化的响应比较敏感:2013年雨季的Ca~(~(2+))、Mg~(2+)、SO_4~(2-)浓度高且平稳,而2014年雨季其浓度偏低且波动大,不同观测点的响应程度和时间并不一致.     

喀斯特洞穴滴水Ca、Mg离子特征与降雨、温度相关研究——以贵州安顺石将军洞为例

为了分析洞穴滴水Ca2+、Mg2+和降雨、气温内在联系、进一步帮助解译周围地区地表环境,我们从2011年6月至2012年5月对贵州石将军洞滴水Ca2+、Mg2+等地球化学特征和周围气候进行了为期一年的监测,发现7个滴水点Ca2+、Mg2+年际变化趋势具有明显一致性,分为波动区、高值区及低值区,滴水点Mg/Ca比值与月降雨量没有明显一致性变化,但波动区,高值区及低值区均值与月降雨量具有很好的相关性,能够反应外界降雨量变化。并且研究发现,在低值区由于温度和土壤CO2的影响,造成滴水Ca2+、Mg2+在1月份突变性降低,成为年际变化的波谷期。     

岩溶关键带微量元素运移的时空变化:以豫西鸡冠洞为例

为探索岩溶关键带元素运移时空变化特征及过程,自2009年10月至2015年5月对我国北方典型岩溶关键带——河南西部鸡冠洞相互作用带中各组分(大气降水、土壤、基岩、洞穴滴水、洞穴现代沉积物)进行了连续定点监测及取样分析,共获得650个实验数据.对比了Ca、Mg、Ba、Sr、δ~(13)C及元素比值在不同组分中的变化情况及运移规律.结果表明:(1)土壤与基岩是滴水的主要物质来源,Mg、Ba、Sr符合"土壤-基岩"二元物源模型,但各自所占比例并不相同.(2)在空间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移相互联系.滴水继承了土壤及基岩的信号,现代沉积物又能延续滴水各元素的信息.元素在土壤纵剖面中表现出了明显的淋溶和淀积作用,最下层土壤较好地继承了基岩中微量元素的信息.(3)在时间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移复杂多变.土壤及滴水受降水淋滤作用影响皆表现明显的季节差异,然在岩溶水运移路径、PCP作用、极端干旱和年降水雨型的影响下,滴水元素浓度旱、雨季差异明显较土壤小.而PCP作用及元素选择性淋滤等因素又改变了沉积物中元素对滴水元素的延续特性.     

河南鸡冠洞洞穴水对极端气候的响应及其控制因素研究

为揭示洞穴水地球化学动态的变化特征及其控制因素,从2009年10月至2013年12月对黄土高原东南缘河南西部栾川县鸡冠洞洞穴水的水化学指标进行了4个完整水文年的动态监测.结果表明:1鸡冠洞洞穴水的化学类型主要是HCO-3-Ca2+-Mg2+和HCO-3-Mg2+-Ca2+型,阴离子中HCO-3占80%以上,阳离子中Ca2+、Mg2+是优势离子,地下河常年处于溶蚀状态,池水、滴水处于沉积状态.2鸡冠洞洞穴滴水、池水可以很好地响应外部气候环境的变化,其地球化学指标具有显著的季节效应.3Ca2+、Mg2+、SO2-4能够敏感地响应极端气候事件引起的年际降水量变化,Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度洪涝年升高,干旱年降低.HCO-3主要受CO2浓度控制,对极端气候事件响应不明显.4鸡冠洞地下河中Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4浓度波动幅度较小,且无明显的季节变化规律.对2010年和2013年的极端降水事件响应不明显.     

溶洞顶板受荷变形监测过程研究

以青溪大桥桥基岩溶洞穴围岩工程地质条件定性-半定量-定量分析为基础,在岩土自重和桩基的外附荷载作用下,对桥墩所在位置的溶洞顶板稳定性进行综合评价。利用自行研制的钻孔多点位移计对施工荷载施加过程中溶洞及项板岩体的变形进行现场监测,该仪器综合了传统多点位移计和收敛计对深部岩体和岩层表面分别进行监测的优势,利用同一组数据对施工影响下溶洞洞体和顶板的变形规律进行分析。结果表明,在重大施工荷载作用下保证8.0 m溶洞顶板厚度是安全稳定的,大大节约了溶洞处理费用,并为类似的岩溶洞穴稳定性施工提供了有力的技术支持。     

现代环境监测研究中的一种新示踪指示剂(SO_4)

拥有一种理想的示踪剂是研究地球化学过程必不可少的手段,尤其是在现代环境监测研究中,如洞穴滴水对大气降水的响应时间以及地表环境的监测。而在目前的研究中,通常使用的示踪剂(天然的和人造的)有其优点的同时,都不可避免地存在许多不足,因此需要根据具体情况选择最佳示踪剂。本文通过分析荔波5个不同地上植被生物量大小的样地土壤水硫酸根离子(SO4)浓度,以及贵州4个洞穴系统中土壤水和滴水等的SO4,分别从理论和试验检验两方面对其作为一种可能的新示踪指示剂进行论述。结果首次表明,其具有其他示踪剂不具备的一些优点,在一定条件下完全可作为一种示踪剂示踪指示某一区域地表植被生物量的大小以及滴水对大气降水的响应时间。最后通过实测数据(5个样地的地上生物量和土壤水SO4离子浓度,以及滴水的SO4离子浓度和NaCl示踪所得的滴水对大气降水响应时间)的Freundlich拟合,分别得到了研究区的经验公式:[SO4]=3.34ln(b)+5.20和[SO4]=-9.17ln(t)+31.61。     

喀斯特地区浅层地下水对植被退化的水文地球化学响应——以贵州荔波拉桥小流域为例

喀斯特地区植被退化的水文地球化学响应是喀斯特研究的重要内容之一,具有重要的科学和现实意义。选择贵州荔波拉桥小流域中四个不同植被类型的样地作为对象,按月采集浅层地下水(土壤水和表层泉水),对其进行水文地球化学各参数的分析。结果表明,土壤水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、EC和pH值,表层泉水中Cl-、NO3-和SO24-等对植被退化响应敏感;而土壤水中NO3-和SO24-,表层泉水中Mg2+、NH4+、HCO3-和EC,以及土壤水和表层泉水中δ13 CDIC值则可能还受到其他过程的影响,需谨慎使用。由此可见,对于土壤层,阳离子和与土壤CO2气体浓度有关的HCO3-可能有较好的响应,而对于表层泉水,HCO3-以外的阴离子可能更敏感。     

岩石风化对三峡库区农业小流域水化学特征的影响

通过对三峡库区典型农业小流域-重庆涪陵王家沟小流域为期一年的水质系统监测,明确了流域主要离子组成,分析了小流域的水化学特征和主要离子来源.结果表明,该流域水化学类型为Cl-—Ca2+型;大多数离子的含量随采样点、季节、水体类型的不同而有显著性差异;Gibbs图、阴阳离子三角图分析结果表明,该流域水体离子组成受岩石风化的影响比较显著,且阴离子可能主要来自于岩盐溶解和碳酸盐的风化,而岩盐溶解也是控制流域阳离子的主要机制,硅酸盐矿物的风化侵蚀作用也存在一定影响;主成分分析得出对该流域水体离子组成影响最大的可能是碳酸盐(其中H2CO3风化碳酸盐岩过程比H2SO4风化作用更为显著),其次是岩盐、硅酸盐,农业活动和居民生活也有一定影响.     

大王洞地下河水化学分析及污染状况初探

本文主要通过对安徽大王洞各采样点水质的分析,揭示大王洞地下水化学组成,进而揭示地下河水的物质来源及污染状况。结果表明,地下河水中Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来自碳酸盐岩的溶解,土壤和岩石的元素通过岩溶地球化学过程向水中迁移致使水中存在大量元素,Ca2+在阳离子中占主导地位,HCO3-在阴离子中占主导地位,K+、Na+、NO3-、SO42-、Cl-浓度较高,明显受到人为污染影响,Ca2+与HCO3-,EC与TDS、Ca2+、HCO3-,Na+与SO42-、Cl-表现出了较强的相关性。整个地下河水主要由洞外水、支流水、滴水汇聚而成,洞外水、支流水、滴水对地下河水的贡献量约为62%、23%、15%。     

短时间高强度旅游活动下洞穴空气环境变化特征及其影响因素分析——以绥阳大风洞为例

文章通过对大风洞2017年、2018年十一"黄金周"洞内外温度、CO_2浓度、相对湿度、游客量等为期7天的连续监测,并运用系统分析方法对各个监测指标进行综合分析。结果表明:(1)监测期间,受洞穴通风效应和游客量等的影响,大风洞空气环境要素(温度、湿度、CO_2浓度)呈现明显昼夜变化,表现为白昼夜晚;(2)洞道结构对洞穴空气环境空间变化具有重要影响,表现为神泉玉露洞道结构较夜明珠更为复杂,在2017年、2018年的温度、湿度、CO_2浓度等均要比夜明珠的高;(3)洞外空气环境变化对洞穴通风效应具有重要的影响,表现为降雨导致洞外温度、湿度降低,虚拟温差发生改变,促使气流方向由限制性通风模式向积极性通风模式转变;(4)受气候及游客因素影响,2017年洞内温度、CO_2浓度的昼夜变化特征较2018年更明显,且当游客产生的CO_2浓度大于洞穴空气环境的自净能力时,CO_2会出现累积效应,进而影响洞穴旅游景观及洞穴环境的舒适性,建议景区在进行旅游活动时要充分考虑短时间尺度游客人数高峰期对CO_2的影响及岩溶景观的合理保护。     

青海湖流域水化学主离子特征及控制因素初探

系统收集了青海湖流域湖水、河水、地下水、雨水,分析了各端元水体主量离子组成。结果表明:青海湖流域水样化学组成均落在Gibbs提出的Boomerang Envelope模型中上翼,暗示研究区水样化学组成受到岩石风化以及蒸发/结晶作用影响。雨水总溶解固体含量(TDS)高于世界雨水平均值,其阳离子和阴离子分别以Ca2+和HCO3-为主;落于Gibbs模型左端,即有很低的Na+/(Na++Ca2+)、Cl-/(Cl-+HCO3-)比值,暗示大气中CaCO3颗粒的溶解可能是影响研究区雨水化学组成的重要因素。河水丰水期TDS明显高于枯水期TDS。枯水期河水的阳离子分布在(Na++K+)-Ca2+线上靠近Ca2+端元,阴离子分布在HCO3--Cl-线上靠近HCO3-一端。与枯水期相比,丰水期河水的阳离子和阴离子分别向Ca2+端元和HCO3-端元靠拢。河水的(Ca2++Mg2+)/TZ+,(Ca2++Mg2+)/(Na++K+),HCO3-/Na+以及Cl-/Na+对比分析表明,青海湖流域枯水期风化作用弱于丰水期,河水化学组成主要受碳酸盐岩溶解控制。