重庆芙蓉洞上覆泉水—滴水的氢氧稳定同位素变化研究

李 玄，王建力，2，李俊云，李九彬，冯慧文，刘 伟

(1.西南大学 地理科学学院，重庆 北碚400715;2.山峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 北碚400715)

滴水中稳定同位素分析的一个重要应用是对以其为母液生长起来的石笋中古气候记录的解释。利用石笋中的稳定同位素可以代表古温度［1］，也可以表示古代降水量［2］。在中国2001年发表的南京葫芦洞末次冰期石笋氧同位素重复序列，作者认为其石笋氧同位素主要受控于冬季和夏季雨量比率的变化［3］。程海等指出在大尺度上，亚洲季风的变化是影响中国南方石笋氧同位素在百年到千年尺度上变化的主导因素［4］，后又指出石笋氧同位素轻重变化反映东亚季风的强弱变化［5］。这一结果得到了证实，研究者还明确指出了水汽的不同来源和路径［6］。但目前随着对洞穴系统现代过程监测工作的开展，也出现一些新的问题，对洞穴沉积物的δ18O值与年均温的对应关系得出了不同的结论，并且指出水动力条件和洞穴上覆介质等一系列重要影响条件［7，8］。这些都说明洞穴系统中氧同位素等气候替代指标解译的复杂性，需要进一步的工作。

本文在芙蓉洞洞穴系统先前研究工作的基础上，如对洞穴滴水微量元素的分析等［9］，通过对洞穴系统的监测和采样分析，试利用洞穴上覆和洞穴内部不同水体的氢氧稳定同位素的月季变化特征，剖析洞穴内外氧同位素的演化和信息的传递，探讨其影响因素和意义。

1 研究区概况

芙蓉洞(29°13'N，107°54'E)位于重庆市武隆县，距芙蓉江与乌江汇合口约4 km。所在地区发育于川黔边界大娄山褶皱带芙蓉江大背斜近其轴部的寒武统平井组(∈2p)白云质灰岩和白云岩中，区域地层主要为中、上寒武统平井组、后坝组、毛田组，属于大娄山与武陵山褶皱地带的典型的岩溶峡谷地区。其洞穴系统是峡谷岸边含水层完全开放的条件下发育的洞穴地貌类型。该区属于中亚热带季风性湿润气候，四季分明，在监测的2010-2012年间，年均降水量917.4 mm，年均气温 17.6℃.5-10 月降水量约 639.4 mm，11-4月降水量约278 mm，并未表现出明显的季节性，且两年间10—11月降水量变化大。在洞穴内部年均温16.7℃，年平均湿度94%，季节变化平稳。

2 研究方法

2.1 样品采集

本研究小组自2010年5月开始于每月中旬进行1次野外水样采集(在雨季5—11月每月加密一次)。在芙蓉洞上覆山体汇水区选择3个泉水点进行观测(SW1、SW2、SW3)，见图1。其中SW1水量稳定，夏季水量达到最大值，是当地村民饮用水源;SW2为地表渗透泉水;SW3为裂隙泉水，季节响应明显，雨季水量充足，旱季干涸。

图1 重庆芙蓉洞地区地形概况及上覆泉水研究点分布图(根据芙蓉洞等高线地形图绘制而成)

洞穴滴水包括芙蓉洞内滴(MP1、MP2、MP3、MP6、MP7、MP8、MP9)和池水点(2#、4#)，见图 2。其中 MP1、MP2 为洞穴大厅内的滴水点，距洞顶高度＞5 m，MP3、MP6为洞穴深处滴水点，滴水点高度＜30 cm，MP7、MP8、MP9为洞穴深处滴水点，距洞顶高度 ＞5 m。分别在野外对其电导、pH、HCO3、水温及大气温湿度和CO2浓度进行测试，选取MP3、MP6、MP8这三个点进行滴率和滴量的分析(这三个滴水点滴水点稳定只有一个便于监测，其余均为裂隙水滴，水滴不稳定检测误差大)。选取的两个池水点2#与4#常年水位平稳。2#点面积约0.25 m2，4#点面积较大且内部沿池壁生长有大量方解石结晶。

图2 芙蓉洞洞穴平面及洞内研究点分图(修改自朱学稳，1994)

采样时取10 ml的水样的装入清洁的聚乙烯瓶中密封，用来测试和计算水体的δ18O、数值。

2.2 水样测试

所有水样的δ18O、δD均在中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室完成δ18O分析使用美国Picarro公司生产L2130-i超高精度液态水和水汽同位素分析仪测试。所有分析结果用相对于维也纳标准平均海洋水(V-SMOW)的千分差表示:

式中:RS和RV-SMOW分别为水样中和V-SMOW中的氧(或氢)稳定同位素比率 R(18O/16或 D/H)。其中 δ18O精度达 0.011‰，精度达 0.038‰。

3 结果与讨论

3.1 各类水体稳定同位素特征

3.1.1 岩溶泉水

3个泉水点均发育于土—岩界面或岩石裂隙中，其中SW1泉水是其中流量最大的点，周边未见沉积现象，SW2和SW3点水量较小，周边岩石受泉水侵蚀严重，风化作用强烈。根据两年的监测发现它们与降水的响应很快。2010年10月一次场降雨与 SW1点的 δ18O值分别 -11.033‰和 -11.640‰，表明这个点在从大气降水到泉水过程中，氧同位信号并没有失真。而同一时期SW2和SW3点的δ18O值分别为-8.901‰和-12.401‰。表明不同泉水点对雨水的响应并不同步，流量越大响应时间越短，同时这个观点也需要进一步的监测研究来证实。

近两年来泉水δ18O平均值为-7.83‰比洞穴滴水的平均值偏负0.491‰，与滴水相比并未出现同位素富集现象。标准偏差平均值为1.351，大于洞穴滴水的平均值1.251。在季节变化上表现为旱季比雨季偏负的特点，在3.4部分将具体讨论其原因。

3.1.2 洞穴滴水和池水

芙蓉洞监测的7个滴水点在近两年中其δ18O、数值变化不大，数值范围在 δ18O-7.7‰～ -6.8‰、-47.7‰～ -40.7‰之间，标准偏差为 0.2。其中 δ18O雨季均值为 -7.378‰，旱季均值为-7.356‰。其变化并未像岩溶泉水那样表现出大的季节波动。在洞穴内部表现为靠近洞穴深处同位素偏轻的特点，偏轻约0.26‰。主要由于越往洞穴深处水汽层结越稳定，蒸发作用不明显。另外本文也对不同高度的滴水稳定同位素进行了分类统计。但发现影响不大，可以在研究中忽略这一因素。

洞穴池水由各个洞穴滴水汇集而成，稳定同位素值的年变化更为稳定。2#与4#点 δ18O平均值分别为 -7.353‰、-7.556‰，4#点略微偏负。其标准偏差也较各个滴水点稳定。其稳定同位素曲线形态也较为平滑(图6)。主要由于其是多个滴水点的汇集，各种新老水体混合和缓冲作用明显。

3.2 洞穴滴水、池水和泉水氢氧同位素组成与LMWL

由于水在蒸发和凝结过程中的同位素分馏，使得大气降水中氢氧同位素组成出现了现行相关的变化。这一规律由Craig(1961)在研究北美大陆的大气降水时发现的［11］，该公式表示:δD=8δ18O+10，这就是至今仍广泛应用的全球大气降水线方程(GMWL)。除GMWL外，不同地区都有反应自己降水规律的局地降水线(LMWL)。由于研究地降水样品的缺失，未能建立当地的LMWL，但在研究区域附近分别有李廷勇副研究员于2006—2008年在重庆市北碚区建立的重庆大气降水线方程(δD=8.73δ18O+15.73 r=0.97)［12］，以及基于GNⅠP数据得到的长沙地区的大气降水线方程(δD=8.47δ18O+15.46 r=0.97)。它们三者位置相近，并且属于同一气候带。

3.2.1 岩溶泉水、洞穴滴水和池水氢氧同位素关系

三种水体氢氧同位素关系如图3所示。三种水并不能直接落在LMWL(北碚)上，而更接近于LMWL(长沙)(图3)，且相比二者值略微偏轻且洞穴滴水向于右上方偏重。并没有表现出甘肃万象洞滴水氢氧同位素完全落在当地大气雨水线上与贵州凉风洞滴水氢氧同位素基本落在当地大气雨水线上但向右下方偏轻的特点［8，13］。

这表明，一方面，大气降水可能是芙蓉洞岩溶泉水和滴水的重要来源，另一方面芙蓉洞这三种水受蒸发引起的同位素分馏的影响略小于二者。分析其原因，首先在选择LMWL上，LMWL(北碚)的作者在分析其大气降水方程时指出其所取样品为次降水数据，而基于此的雨水稳定同位素容易受到蒸发、温度的影响，从而导致其局地大气降水线的斜率和截距偏大［12］。另外洞穴水体处于一种稳定的状态，并且由于当地紧邻水库，一年四季空气湿度大，另外洞穴内空气湿度也偏大，使得同位素略微偏轻。

图3 FRD滴水、池水和岩溶泉水氢氧同位素组成与LMWL(长沙、北碚)关系

图3还显示洞穴水体氢氧同位素与上覆岩溶泉水的氢氧同位素相关性图重叠，但分布集中在(δ18O-7.8‰～-6.8‰、δD-48‰～ -40‰)范围内，二者变幅差异明显。说明芙蓉洞滴水同位素组成反应了洞穴上部水源的同位素组成，而之所以分布范围狭窄，分析其原因主要是由于芙蓉洞上覆深厚的基岩、广阔的汇水面以及复杂的管道和喀斯特蓄水层使得影响洞穴滴水同位素值的库效应明显，洞外的同位素信息被混合平滑的进入到洞穴沉积体系当中。虽然能够表明其来源的一致性，但是却无法说明其季节性。

3.2.2 洞穴滴水和池水氢氧同位素关系

洞内水体氢氧同位素关系(图4)，同样也表现出靠近LMWL(长沙)的特点，但分布比较均匀。总体来看洞内各点δ18O的偏差最大可达1‰。相比前人研究的贵州凉风洞、七星洞、将军洞和犀牛洞的偏差值均要大［8，14］。可能与芙蓉洞洞穴规模大，上覆介质厚度大，滴水管道复杂，从而对大气雨水的响应慢且在洞穴内部出现一定的差异性有关。

在空间分布分布上表现出由洞穴深处到大厅值由轻变重。其中左下方分布的点即MP7、MP9、4#和MP6点即为洞穴深处的采样点，因为越往洞穴深处湿度越高，滴水蒸发作用不明显，同位素偏轻。另外MP9、MP7这两个高滴水点其同位素值更要偏轻一些，与它们滴率滴量较大从而对蒸发的削弱作用更强有关。然而洞穴大厅的点相比而言并未出现一致的同位素富集，例如洞穴大厅的MP1和MP2点其δ18O有约0.4‰的偏差，可能与其不同的管道来水有关。

另外对各点同位素的离散度进行分析，1#、MP3和MP9点离散度更大一些。1#和MP3的偏离更集中在纵轴上而MP9点则是在横轴上的偏离。在空间分布上也表现出偏轻的趋势。其中MP9点位偏离度最大的点而其也是洞穴监测最深处的一个点，表明洞穴深处氢氧同位素关系更为复杂的 特点。

表1 芙蓉洞上覆岩溶泉水、洞内滴水和池水同位素组成

3.3 洞穴滴水δ18O与 大气温度和降水的关系

对石笋中δ18O的分析主要是为了反映当时这一区域的气候信息。本次研究结合芙蓉洞滴水点的月平均值和芙蓉洞所在地区月均温和月降水量信息。

图4 FRD滴水和池水氢氧同位素组成与LMWL(长沙、北碚)关系

对芙蓉洞滴水所传递的气候信息进行进一步的分析。

分析芙蓉洞滴水与当地月均温和月降水量关系得知。其并没有出中国南方地区降水中的δ18O与气温降水的负相关关系。并且相关系数也比较低(图5、图6)。表明它并不能与当地大气温度与降水量在月季尺度上建立相关关系。在研究过程中我们改变了其时间尺度，集中在雨季和旱季这一半年尺度进行分析。在建立的相关性系数方面在雨季滴水δ18O与月降水量关系出现略微的负相关，相关系数r=-0.28，而在旱季负相关性比其要大一些，相关系数 r=-0.314。在雨季滴水δ18O与月均温相关关系仍为正相关，相关系数r=0.14，而在旱季与温度的正相关关系则非常不明显，相关系数也上升到0.314。

虽然芙蓉洞滴水的δ18O平均值与当地均温与月降水量不能建立很好的相关关系，但是在旱季和雨季这两个温度和降雨量差异比较大的时间段内，滴水的δ18O平均值与温度与降水量的相关性系数增大，尤其在旱季更为明显，达到了0.3左右，是原来的二倍左右。另外滴水与降水量的负相关性也得到体现。讨论其原因，一方面芙蓉洞上覆的库效应使得滴水所传递的外界气候信息被混合，另一方面滴水从雨水来源进入到洞穴内还经历了一个延迟的过程，使得一年的气候信息在进入洞穴后被打乱，而在雨季旱季的相关系数提高，表明大的季节反差仍然能被记录在滴水信号里，并且初步判断洞穴内外气候信号滞后的时间在6个月以内。在2012年雨季我们在芙蓉洞洞顶进行荧光示踪剂实验，但在接下来一个多月的连续监测中并未捕捉到示踪信息。关于芙蓉洞外水体进入洞穴的延迟时间仍需进一步科学的证实。

图5 芙蓉洞滴水中δ18O与取样地月均温T相关关系

图6 芙蓉洞滴水中δ18O与取样地月降水量P相关关系

3.4 过量氘与氢氧同位素变化

在雨水与冰川研究当中，各位专家学者采用了过量氘这个指标分别用来水汽来源的示踪、探讨水汽蒸发情况和解析冰川中的气候信息。在平衡条件下，δD和δ18O的线性关系为 δD=8δ18O，其中 δD=8δ18O =0 代表了平均海水的稳定同位素浓度。但蒸发过程中的动力分馏，及D和18O的不同分馏速率使得它们除了线性变化外还产生一个差值，Craig把δD和8δ18O之间的关系定义为大气雨水(Meteoric Water Line，MWL)，Dansgaard把这一关系的差值定义为过［16］d= δD-8δ18O，其大小主要取决于水汽源地的相对湿度，并与之成负相关关系。本文将尝试利用这一指标结合氢氧同位素丰富重庆芙蓉洞各类水体的分析。

芙蓉洞上覆岩溶泉水、洞内滴水和池水氢氧同位素及过量氘曲线在年际范围内地表岩溶泉水较洞穴内水体表现出更大的变幅(图7)。氧同位素方面表现出2010年春季同位素偏重，2011年秋季同位素偏轻的特点。而在2010年11月到2011年9月间便没有出现大的变化。氢同位素表现出与其同步的特点。在d的曲线形态上最为明显的就是2011年11月一次偏轻的过程。然而在氧和氘同位素曲线上并未捕捉到这一变化。

针对δ18O曲线和d曲线两年间秋季的错位偏轻趋势，通过监测研究发现，在2010年10月的气象记录中出现连续一周的高温。在野外期间洞外监测数据温度最高达到31℃，所有监测点的均温较2011年10月个观测点均温高约7℃。另外洞穴均温也比相邻两月均温高0.3℃。气温较高使得一部分水汽开始蒸发，由于氢氧同位素不同的分馏速率使得δD较δ18O的数值减小从而使得d降低。而在2011年则表现出降水效应，2011年10月降雨量较上一年增加了84 mm形成一年中降雨的第二个峰值。并且该月上覆泉水的氢氧同位素数值出现一个大的偏负过程。分析其中的原因，一方面随着太阳直射点的南移，热带海洋上的水汽团也随之南移，季风环流将经历更长的距离才能到达，在这个运移过程中水汽团的重同位素损失较以往增大。另外一方面在这个季节，反气旋活动逐步南移。反气旋条件下的降水属等压冷却过程，在其控制下的降水δ18O小于气旋条件下降水的δ18O。这个结论已经被证实［17］。

重庆地区盛行秋冬雨，而我们所处的研究区由于面临水库，紧邻芙蓉江乌江交汇处，加之当地特殊的山地地形。在秋冬时节也多大雾天气，空气中水汽充足。而且随着冬季风的加强，该地在秋冬季如果长期处于反气旋天气的控制则会使当地秋季降水δ18O偏负效应突出，从而对其年均值的变化产生影响。

4 结语

综上研究可知，经过两年的芙蓉洞上覆泉水、池水和滴水同位素监测，岩溶泉水随着季节变化出现旱季δ18O偏重雨季δ18O偏轻的特点，在10月份多雨的情况下这一特征最为明显。而洞穴内水体δ18O变化幅度不大，反映了降水的平均氧同位素，并不能捕捉到其季节以及年际变化的信息。更多地反映了水汽来源的稳定性是稳定的季风环流的体现。

在雨季洞穴滴水δ18O月均值与当地月降水量与月均温相关性系数提高，并出现负相关性表，而旱季与温度的相关性下降与雨量的相关性上升。表明雨量 只有1～2个砂层段［图8］，泥质夹层很少，泥质夹层只有0对滴水δO的影响更为明显。另外两年监测中的10月-11月的d和δ18O不同步偏负表明秋季降水对稳定同位素数值影响的重要性。

洞穴上覆基岩及其蓄水层对洞穴滴水稳定同位素影响巨大它们对雨水的调蓄作用削弱岩溶水的季节振幅，使得洞穴滴水远小于同期雨水的同位素变化。这为石笋的高精度研究提出一些前提，首先要了解洞穴滴水对外界降水的响应时间，不同洞穴这个响应时间并不相同;另外洞穴上覆的厚薄对其影响也不同，这样就需要建立相关的参数进行分析，包括洞穴上覆的厚度，蓄水层结构，以及石笋生长过程中洞穴的空间变化等。

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