岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究——以河南鸡冠洞为例

孙喆,杨琰,施强,张萍,梁沙,张娜,刘肖,聂旭东,彭涛,梁胜利,张志钦

1.西南大学地理科学学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715 2.国土资源部岩溶生态环境—重庆南川野外基地,重庆 408435 3.西南大学地球化学与同位素实验室,重庆 400715 4.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,河南洛阳 471023 5.中国气象局武汉暴雨研究所/暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉 430074 6.河南省栾川县气象局,河南栾川 471500 7.鸡冠洞风景名胜区管理处,河南栾川 471500

岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究
——以河南鸡冠洞为例

孙喆1,2,3,杨琰1,2,3,施强4,张萍1,2,3,梁沙1,2,3,张娜1,2,3,刘肖1,2,3,聂旭东1,2,3,彭涛5,梁胜利6,张志钦7

1.西南大学地理科学学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715 2.国土资源部岩溶生态环境—重庆南川野外基地,重庆 408435 3.西南大学地球化学与同位素实验室,重庆 400715 4.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,河南洛阳 471023 5.中国气象局武汉暴雨研究所/暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉 430074 6.河南省栾川县气象局,河南栾川 471500 7.鸡冠洞风景名胜区管理处,河南栾川 471500

岩溶洞穴次生沉积物—石笋因其独有的高精度测年[1-2]、高分辨率记录[3]的优势和丰富的气候替代指标[4-8]，在第四纪全球变化研究中的作用愈发重要。洞穴碳酸盐沉积机理研究作为理解石笋沉积速率，结晶形态和准确解译气候替代指标以及现代洞穴合理保护的理论基础，一直以来是岩溶洞穴研究的热点[9-15]。当前国内外研究成果主要来自于洞穴监测[10,13-14,16]和模拟计算[17-18]，不过由于洞穴次生沉积受到不同区域气候条件的影响[12-13]，碳酸盐沉积形成的时间及环境影响因素存在较大的差异，其记录的环境气候信息亦可能不同。例如,张美良[19]在广西盘龙洞的研究认为该洞对气候环境响应敏感，气温、降水和土壤CO2影响滴水饱和度，是导致沉积速率雨季大于旱季的原因。甘肃万象洞[20]的研究证明，滴水饱和度是沉积发生的必要前提，但沉积速率受洞穴CO2的制约，呈现旱季大于雨季。Casteel[21]在研究美国德州一处洞穴时发现，与同地区其他洞穴夏季受洞内CO2抑制相反，该洞由于通风条件好，洞内CO2浓度与外界接近，不存在对方解石沉积的抑制，其沉积速率与滴水微量元素受温度驱动，夏季沉积最快。即便在相似的气候背景下，南京葫芦洞却没有像安徽蓬莱仙洞一样表现出活跃的现代沉积特征[22]。沉积间断是石笋记录中经常遇到的现象，导致石笋间断的原因有很多[23]，当前对沉积机理的研究多为讨论沉积的季节、年际特征的影响因素[10,19-20]，对沉积间断原因的分析较少，选择一个出现沉积—间断—再次沉积的洞穴进行分析，对于深入理解岩溶洞穴沉积过程是大有裨益的。

鸡冠洞位于河南省洛阳市栾川县，处在我国南北交汇带季风敏感区，其特殊的地理位置暗示着对环境响应的敏感性，赵景耀[24]通过对洞内不同类型水的稳定氢氧同位素分析验证了“环流效应”[25-26]，刘肖[27]对滴水、地下河和池水的水化学指标研究认为该洞对外界环境响应敏感，可以记录极端气候事件。笔者自2009年开始对其进行监测工作，发现在2013—2014年存在超过一年的沉积间断，并于2014年11月重新开始沉积，这为洞穴沉积机理研究提供了很好的素材，本文通过对鸡冠洞滴水和碳酸盐沉积物的观测与分析，探究影响洞穴沉积的因素，为石笋沉积间断的形成、石笋年层计数和环境信息解译提供理论依据，对现代洞穴保护具有现实意义。

1 研究区概况

鸡冠洞(33°46′N,111°34′E)位于黄土高原东南缘，河南省洛阳市栾川县城西4 km处的鸡冠山上(图1)，洞口海拔约900 m，洞内长约5 600 m，分上下5层，落差约138 m。已开发洞长1 800 m，观赏面积达23 000 m2。洞内实测均温16.4℃。据栾川气象资料统计，鸡冠洞所在地区年均温约13.09℃，年降水量844.85 mm，7—9月为降水集中期，约占全年降水的52%。上覆基岩较薄，约30～40 m；土壤层为棕壤，厚度不大，10～30 cm左右[28]；基岩裸露达10%～30%。植被主要是次生壳斗科、松柏科乔木和低矮灌木。区内地质条件较为复杂，碳酸盐岩岩溶作用强烈，研究区属华北及昆仑秦岭地层区，碳酸岩盐类主要出露蓟县系大理岩、青白系硅质白云石大理岩、震旦系大理岩(鸡冠洞岩性为震旦系绿泥大理岩)、二叠系变质大理岩。构造以三川—栾川复向斜为主体，次级褶皱发育，因构造应力比较集中，各种性质的裂隙以及低次级构造面发育，在次级褶皱构造的轴部，特别是垂直于轴部走向的张裂往往呈羽毛状排列[29]。鸡冠洞地处秦岭—淮河北侧，位于长江、黄河两大流域分水岭，又是中国地理南北湿润区与半干旱区过渡地带，特殊的地理位置决定了该区对亚洲夏季风变化响应的敏感性[30]。

图1 鸡冠洞地理位置Fig.1 Location of Jiguan Cave

2 材料与方法

式中，Kc为方解石溶解于水的平衡常数。

3 结果与讨论

3.1 滴水水文与水化学特征

洞内两处滴水类型不同，LYXS监测期间未曾断流，受强降水和持续降雨影响在2010年10月，2011年8—12月，2014年9月和2015年5月出现滴水变流水的情况；受栾川地区百年一遇大旱影响，2014年6月和7月滴速最小：4滴/min；正常降雨情况下LYXS滴水较稳定。TGBD雨季滴水稳定，滴速：24～118滴/min，对干旱事件响应敏感，易出现断流。区内2012—2013年降雨量显著下降，自2012年10月出现长达2年的干旱事件，滴水断流，两处滴水均很好地响应降雨量的变化。

图2 滴水物化指标和沉积速率变化注：流水代表滴速太快，已成线状，无法测滴速Fig.2 Variations of physicochemical indices and deposition rate at drip site

监测期间滴水pH波动较大：7.21～8.46，表现为在雨季出现低值，旱季升高，在2010年7月和2011年9月降水较同期显著偏多的月份(滴水变流水)之后并未表现出稀释作用[32-33]，这与甘肃万象洞[20]及贵州石将军洞[34]的观测结果相同。受降雨量逐年减少的影响，pH值在2014年均值达到最大，指示滴水饱和度达到最低。

表1 池水、地下河旱、雨季水化学特征(修改自文献[27])

3.2 现代沉积速率

图3 鸡冠洞现代沉积物结晶晶体(修改自文献[35])a.LYXS现代沉积物晶体; b.TGBD现代沉积物晶体Fig.3 Crystal of modern speleothem in Jiguan Cave(modified from literature [35])

鸡冠洞的沉积特征与我国北方洞穴沉积过程主要发生在冬季不同，该洞受蒸发、空气交换有一定的影响，将强烈影响洞内二氧化碳分压(pCO2)的变化。岩溶洞穴沉积物主要源于滴水中CO2脱气作用使得水体过饱和析出碳酸钙(CaCO3)，滴水与洞内pCO2差异推动该反应发生[10,36]。统计滴水处的洞内pCO2，雨季较旱季高14%，这是由于雨季植物呼吸作用和微生物活动加强，土壤CO2浓度升高，经岩溶管道和裂隙进入洞内的CO2增加，滴水脱气也会促进洞内CO2浓度的升高，但与封闭洞穴相比[11-12]，鸡冠洞洞内雨旱两季pCO2差别不大，雨季洞穴CO2对沉积的抑制作用被滴水饱和度“掩盖”。

图4 沉积期与间断期滴水Cl-和对比Fig.4 Comparisons of Cl- and in drip water between sedimentary and hiatus period

综合上述分析可以发现鸡冠洞现代沉积对水热条件响应敏感，能够反映季节、年际间的大气降水量、滴水滴速、滴水饱和度以及沉积速率，是一种良好的气候替代指标。但影响洞穴沉积间断不单是气候的变化，洞穴自身条件和人为因素也会产生不可忽视的作用。对于石笋沉积间断的形成、石笋年层计数和环境信息解译要考虑沉积学的特征，同时对现代洞穴保护尤其进行旱季补水的时候要考虑水质对岩溶作用的影响。

表2 模拟实验结果

4 结论

基于对鸡冠洞洞穴滴水和现代沉积物6个水文年的监测工作，发现洞穴沉积物对气候变化响应较敏感，是一种良好的气候替代指标。

(2) 受2010—2013年年降雨量持续减少的影响，水岩作用减弱，滴水饱和度持续下降，在2014年达到最低，出现为期一年的沉积间断，直至2014年下半年降水增加，于11月重新接收到方解石沉积。

致谢 感谢西南大学地理科学学院李廷勇副研究员在论文完成过程中给予的有益讨论，感谢审稿专家提供的宝贵意见，这对完成本文有很大帮助。

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Study on the Influence Factors of Modern Speleothem Hiatus: A case from Jiguan Cave, Henan

SUN Zhe1,2,3,YANG Yan1,2,3,SHI Qiang4,ZHANG Ping1,2,3,LIANG Sha1,2,3,ZHANG Na1,2,3, LIU Xiao1,2,3,NIE XuDong1,2,3,PENG Tao5,LIANG ShengLi6,ZHANG ZhiQin7

1. Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China 2. Field Scientific Observation & Research Base of Karst Eco-environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Land and Resources, Chongqing 408435, China 3. Laboratory of Geochemistry and Isotope, Southwest University, Chongqing 400715, China 4. No.1 Institute of Geological Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geo-exploration and Mineral Development, Luoyang,Henan 471023, China 5. Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074, China; 6. Luanchuan Meteorological Bureau, Luanchuan,Henan 471500, China; 7. Administrative Office of Jiguan Cave Scenic Spot, Luanchuan,Henan 471500, China

1000-0550(2017)01-0093-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.010

2016-02-14；收修改稿日期： 2016-03-30

国家自然科学基金项目(41372177,40902053)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20090182120005)；中央高校基本科研业务费专项(XDJK2011B004)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41372177, 40902053; Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20090182120005; Fundamental Research Funds for the Central Universities, No.XDJK2011B004]

孙喆,男,1992年出生,硕士研究生,全球变化研究,E-mail: michael2482004@126.com

杨琰,男,博士,副教授,E-mail: yy2954@gmail.com

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