洞穴滴水差异分析及其影响因素研究

周景亮

摘要：洞穴滴水是气候信号从洞穴外向洞穴内传递的桥梁，具有重要研究意义。为使对洞穴滴水的研究更加深入，本文对近年来洞穴监测所取得的成果进行分析。本文的分析以滴水环境指标为中心，先介绍了导致同一洞穴各滴点间和不同洞穴间环境相应方式存在差异的原因——路径效应和混合效应以及气体交换，再对常见的环境指标——碳氧同位素组成和微量元素的研究进展进行了探讨。

关键词：洞穴监测;洞穴滴水;石笋;环境指标

1 引言

目前，石笋因为它易定年、分布广和指标多等优势成为了重要的古气候代用物。比如有中国学者通过将石笋记录与中国自唐朝以来的历史记录进行对比，提出了中国朝代的更替与亚洲季风的变化有着内在联系的观点。然而随着研究的深入，这样的观点受到质疑。比如，有的学者指出，将石笋氧同位素用作降水量指标的依据——“雨量效应”，适用于低纬地区;还有学者提出，雨量效应这一机理不能解释中国石笋氧同位素的变化。事实上，为解释中国季风区石笋氧同位素组成，相关学者已提出很多观点。除氧同位素组成外，对于其它古环境指标的环境意义，学者间存在争议。这些争议的存在表明，人们对洞穴滴水地球化学特征的变化规律，了解仍不充分。

为提高对石笋这一古气候档案的了解，从而提高古环境重建的可靠性，众多学者将目光投向了对洞穴的监测。本文搜集了近年来关于洞穴监测的成果，介绍了洞穴滴水地球化学特征对外界环境相应的主要影响因素，以及洞穴滴水常用地球化学特征。

2 滴点间差异的影响因素

2.1路径效应

世界上的各个洞穴中都存在着同一洞穴中的不同石笋的很多古环境替代指标的值存在着明显差异的情况，比如在对北亚得里亚海的 洞中的两根石笋的研究中发现，他们认为这是两石笋所对应的滴点的滴水来源不同导致的。除此之外，还有很多对石笋的研究也发现了这种现象。“路径效应”就是为解释该现象提出的。所谓“路径效应”就是指滴点由滴点上的裂隙所通的水源不同而导致的滴水的地化特征不同的现象。

显然，这种现象与洞穴顶部的孔隙密切相关。因此，为研究该现象，就有必要研究洞穴上覆物内部的“管道网”。目前，对于该问题应用较为广泛的方法有两种，第一种为监测法，即通过对滴点对降水的响应情况，来反推相应滴点的补给来源和响应方式，比如有中国学者通过对和尚洞进行研究，确定了该洞穴中滴水的来源有两个，分别是高Sr/Ca和Mg/Ca值的大气降水，以及来源于米水洞的地下水（上述两个比值较低）。而国外学者在2005-2007年研究了以色列的Orenin洞的九个滴点的滴水对降水的响应情况。根据对该洞滴点的补给机制，和响应速度进行的识别和测量结果，他们指出，该洞的这几个滴点可以根据对降水相应的时间分布分为多年型、溢出型、后暴风型和季节型，并指出它们在滴水排出的动力学、滴速峰值以及补给过程这几方面有很大的区别。

2.2混合效应

所谓的“混合效应”是为了解释某些滴点的滴水地化特征的变化较小，似与气候无关的现象提出的。它指的是由于降水渗入地下后与地下水混合，导致滴水的地化特征的变化被“缓冲”，从而减小了滴水地球化学特征的变化范围的现象。

目前已有很多研究使用该现象解释滴水氧同位素组成的变化，比如有中国学者在关于中国境内几处洞穴的研究中指出，中国季风区洞穴滴水的氧同位素组成变化，可以用该现象解释。他们还根据洞穴滴水的变化情况将他所研究的洞穴滴水分成了几大类别——常年稳定型、季节变化型以及二者的过渡类型这几种类型。在欧洲，有研究者通过对法国的Villars和Chauvet两个洞穴的滴水的研究表明，它们的滴水氧同位素组成没有季节性变化，且与年降水量，以及月降水量的相关性均较差，他们认为这是由于新进入的渗水和先存水充分混合后对滴点进行溢出式补给所导致的。

3 洞穴间差异的影响因素

不同洞穴的滴水，对环境变化响应的不一致，除了源于环境变化本身的不一致，以及滴点间可能存在的差异外，洞穴这个系统本与外界间的物质和能量交换情况，也是导致这种差异的可能因素。显然，对于喀斯特体系来说，洞穴内外可以进行交换的“物质”，主要为液态水，水蒸气和二氧化碳，能量交换情况，主要指洞穴温度的变化情况。一般来说，单纯的能量交换，对洞穴滴水的地球化学特征影响很小，而物质交换过程中必然伴随能量交换。

二氧化碳和水蒸气是洞穴内空气的成分中，对于滴水—碳酸钙体系来说最重要的，因此它也是洞穴监测中主要的监测对象。其中水蒸气的浓度会影响滴水在洞穴中的变化，比如当相对湿度较低时滴水在洞中可能会发生蒸发，从而影响石笋δ18O对外界环境变化的响应。不过目前对该现象的研究资料仍然较少，这可能是因为该现象对石笋δ18O影响不大。

洞穴与外界进行的物质和能量交换中，与古气候重建关系较密切者包括地表水的下渗和洞穴内外的气体交换（能量交换主要在这类过程中进行）。其中，前者溶解携带的二氧化碳，是石笋中碳元素的主要来源，后者导致的洞穴空气成分的变化，能影响洞穴石笋的形成-溶解平衡方向和反应速率。此外，后者的強弱，也能影响洞穴的其它性质，比如温度变化幅度。因此，今后对石笋进行的研究中，必须重视对洞穴与外界物质和能量交换的研究。

4 洞穴滴水中的环境指标

4.1氧同位素

石笋氧同位素组成是石笋蕴含的古环境指标中，应用最广泛，研究最多的一种[1]。然而，氧同位素组成的影响因素较多，所以它的古环境意义仍有争议。洞穴滴水是降水氧同位素组成向石笋传输的“桥梁”，对其降水氧同位素组成变化影响因素的研究，对石笋氧同位素组成的研究具有重要意义，这一领域也因此取得了不少成果。

中国的石笋氧同位素组成一般被认为是亚洲夏季风强度的替代指标，该观点认为中国石笋的氧同位素组成的变化是由不同源区的降水的比例变化导致的。比如有研究者通过对桂林蟠龙洞为期一年的研究发现，该洞的滴水氧同位素组成的季节性变化趋势与降水氧同位素的季节性变化趋势一致。他们提出，该洞穴中滴水氧同位素组成的季节型变化，是由水汽来源的季节性变化导致的。特别的，该洞夏季的洞穴滴水氧同位素组成，由夏季风强度决定，这与关于中国石笋的研究中得出的结论类似。

美国落基山脉以东占美国本土的绝大部分。该地区以及墨西哥的降水在夏季由于北美季风影响水汽来源于墨西哥湾，而冬季则受冬季风影响水汽来源于太平洋。然而美国东南部洞穴的滴水氧同位素组成却少有季节性变化，比如有研究者通过对新墨西哥州中部到德克萨斯西部一带的洞穴进行研究，发现该地降水氧同位素组成有着巴西洞穴类似的变化规律，但滴水的氧同位素组成却几乎没有季节性变化。他们指出，导致这一现象的原因是，下渗水在地下水不饱和的地区所存在的混合作用。

由上述研究可知，当洞穴所在地的气候状况，由多个大气环流现象所决定时，洞穴滴水氧同位素组成主要反映水汽来源的变化，以及它所反映的大气环流的变化;当影响洞穴所在地气候的大气环流现象较为单一时，洞穴降水氧同位素组成则主要表现出雨量效应。由此可见，洞穴滴水氧同位素组成，以及它所反映的当地降水氧同位素组成的影响因素中，对它们在短尺度上的变化，影响最大的因素是，大气环流状况的变化，所导致的水汽来源的变化。

4.2碳同位素

滴水—碳酸钙体系中的碳元素，主要来自滴水中的二氧化碳。这些二氧化碳可能来自以下来源：1.大气二氧化碳;2.土壤中形成的二氧化碳（与植物的呼吸作用关系密切）;3.石灰质基岩溶解形成的二氧化碳;4.洞穴空气中的二氧化碳等。显然，这些二氧化碳来源的碳同位素组成和二氧化碳浓度不同，故当洞穴气体与其它的二氧化碳源发生交换或这些二氧化碳成分进入滴水与滴水中先存碳元素混合就会使滴水碳同位素组成发生变化，比如有研究者通过对意大利Grotta di Ernest洞进行研究发现，该洞在冬季时由于与大气进行“受迫通风”，故洞内二氧化碳浓度下降，从而导致滴水中溶解的二氧化碳发生动力分馏，从而改变滴水碳同位素组成。

分析上述各类二氧化碳可知，自然界中存在的二氧化碳可以分为两类——生物成因的二氧化碳和非生物成因的二氧化碳。其中，前者指的是在生物生命活动中和有机物分解产生的二氧化碳，比如生物的呼吸作用和有机物分解产生的二氧化碳;后者指的是由于自然界中的非生物过程产生的二氧化碳，比如石灰质岩石溶解产生的二氧化碳。此两者的氧同位素组成有明显区别：生物成因的二氧化碳富集轻同位素，非生物成因的富集重同位素。因此，这二者的比例变化会影响洞穴滴水的碳同位素组成。比如中国学者通过对蟠龙洞的研究指出，该洞滴水碳同位素组成的变化，所反映的并非植被类型的变化。该洞穴常年滴水碳同位素组成的变化，反映的是由温度变化导致的，微生物活性的变化：温度高时微生物活性强，滴水碳同位素组成偏轻，温度低时则反之;季节性滴水则反映的是月降水量的变化。

分析前述研究可知，石笋中对碳同位素进行解释的较常见机理——洞穴上覆植被种类的变化并未在对滴水的研究中出现。这可能是因为对滴水进行监测的时间，普遍要小于植物群落进行演替所需的时间。换句话说，植被类型对环境变化进行响应所需时间一般较长，而对滴水进行研究的时间尺度较小，因此未见通过这种机理对滴水碳同位素进行解释;石笋反映气候变化的时间尺度较大，故可以通过碳同位素来反映植被类型的变化[2]。因此，在古环境恢复中使用“将近论古”这种基本思路时，只有先准确分析不同影响因素，在各时间尺度上的变化，才能得出较为合理的结论。

4.3微量元素

微量元素指的是在体系中含量小于千分之一的元素。目前，它们在地球化学的各个领域都有重要意义。目前在对石笋的研究中主要应用的是碱土元素，它们都被认为是降水量或滴水补给量的替代指标。除此之外，能用作古环境指标的还有磷、铁、铝等，但有关这些元素在滴水中行为的研究较为少见。

碱土金属钙是构成石笋的主要元素之一，其它碱土元素与钙的化学性质相似，所以它们在石笋中的含量也有明显的环境意义[3]。洞穴滴水碱土金属的比值反映的是洞穴的水文变化。比如国外学者通过对澳大利亚东南部的Harrie Wood洞的研究发现，该洞镁钙比和锶钙比的变化，是由PCP（即前方解石沉积作用）作用导致的，他們认为，在厄尔尼诺年，当地气候干旱，故镁钙比和锶钙比变大。还有研究者对加里曼丹岛西北部的尼亚大洞进行研究发现，该洞滴水的碱土元素含量由下渗水的停留时间决定，停留时间长时，渗水进行沉淀的时间越长，镁钙比和锶钙比越大，越短则反之。然而，这不是绝对的，比如有学者通过对美国得克萨斯Westcave的研究指出，该洞的锶钙和钡钙比与生长速率一样，指示季节性温度的变化。

结论：

洞穴滴水是气候信号从洞穴外向洞穴内传递的桥梁，具有重要研究意义。目前，对洞穴滴水的研究主要集中在对洞穴环境的研究、洞穴体系对滴水响应外界环境变化影响的研究和滴水中的古环境指标对外界的响应情况的研究几个方面。

洞穴过程影响滴水对外界环境变化的响应。其中影响最大的是路径效应和混合效应。路径效应指的是同一洞穴内的滴点可能同向不同的水源，从而导致同一洞穴中各滴点的滴水中古气候替代指标的值不同。混合效应指的是雨水下渗后会与先存地下水发生混合的现象，这一现象使得洞穴上覆土壤和基岩成为了一个“巨大的低通滤波器”，严重影响滴水对气候的反应。

滴水中的古环境指标中常用的有三种：氧同位素、碳同位素和微量元素。氧同位素除了由“源效应”影响的地区外其他地方由于混合效应的影响季节变化较不显著，而受到源效应影响的地方则表现出了较为明显的季节性变化，它与受“源效应”影响的地方的石笋氧同位素组成的主导因素大都是“大气环流情况”的事实也说明“源效应”的效果十分强大。碳同位素的来源较广，故对滴水碳同位素变化的解释较多。但未见在石笋中最常见的解释——植物种类变化。这可能是因为群落演替时间相对于滴水观测时间较长的原因。目前在对洞穴的研究中最常用的微量元素是碱土元素。他们主要反映的是洞穴的水文条件的变化，有时也可能反映温度变化。

参考文献：

[1]陈建徽，饶志国，刘建宝，等. 全新世东亚夏季风最强盛期出现在何时？——兼论中国南方石笋氧同位素的古气候意义[J].中国科学：地球科学，2016， 46（011）：1494.

[2]罗维均，王世杰，刘秀明.喀斯特洞穴系统碳循环的烟囱效应研究现状及展望[J].地球科学进展，2014，29（012）：1333-1340.

[3]白晓，桑文翠，李丰山，等. 武都万象洞方解石现代沉积体系δ18O值月变化特征[J].地球化学，2015（3）：245-253.