周景亮

摘要：洞穴滴水是氣候信號從洞穴外向洞穴內(nèi)傳遞的橋梁，具有重要研究意義。為使對洞穴滴水的研究更加深入，本文對近年來洞穴監(jiān)測所取得的成果進行分析。本文的分析以滴水環(huán)境指標為中心，先介紹了導(dǎo)致同一洞穴各滴點間和不同洞穴間環(huán)境相應(yīng)方式存在差異的原因——路徑效應(yīng)和混合效應(yīng)以及氣體交換，再對常見的環(huán)境指標——碳氧同位素組成和微量元素的研究進展進行了探討。

關(guān)鍵詞：洞穴監(jiān)測;洞穴滴水;石筍;環(huán)境指標

1 引言

目前，石筍因為它易定年、分布廣和指標多等優(yōu)勢成為了重要的古氣候代用物。比如有中國學(xué)者通過將石筍記錄與中國自唐朝以來的歷史記錄進行對比，提出了中國朝代的更替與亞洲季風(fēng)的變化有著內(nèi)在聯(lián)系的觀點。然而隨著研究的深入，這樣的觀點受到質(zhì)疑。比如，有的學(xué)者指出，將石筍氧同位素用作降水量指標的依據(jù)——“雨量效應(yīng)”，適用于低緯地區(qū);還有學(xué)者提出，雨量效應(yīng)這一機理不能解釋中國石筍氧同位素的變化。事實上，為解釋中國季風(fēng)區(qū)石筍氧同位素組成，相關(guān)學(xué)者已提出很多觀點。除氧同位素組成外，對于其它古環(huán)境指標的環(huán)境意義，學(xué)者間存在爭議。這些爭議的存在表明，人們對洞穴滴水地球化學(xué)特征的變化規(guī)律，了解仍不充分。

為提高對石筍這一古氣候檔案的了解，從而提高古環(huán)境重建的可靠性，眾多學(xué)者將目光投向了對洞穴的監(jiān)測。本文搜集了近年來關(guān)于洞穴監(jiān)測的成果，介紹了洞穴滴水地球化學(xué)特征對外界環(huán)境相應(yīng)的主要影響因素，以及洞穴滴水常用地球化學(xué)特征。

2 滴點間差異的影響因素

2.1路徑效應(yīng)

世界上的各個洞穴中都存在著同一洞穴中的不同石筍的很多古環(huán)境替代指標的值存在著明顯差異的情況，比如在對北亞得里亞海的 洞中的兩根石筍的研究中發(fā)現(xiàn)，他們認為這是兩石筍所對應(yīng)的滴點的滴水來源不同導(dǎo)致的。除此之外，還有很多對石筍的研究也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象?！奥窂叫?yīng)”就是為解釋該現(xiàn)象提出的。所謂“路徑效應(yīng)”就是指滴點由滴點上的裂隙所通的水源不同而導(dǎo)致的滴水的地化特征不同的現(xiàn)象。

顯然，這種現(xiàn)象與洞穴頂部的孔隙密切相關(guān)。因此，為研究該現(xiàn)象，就有必要研究洞穴上覆物內(nèi)部的“管道網(wǎng)”。目前，對于該問題應(yīng)用較為廣泛的方法有兩種，第一種為監(jiān)測法，即通過對滴點對降水的響應(yīng)情況，來反推相應(yīng)滴點的補給來源和響應(yīng)方式，比如有中國學(xué)者通過對和尚洞進行研究，確定了該洞穴中滴水的來源有兩個，分別是高Sr/Ca和Mg/Ca值的大氣降水，以及來源于米水洞的地下水（上述兩個比值較低）。而國外學(xué)者在2005-2007年研究了以色列的Orenin洞的九個滴點的滴水對降水的響應(yīng)情況。根據(jù)對該洞滴點的補給機制，和響應(yīng)速度進行的識別和測量結(jié)果，他們指出，該洞的這幾個滴點可以根據(jù)對降水相應(yīng)的時間分布分為多年型、溢出型、后暴風(fēng)型和季節(jié)型，并指出它們在滴水排出的動力學(xué)、滴速峰值以及補給過程這幾方面有很大的區(qū)別。

2.2混合效應(yīng)

所謂的“混合效應(yīng)”是為了解釋某些滴點的滴水地化特征的變化較小，似與氣候無關(guān)的現(xiàn)象提出的。它指的是由于降水滲入地下后與地下水混合，導(dǎo)致滴水的地化特征的變化被“緩沖”，從而減小了滴水地球化學(xué)特征的變化范圍的現(xiàn)象。

目前已有很多研究使用該現(xiàn)象解釋滴水氧同位素組成的變化，比如有中國學(xué)者在關(guān)于中國境內(nèi)幾處洞穴的研究中指出，中國季風(fēng)區(qū)洞穴滴水的氧同位素組成變化，可以用該現(xiàn)象解釋。他們還根據(jù)洞穴滴水的變化情況將他所研究的洞穴滴水分成了幾大類別——常年穩(wěn)定型、季節(jié)變化型以及二者的過渡類型這幾種類型。在歐洲，有研究者通過對法國的Villars和Chauvet兩個洞穴的滴水的研究表明，它們的滴水氧同位素組成沒有季節(jié)性變化，且與年降水量，以及月降水量的相關(guān)性均較差，他們認為這是由于新進入的滲水和先存水充分混合后對滴點進行溢出式補給所導(dǎo)致的。

3 洞穴間差異的影響因素

不同洞穴的滴水，對環(huán)境變化響應(yīng)的不一致，除了源于環(huán)境變化本身的不一致，以及滴點間可能存在的差異外，洞穴這個系統(tǒng)本與外界間的物質(zhì)和能量交換情況，也是導(dǎo)致這種差異的可能因素。顯然，對于喀斯特體系來說，洞穴內(nèi)外可以進行交換的“物質(zhì)”，主要為液態(tài)水，水蒸氣和二氧化碳，能量交換情況，主要指洞穴溫度的變化情況。一般來說，單純的能量交換，對洞穴滴水的地球化學(xué)特征影響很小，而物質(zhì)交換過程中必然伴隨能量交換。

二氧化碳和水蒸氣是洞穴內(nèi)空氣的成分中，對于滴水—碳酸鈣體系來說最重要的，因此它也是洞穴監(jiān)測中主要的監(jiān)測對象。其中水蒸氣的濃度會影響滴水在洞穴中的變化，比如當相對濕度較低時滴水在洞中可能會發(fā)生蒸發(fā)，從而影響石筍δ18O對外界環(huán)境變化的響應(yīng)。不過目前對該現(xiàn)象的研究資料仍然較少，這可能是因為該現(xiàn)象對石筍δ18O影響不大。

洞穴與外界進行的物質(zhì)和能量交換中，與古氣候重建關(guān)系較密切者包括地表水的下滲和洞穴內(nèi)外的氣體交換（能量交換主要在這類過程中進行）。其中，前者溶解攜帶的二氧化碳，是石筍中碳元素的主要來源，后者導(dǎo)致的洞穴空氣成分的變化，能影響洞穴石筍的形成-溶解平衡方向和反應(yīng)速率。此外，后者的強弱，也能影響洞穴的其它性質(zhì)，比如溫度變化幅度。因此，今后對石筍進行的研究中，必須重視對洞穴與外界物質(zhì)和能量交換的研究。

4 洞穴滴水中的環(huán)境指標

4.1氧同位素

石筍氧同位素組成是石筍蘊含的古環(huán)境指標中，應(yīng)用最廣泛，研究最多的一種[1]。然而，氧同位素組成的影響因素較多，所以它的古環(huán)境意義仍有爭議。洞穴滴水是降水氧同位素組成向石筍傳輸?shù)摹皹蛄骸?，對其降水氧同位素組成變化影響因素的研究，對石筍氧同位素組成的研究具有重要意義，這一領(lǐng)域也因此取得了不少成果。

中國的石筍氧同位素組成一般被認為是亞洲夏季風(fēng)強度的替代指標，該觀點認為中國石筍的氧同位素組成的變化是由不同源區(qū)的降水的比例變化導(dǎo)致的。比如有研究者通過對桂林蟠龍洞為期一年的研究發(fā)現(xiàn)，該洞的滴水氧同位素組成的季節(jié)性變化趨勢與降水氧同位素的季節(jié)性變化趨勢一致。他們提出，該洞穴中滴水氧同位素組成的季節(jié)型變化，是由水汽來源的季節(jié)性變化導(dǎo)致的。特別的，該洞夏季的洞穴滴水氧同位素組成，由夏季風(fēng)強度決定，這與關(guān)于中國石筍的研究中得出的結(jié)論類似。

美國落基山脈以東占美國本土的絕大部分。該地區(qū)以及墨西哥的降水在夏季由于北美季風(fēng)影響水汽來源于墨西哥灣，而冬季則受冬季風(fēng)影響水汽來源于太平洋。然而美國東南部洞穴的滴水氧同位素組成卻少有季節(jié)性變化，比如有研究者通過對新墨西哥州中部到德克薩斯西部一帶的洞穴進行研究，發(fā)現(xiàn)該地降水氧同位素組成有著巴西洞穴類似的變化規(guī)律，但滴水的氧同位素組成卻幾乎沒有季節(jié)性變化。他們指出，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是，下滲水在地下水不飽和的地區(qū)所存在的混合作用。

由上述研究可知，當洞穴所在地的氣候狀況，由多個大氣環(huán)流現(xiàn)象所決定時，洞穴滴水氧同位素組成主要反映水汽來源的變化，以及它所反映的大氣環(huán)流的變化;當影響洞穴所在地氣候的大氣環(huán)流現(xiàn)象較為單一時，洞穴降水氧同位素組成則主要表現(xiàn)出雨量效應(yīng)。由此可見，洞穴滴水氧同位素組成，以及它所反映的當?shù)亟邓跬凰亟M成的影響因素中，對它們在短尺度上的變化，影響最大的因素是，大氣環(huán)流狀況的變化，所導(dǎo)致的水汽來源的變化。

4.2碳同位素

滴水—碳酸鈣體系中的碳元素，主要來自滴水中的二氧化碳。這些二氧化碳可能來自以下來源：1.大氣二氧化碳;2.土壤中形成的二氧化碳（與植物的呼吸作用關(guān)系密切）;3.石灰質(zhì)基巖溶解形成的二氧化碳;4.洞穴空氣中的二氧化碳等。顯然，這些二氧化碳來源的碳同位素組成和二氧化碳濃度不同，故當洞穴氣體與其它的二氧化碳源發(fā)生交換或這些二氧化碳成分進入滴水與滴水中先存碳元素混合就會使滴水碳同位素組成發(fā)生變化，比如有研究者通過對意大利Grotta di Ernest洞進行研究發(fā)現(xiàn)，該洞在冬季時由于與大氣進行“受迫通風(fēng)”，故洞內(nèi)二氧化碳濃度下降，從而導(dǎo)致滴水中溶解的二氧化碳發(fā)生動力分餾，從而改變滴水碳同位素組成。

分析上述各類二氧化碳可知，自然界中存在的二氧化碳可以分為兩類——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動中和有機物分解產(chǎn)生的二氧化碳，比如生物的呼吸作用和有機物分解產(chǎn)生的二氧化碳;后者指的是由于自然界中的非生物過程產(chǎn)生的二氧化碳，比如石灰質(zhì)巖石溶解產(chǎn)生的二氧化碳。此兩者的氧同位素組成有明顯區(qū)別：生物成因的二氧化碳富集輕同位素，非生物成因的富集重同位素。因此，這二者的比例變化會影響洞穴滴水的碳同位素組成。比如中國學(xué)者通過對蟠龍洞的研究指出，該洞滴水碳同位素組成的變化，所反映的并非植被類型的變化。該洞穴常年滴水碳同位素組成的變化，反映的是由溫度變化導(dǎo)致的，微生物活性的變化：溫度高時微生物活性強，滴水碳同位素組成偏輕，溫度低時則反之;季節(jié)性滴水則反映的是月降水量的變化。

分析前述研究可知，石筍中對碳同位素進行解釋的較常見機理——洞穴上覆植被種類的變化并未在對滴水的研究中出現(xiàn)。這可能是因為對滴水進行監(jiān)測的時間，普遍要小于植物群落進行演替所需的時間。換句話說，植被類型對環(huán)境變化進行響應(yīng)所需時間一般較長，而對滴水進行研究的時間尺度較小，因此未見通過這種機理對滴水碳同位素進行解釋;石筍反映氣候變化的時間尺度較大，故可以通過碳同位素來反映植被類型的變化[2]。因此，在古環(huán)境恢復(fù)中使用“將近論古”這種基本思路時，只有先準確分析不同影響因素，在各時間尺度上的變化，才能得出較為合理的結(jié)論。

4.3微量元素

微量元素指的是在體系中含量小于千分之一的元素。目前，它們在地球化學(xué)的各個領(lǐng)域都有重要意義。目前在對石筍的研究中主要應(yīng)用的是堿土元素，它們都被認為是降水量或滴水補給量的替代指標。除此之外，能用作古環(huán)境指標的還有磷、鐵、鋁等，但有關(guān)這些元素在滴水中行為的研究較為少見。

堿土金屬鈣是構(gòu)成石筍的主要元素之一，其它堿土元素與鈣的化學(xué)性質(zhì)相似，所以它們在石筍中的含量也有明顯的環(huán)境意義[3]。洞穴滴水堿土金屬的比值反映的是洞穴的水文變化。比如國外學(xué)者通過對澳大利亞東南部的Harrie Wood洞的研究發(fā)現(xiàn)，該洞鎂鈣比和鍶鈣比的變化，是由PCP（即前方解石沉積作用）作用導(dǎo)致的，他們認為，在厄爾尼諾年，當?shù)貧夂蚋珊?，故鎂鈣比和鍶鈣比變大。還有研究者對加里曼丹島西北部的尼亞大洞進行研究發(fā)現(xiàn)，該洞滴水的堿土元素含量由下滲水的停留時間決定，停留時間長時，滲水進行沉淀的時間越長，鎂鈣比和鍶鈣比越大，越短則反之。然而，這不是絕對的，比如有學(xué)者通過對美國得克薩斯Westcave的研究指出，該洞的鍶鈣和鋇鈣比與生長速率一樣，指示季節(jié)性溫度的變化。

結(jié)論：

洞穴滴水是氣候信號從洞穴外向洞穴內(nèi)傳遞的橋梁，具有重要研究意義。目前，對洞穴滴水的研究主要集中在對洞穴環(huán)境的研究、洞穴體系對滴水響應(yīng)外界環(huán)境變化影響的研究和滴水中的古環(huán)境指標對外界的響應(yīng)情況的研究幾個方面。

洞穴過程影響滴水對外界環(huán)境變化的響應(yīng)。其中影響最大的是路徑效應(yīng)和混合效應(yīng)。路徑效應(yīng)指的是同一洞穴內(nèi)的滴點可能同向不同的水源，從而導(dǎo)致同一洞穴中各滴點的滴水中古氣候替代指標的值不同?；旌闲?yīng)指的是雨水下滲后會與先存地下水發(fā)生混合的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象使得洞穴上覆土壤和基巖成為了一個“巨大的低通濾波器”，嚴重影響滴水對氣候的反應(yīng)。

滴水中的古環(huán)境指標中常用的有三種：氧同位素、碳同位素和微量元素。氧同位素除了由“源效應(yīng)”影響的地區(qū)外其他地方由于混合效應(yīng)的影響季節(jié)變化較不顯著，而受到源效應(yīng)影響的地方則表現(xiàn)出了較為明顯的季節(jié)性變化，它與受“源效應(yīng)”影響的地方的石筍氧同位素組成的主導(dǎo)因素大都是“大氣環(huán)流情況”的事實也說明“源效應(yīng)”的效果十分強大。碳同位素的來源較廣，故對滴水碳同位素變化的解釋較多。但未見在石筍中最常見的解釋——植物種類變化。這可能是因為群落演替時間相對于滴水觀測時間較長的原因。目前在對洞穴的研究中最常用的微量元素是堿土元素。他們主要反映的是洞穴的水文條件的變化，有時也可能反映溫度變化。

參考文獻：

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