贵州凉风洞降水——滴水氢氧同位素特征及影响因素研究

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因其精确的定年和丰富的代用指标,石笋在古气候重建研究中极为重要,其中,氧同位素是运用最为广泛的指标之一。但是,在中国季风区,作为石笋氧同位素信号来源的降水δ18O值的解释存在争议。同时,从大气降水到洞穴滴水,中间经过了复杂的水流通道(土壤和基岩中),发生在其中的过程会影响降水-滴水氧同位素信号的传递。基于此,本文选取贵州荔波凉风洞为研究地点,对降水、滴水氢氧同位素,洞内外气象条件和滴水水文地球化学特征进行为期四年的观测研究,采样频率为每月一次。获得以下初步结论:  1.降水氧同位素值呈现显著的季节和年际变化。温度和降水量不是控制降水氧同位素值季节和年际变化的主要因素。通过对研究区降水氘盈余值、单场降水水汽后向追踪以及夏季整层大气水汽输送通量的分析发现,夏季降水主要由海洋性水汽补给,而冬季时则主要由偏北的陆地水汽补给;更多近源的水汽会导致研究区降水氧同位素值偏重,并可能伴随雨量的增加。因此,季节尺度上,降水δ18O值受海洋/大陆水汽比值控制,年际尺度,降水δ18O值受近源/远源海洋性水汽比值(环流效应)控制。从南京葫芦洞、清江和尚洞和贵州凉风洞所处区域降水氧同位素的特征来看,不同水汽来源和环流效应分别控制着中国季风区降水氧同位素季节和年际特征。  2.滴水水文水化学特征能够反映水流在土壤和基岩中的通道特征及经历的过程。根据滴水最大滴率和变异系数,将5个滴水点划分为不同的滴水类型,其中,1#和1A#为滞后响应型,5#和5A#为快速响应型,6#则为稳定型。同时,6#滴水的HCO3浓度较1#和5#整体偏低,指示在6#滴水的水流补给通道内可能存在空隙导致二氧化碳先期逃逸。  3.滴水氧同位素值的变化范围相对于雨水小,且滴水氧同位素的年际间平均值差异很小,说明新-老水混合作用是多年降水的混合。滴水的氧同位素平均值较降水的加权平均值偏轻,说明其主要受雨季降水补给。水流通道中各种水流作用(混合作用、活塞流等)复杂,滴水响应降水的快慢并不能决定滴水是否能响应降水的氧同位素特征。  4.对古气候研究的启示  ①从四年的监测结果来看,滴水δ18O值没有显著的年际变化。但这并不能确认受此类滴水补给的石笋不适合古气候重建,因为现有的重建时间精度一般都大于10年,可能还需要更长时间尺度的监测来验证滴水是否能够响应降水的年际信号。  ②距离很近的滴水点水流补给来源可能基本一致,在古气候重建时,可以考虑采集此类滴水补给的石笋进行重复性检验。  ③受洞内相对湿度和滴率的影响,旱季滴水可能在水流通道和洞穴内发生蒸发作用,加之碳酸钙沉积主要发生在旱季,因此,石笋氧同位素值可能受到蒸发作用影响。在选取正在生长的石笋进行氧同位素古气候研究之前,有必要连续监测洞内温湿度和滴水滴率的变化,尤其是在旱季,洞内水量(塘水等)充足的条件下,由滴率大于2滴/分的滴水补给的石笋可能更适合用于古气候重建。
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