, 陈伟海, 罗劬侃中国地质科学院岩溶地质研究所,广西 桂林 541004
Coupling relationship among speleothems, geological background and cave environment
WEIYuelong, CHENWeihai, LUOQukan收稿日期:2016-03-16
修回日期:2016-04-12
网络出版日期:2016-11-25
版权声明:2016《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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Abstract
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1 引言
洞穴次生化学沉积物是指当富含碳酸根或碳酸氢根及钙离子的水从岩层的裂隙中渗出时,由于下渗过程中,水体环境温度与气压变化,造成CO2逸出,使水中CaCO3过饱和而沉积形成的沉积物。受渗流水活动方式、流量大小等因素影响,次生化学沉积物的规模、形态变化很大,一般分为重力水沉积、非重力水沉积、协同沉积、叠置沉积和异因同形沉积等五大类[1]。长期以来,国内外众多研究者分别从区域地质背景[2-3]、区域自然地理环境（如土 壤[4-5]、植被[6]、气候变化[7]、季节变化[8]等）、洞穴内部环境（如渗流水[1, 9],CO2浓度[10],洞内环境变化[11-15]、钟乳石生长速率[16]和沉积环境[17]及同位素、微量和痕量元素[18-22]等）等不同角度,对洞穴次生化学沉积物的形成演化进行了广泛的研究。在研究洞穴次生化学沉积物形成演化的同时,多注重探讨旅游价值[1-3]及其古气候和古环境指标意义[4-22],而对它与各要素相互之间的关系或彼此之间复杂的反馈关系[23]等则研究较少。
广西巴马水晶宫属廊道式中型洞穴[17],洞内景观形成于4个不同时期,规模、形态各异,且类型齐全的各类次生化学沉积物同生共存,是众多洞穴的典型缩影之一。
本文运用岩溶地貌及洞穴次生化学沉积物的成景机制和原理,结合动态耦合的方法,创立洞穴次生化学沉积物成景耦合系统,并概括其内涵、特征和意义。在对巴马水晶宫的野外考察和洞穴空气长期监测的基础上,通过对其区域地质背景、外部环境、内部环境等的系统分析,全面探讨水晶宫洞穴次生化学沉积物的成景耦合过程。
2 洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境的耦合关系
某一洞穴各类次生化学沉积物与洞穴及其区域地质背景、自然地理环境及洞穴环境等各因素之间并不相互独立、割裂,彼此之间存在着复杂的反馈关系[23],即洞穴次生化学沉积物、地质背景、洞穴外部环境及洞穴内部环境之间存在着复杂的“网”式反馈系统,它们之间相互作用构成一个动态、复杂的洞穴次生化学沉积物成景耦合系统,并通过不同的物理、化学和生物过程形成丰富多彩的洞穴次生化学沉积物（图1,图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1洞穴次生化学沉积物成景耦合系统
-->Fig. 1The coupling system for speleothem formation
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2洞穴次生化学沉积物成景耦合系统构成示意图
-->Fig. 2The constitution of coupling system for speleothem formation
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2.1 洞穴次生化学沉积物与地质背景的耦合关系
区域地层既为区域构造、自然地理环境、洞穴环境及洞穴次生化学沉积物提供共同的物质基础——可溶性地层,也为它们提供共同的作用对象——洞穴,更是次生化学沉积物成景过程的储水库。不同区域对应可溶岩的分布、岩性、可溶性等特征也不同,决定着洞穴次生化学沉积成景过程的差异;而洞穴次生化学沉积物则是不同区域地层系统及不同地质时期地层系统演变的感应器和记录者。区域地壳隆起或凹陷,引起地形、地势、侵蚀基准面、断裂、节理、裂隙等地形地貌和地层构造的变化,构筑起次生化学沉积物成景过程储水库的骨架,宏观上控制着水库的入渗量和排泄量,及次生化学沉积物各发育时期的长短和发育周期的次数（图1,图2）。
因此,包含区域地层及水文地质条件、构造条件等要素的区域地质背景,构成洞穴次生化学沉积物成景耦合系统的第一个黑箱子系统,即其内部结构和机理不能直接观测,只能观测到其输入值（区域自然地理环境）和输出值（洞穴内部环境）,探测其对外界刺激的不同反应,从而推测其内部结构和运行机理。
2.2 洞穴次生化学沉积物与洞穴环境的耦合关系
洞穴为洞穴次生化学沉积物成景耦合系统提供了物质和空间基础。洞穴环境指洞穴及其次生化学沉积物形成演化的环境。依各环境要素所处位置的差异,分为洞穴外部环境和洞穴内部环境两大类。洞穴外部环境包括岩溶水发育特征（如补给、渗透、循环、分带、埋深和动态变化等特征）、洞穴周边的区域气候特征及演变、岩溶水CO2来源和转换、植被特征、土壤类型和覆盖特征等外部动力条件,是洞穴次生化学沉积物成景耦合系统唯一的外部输入子系统,不断将外部各要素的变化直接或间接输入这一系统中,为洞内成景过程提供直接的外动力条件,从宏观上控制沉积物的发育程度、规模和方向（图1,图2）。
洞穴内部环境包括洞壁岩溶水渗出方式、渗出量、洞穴空气（包括洞中CO2浓度、O2浓度、温度、湿度、气压,及空气和CO2交换量等）等。它们是洞穴对周边区域地质背景和自然环境响应过程的直接表现,也是次生化学沉积物成景过程的直接控制因素。
同一区域地质背景及自然地理环境下,不同洞穴及同一洞穴不同部位往往对应不同的内部环境,而不同的内部环境,往往发育、形成不同类型、体量、形态的次生化学沉积物。同时,洞穴内部环境还是洞穴次生化学沉积物成景耦合系统的中间输出和输入子系统,它与区域性自然地理环境和区域地质背景共同构成了这一成景耦合系统的“影响子系统”,同时它又与成景过程和次生化学沉积物共同构成了这一成景耦合系统的“成景子系统”,是这一成景耦合系统关键的中间环节和感应器,外部输入子系统和黑箱子系统的任何变化,都将会引起它的响应（图1,图2）。但它对外部输入子系统的响应时间往往滞后3~6个月,甚至更长,如一些洞穴的温度往往夏季出现最低值,冬季出现最高值。
2.3 洞穴次生化学沉积物成景过程与其成景耦合系统的关系
洞穴次生化学沉积物成景过程（Ca(HCO3)2 ? CaCO3↓+H2O+CO2↑）,是其成景耦合系统的第二个黑箱子系统,其输入值是洞穴内部环境,输出值是次生化学沉积物。它将区域地质背景及自然地理环境和洞穴内部环境等各种影响和成景要素耦合于一身,是各类洞穴次生化学沉积物的天然造型师：对应各因素之间不同的耦合关系,岩溶水产生不同的渗透循环方式及不同渗流方式和渗流量,洞穴内部表现出不同的环境参数特征,塑造出类型多样、形态丰富的洞穴奇观（图1,图2）。3 水晶宫洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境的耦合关系
水晶宫位于广西西北的巴马瑶族自治县,发育于峰丛洼地岩溶地貌区,地处南北向的隔槽式褶曲带内,区域内裂隙、节理、断裂和褶皱等十分发育,成景地层以下二叠统栖霞组（P1q）和茅口组（P1m）碳酸盐岩地层为主[17, 24]。古新世末以来,受多期不同构造运动的强烈影响,少部分大气降水沿水晶宫区域内可溶岩纵张性构造裂隙下渗,历经横向裂隙式岩溶水形成发育阶段→地下河道形成发育阶段→地下河大规模发育阶段→洞穴形成阶段→洞穴次生化学沉积物发育阶段,地下流水不断侵蚀、溶蚀、冲蚀、潜蚀、搬运其围岩形成地下河,并多次抬升形成多层化石洞,即水晶宫,及新的地下河[23]。3.1 水晶宫洞穴次生化学沉积物形态特征
水晶宫长776 m,宽8~25 m,高10~30 m,洞底面积22006 m2,洞体容积约327930 m3,洞穴比容积为422 m3/m,属中型廊道状洞穴。水晶宫洞内次生化学沉积物主要有非重力水沉积类（石毛发、卷曲石、石花等）、重力水沉积类（如鹅管、石钟乳、石笋、石柱、石带、石旗和各类石幔、石瀑、石盾等）、协同沉积类（如钙膜晶锥等）和叠置沉积类（如纺锤状石钟乳等）等4大类。它们形成于4个不同时期,规模、形态各异,并以雪白纯净,尚在生长发育中的卷曲石、石毛发、石花和鹅管等为特色（表1,图3）。Tab. 1
表1
表1广西巴马水晶宫主要洞穴次生化学沉积物类型及分布特征
Tab. 1The main types and distribution of speleothems in Shuijing Cave in Bama, Guangxi
| 类型 | 亚类 | 主要种类 | 发育状态 | 分布特征 |
|---|---|---|---|---|
| 非重力水沉积类 | 石毛发、卷曲石、石花、石瘤或球状石钟乳等 | 下端或表面多有水滴悬挂,尚在生长发育之中 | 主要分布于水晶宫中部和后部 | |
| 重力水沉积类 | 滴水 沉积 | 鹅管 | ||
| 石钟乳、石笋和石柱 | 分四期形成,前三期已停止发育,第四期正在生长发育中 | 洞内广泛分布,其中:石钟乳、石笋和石柱等主要分布于前部,大型流石坝和壁流石主要分布于后部 | ||
| 流水沉积 | 石幕、石旗、石瀑、石盾等各类壁流石,及流石坝、石梯田等各类底流石 | |||
| 飞溅水沉积 | 石珊瑚、棕榈片、石葡萄等 | |||
| 协同沉积 | 钙膜晶锥、棕榈状石笋、乳房状石钟乳等 | |||
| 叠置沉积 | 纺锤状石钟乳 | |||
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3广西巴马水晶宫洞穴平面图
-->Fig. 3The plan map of Shuijing Cave in Bama, Guangxi
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3.2 区域地质背景
3.2.1 区域出露地层及岩溶特征 水晶宫区域出露下二叠统栖霞组（P1q）和茅口组（P1m）的碳酸盐岩地层[24],以质纯、厚层、巨厚层微晶灰岩、生物碎屑灰岩、粉晶灰岩、白云岩等为主,岩性变化不大,总厚大于900 m,刚性和抗应变能力较强,具有极高的孔隙率、渗透率和富水性,属强可溶性地区。而周边区域出露地层基本以下、中三叠统陆源碎屑岩地层为主（粉砂岩、页岩、杂砂岩等）,总厚度大于3000 m,孔隙率、渗透率和富水性较低,总体属不可溶性地区。3.2.2 区域构造及演化 水晶宫所处区域位于由宽缓的箱状背斜（那社背斜）和紧密挤压槽状向斜（那社向斜）组成的褶曲带内,裂隙、节理、断裂和褶皱等十分发育。第四纪以来,总体处于区域构造运动相对平稳状态[24],各构造应力基本处于相对平衡状态,地壳稳定,基本没有产生任何新的构造变形,仍保持第四纪以来的地貌地势高差。但期间发生的区域地壳间歇性抬升,为围岩裂隙、节理的反复活化和洞穴次生化学沉积物的周期性发育提供了较好的内运动力条件（表2）。
Tab. 2
表2
表2广西巴马水晶宫围岩中的裂隙、节理与构造运动强度间的耦合关系
Tab. 2The coupling relationship among fissures, joints and tectonic intensity in surrounding rock of Shuijing Cave in Bama, Guangxi
| 构造运动 特征 | 发育特征 | 发育参数 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 隙宽 | 连续性 | 表面粗糙度 | 充填状况 | |||
| 极强 | 原有的裂隙、节理基本被破坏,生成新的裂隙系统 | 最宽 | 不强 | 最粗糙 | 完全没有充填 | |
| 较强 | 原有的裂隙、节理部分重新活化,部分被破坏,生成新的裂隙系统 | 较宽 | 不强 | 较粗糙 | 基本没有充填 | |
| 趋于 平稳 | 前期 | 裂隙、节理尚处于不平衡状态 | 大 | 一般 | 粗糙 | 少量 |
| 中期 | 裂隙、节理处于平衡状态 | 大 | 增强 | 逐渐光滑 | 由少至多 | |
| 后期 | 裂隙、节理处于平衡状态 | 大 | 最强 | 光滑 | 充满充填物 | |
| 区域间歇性运动 | 前期平衡状态被打破,裂隙、节理重新活化,但基本不生成新的裂隙系统 | 变大 | 变弱 | 粗糙 | 原先的充填物被破坏 | |
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3.3 区域水文条件
3.3.1 地表水演变及发育特征 自晚三叠世以来,水晶宫区域及其周边的暂时性地表流水,及季节性和常年性河流等[24]：① 由整个区域普遍发育演变为水晶宫区域逐渐萎缩,周边区域仍普遍发育。② 由各向独立分散流动的片流或漫流状态,逐渐演变、发育成局部统一的区域地表水排泄通道：水晶宫区域及其周边的地表水分别沿各洼（谷）地、落水洞、竖井、漏斗等岩溶负地貌及东、西两侧各汇水槽谷潜入地下,转为地下水,成为那社—江洲地下河最主要的补给源,水量季节性变化明显（图4）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4广西巴马水晶宫区域岩溶水与地表水相互转换示意图
-->Fig. 4The sketch map of interconversion between karst water and surface water in the area of Shuijing Cave in Bama, Guangxi
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3.3.2 地下水演变及发育特征 自晚三叠世至白垩纪末,水晶宫区域基本不发育地下水;自古近纪,开始发育浅层地下水,随后逐渐发育演变成地下河（古近纪和新近纪期间）及局部统一的地下河：那社—江洲地下河（上新世末至现代）[24]。它沿褶皱轴由南向北穿越水晶宫区域,越往下游,富水程度越大;而两侧外源水及岩溶区的季节性地表流水从两侧汇聚其中,且越靠近它,富水程度越高;它将水晶宫区域不同时代地层,不同类型含水岩组间的岩溶水联系起来,形成一个统一的含水岩体和水文地质单元（图4）。
3.4 洞穴环境
3.4.1 洞穴外部环境 （1）岩溶水特征 大气降水通过直接排入式、裂隙渗入式对各类岩溶水进行补给,形成管道式和裂隙式岩溶水,水量具有明显季节性变化。其中：裂隙式岩溶水,渗透深度极深,贯穿整个山体,形成表层水、浅层水、深部水等不同类型的岩溶水,在地层内纵向渗透或横向流动,大部分间接补给管道式岩溶水,又由泉或地下河出口排泄,汇流于周边地表河——盘阳河;小部分沿洞壁渗出,沉积生成形态、类型丰富的次生化学沉积物（图4,图5）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5广西巴马水晶宫区域岩溶水分带模式示意图
-->Fig. 5The sketch map of zoning modes of karst water in the area of Shuijing Cave in Bama, Guangxi
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（2）区域气候特征及演变 自晚三叠世以来,巴马地区多属湿润-潮湿亚热带、热带气候,炎热潮湿、水量充沛、生物繁盛[24]。现代,属亚热带季风气候,年均气温20.4℃,年均相对湿度79%,多年平均降雨量1532.2 mm,但降雨量呈两头小,中间大,比较集中,6-9月为主要雨季（洪水期,占全年总降水量的59%）,11月下旬至第二年4月上旬为旱季（枯水期,仅占全年总降水量的10%）,其余月份为平水期。
（3）岩溶水CO2来源和转换 雨水在下降过程中不断吸收大气中的CO2,使CO2含量稍高于初始时期;当地表流水渗入土壤中,暂时贮存于其中,与土壤进行全方位接触时,土壤空气中部分CO2溶于水转化成岩溶水中的CO2（CO2+H2O ? H2CO3）,CO2含量大幅升高,一般比大气CO2含量大十几倍以上,最高可达几百倍;在沿地表、浅层、中部、深部循环带继续潜蚀、下渗（CaCO3+H2O+CO2 ? Ca2++CO32-+H++HCO3-?Ca2++2HCO3-）补给管道式岩溶水的过程中,CO2含量仍不断得到增加,远远大于降水过程中吸收的CO2含量。上述过程意味着土壤层是岩溶水中CO2的最主要来源,主要通过裂隙式岩溶水进行转化和交换。因此对应不同的土壤类型、植被类型、植被覆盖率、气候类型和发育深度等,水晶宫不同区域具有不同的CO2含量（表3）。
Tab. 3
表3
表3广西巴马水晶宫区域不同类型、深度土壤空气中CO2含量的变化
Tab. 3The variation of CO2 concentration in different types of soil air at different depths in the area of Shuijing Cave in Bama, Guangxi
| 海拔高程(m) | 主要 土壤类型 | 主要 分布和采集部位 | 发育深度 (cm) | 对应植被 类型 | 对应植被 覆盖率(%) | 气候类型 | 土壤空气中CO2含量(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| > 700 | 黄色石灰土 | 山体陡坡上、石缝间 | 0~16 | 灌木林、少量杂木林 | 12.3~60.2 | 中亚 热带 | 0.12~0.28 |
| 550~700 | 黄色石灰土、砾质棕泥土 | 斜坡上、石缝及洼(谷)地间 | 0~21 | 灌木林和草本 | 16.9~55.7 | 0.09~0.67 | |
| < 550 | 棕色石灰土、冲积土、水稻土 | 洼(谷)地间 | 0~32 | 草本,间夹灌木林、杂木林 | 15.7~30.3 | 0.16~2.67 |
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（4）区域土壤、植被特征及演变 第四纪以来,水晶宫区域的土壤经历了由薄至厚（相对而言,最厚不超过35 cm）、植被经历了由稀疏到繁茂的演化过程,对水晶宫上部地层内裂隙式岩溶水的补给（如雨水的保持、裂隙的堵塞等）,及物理（如水量、渗入量、蒸发量等）、化学（如pH值、硬度、离子数等）特性等产生影响。现代水晶宫区域土壤包括自然土壤和耕作土壤,植被覆盖率介于12.3%~60.2%之间（表3）。
3.4.2 洞穴内部环境 洞穴次生化学沉积物是洞内环境变化的天然记录者。因此从水晶宫洞内各类次生化学沉积物的发育、分布特征等,可大致反演第四纪以来其内部环境经历了多期不同变化：渗出方式以滴水、壁流水为主,渗出量由大→小→无→大,洞内外空气的交换频率由高→弱→高,洞内温度基本与所处地质时期洞外年平均温度持平,相对湿度始终保持较高,CO2浓度略高于洞外等（表4）。
Tab. 4
表4
表4广西巴马水晶宫4个不同阶段洞穴次生化学沉积物成景耦合系统简要特征
Tab. 4The simplified features of coupling systems for the formation and development of speleothems of Shuijing Cave in Bama, Guangxi during four periods
| 成景要素 | 成景要素特征 | 影响权数(10分) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 大类 | 亚类 | ||||
| 区域地层 | 成景地层 | 下二叠统栖霞组(P1q)和茅口组(P1m)碳酸盐岩地层为主,岩性以浅灰、灰白色中—厚层灰岩为主 | 2→1→1→2 | 1→0.5→0.5→1 | |
| 岩溶地质特征 | 具有极高的孔隙率、渗透率和富水性,属强可溶性地区。同时各时代地层之间地下水互有水力联系,形成一个统一的含水岩体 | 1→0.5→0.5→1 | |||
| 区域构造 | 构造运动 | 区域构造平稳前期→平稳中期→平稳后期→区域地壳的微小振动和抬升 | 3→1→1→5 | 0.5→0.3→0.3→2 | |
| 变形特征 | 区域内各褶皱、断裂：不平衡状态→平衡状态→平衡状态→重新活化和活动,但规模相对较小,处于不平衡状态 | 0.5→0.2→0.2→1 | |||
| 围岩裂隙、节理 | 处于不平衡状态,宽度大,表面粗糙,间隙中开始有少量充填物,通水性强→平衡状态,宽度大,表面逐渐光滑,间隙中充填物逐渐由少至多,通水性逐渐由强趋弱→平衡状态,宽度大,表面光滑,间隙中充满充填物,通水性趋弱,至无→平衡状态被打破,重新活化,间隙中原先的充填物被破坏,通水性重新恢复强劲 | 2→0.5→0.5→2 | |||
| 洞穴外部环境 | 气候 | 湿润—潮湿亚热带季风气候,炎热潮湿,雨水丰富 | 3→4→4→2 | 1→1→1→1 | |
| 地表水 | 暂时性(季节性)地表流水十分发育 | 0.2→0.5→0.5→0.1 | |||
| 地下水：以围岩裂隙水为主 | 沿洞壁渗出的水量大,季节性变化明显→常年保持较大的径流模数值,季节性变化不明显→沿洞壁渗出的水量逐渐减少,甚至于至无→沿洞壁渗出的水量大,季节性变化明显 | 1→1→1→0.5 | |||
| 植被 | 被破坏→植被层形成,植被繁盛→植被繁盛→被破坏 | 0.2→0.5→0.5→0.1 | |||
| 土壤 | 被破坏→土壤层形成,发育有不同厚度的土壤→发育有不同厚度的土壤→被破坏 | 0.2→0.5→0.5→0.1 | |||
| 岩溶水CO2来源和转换 | 主要来源于大气,通过雨水在下降过程中不断吸收→主要来源于土壤层,通过裂隙式岩溶水进行转化和交换→同上一期→主要来源于大气,通过雨水在下降过程中不断吸收 | 0.4→0.5→0.5→0.2 | |||
| 洞穴内部环境 | 渗出方式和渗出量 | 以滴水、壁流水为主,水量大,季节性变化明显→以滴水、壁流水,及汇聚于洞底的底流水、池水等为主,常年水量大,季节性变化不明显→与上一期相似,但水量逐渐减少至无→以滴水、壁流水为主,水量大,季节性变化明显 | 2→4→4→1 | 1.5→2→2→0.5 | |
| 洞穴空气 | 交换 频率 | 与洞外空气基本一致,交换和循环频率较高→与洞外空气有一定的差异,主要表现为CO2浓度及温湿度间的差异,交换和循环频率高→与上一期相似,但交换和循环的频率趋弱→与洞外空气基本一致,交换和循环的频率极高 | 0.1→0.3→0.3→0.1 | ||
| 温度 | 恒温,略具季节性周期波动→恒温,与洞外年平均温度基本持平→保持上一期状态→恒温,略具季节性周期波动 | 0.1→0.2→0.2→0.1 | |||
| 相对 湿度 | 相对湿度大,略具季节性周期波动→相对湿度大,且常年基本保持恒湿→保持上一期状态→相对湿度大,略具季节性周期波动 | ||||
| CO2 浓度 | 稍高于洞外→高于洞外,洞内不同部位有一定的变化幅度→保持上一期状态→稍高于洞外 | 0.3→1.5→1.5→0.3 | |||
| 成景要素 耦合分析 | 总体尚处于不平衡状态→总体处于平衡状态→总体处于平衡状态→区域地壳微小振动和抬升,总体又处于极不平衡状态 | ||||
| 主导性成景要素：区域构造和外部环境→洞穴外部环境和内部环境→洞穴外部环境和内部环境→区域构造 | |||||
| 成景过程 和特征 | 历经：形成发育(类型、形态单一,体量小,数量少,总体处于初始发育阶段,相当于婴儿与少年期)→大规模发育(类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于大规模发育阶段,相当于青壮年期)→缓慢/停止发育(类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于缓慢发育,或停止发育/风化阶段,相当于老年期)→崩塌(局部——产生“传承效应”或全部——产生“断层效应”)等4个成景阶段 | ||||
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2009年1月至2010年12月,通过洞穴空气自动监测系统,每天隔4个小时对水晶宫不同部位洞穴空气主要参数的连续变化量进行了自动、实时、连续的监测,并分析了水晶宫内部环境：① 年平均气温20.43℃;② 年平均相对湿度83.8%;③ CO2年平均浓度1210.08 ppm;④ 负离子平均浓度33750个/cm3;⑤ 年平均氧气（O2）浓度19.62%。综上分析,洞内各环境参数与洞道深度变化具有一定的关系：由前部→中部→末端,温度、湿度、CO2浓度等逐渐增大,但变幅很小;同时受洞腔整体较封闭及洞顶和洞壁滴水、渗水影响,洞内温度较低,基本与当地常年平均气温持平,湿度也很高（图6,图7,图8）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图62009年1月-2010年12月广西巴马水晶宫温度变化曲线(图表中1~12分别为2009年1-12月的温度数据,13~24分别为2010年1-12月的温度数据）
-->Fig. 6The temperature variation of Shuijing Cave in Bama, Guangxi from January, 2009 to December, 2010 (1-12 represent the temperature variation from January to December, 2009; 13-24 represent the temperature variation from January to December, 2010)
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图72009年1月-2010年12月广西巴马水晶宫湿度变化曲线(图表中1~12分别为2009年1-12月的湿度数据,13~24分别为2010年1-12月的湿度数据)
-->Fig. 7The humidity variation of Shuijing Cave in Bama, Guangxi from January, 2009 to December, 2010 (1-12 represent the humidity variation from January to December of 2009; 13-24 represent the humidity variation from January to December of 2010)
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图82009年1月-2010年12月广西巴马水晶宫CO2浓度变化曲线(图表中1-12分别为2009年1-12月的CO2浓度数据,13-24分别为2010年1-12月的CO2浓度数据)
-->Fig. 8The variation of CO2 content of Shuijing Cave in Bama, Guangxi from 2009.1 to 2010.12 (1-12 represent the CO2 content variation from January to December of 2009; 13-24 represent the CO2 content variation from January to December of 2010)
-->
3.5 水晶宫洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境间耦合关系和成景过程的分析
第四纪以来,受区域构造运动由平稳前期→平稳中期→平稳后期→间歇性抬升的控制和影响[24],各成景要素特征和影响权数发生了相应的变化,形成水晶宫4个不同成景时期和阶段的“次生化学沉积物成景耦合系统”,各成景要素间的耦合关系由总体尚处于不平衡状态→总体处于平衡状态→总体处于平衡状态→总体又处于极不平衡状态,主导性成景要素由区域构造和外部环境→洞穴外部环境和内部环境→洞穴外部环境和内部环境→区域构造,对应洞穴次生化学沉积物形成发育过程中的类型、形态、数量和规模等也发生了相应的变化,并沿“形成发育（类型、形态单一,体量小,数量少,总体处于初始发育阶段,相当于婴儿与少年期）→大规模发育（类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于大规模发育阶段,相当于青壮年期）→缓慢/停止发育（类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于缓慢发育,或停止发育/风化阶段,相当于老年期）→崩塌（局部—产生“传承效应”或全部—产生“断层效应”）→形成发育（类型、形态单一,体量小,数量少）”等4个不同阶段进行周期性发育（表4）。3.5.1 区域构造平稳前期——洞穴次生化学沉积物形成发育阶段 受前期区域间歇性构造运动的持续影响,各成景要素总体尚处于不平衡状态,主导性成景要素为构造与外部环境成景要素。此阶段中：大量暂时性地表流水沿围岩裂隙直接渗入,未经植被层和土壤层的储存和转换,沿洞壁渗出,水量大,但季节性变化明显,沉积形成少量形态、类型较单一,体量较小,以石笋、石钟乳、壁流石的基本形态为主的次生化学沉积物,形成新一轮洞穴次生化学沉积物的雏形;同时前期残留的也继续发育。
此阶段总体处于洞穴次生化学沉积物初始发育阶段,沉积物表面多呈乳白色。此阶段持续时间极短,一般在区域间歇性构造运动后5~10年内（图9）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图9区域构造平稳前期—洞穴次生化学沉积物形成发育阶段成景耦合系统示意图
-->Fig. 9The coupling system for the formation and development of speleothems -- early stable period of regional tectonic movement
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3.5.2 区域构造平稳中期——洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段 这一阶段区域构造平稳,各成景要素总体处于平衡状态,主导性成景要素为洞穴外部环境和内部环境。此阶段中：大量暂时性地表流水沿围岩裂隙渗入,经植被层和土壤层的储存和转换,沿洞壁渗出,水量大,常年基本保持不变,沉积形成大量类型、形态丰富,体量巨大的次生化学沉积物,总体处于洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段,沉积物表面总体光亮。此时期洞内次生化学沉积物的分布格局和规模形态已基本形成。目前,水晶宫内保持完好的大型钟乳石就是这一过程最直接的证据（图10）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10区域构造平稳中期——洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段成景耦合系统示意图
-->Fig. 10The coupling system for large-scale development of speleothems -- middle stable period of regional tectonic movement
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3.5.3 区域构造平稳后期——洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段 区域构造平稳,各成景要素总体处于平衡状态,主导性成景要素为外部环境和内部环境。此阶段中：大量暂时性地表流水沿围岩裂隙渗入,经植被层和土壤层的储存和转换,沿洞壁渗出,但随裂隙、节理间充填物逐渐增多,水量逐渐减少,甚至于无,以前期沉积物的继承性发育为主,类型、形态、体量、数量和前期基本相似,局部出现较大面积的非重力沉积,以卷曲石为主,总体处于洞穴次生化学沉积物缓慢发育,或停止发育/风化阶段,沉积物表面总体发黑。此时期洞内次生化学沉积物的分布格局和规模形态已基本确定。若期间不发生区域间歇性构造运动,则将保持至今（图11）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图11区域构造平稳后期—洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段成景耦合系统示意图
-->Fig. 11The coupling system for the period when speleothems developed slowly or cease growing -- late stable period of regional tectonic movement
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此阶段持续时间也较长,可维持几万、十几万年。它与上一个成景时期/阶段的成景要素的特征和影响权数基本相似,但两个阶段之间有着明显的差异：① 围岩裂隙、节理间充填物的发育状态;② 洞壁岩溶水渗出量的多寡;③ 洞穴次生化学沉积物总体发育状态。
3.5.4 区域间歇性构造运动——洞穴次生化学沉积物崩塌阶段 区域地壳的微小振动和抬升,会导致各成景要素及相互之间的平衡状态被打破,前期形成的洞穴次生化学沉积物全部崩塌（随后将进入一个全新的发育周期,沉积物特征与前一周期完全不同,称之为“断层效应”,图12）,或局部崩塌（随后将进入一个以继承性改造和发育为主的发育周期,沉积物特征与前一周期基本相似,称之为“传承效应”,图13）,各成景要素总体处于极不平衡状态,主导性成景要素为区域构造。此阶段既是上一轮洞穴次生化学物发育的终点,又是新一轮洞穴次生化学物重新发育的开端（图14）。此期历时极为短暂,同时受区域间歇性构造运动控制和影响。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12区域间歇性构造运动—洞穴次生化学沉积物崩塌阶段成景耦合系统示意图(“断层效应”)
-->Fig. 12The coupling system for speleothems collapse -- intermittent regional tectonic movemen ("fault effect")
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图13区域间歇性构造运动——洞穴次生化学沉积物崩塌阶段成景耦合系统示意图(“传承效应”)
-->Fig.13The coupling system for speleothems collapse -- intermittent regional tectonic movemen ("inheriting effect")
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图14区域构造平稳前期(新一轮)——洞穴次生化学沉积物形成发育阶段成景耦合系统示意图(“重新发育的开端”)
-->Fig. 14The coupling system for the formation and development of speleothems (the beginning of regrowth) -- early stable period of regional tectonic movement (new round)
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上述4个阶段既是对水晶宫洞穴次生化学沉积物成景耦合过程的一般性概括,也是对洞穴次生化学沉积物成景耦合过程的总体概括。受不同成景时期/阶段,各成景要素不同耦合关系的制约和影响,同一周期不同成景时期/阶段间的时间间隔及发育周期的次数,受区域间歇性构造运动控制,长短和次数不一,并表现出不同的沉积特征。犹如同代人不同家族（同一区域不同洞穴间）,或同一家族几代人之间（同一洞穴分别属于不同发育周期的次生化学沉积物）,同一家庭的几个不同成员之间不同成长过程（同一洞穴不同类型次生化学沉积物间不同的发育阶段和特征：婴儿与少年期→青壮年期→老年期）,它们具有不同的孕育、生长环境和发育过程,表现出不同的特征。
3.6 水晶宫洞穴次生化学沉积物现代成景耦合过程及演变趋势
现代,水晶宫具备与“区域构造平稳后期—洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段”高度相似的发育条件,总体处于区域构造平稳后期—洞穴次生化学沉积物缓慢发育/停止发育阶段：裂隙水正从洞顶或洞壁渗出,以滴水、壁流水、毛细水为主,水量常年较小,季节性变化不明显,洞内恒温、恒湿,CO2浓度较高（图6,图7,图8）,正在形成众多晶莹剔透、分布面积较大的卷曲石、石毛、石花和鹅管等体量微型/小型的沉积物（主要分布于洞穴后部）;而前期形成的类型丰富、形态多姿多彩、体量巨大、数量大的沉积物,它们的类型、形态、体量、数量基本保持不变,但总体上已停止发育,多数沉积物表面发黑,如洞穴前部的多数沉积物;仅有少数沉积物仍在进行继承性发育,如中、后部的少数壁流石和石钟乳、石笋等。在今后可预测的时间内,各成景要素不可能发生改变,水晶宫将继续以众多晶莹剔透、分布面积较大的卷曲石、石毛、石花和鹅管等体量微型/小型沉积物的继承性发育为主。
2008年以来,随着水晶宫的旅游开发,大量游客涌入（每天游客约300人,年接待游客约达12万人次）,使洞内外之间空气交换的频率增加、洞内CO2浓度和平均温度略微上升,洞内原先部分晶莹剔透的卷曲石、石毛、石花和鹅管等表面开始发黄（表明在形成的同时,开始发生风化作用）,洞内出现了一定数量的灯光植物（表明洞内外空气交换频率增加,游客的大量涌入,洞内灯光产生的热量等使洞内环境开始适宜部分低等植物生长,也直接证明洞内环境产生了一定的微调）。如若不采取相应缓解措施（如减少洞内外空气交换频率、灯光照射时间和热量等）,继续保持此趋势,且持续时间够长（10~20年）,洞穴环境将会产生不可逆转的改变,众多晶莹剔透、分布面积较大的卷曲石、石毛、石花和鹅管等由晶莹剔透,先变成发黄,再慢慢变黑。
4 结论
在野外考察和对洞穴空气长期监测的基础上,通过对地质背景、内外环境的系统分析,全面系统地探讨广西巴马水晶宫洞穴次生化学沉积物的成景耦合过程,主要结论如下:（1）洞穴中各类次生化学沉积物与洞穴及其区域地质背景、自然地理环境及洞穴环境等各因素之间存在着复杂的反馈关系,即洞穴次生化学沉积物、地质背景、洞穴外部环境及洞穴内部环境之间存在着复杂的“网”式反馈系统,它们共同的作用对象为洞穴,通过它,它们之间相互作用构成一个动态、复杂的洞穴次生化学沉积物成景耦合系统,并通过不同的物理、化学和生物过程形成丰富多彩的洞穴次生化学沉积物。
（2）洞穴次生化学沉积物形成与演化的直接动力是富含CO2和其他酸性物质的岩溶裂隙水,演化的方向和空间分布受可溶岩结构和分布、地质构造和构造运动性质、水文气候变化等的控制和影响;同时受构造运动的宏观控制,洞穴次生化学沉积物演化是多旋回的,出现不同时期洞穴次生化学沉积物同时并存的现象。而目前洞穴次生化学沉积物是其形成演化过程中某一阶段形态的产物,是其动态演化过程中“某一瞬间”的形态。
（3）通过对巴马水晶宫区域地质背景（区域地层岩性、构造等）、洞穴外部环境（气候特征及演变、岩溶水CO2来源和转换、岩溶水补给和发育特征的演变、植被特征、土壤类型和覆盖特征等）、洞穴内部环境（洞壁岩溶水渗出方式、渗出量、洞穴空气、CO2含量、温湿度等）等的系统分析,建立起水晶宫洞穴次生化学沉积物成景耦合系统。
（4）按不同地史时期区域构造运动的程度及洞穴次生化学沉积物的形成特征,将水晶宫洞穴次生化学沉积物成景耦合过程,划分为4个可往复循环的阶段,并探讨了不同阶段的形成演化特征：① 区域构造平稳前期——洞穴次生化学沉积物形成发育阶段（类型、形态单一,体量小,数量少,总体处于初始发育阶段,相当于婴儿与少年期）。② 区域构造平稳中期——洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段（类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于大规模发育阶段,相当于青壮年期）。③ 区域构造平稳后期——洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段（类型丰富、形态多姿多彩,体量大,数量多,总体处于缓慢发育,或停止发育/风化阶段,相当于老年期）。④ 区域间歇性构造运动——洞穴次生化学沉积物崩塌阶段（局部崩塌——产生“传承效应”;或全部崩塌——产生“断层效应”）。同时对应4个阶段,各成景要素的特征也发生了相应变化：① 各成景要素间的耦合关系,由总体尚处于不平衡状态→总体处于平衡状态→总体处于平衡状态→区域地壳微小振动和抬升,总体又处于极不平衡状态;② 主导性成景要素,由区域构造和外部环境→洞穴外部环境和内部环境→洞穴外部环境和内部环境→区域构造;③ 洞穴次生化学沉积物的类型、形态、数量和规模等也发生了相应的变化。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
| [1] | 为填补我国洞穴钟乳石类尚无一较系统的分类方案的空白,根据我国 洞穴调查与探测的现有研究程度与发现,和我国主要属"雨水型喀斯特"的基本特点,提出了一个以钟乳石类形成的水动力机制为基础,以形态特征为主导,较适宜 于中国洞穴应用的分类方案,共有重力水沉积、非重力水沉积、协同沉积、叠置沉积和异因同形沉积五大类,列出和讨论了在国内洞穴中已被发现分属于各类的60 多种个体形态名称及其部分特征. . 为填补我国洞穴钟乳石类尚无一较系统的分类方案的空白,根据我国 洞穴调查与探测的现有研究程度与发现,和我国主要属"雨水型喀斯特"的基本特点,提出了一个以钟乳石类形成的水动力机制为基础,以形态特征为主导,较适宜 于中国洞穴应用的分类方案,共有重力水沉积、非重力水沉积、协同沉积、叠置沉积和异因同形沉积五大类,列出和讨论了在国内洞穴中已被发现分属于各类的60 多种个体形态名称及其部分特征. |
| [2] | 洞穴学发展到现阶段，已成为一门综合性交叉学科。本文综述在洞穴分类、洞穴发育演化机理和模拟实验研究、洞穴探测与国际合作、洞穴资源及数据库建设、洞穴沉积物分类及成因研究、洞穴石笋的古环境记录研究、洞穴生物研究、洞穴景观旅游开发、洞穴环境系统观测与洞穴医疗试验研究、洞穴保护与管理等方面所取得的进展。 . 洞穴学发展到现阶段，已成为一门综合性交叉学科。本文综述在洞穴分类、洞穴发育演化机理和模拟实验研究、洞穴探测与国际合作、洞穴资源及数据库建设、洞穴沉积物分类及成因研究、洞穴石笋的古环境记录研究、洞穴生物研究、洞穴景观旅游开发、洞穴环境系统观测与洞穴医疗试验研究、洞穴保护与管理等方面所取得的进展。 |
| [3] | 中国岩溶旅游资源类型丰富，分布于不同的岩溶区域，具有集中性、差异性和地区性等空间分布特 征。按地理和行政区域及系统分区分类的方法，将中国岩溶区域分为4级：区域、区、亚区和样块，并以岩溶景观的山景、水景、洞景等3种主要类型来分析、总结 和概括各岩溶区的景观异质性、组合特征、特色等。认为岩溶景观发育过程是沉积过程、岩溶过程、构造运动和气候变化的统一复合体，是一个富反馈的系统，在影 响和控制岩溶景观发育的各因素之间存在着复杂的反馈关系并构成一个动态、复杂的岩溶景观成景耦合系统，它们共同的作用对象是成景地层，通过不同的物理、化 学和生物过程来完成。通过分析总结认为各岩溶区域成景耦合系统间的差异是造成中国岩溶旅游资源空间异质性的根本原因。 . 中国岩溶旅游资源类型丰富，分布于不同的岩溶区域，具有集中性、差异性和地区性等空间分布特 征。按地理和行政区域及系统分区分类的方法，将中国岩溶区域分为4级：区域、区、亚区和样块，并以岩溶景观的山景、水景、洞景等3种主要类型来分析、总结 和概括各岩溶区的景观异质性、组合特征、特色等。认为岩溶景观发育过程是沉积过程、岩溶过程、构造运动和气候变化的统一复合体，是一个富反馈的系统，在影 响和控制岩溶景观发育的各因素之间存在着复杂的反馈关系并构成一个动态、复杂的岩溶景观成景耦合系统，它们共同的作用对象是成景地层，通过不同的物理、化 学和生物过程来完成。通过分析总结认为各岩溶区域成景耦合系统间的差异是造成中国岩溶旅游资源空间异质性的根本原因。 |
| [4] | Measurement of glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) preserved in speleothems offers a potential proxy for past temperature but, in general, their origin is unknown. To understand the source of speleothem GDGTs, we undertook an irrigation experiment to activate drip sites within a hydrogeochemically well characterised cave. The cave drip water was analysed for GDGTs, inorganic elements (major ions and trace elements), stable isotopes and dissolved organic matter concentration and character. Published speleothem GDGT records from the site have been observed to be dominated by isoprenoid GDGTs and interpreted as deriving from in situ microbial communities within the cave or vadose zone. The drip water in our irrigation experiment had a GDGT distribution distinct from that of soil and speleothem samples, providing direct evidence that the distinctive GDGT signature in speleothems is derived from a subsurface source. Analysis of GDGTs in this context allowed further elucidation of their source and transport in cave systems, enhancing our understanding of how they might be used as a temperature proxy. |
| [5] | 大气降水渗入土壤,穿过围岩, 将气候与地表环境信息导入洞穴滴水,最终被洞穴沉积物所记录,因而研究土壤、围岩与洞穴滴水的地球化学组成及3者之间的联系对了解气候和环境信号的传递以 及石笋古环境信息的正确解译十分重要。通过对比清江地区和尚洞上覆土壤、围岩与滴水的元素及锶同位素N(87Sr)/N(86Sr)地球化学组成特征,进 而调查土壤和围岩对洞穴滴水水化学的影响。结果表明:滴水的n(Mg)/n(Ca)、n(Ba)/n(Ca)、n(Sr)/n(Ca)及N87Sr) /N(86Sr)介于土壤和围岩之间,说明滴水物质组成来自土壤和围岩的混合;滴水的n(S)/n(Ca)大于土壤和围岩,说明有第三端元的混入,可能是 大气硫沉降的结果。通过模型计算可知,土壤和围岩对和尚洞滴水各元素组成的贡献并不相同,贡献的相对大小不仅与元素本身的地球化学性质有关,而且随气候和 环境而发生变化。 . 大气降水渗入土壤,穿过围岩, 将气候与地表环境信息导入洞穴滴水,最终被洞穴沉积物所记录,因而研究土壤、围岩与洞穴滴水的地球化学组成及3者之间的联系对了解气候和环境信号的传递以 及石笋古环境信息的正确解译十分重要。通过对比清江地区和尚洞上覆土壤、围岩与滴水的元素及锶同位素N(87Sr)/N(86Sr)地球化学组成特征,进 而调查土壤和围岩对洞穴滴水水化学的影响。结果表明:滴水的n(Mg)/n(Ca)、n(Ba)/n(Ca)、n(Sr)/n(Ca)及N87Sr) /N(86Sr)介于土壤和围岩之间,说明滴水物质组成来自土壤和围岩的混合;滴水的n(S)/n(Ca)大于土壤和围岩,说明有第三端元的混入,可能是 大气硫沉降的结果。通过模型计算可知,土壤和围岩对和尚洞滴水各元素组成的贡献并不相同,贡献的相对大小不仅与元素本身的地球化学性质有关,而且随气候和 环境而发生变化。 |
| [6] | The suitability of speleothems for interpreting palaeoclimate is typically determined by using either the Hendy Test, overlapping analysis or long-term cave environment monitoring. However, in many cases, these methods are not applicable, because a speleothem lacks clearly traceable layers for the Hendy Test, it is difficult to obtain an overlapping speleothem nearby, or long-term cave monitoring is impractical. The authors propose a multiple cave deposit approach to assess the suitability of speleothems for palaeoclimate study. Speleothems collected from two sites within Raccoon Mountain Cave, Tennessee (USA) exhibit remarkable spatial variation (delta C-13: -10 center dot 3 parts per thousand to -2 center dot 2 parts per thousand) over a relatively short distance (ca 260m). Drip water delta O-18 values exhibit a seasonal precipitation signal at Site 1 and an annual signal at Site 2. Combining field observations, water isotope analysis and trace-element data, the authors propose that the speleothem formation at Site 1 and Site 2 tapped distinct sources of CO2: (i) CO2 derived from overlying soils for Site 1; and (ii) limestone dissolved inorganic carbon induced by ground water dissolution for Site 2. Using fresh cave deposits (modern speleothem) delta C-13 (100% C3 vegetation) as an analogue, a simple model was developed to estimate land surface vegetation for speleothems. The speleothem formation temperature estimated using fresh cave deposit delta O-18 values generally reflects the mean annual temperature in this region. This study indicates that spatial variations in carbon isotopes could be caused by different carbon sources dominating in different parts of the cave, which should be taken into consideration by researchers when using speleothem delta C-13 values to reconstruct temporal palaeo-vegetation changes. This study demonstrates a practical sampling strategy for verifying suitability of speleothems for palaeo-vegetation and palaeo-temperature reconstructions by analysing multiple cave deposits, especially for cases in which the Hendy Test, parallel sampling and long-term monitoring of cave environment are not feasible. |
| [7] | Four Missouri stalagmites yield consistent overlapping records of and isotopic changes and provide a climate and vegetation history with submillennial resolution from 75 to 25 thousand years ago (ka). The -230-dated records reveal that between 75 and 55 ka, the midcontinental climate oscillated on millennial time scales between cold and warm, and vegetation alternated among forest, savanna, and prairie. Temperatures were highest and prairie vegetation peaked between 59 and 55 ka. Climate cooled and forest replaced grassland at 55 ka, when global ice sheets began to build during the early part of Marine Isotope Stage 3. |
| [8] | 由于定年准确、分辨率高、沉积相对连续等优点,洞穴石笋逐渐成为古气候变化研究中的一个亮点.与石笋中的其他记录（如稳定同位素、微量元素）相比,石笋生长速率的测量相对简便、且成本低廉. . 由于定年准确、分辨率高、沉积相对连续等优点,洞穴石笋逐渐成为古气候变化研究中的一个亮点.与石笋中的其他记录（如稳定同位素、微量元素）相比,石笋生长速率的测量相对简便、且成本低廉. |
| [9] | . |
| [10] | We employ a simple first-order 222 Rn mass balance model to estimate cave air exchange rates with the outside atmosphere. Ventilation occurs via density driven flow and by winds across the entrances which create a ‘venturi’ effect. The most rapid ventilation occurs 2502m inside the cave near the entrance: 4502h 61021 (1.3302min turnover time). Farther inside (17502m) exchange is slower and maximum ventilation rates are 302h 61021 (2202min turnover time). We estimate net CO 2 flux from the epikarst to the cave atmosphere using a CO 2 mass balance model tuned with the 222 Rn model. Net CO 2 flux from the epikarst is highest in summer (7202mmol m 61022 day 61021 ) and lowest in late autumn and winter (1202mmol m 61022 day 61021 ). Modeled ventilation and net CO 2 fluxes are used to estimate net CO 2 outgassing from the cave to the atmosphere. Average net CO 2 outgassing is positive (net loss from the cave) and is highest in late summer and early autumn (about 402mol h 61021 ) and lowest in winter (about 0.502mol h 61021 ). Modeling of ventilation, net CO 2 flux from the epikarst, and CO 2 outgassing to the atmosphere from cave monitoring time-series can help better constrain paleoclimatic interpretations of speleothem geochemical records. |
| [11] | The results of one year’s monitoring in Srednja Bijambarska Cave (Bosnia and Herzegovina) are presented and discussed. Temporal variations of the carbon dioxide (CO 2 ) concentration are controlled by the switching between two ventilation regimes driven by outside temperature changes. A regression model with a simple perfectly mixed volume applied to a cave sector (“Music hall”) resulted in an estimate of ventilation rates between 0.02 h 611 and 0.54 h 611 . Carbon dioxide input per plan surface unit is estimated by the model at around 50 ×10 616 mh 611 during the winter season and up to more than 1000×10 616 mh 611 during the first temperature falls at the end of summer (0.62μmoles m 612 s 611 and 12.40μmolesm 612 s 611 for normal conditions respectively). These values have been found to be related to the cave ventilation rate and dependent on the availability of CO 2 in the surrounding environment. For airflow close to zero the values of CO 2 input per plan surface have a range in the order of magnitude of a few units ×10 616 mh 611 . Based on two experiments, the anthropogenic contribution from cave visitors has been calculated, at between 0.35l CO2 min 611 person 611 and 0.45l CO2 min 611 person 611 . |
| [12] | 研究旅游洞穴的环境变化，关键是要弄清洞穴开放后，人为因素对洞穴环境的影响。通过实地测量沂源九天洞洞穴空气温度、湿度、CO2浓度、水化学特征和游客量的变化，研究旅游洞穴环境变化中的人为影响，并把它与自然影响做简单的比较。沂源溶洞环境变化研究将为洞穴景观的保护提供科学依据，同时对其他洞穴的保护起借鉴作用。 . 研究旅游洞穴的环境变化，关键是要弄清洞穴开放后，人为因素对洞穴环境的影响。通过实地测量沂源九天洞洞穴空气温度、湿度、CO2浓度、水化学特征和游客量的变化，研究旅游洞穴环境变化中的人为影响，并把它与自然影响做简单的比较。沂源溶洞环境变化研究将为洞穴景观的保护提供科学依据，同时对其他洞穴的保护起借鉴作用。 |
| [13] | Cave air P CO 2 at two Irish sites varied dramatically on daily to seasonal timescales, potentially affecting the timing of calcite deposition and consequently climate proxy records derived from stalagmites collected at the same sites. Temperature-dependent biochemical processes in the soil control CO 2 production, resulting in high summer P CO 2 values and low winter values at both sites. Large Large-amplitude, high-frequency variations superimposed on this seasonal cycle reflect cave air circulation. Here we model stalagmite growth rates, which are controlled partly by CO 2 degassing rates from drip water, by considering both the seasonal and high-frequency cave air P CO 2 variations. Modeled hourly growth rates for stalagmite CC-Bil from Crag Cave in SW Ireland reach maxima in late December (0.063μm h 61021 ) and minima in late June/early July (0.033μm h 61021 ). For well-mixed ‘diffuse flow’ cave drips such as those that feed CC-Bil, high summer cave air P CO 2 depresses summer calcite deposition, while low winter P CO 2 promotes degassing and enhances deposition rates. In stalagmites fed by well-mixed drips lacking seasonal variations in δ 18 O, integrated annual stalagmite calcite δ 18 O is unaffected; however, seasonality in cave air P CO 2 may influence non-conservative geochemical climate proxies (e.g., δ 13 C, Sr/Ca). Stalagmites fed by ‘seasonal’ drips whose hydrochemical properties vary in response to seasonality may have higher growth rates in summer because soil air P CO 2 may increase relative to cave air P CO 2 due to higher soil temperatures. This in turn may bias stalagmite calcite δ 18 O records towards isotopically heavier summer drip water δ 18 O values, resulting in elevated calcite δ 18 O values compared to the ‘equilibrium’ values predicted by calcite–water isotope fractionation equations. Interpretations of stalagmite-based paleoclimate proxies should therefore consider the consequences of cave air P CO 2 variability and the resulting intra-annual variability in calcite deposition rates. |
| [14] | ABSTRACT Carbon dioxide concentrations in Ballynamintra Cave, S. Ireland, generally increase with distance from the entrance, but this trend is non-linear because physical constrictions and slope changes compartmentalize the cave into zones with distinct PCO2 signatures. In this cave, CO2 originates from the soil and enters the cave by degassing from dripwater and by seeping through fractures, and is then transported throughout the cave by advection. Elevated concentrations in roof fissures, joints, and adjacent to walls suggest that these locations shelter CO2 gas from advection and permit local accumulation. CO2 enrichment was noted over a sediment accumulation, suggesting that microbial oxidation of organic compounds in the sediment provided an additional CO2 source distinct from the soil zone above the cave. Advection driven by external barometric pressure variations caused ventilation, which is the principal CO2 sink. The data presented here underscore the need for high resolution data to adequately characterize cave air PCO2 variability. |
| [15] | The present study reports the Quaternary vertebrate fauna of Gruta do Ioio, a partially submerged limestone cave located in central Bahia, northeastern Brazil. A semi-arid weather prevails nowadays in the area, which is mostly covered by a xeric low arboreal scrubland known as Caatinga. The identified taxa include: Rhamdia (Osteichtyes, Siluriformes), Caiman (Crocodyliformes, Caimaninae), Myocastor cf. Myocastor coypus (Rodentia, Myocastoridae), Holochilus sciureus (Rodentia, Sigmodontinae), Natalus cf. Natalus macrourus (Chiroptera, Natalidae), Tonatia bidens, Trachops cirrhosus (Chiroptera, Phyllostomidae), and Eira cf. Eira barbara (Carnivora, Mustelidae). Whereas Rhamdia and Caiman have scarce fossil records, the recovered mammals have already been reported from Quaternary localities of northeastern Brazil, although only two of them are present in the current local fauna. Taphonomic signatures and the nature of the fossiliferous site indicate that the vertebrates lived inside or nearby the cave, including the swamp by its main entrance. Radiocarbon dating of dental bioapatite yielded calibrated ages between 19,980 and 22,040 BP. This indicates that the accumulation started at least during the late Pleistocene, within the Last Glacial Maximum. In agreement with the mode of life of most taxa recognized here, previous studies indicated that this was a wetter period in the region. (C) 2014 Elsevier Ltd and INQUA. All rights reserved. |
| [16] | 为了从石笋中提取更多的古气候信息,以用于气候预测,需要研究现代洞穴沉积过程与周围环境变化的关系。本文通过对贵州5个洞穴现代沉积玻片上菱形方解石的长度与滴水变率观测研究发现,在洞穴滴水不间断的情况下,滴水变率较小的滴水点,菱形方解石晶体长轴生长速率较快,反之,生长速率较慢。反映在石笋中,石笋晶体粒径较大说明处于降水稳定时期,石笋晶体粒径较小指示沉积时期降水变率较大,气候不稳定。 . 为了从石笋中提取更多的古气候信息,以用于气候预测,需要研究现代洞穴沉积过程与周围环境变化的关系。本文通过对贵州5个洞穴现代沉积玻片上菱形方解石的长度与滴水变率观测研究发现,在洞穴滴水不间断的情况下,滴水变率较小的滴水点,菱形方解石晶体长轴生长速率较快,反之,生长速率较慢。反映在石笋中,石笋晶体粒径较大说明处于降水稳定时期,石笋晶体粒径较小指示沉积时期降水变率较大,气候不稳定。 |
| [17] | 巴马县水晶宫洞内次生化学沉积物景观丰富,类型多样,有石钟乳、石幔、石瀑布、石笋、石柱、石盾等特色景观;尤其是近期仍在发育的洞顶鹅管、卷曲石、石花等是国内外较为罕见的洞穴奇景.据沉积物的沉积类型、物质成分、沉积序次及测年等资料研究表明,水晶宫洞穴沉积物形成于晚第三纪以来.晚第三纪和第四纪早更新世早期,洞内沉积主要为外源水携带的硅质岩、砂岩类砾石沉积形成的钙华砾石层.早更新世中期一中更新世气候温暖湿润,是水晶宫洞穴主要景观的形成期,沉积物景观宏大而壮观,230Th-U系测年得出其分别形成于100～35万年前.晚更新世早期1 2.5～9万年的末次间冰期主要为温暖气候环境,洞内仅有少量的石笋沉积,且极少保存；9万年后气候环境发生突变,更不利沉积物发育和保存；自4万年后气候环境开始表现为温暖湿润,化学沉积活跃,洞穴沉积物主要由高约50～150 cm的纯白色石笋群和钟乳石组成,为洞穴奇景的形成期,230Th-U系测年得出其分别形成于40 ka BP和7 500a BP以及1450a BP.晚更新世晚期以来形成的洞穴沉积物景观,不仅为水晶宫提供了丰富的旅游资源和价值,同时也为广西重建古气候环境提供了重要的信息载体. . 巴马县水晶宫洞内次生化学沉积物景观丰富,类型多样,有石钟乳、石幔、石瀑布、石笋、石柱、石盾等特色景观;尤其是近期仍在发育的洞顶鹅管、卷曲石、石花等是国内外较为罕见的洞穴奇景.据沉积物的沉积类型、物质成分、沉积序次及测年等资料研究表明,水晶宫洞穴沉积物形成于晚第三纪以来.晚第三纪和第四纪早更新世早期,洞内沉积主要为外源水携带的硅质岩、砂岩类砾石沉积形成的钙华砾石层.早更新世中期一中更新世气候温暖湿润,是水晶宫洞穴主要景观的形成期,沉积物景观宏大而壮观,230Th-U系测年得出其分别形成于100～35万年前.晚更新世早期1 2.5～9万年的末次间冰期主要为温暖气候环境,洞内仅有少量的石笋沉积,且极少保存；9万年后气候环境发生突变,更不利沉积物发育和保存；自4万年后气候环境开始表现为温暖湿润,化学沉积活跃,洞穴沉积物主要由高约50～150 cm的纯白色石笋群和钟乳石组成,为洞穴奇景的形成期,230Th-U系测年得出其分别形成于40 ka BP和7 500a BP以及1450a BP.晚更新世晚期以来形成的洞穴沉积物景观,不仅为水晶宫提供了丰富的旅游资源和价值,同时也为广西重建古气候环境提供了重要的信息载体. |
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| [19] | The delta C-13 values of 23 unevenly spaced guano samples from a 17-cm long clay sediment profile in Gaura cu Musca Cave (GM), in SW Romania, made it possible to preliminarily characterize the Medieval Warm Period summer hydroclimate regime. The beginning of the sequence (AD 990) was rather wet for more than a century, before becoming progressively drier. After a brief, yet distinct wet period around AD 1170, drier conditions, with a possible shift from C-3 to a mixed C-3-dominated/C-4 type vegetation (2 parts per thousand lower delta C-13 values), prevailed for almost half a century before the climate became colder and wetter at the onset of the Little Ice Age, when bats left the cave. The guano-inferred wet and dry intervals from the GM Cave are mirrored by changes in the color and amount of clay accumulated in the cave. They also agree well with reconstructions based on pollen and charcoal from peat bogs and delta C-13 and delta O-18 on speleothems from other Romanian sites. Overall, these results indicate that the delta C-13 of bat guano can provide a sensitive record of the short-term coupling between local/regional climate and the plant-insect-bat-guano system. |
| [20] | 河流下切在岩溶区形成的多级层状洞穴,记录了地体隆升和地貌演化历史,但由于测年手段的限制,国内在这方面的研究一直进展不大。近年来,运用宇宙成因核素得到洞穴碎屑沉积物埋藏年龄的方法,已成为反演山地区域构造-地貌演化的新途径。本文尝试运用宇宙成因核素<sup>26</sup>Al/<sup>10</sup>Be埋藏测年技术,对属于贵州荔波地区4层洞穴系统的黑洞(第二层)碎屑沉积物进行年龄测定,假设样品进洞前无埋藏史,测年结果显示黑洞年龄至少有 1.06±0.23Ma,并且该地区三岔河流域的侵蚀速率为 55.1±2.3m/Ma。这是对该地区洞穴测年的一次新探索,体现出洞穴沉积物宇宙成因核素埋藏测年技术在我国晚新生代地质地貌演化研究方面具有良好的应用前景。 . 河流下切在岩溶区形成的多级层状洞穴,记录了地体隆升和地貌演化历史,但由于测年手段的限制,国内在这方面的研究一直进展不大。近年来,运用宇宙成因核素得到洞穴碎屑沉积物埋藏年龄的方法,已成为反演山地区域构造-地貌演化的新途径。本文尝试运用宇宙成因核素<sup>26</sup>Al/<sup>10</sup>Be埋藏测年技术,对属于贵州荔波地区4层洞穴系统的黑洞(第二层)碎屑沉积物进行年龄测定,假设样品进洞前无埋藏史,测年结果显示黑洞年龄至少有 1.06±0.23Ma,并且该地区三岔河流域的侵蚀速率为 55.1±2.3m/Ma。这是对该地区洞穴测年的一次新探索,体现出洞穴沉积物宇宙成因核素埋藏测年技术在我国晚新生代地质地貌演化研究方面具有良好的应用前景。 |
| [21] | Trace element variation in annually laminated stalagmites has the potential to record long-term, high-resolution palaeoclimatic data provided both (1) the relationship between trace element content in the carbonate and the climate, and (2) the mechanism of stalagmite growth, are understood. Here we report a secondary ion mass spectrometry (SIMS) study of an aragonitic speleothem (T7) from Cold Air Cave, Southern Africa, which achieves small (渭m) spatial resolution and ppm precision. T7 has a series of fine visible laminae believed to be annual to subannual. This article establishes (1) the usefulness of SIMS in analyzing speleothem aragonite at the spatial resolution and precision relevant to climatic studies, (2) the distribution of trace elements in aragonite on micron scales and their relationship to models for speleothem growth and (3) the potential of aragonite speleothems to encode climatic data at subannual resolution. Complex reproducible oscillations in Sr/Ca and Ba/Ca are observed parallel to the growth direction of the speleothem. However, in addition to this variability, we observe trace element oscillations perpendicular to the growth direction and infer that aragonite crystallites in the speleothem are laterally, as well as vertically zoned. Stepscans parallel to the growth direction demonstrate complex zoning patterns from which simple climatic data are difficult to extract due to small-scale lateral heterogeneity in the aragonite. However, time-series analysis of the whole data set reveals regular cycles in Sr/Ca and Ba/Ca at a scale that matches the magnitude of the visible laminae. On this basis, it appears that within the complex geochemical variability, there resides a regular environmental control, possibly variation in water throughput, hence rainfall. |
| [22] | We present simple models which show that these correlations, as well as the observed ranges of Mg/Ca (14.1 to 22.4 mmol/mol), Sr/Ca (0.2 to 0.4 mmol/mol), and δ 13 C (6112.5‰ to 6110.7‰), may be fully explained by progressive CO 2 degassing and calcite precipitation from an initially saturated solution. Using realistic initial conditions for Heshang Cave ( T =18 °C, Mg/Ca solution =0.84 mol/mol, Sr/Ca solution =0.69 mmol/mol, δ 13 C TDIC =6116.75‰), we find that the observed relationships can be produced by using D Mg =0.016 and D Sr =0.30, within the range of expected values. The model suggests that the fraction of Ca removed from the solution ranges from 0 to 30% to produce the observed seasonal cycles. This variation may be due to two related processes which occur during drier periods: (1) increased prior precipitation of calcite in the epikarst or on the cave ceiling, and/or (2) a greater degree of CO 2 degassing and calcite precipitation on stalagmite surfaces when drip-rates are lower. Both mechanisms would have the effect of enriching speleothem Mg/Ca, Sr/Ca, Ba/Ca, and δ 13 C values during drier periods. Past variations in Heshang carbonate chemistry may therefore be useful as seasonal resolution proxies for past rainfall. |
| [23] | <p>将乐业地质遗迹划分为7种景型,10种景域,19种景段,32种景元,若干处典型地质遗迹实体。同时在对公园区域成景背景进行分析和研究的基础上,按不同地质时期及形成于该时期的典型岩溶地貌,将公园成景过程划分为:峰丛期、地下河和洞穴期、天坑期、现代岩溶作用期。而受构造运动多期由极强→较强→趋弱→平稳周期性演变的宏观控制和影响,及受气候因素、地层岩性和岩溶过程的具体控制和影响,产生不同的"构造—地表过程—气候"响应过程:(1)S岩溶地块,沿地表地下同时发育;(2)碎屑岩地块,多发育于地表;但两者的成景过程沿同一方向演变:各向分散独立成景→各向单一网络式成景→统一网络式成景。期间碎屑岩地块总是S地块的侵蚀基准面和排泄区域,相互制约和影响着各自不同的成景方向、强度和规模,与孤岛和大海间相互制约和影响的过程极为相似,在此基础上提出乐业地质遗迹的孤岛型成景模式。</p> . <p>将乐业地质遗迹划分为7种景型,10种景域,19种景段,32种景元,若干处典型地质遗迹实体。同时在对公园区域成景背景进行分析和研究的基础上,按不同地质时期及形成于该时期的典型岩溶地貌,将公园成景过程划分为:峰丛期、地下河和洞穴期、天坑期、现代岩溶作用期。而受构造运动多期由极强→较强→趋弱→平稳周期性演变的宏观控制和影响,及受气候因素、地层岩性和岩溶过程的具体控制和影响,产生不同的"构造—地表过程—气候"响应过程:(1)S岩溶地块,沿地表地下同时发育;(2)碎屑岩地块,多发育于地表;但两者的成景过程沿同一方向演变:各向分散独立成景→各向单一网络式成景→统一网络式成景。期间碎屑岩地块总是S地块的侵蚀基准面和排泄区域,相互制约和影响着各自不同的成景方向、强度和规模,与孤岛和大海间相互制约和影响的过程极为相似,在此基础上提出乐业地质遗迹的孤岛型成景模式。</p> |
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