張弘智，吳克華，高占冬，王慧澄，王德遠(yuǎn)，陳玉合

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550000)

利用洞穴體系中的地質(zhì)載體探尋古氣候環(huán)境替代指標(biāo)的研究工作已開展多年，其中化學(xué)沉積物尤其是石筍的研究最為廣泛和深入，利用石筍進(jìn)行古氣候環(huán)境的重建成為第四紀(jì)全球變化研究的一個(gè)新的手段[1-8]，其中氧碳同位素、Ca、Mg、Sr元素及其比值在洞穴體系中作為一種環(huán)境替代指標(biāo)，其可行性已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可[9-13]。

洞穴河流沉積物作為沉積環(huán)境的地質(zhì)載體，沉積環(huán)境穩(wěn)定，保存較完好，蘊(yùn)含著豐富的古環(huán)境及其變化的信息，對探尋古人類活動(dòng)遺跡也有一定的價(jià)值[14-15]，但因其樣品的不易獲得性，目前對洞穴河流沉積物的研究較少，僅對沉積物的粒度分析[16-18]，本研究選取雙河洞洞穴系統(tǒng)中山王洞古河流沉積物為研究對象，進(jìn)行水動(dòng)力條件定量分析，討論古地下河在此剖面的搬運(yùn)能力，在此基礎(chǔ)上開展有機(jī)碳同位素及Ca、Mg、Sr元素分析，探討其區(qū)域環(huán)境響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

山王洞位于東經(jīng)107°20′30″～107°25′00″，北緯28°08′00″～28°20′00″，雙河洞國家地質(zhì)公園東南部，屬于雙河洞穴系統(tǒng)的支洞，洞口海拔768 m(圖1)。研究區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，年均氣溫15.5 ℃，降水1160 mm。本區(qū)域出露地層為寒武系婁山關(guān)組[19]，傾角平緩，巖性為白云巖，區(qū)域地質(zhì)背景和溫濕的氣候?yàn)閹r溶發(fā)育和洞穴水流沉積提供了良好的條件。雙河洞穴系統(tǒng)的形成經(jīng)歷了5個(gè)階段，山王洞地下河時(shí)期為第4階段，水流方向?yàn)楸睎|向，之后受地殼抬升和地下河流下切作用影響，形成現(xiàn)代地下河。山王洞洞道變?yōu)榧竟?jié)性充水洞道[20]，洞道內(nèi)有大量崩塌型塊石，洞口附近保存有較完整的洞穴河流沉積物，左側(cè)有狹窄型洞道與陰河洞相連，陰河洞為現(xiàn)代地下河通道。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the target area

2 樣品采集及分析

采樣點(diǎn)位于距山王洞上入口約100 m處，河流沉積物剖面采用階梯狀開挖，自上而下分為6層，從頂至底每層厚度分別為22 cm、30 cm、99 cm、46 cm、52 cm、73 cm，總深度322 cm，對每個(gè)階梯狀剖面進(jìn)行編號標(biāo)記并獲取剖面照片(圖2)。剖面整體呈現(xiàn)深色和淺色條帶互層分布，分選性較好，為黏土質(zhì)粉砂巖[27]。深色沉積層以粉砂和中砂為主，厚度較薄，淺色沉積層以粉砂、極細(xì)砂、粘土為主，厚度較厚。水平層理，頂部有超覆現(xiàn)象。

圖2 洞穴河流沉積物采樣剖面圖Fig.2 Sampling section of cave river sediments

垂直剖面按顏色的不同進(jìn)行采樣，完成后用自封袋封裝，共采集樣品31個(gè)。沉積物粒度測試采用本剖面的前期研究結(jié)果[16]。沉積物自然風(fēng)干后用瑪瑙研缽磨至200目以下，采用熔封石英管高溫燃燒法，將產(chǎn)生的CO2氣體經(jīng)純化后用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀MAT-253測定有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素，精度在±0.1‰以內(nèi)，采用PDB標(biāo)準(zhǔn)。沉積物中Ca、Mg、Sr元素含量采用濕化學(xué)法測定，儀器為美國瓦里安公司的等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)，分析精度優(yōu)于2%。碳同位素和Ca、Mg、Sr元素含量的測定工作均在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 水動(dòng)力環(huán)境反演

經(jīng)水流形成的洞穴沉積物記錄了水動(dòng)力狀況，通過對沉積物的粒度分析，能夠反映當(dāng)時(shí)沉積過程的水流條件。吳克華、楊振華[16-18]等人對本剖面沉積物粒度進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行長時(shí)間尺度下的水流優(yōu)勢流速反演，以揭示沉積物形成的水動(dòng)力環(huán)境[21]，方法簡述如下[22]：

利用Chepil提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界剪切應(yīng)力τc：

τc=[0.66Dg(ds-dw)Ntanα]/(1+0.85tanα)

(1)

式中：D、g、ds、dw、N和α分別代表顆粒直徑、重力加速度、顆粒質(zhì)量、水質(zhì)量、水對顆粒的拖曳力與抬升力的平均比值、動(dòng)磨擦角，參數(shù)取值為：g=980，ds=2.65，dw=1.0，N=0.3，α=24°，取該粒級粒度范圍的中值代表顆粒直徑D。

根據(jù)公式(2)、(3)、(4)，分別求出實(shí)際臨界剪切力τm，臨界磨擦速度Uc及雷諾數(shù)Re：

τm=τc/T

(2)

(3)

Re=UcD/ν

(4)

其中紊流系數(shù)T取2.5，水的動(dòng)粘度ν取0.01。

沉積物中值粒徑經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)化成等比制粒級值Φ，轉(zhuǎn)換式為Φ=-log2d(d表示沉積物粒徑，單位為mm)，本文顆粒直徑D值采用由Φ轉(zhuǎn)化的d值，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水動(dòng)力參數(shù)計(jì)算值

續(xù)表1

樣品號D/mmτmUcRe5-50.0320.1310.3620.1156-10.0360.1480.3850.1386-20.0340.1400.3750.1276-30.0250.1040.3230.081

注：D為顆粒直徑(mm)(引自文獻(xiàn)[16])，τm為實(shí)際臨界剪切力(×10-5N)，Uc為使沉積物顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)的臨界磨擦速度(cm/s)，Re為雷諾數(shù)。

水動(dòng)力環(huán)境量化結(jié)果顯示，在0～320 cm沉積時(shí)間段內(nèi)，雷諾數(shù)Re值為0.061～0.235，Re<3，屬于平穩(wěn)邊界流，水流處于層流狀態(tài)[22]；流速緩，閾值0.294～0.460 cm/s(圖3)。表明在沉積過程中，洞穴古河道多處于靜水水流沉積狀態(tài)，外界干擾因素少，河流水動(dòng)力弱，搬運(yùn)能力穩(wěn)定。長期平穩(wěn)的水動(dòng)力環(huán)境保證了沉積過程的連續(xù)性和沉積模式的穩(wěn)定性，結(jié)合洞內(nèi)長期穩(wěn)定的小氣候環(huán)境狀況，該剖面沉積環(huán)境是穩(wěn)定的，具有典型性。較弱的水動(dòng)力意味著水流不具備搬運(yùn)大粒徑的條件，結(jié)合區(qū)域地層巖性和沉積物粒徑分析，認(rèn)為沉積物物源主要為本小流域表層土壤。

圖3 雷諾數(shù)和流速隨深度變化趨勢Fig.3 Change trend of Reynolds number and flow rate with depth

3.2 有機(jī)碳同位素特征及環(huán)境意義

碳同位素作為一個(gè)常用的重要?dú)夂蛞蜃犹娲笜?biāo)，被廣泛應(yīng)用于古環(huán)境的研究中。陸生植物按照光合作用類型，劃分為C3、C4和CAM植物。志留紀(jì)早期植物登陸后很長時(shí)間內(nèi)所有種屬均采用C3光合作用途徑，而目前發(fā)現(xiàn)的最古老的C4植物樣品發(fā)現(xiàn)于中新世后期[23]。植物碳同位素研究成果表明，C3植物的δ13C范圍在-35‰～-23‰，平均值為-26‰，C4植物的δ13C范圍在-14‰～-10‰之間變化，均值為-13‰[32]。同時(shí)溫度和降水量等環(huán)境因子對植物生長的類型的影響不可忽視，C3植物適宜在濕冷的環(huán)境中生長，C4植物適宜在干熱的環(huán)境中生長，CAM植物一般出現(xiàn)在極為干旱的環(huán)境中。C3植物δ13C與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；C4植物δ13C與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，即降雨量多時(shí)，δ13C達(dá)到較大值，δ13C呈現(xiàn)偏正趨勢，降雨量少時(shí)，δ13C值偏低，呈現(xiàn)偏負(fù)趨勢[24-25]。

洞穴河流沉積物作為流域物質(zhì)的匯，其有機(jī)碳同位素組成綜合反映了地表植被有機(jī)碳同位素組成的特征。根據(jù)樣品碳同位素分析結(jié)果(圖4，表2)，沉積物剖面范圍內(nèi)，δ13C數(shù)值在深度0～100 cm和100～250 cm兩段內(nèi)特征明顯，其余各段為過度段。在0～100 cm范圍內(nèi)，沉積物δ13C數(shù)值范圍為-26.064‰<δ13C<-2.145‰，均值-9.00‰，在100～250 cm范圍內(nèi)，沉積物δ13C數(shù)值范圍-27.849‰～-13.349‰，均值-23.167‰。0～100 cm范圍內(nèi)碳同位素值相比正常C4植物δ13C值偏重，δ13C值較大，意味著植被為C4植物，且降雨量相對偏多，指示的氣候?yàn)楦蔁崧詽裥停?00～250 cm范圍內(nèi)碳同位素值符合C3植物特征，指示濕冷氣候。鑒于有C4植物的出現(xiàn)，本剖面沉積物沉積時(shí)期為中新世以后，有機(jī)碳來源于地表土壤而不是洞穴圍巖。

圖4 沉積物有機(jī)碳同位素在剖面上的垂向變化Fig.4 Vertical variation of organic carbon isotope in sediments

表2有機(jī)碳同位素及Ca、Mg、Sr含量測試數(shù)據(jù)

Tab.2TestdataoforganiccarbonisotopeandCa，Mg，Srcontent

樣品號Ca/ (mg/L)Mg/(mg/L)Sr/ (mg/L)δ13C/‰1-116.1211.610.11-24.9761-218.5111.030.12-12.1211-337.5320.590.37-2.5721-429.2917.890.13-3.461-528.5018.780.21-2.3262-126.7017.190.18-3.1422-2///-3.1062-325.7217.170.13-26.0642-428.1317.480.21-2.792-528.3618.440.17-3.3652-622.8616.250.13-2.8153-122.0214.130.11-4.0173-220.6315.940.12-4.6333-320.7715.970.11-25.5463-419.5414.600.15-5.073-910.5110.760.11-24.7993-1015.5611.640.12-2.1453-1516.0913.500.12-24.8614-115.7313.740.13-15.8594-212.4812.210.11-26.8254-416.2013.960.12-13.3494-514.3613.200.12-16.0455-213.8213.150.13-27.8495-510.9811.580.10-25.5555-1711.1612.020.12-26.3765-2115.4214.260.17-26.0295-2412.6812.090.13-26.5755-2611.8211.700.13-25.5116-119.4914.300.19-10.4386-217.1712.960.17-5.9816-317.7512.880.19-0.767

3.3 Ca、Mg、Sr元素特征及環(huán)境意義討論

從Ca、Mg、Sr和δ13C隨深度變化趨勢(圖5)分析發(fā)現(xiàn)，可將此5個(gè)參數(shù)分為兩段，0～100 cm(設(shè)定為a段)和100～250 cm(設(shè)為b段)。a段δ13C偏重，Ca、Mg、Sr含量隨深度增加明顯降低，Mg/Sr比值略微增大。Ca元素含量10.51～37.53 mg/L，均值23.17 mg/L，Mg元素含量10.76～20.59 mg/L，均值15.59 mg/L，Sr元素含量0.11～0.37 mg/L，均值0.16 mg/L。b段δ13C偏輕，Ca、Mg、Sr含量隨深度增加變化不顯著，Mg/Sr比值逐漸升高。Ca元素含量10.98～16.2 mg/L，均值13.71 mg/L，Mg元素含量11.58～14.26 mg/L，均值12.86 mg/L，Sr元素含量0.10～0.17 mg/L，均值0.13 mg/L。結(jié)合有機(jī)碳同位素所指代的氣候意義，在a時(shí)期炎熱偏濕的環(huán)境下，Ca、Mg、Sr元素的含量均高于b時(shí)期濕冷的環(huán)境，且波動(dòng)范圍也大于b時(shí)期。測試數(shù)據(jù)見表2。

圖5 有機(jī)碳同位素和Ca、Mg、Sr含量隨深度變化趨勢Fig.5 Change trend of organic carbon isotope and Ca，Mg and Sr content with depth

洞穴沉積物Ca、Mg元素含量相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Ca和Mg含量相關(guān)系數(shù)為0.93，Mg和Sr相關(guān)系數(shù)為0.65，Ca和Sr相關(guān)系數(shù)為0.70，相關(guān)性較高，意味著三者可能受同樣的控制因素影響。炎熱氣候下Ca、Mg、Sr元素富集程度高于濕冷氣候，可能說明氣溫是其有效影響因素之一，氣溫高，沉積物中的富集程度高。C3型、C4型植被的根系對Ca、Mg、Sr元素的吸收和交換不同，同樣會(huì)引起隨徑流流失的土壤具有不同的元素含量特征，因此，植被類型可能是其有效影響因素之一。然而洞穴河流沉積物中的微量元素含量不僅受區(qū)域氣候環(huán)境影響，還取決于母源物質(zhì)。洞穴河流沉積物中Ca、Mg、Sr不僅來源于地表土壤，還受到洞穴圍巖在地下河溶蝕過程中析出的離子的影響，Ca2+、Mg2+、Sr2+屬于易遷移元素，隨地下河侵蝕，白云巖中的Ca、Mg、Sr一部分逐漸隨地下水遷移，另一部分保存在沉積物中。因此，洞穴河流沉積物化學(xué)元素含量變化是多種因子綜合作用的結(jié)果，其環(huán)境指示意義很難依靠一種指標(biāo)解讀，必須結(jié)合沉積物物理、化學(xué)以及生物等多種指標(biāo)綜合判識。

4 結(jié)論

通過對山王洞洞穴沉積物水動(dòng)力環(huán)境反演及其δ13C、Ca、Mg、Sr化學(xué)元素特征分析，得到了以下結(jié)論。

1)根據(jù)水流流速反演結(jié)果顯示，水流處于層流狀態(tài)，表明在沉積物沉積過程中，洞穴古河道長期處于靜水水流沉積狀態(tài)，且水動(dòng)力狀態(tài)始終很弱，結(jié)合區(qū)域地層巖性和沉積物粒徑分析，本沉積物剖面物源為本小流域表層土壤。

2)洞穴河流沉積物有機(jī)碳同位素分析結(jié)果顯示，沉積物母質(zhì)形成于中新世之后，有機(jī)碳來源于地表土壤。沉積剖面0～100 cm深度沉積期降雨量偏多，指示炎熱偏濕的氣候環(huán)境；在100～250 cm深度范圍內(nèi)，沉積期氣候狀況為濕冷，區(qū)域氣候由寒冷向溫暖轉(zhuǎn)變。

3)洞穴河流沉積物Ca、Mg、Sr元素分析結(jié)果顯示，洞穴沉積物Ca、Mg、Sr元素對炎熱偏濕與濕冷環(huán)境的響應(yīng)比較明顯，氣溫和植被類型是影響其含量變化的因素。在確定物質(zhì)來源的情況下，洞穴河流沉積物Ca、Mg、Sr元素含量變化可作為環(huán)境變化的潛力替代指標(biāo)，但需要結(jié)合多種指標(biāo)綜合判識。