超百米上覆基岩的岩溶洞穴系统元素地球化学指标仍旧响应区域水文条件的变化

2021年2月28日，西南大学地理科学学院岩溶环境重庆市重点实验室李俊云副教授和李廷勇教授团队以“Variations and Significance of Mg/Sr and⁸⁷Sr/⁸⁶Sr in a Karst Cave System in Southwestern China”为题，在线发表了关于岩溶洞穴系统微量元素与气候环境变化相关性的研究论文。该文章发表在国际著名SCI期刊《Journal of Hydrology》(2020年地球科学大类一区，TOP期刊)。

洞穴石笋微量元素被认为可以反映与降水量有关的地区水文条件变化，但由于洞穴上覆表层岩溶系统的不均一性和复杂性，不同洞穴地球化学指标对地表环境的响应存在显著差异。自地表到地下洞穴的长时间立体监测，是准确解译洞穴次生化学沉积物中各地球化学指标气候环境意义的重要途径。

李俊云副教授和李廷勇教授团队自2005年起，在重庆芙蓉洞建立了洞穴监测系统，已经发表了多篇研究论文。在本研究中，利用2009-2018年期间对地表土壤、土壤水、基岩、洞穴滴水、洞穴新生碳酸盐沉积物等的监测，详细进行了Mg、Sr、Mg/Sr比值以及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的分析，并与监测期间的区域月降水量和年降水量进行了对比。

研究发现，重庆地区冬春季节降水量的减少，引起水——土相互作用时间延长，导致土壤水中Mg和Sr浓度升高以及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的增大，说明土壤水中这些微量元素含量的变化可以反映季节性的降水量变化。滴水中的Mg和Sr浓度大于土壤水中，而且滴水中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与基岩中相似，则说明基岩是洞穴滴水和洞穴次生化学沉积物中微量元素的主要来源。在多年时间尺度上，滴水中的Mg浓度和Mg/Sr比值减小，则可能归因于整个监测时期区域年降水量的整体增加，导致水岩相互作用时间缩短。而现代沉积物中Sr浓度的变化则可能受到晶体生长速率的影响。虽然芙蓉洞上覆基岩厚达数百米，大气降水在基岩中的混合效应使得滴水和新生碳酸盐中的Mg、Sr含量和Mg/Sr比值都没有表现出季节性的变化特征；但是本研究第一次通过实证观测，证明了在年际——年代际的长时间尺度上，拥有数百米厚层基岩的封闭岩溶洞穴，其次生碳酸钙沉积物中的元素地球化学指标，仍旧可以反映区域水文环境的变化，这对于古气候重建具有重要意义。

图1芙蓉洞洞穴系统监测的地球化学指标变化与地表多年时间尺度上降水量变化

图2长时间尺度上滴水地球化学指标变化趋势

图3土壤水，滴水和新生沉积物中Mg和Sr的相关性分析

图4新生碳酸钙沉积物中地球化学指标与生长速率和年降水量对比图

图5基岩、土壤，土壤水以及滴水中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素比值分布

论文详情请参见全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126140。李俊云副教授和李廷勇教授为本文共同第一作者和通讯作者，西南大学地理科学学院岩溶环境重庆市重点实验室为第一单位。合作单位包括云南师范大学、台湾大学、中科院青藏高原研究所、法国波尔多大学等。本研究得到广西岩溶动力学重大科技创新基地开放课题资助项目(KDL＆Guangxi202003)、国家自然科学基金(NSFC, No. 41772170; 42011530078)和中央高校基本科研业务费(No. XDJK2017A010; XDJK2020D005)的共同资助。