岩溶洞穴CO2迁移变化机制及对洞穴岩溶环境的影响研究

From the point of view of the Earth System Science,CO2,as the important driving force of karstification, always ran through the open three-phase CaCO3 (solid)-CO2 (gas)-H2O (liquid) unbalanced system. In the relatively stable environment of karst cave, there are some scientific questions that are emergent to be researched and resolved including, how CO2 in the cave system respond to external changes in the atmospheric environment and how cave climate effects the carbonate depositional environment. The typical karst cave in Guizhou Province is selected as the study area in the scientific program. Infrared remote sensing, water chemistry analysis and isotope tracer techniques are chosen for using comprehensively to study the CO2 change rule and migration process within the cave system.Comparison of CO2 concentration variation in karst cave system inside and outside, coupled climate and environment change, to reveal the response mechanism of the internal CO2 changes in the external environment. Through the analysis of fixed-point observation and experiment, coupled karst cave climate and environment, the mechanism of the impact of climatic and environmental changes in the caves of carbonate depositional environments will be clarified, and the cave landscape formation and developmental mechanisms will be reveal, the study will provide theory bases for assessed the impact of atmospheric environment changes in the karst caves.

从地球系统科学观点出发，CO2作为岩溶作用发生的重要驱动力始终贯穿于开放的三相CaCO3(固)-CO2(气)-H2O(液)不平衡系统中。在岩溶洞穴相对稳定的环境中，洞穴系统内CO2如何响应外界大气环境变化、CO2变化对洞穴岩溶作用的影响机制等科学问题亟待研究。项目拟以贵州典型岩溶洞穴系统作为研究对象，综合运用地面红外遥感、水化学分析法与同位素示踪技术动态研究洞穴系统内CO2变化规律及迁移过程；对比岩溶洞穴系统内外部CO2浓度变化规律，耦合外界气候与生态环境变化，揭示洞穴内部CO2变化对外部环境变化的响应机制；通过对定点观测与实验分析，耦合岩溶洞穴内气候环境变化，研究洞穴内气候环境变化对碳酸盐沉积环境的影响机制，揭示洞穴景观形成与发育机制，为评估大气环境变化对岩溶洞穴的影响提供参考。

洞穴作为岩溶环境的重要组成部分，是研究碳的迁移变化的重要场所。洞穴CO2作为洞穴环境的重要指标，可以反映岩溶动力系统的运行状态。同时对岩溶水文地球化学、方解石沉积、石笋古气候记录及洞穴旅游环境具有重要的影响，并受到国内外学界重视。为研究岩溶洞穴CO2迁移变化规律及对洞穴环境的影响，本课题运用地球系统科学理论和岩溶动力系统的研究方法，对贵州织金洞、双河洞典型石灰岩、白云岩喀斯特洞穴CO2的迁移变化过程及其对岩溶环境效应影响的进行监测、分析和研究。首先通过对洞穴上覆土壤空气、洞穴空气和洞穴滴水等指标的监测，研究分析了土壤CO2(PCO2(S))、洞穴空气CO2(PCO2(A))、洞穴水中CO2分压(PCO2(W))及其洞穴水δ13CDIC的时空变化特征，对于了解洞穴环境及其各要素之间的耦合提供了基础；其次研究了洞穴CO2的来源问题。洞穴水脱气作用是非旅游洞穴空气中的CO2最直接的来源，除了上覆土壤CO2外，表层喀斯特区域的CO2也是洞穴空气CO2的主要来源。此外旅游洞穴还受人为活动的影响；通过对洞穴土壤与洞穴空气CO2之间的协同响应进行研究，揭示出土壤CO2的扩散对洞穴环境的影响，揭示CO2在垂向上的运移规律；研究了水-气CO2之间的转换及其与方解石饱和指数之间的关系，分析出水-气CO2的转换对洞穴沉积物沉积具有一定影响，对于洞穴沉积物的生长与保护具有重要意义；并通过CO2在水-土-气三相环境中的耦合关系，分析CO2在垂向上的运移规律，揭示了洞穴CO2的运移情况对洞穴沉积物环境的影响，为洞穴岩溶碳循环提供了重要的科学理论依据，同时在利用石笋进行古气候重建的研究方面也具有重要意义。