國土資源部岩溶動力學重點實驗室

國土資源部岩溶動力學重點實驗室依託：中國地質科學院岩溶地質研究所。

學科（領域）：岩溶動力學、土地資源、地質環境和地質災害。

研究方向：岩溶動力系統的運行機制和運行規律；岩溶動力系統的類型和區域分佈規律；岩溶動力學與全球變化；岩溶動力學與岩溶土地資源的規劃、管理、保護和可持續利用；岩溶動力學與全球水循環；岩溶動力學與生態環境；岩溶塌陷成因機制、預測預報及防治；岩溶動力學與礦床、油氣形成；岩溶動力學與旅遊資源的規劃、管理、保護和可持續利用。

預期目標：據實驗室的研究方向，未來5～10年實驗室的主要工作規劃、預期目標和水平如下：

1、岩溶動力系統的運行機制和規律研究方面：進一步闡明我國不同類型岩溶動力系統的運行規律、動力機制，完善和發展岩溶動力學理論。

室內實驗發現碳酸酐酶(簡稱CA)對方解石溶解具有明顯的催化作用，特別是在高CO2分壓條件下。據生物學有關研究， CA存在於某些植物、動物和微生物體內，因此，通過這些生物的腐爛或分泌，CA可能存在於某些水體中，從而可對方解石的溶解或沉積產生影響。通過觀測水體中的CA活性及含量、了解水化學的時空演變，並進行方解石溶解、沉積的野外觀測，很有可能揭開某些生物岩溶之謎。可以預言，該項工作的突破，將對全球碳循環的研究、岩溶地區生態環境的改良、古環境重建及岩溶景觀的保護等方面具有重要的理論和實際價值。

此外，根據DBL模型雖然能給諸如黃果樹瀑布鈣華、洞穴邊槽等的成因以定性解釋, 即瀑布、邊槽處流速較快，使得擴散邊界層變薄，結果方解石沉積、溶解速率增加，形成差異沉積和溶解, 但若進一步定量應用和驗證DBL模型，需要在野外增加流速和方解石溶解或沉積速率的觀測。

2、我國岩溶動力系統的區域分佈規律方面：對於前期總結劃分出的我國5類表層岩溶動力系統和10類亞系統，某些資料不足的，將通過調查和監測，將資料補充完整。在此基礎上，對在國民經濟發展和生態建設方面具有重要影響的西南岩溶區和西北岩溶區，進一步劃分岩溶動力子系統，總結其岩溶動力條件、岩溶水、生態環境等方面的特徵和主要環境問題，為其生態環境問題的深入研究和有關部門的決策提供科學依據。

表層岩溶帶的研究對於岩溶動力學的發展及岩溶水的研究起了重要的推動作用，但表層岩溶帶的區域分異規律的研究程度較低。下一步將開展表層岩溶帶類型、區域分佈規律與環境因素的相關性研究，揭示表層岩溶帶的發生和分佈規律。

雖然對氣候、水文、地質等岩溶動力條件的宏觀區域分異規律進行了研究，但對生物有機酸、生物酶這些相對比較微觀的岩溶動力條件研究程度不夠，其區域分佈規律以及在不同環境下對岩溶動力系統的影響程度不清，這不利於深入揭示岩溶動力系統的區域分佈規律。岩溶動力學實驗室也將在此領域逐步探索。

3、岩溶動力學與全球變化學交叉

過去這方面的成果集中在岩溶作用與大氣CO2源匯，及利用岩溶沉積物進行古氣候和古環境重建。然而，在岩溶作用與大氣CO2源匯定量評價，特別是岩溶作用與大氣CO2匯的定量評價方面，無論在精度還是評價方法創新上都有待進一步加強。此外，利用岩溶沉積物重建我國古環境變遷歷史及其全球變化響應過程，還需在高精度和高解析度上下功夫；

4、岩溶動力學與其它學科交叉

(1) 岩溶動力學與全球水循環：以全球水循環為基礎，闡明岩溶水循環機制，揭示岩溶水資源形成、演化規律及控制機理；建立岩溶水資源評價、開發利用和保護系統理論，探索水資源可持續開採利用模式；

(2) 岩溶動力學與生態科學交叉及岩溶石漠化綜合治理：建立岩溶生態學理論體系；開發、引進和推廣石山生態恢復的高新技術、成功的經驗，提出可持續發展的岩溶生態系統與社會經濟系統相互作用的資源、生態、經濟合理配置模式和提高生物生產力的實用技術。

(3) 岩溶動力學與相關地質災害防治：進一步揭示岩溶塌陷發生的物理化學和生物作用機制，建立岩溶塌陷災害預警系統和以塌陷、滲漏、內澇為代表的岩溶地質災害風險評價體系及勘測、防治技術方法，提高岩溶地質災害防治的技術能力；

(4) 岩溶動力學與岩溶旅遊資源：調查全國岩溶景觀資源和岩溶地質遺跡現狀及分佈；研究其開發利用的可行性和制定保護規程；探索洞穴旅遊資源開發和保護一體化技術。

(5) 岩溶動力學與礦床及岩溶油氣和地熱資源：研究深部岩溶空隙的形成、分佈規律及其對油氣藏、地熱資源富集的控制作用；進行岩溶油氣藏、地熱勘探靶區的預測。

(6) 岩溶動力學與岩溶土地資源：基於岩溶動力學的理論，並利用岩溶區遙感圖象解釋（RS）、地理信息系統（GIS）等技術方法，開展岩溶土地資源和土地利用變化規律研究，科學預測岩溶土地利用變化，指導我國岩溶土地資源可持續利用實踐，為保護耕地和合理利用岩溶土地資源，制定岩溶土地利用規劃和戰略提供理論、方法和技術，形成支撐我國岩溶土地資源管理的科學技術體系。

2000年以來取得的成果

(一) 岩溶動力系統運行機制和運行規律方面

1、不同CO2分壓條件下的白雲岩溶解動力學機理

流動CO2-H2O系統中白雲岩的溶解研究使用了旋轉盤和催化劑技術。實驗在與CO2分壓分別為30至100000Pa達到平衡的H2O-CO2溶液中進行，結果表明遠離平衡時的白雲岩溶解速率R與旋速 有關。實驗結果可用經過改進的擴散邊界層(DBL)理論模型獲得解釋。此外，在溶液中加入能加速CO2轉換反應的碳酸酐酶催化劑，促進了白雲岩的溶解。但發現不同CO2分壓條件下存在著較大的差異。從這些實驗觀測可以得出結論：改進的DBL理論模型能以滿意的精度至少預測遠離平衡時不同CO2分壓條件下的白雲岩溶解速率及其變化機理。

2、岩溶系統水化學動態的變化是CaCO3-H2O-CO2三者相互作用引起的利用多參數自動記錄儀對桂林岩溶試驗場的降水量、水位、水溫、pH 值和電導率進行了監測，數據採集間隔根據參數變化的程度由2分鐘到1小時不等。結果發現，岩溶裂隙水在洪水期間pH 值呈降低趨勢，而電導率呈升高的不尋常變化。與此相反，對於岩溶管道水，同樣是在洪水期間，它的pH 值是升高的，而電導率呈正常的降低。此外，發現洪水時裂隙水的Pco2高於正常情況的Pco2，而它的SIc值比正常情況低。與此相對，對於管道水，儘管同一洪水期間其SIc降低，但Pco2也降低。從這些結果，可以推斷，至少有兩個關鍵的過程式控制制著洪水期間的水化學變化。一個是雨水的稀釋作用，另一個是水-岩-氣的相互作用。然而，對於裂隙水來說，後者的作用可能更重要，即在洪水期間，高濃度的土壤CO2 溶解於水中，則更具侵蝕性的水能溶解更多的石灰岩，從而增強水的電導率。而對於管道水，雨水的稀釋作用更重要，因為研究區較高的pH和低電導率的雨水能更快地通過管道流出，所以，要了解岩溶系統水化學的變化，僅考慮水-岩相互作用是不夠的，我們還必須重視CO2氣體對岩溶系統中水化學變化的影響。總之，水-岩-氣相互作用的概念必須引入岩溶水化學的研究中。

3、碳酸酐酶對碳酸鹽岩溶解的催化作用及其在大氣CO2沉降中的意義

CO2 向H+和HCO3-的轉換是一相對慢速過程。因此，其動力學可能決定碳酸鹽岩的溶解速率。在灰岩和白雲岩的溶解實驗中，使用了自然界普遍存在的碳酸酐酶(CA)來催化這一CO2 轉換反應，結果發現，對灰岩而言，加入 CA后, 其溶解速率在高CO2分壓時增加可達10倍，而對白雲岩，其溶解速率增加主要在低CO2分壓時，可達3倍左右。這一發現表明，化學風化(包括碳酸鹽岩溶解和硅酸鹽風化)作用在大氣CO2沉降和全球碳循環里的所謂丟失的匯中的重要性需要重新評價。毫無疑問，已往的研究由於未認識到CA在風化中的催化作用，因此低估了風化作用的速率，同樣也低估了風化作用對大氣CO2沉降的貢獻。另一方面，這次發現也表明了研究自然界不同水體中CA分佈及其活度和CA在自然界風化作用中的作用的必要性。

4、內生成因類鈣華的發現

採用水化學儀器自動記錄、現場滴定和樣品碳氧穩定同位素測試相結合等方法，對雲南中甸白水台和黃龍鈣華景區的水化學和碳氧穩定同位素特徵進行了綜合分析。主要結論是：形成這些鈣華的泉水具有很高的鈣和重碳酸根離子濃度，相應地，泉水的CO2分壓顯著高於土壤生物成因所能產生的CO2分壓。結合泉水出露的地質條件及其碳穩定同位素特徵的分析，進一步發現，高CO2分壓主要與內生成因的CO2有關，而非原來普遍認為的"是溫暖濕潤氣候的產物"。可見，白水台和黃龍鈣華屬於內生成因類鈣華。

(二) 我國岩溶動力系統的類型劃分和分佈規律

1、表層岩溶動力系統

表層岩溶系統與人類的生存環境和資源利用等關係最為密切，同時，表層岩溶動力系統受到各種各樣的環境因素，如氣候、水文、生態等的影響也最為深刻。也就是說，表層岩溶動力系統的結構、功能和運行機制除受本身的內部因素制約外，還受到了外部環境因素的影響，因此對它的研究不僅是為了認識和把握其發生和發展的規律，而且與環境和資源等各種問題密切相關。

根據動力來源和動力機制(光熱、水能、CO2等)將我國表層岩溶動力系統分成5類，10亞類:

(1) 濕熱帶表層岩溶動力系統：含濕熱帶叢林和石山型兩個亞類。這一類系統由於地處濕熱帶區（如中國廣西、雲南南部、海南），降水較豐，年均氣溫也較高，故系統的動力作用是積極和活躍的。在叢林生態下土壤中的CO2可高達83000ppmv，因此生物圈積極的碳循環，再加強烈的水循環，必然導致岩溶動力系統較強的碳循環的發生，其岩溶作用的產物也是很豐富多採的，可見峰林地形、多邊形窪地和大型洞穴系統，並可見大量的次生化學沉積物。

(2) 濕亞熱帶表層岩溶動力系統：我國南方的表層岩溶動力系統多屬此類，現存的濕亞熱帶叢林型表層岩溶動力系統已不多（如貴州茂蘭、廣西環江等地），而大多數都由於森林退化或遭破壞而變成了石山型的表層岩溶動力系統。在叢林環境和石山環境下系統的功能和運行機制有很大的差異，尤其在碳、水循環方面，以及由此而引起的環境特徵都有很大的不同。在叢林地區，由於生物圈碳循環的活躍性也導致了較強烈的岩溶動力系統中碳循環的發生。此外，在水循環方面，其差異性更大。在森林區，如茂蘭，由於良好的生態環境，形成了獨特的上層與下層二元結構，即上部枯枝落葉墊積層充填的岩溶裂隙水和下部岩溶含水層同時並存。這種結構大大地促進了水的良性循環。而在石山地區，由於生態環境的破壞，水循環極不均勻，在很多系統中都可見到旱、澇疊加的現象。由以上兩種循環的差異也導致了動力系統作用強度的差異，在叢林環境下，動力系統的作用是積極和活躍的，而在石山環境下則有所減弱。但在中國南方的一些濕熱帶表層岩溶動力系統中儘管原始森林已不復存在，但由於較為茂密的灌木、草叢的發育，也會使表層岩溶動力系統的作用強度明顯加強。

(3) 乾旱、半乾旱表層岩溶動力系統：這類表層岩溶動力系統多分佈於我國北方的乾旱、半乾旱區，如山西、河北、陝西、河南、山東一帶。由於年降水量較少，植被也以稀疏的耐旱類植物為主，因此，該類系統的碳、水循環均較弱。因此，該類表層岩溶動力系統的動力作用相對較弱，所形成的岩溶形態也與濕熱帶岩溶動力系統的不一樣，主要為常態山、常態丘陵、小型洞穴等，次生化學沉積物也較少（小）。所存在的環境問題在不同的亞類區也不同。在覆蓋型動力系統中，覆蓋層上廢水的排放、工業和生活垃圾的堆放已導致了岩溶地下水的污染，而礦山開採則導致了區域地下水位下降和地面塌陷。在裸露型動力系統中，保土、保水問題較突出，同時岩溶動力系統的直接出露也使污染更為直接和迅速。

(4) 濕溫帶表層岩溶動力系統：這類表層岩溶動力系統主要分佈於我國的東北地區。其生態環境多為草原牧場生境，也有森林生境。遼寧本溪水洞就屬於這一類表層岩溶動力系統。因此，該類表層岩溶動力系統儘管處於光熱能較少的地區，但降水相對乾旱和半乾旱區較豐沛，可達800mm以上，因此其動力作用相對活躍，尤其水循環較強，各類地表、地下岩溶形態較發育，常可形成較大的洞穴系統。

(5) 高寒區表層岩溶動力系統：這類表層岩溶動力系統主要分佈於我國青藏高原和四川、雲南的高山岩溶區。高寒山區的表層岩溶動力系統受垂向生態分帶的影響，雪線以上可能被冰雪常年覆蓋，下部可能被分帶性的植被所覆蓋，因此表層岩溶動力系統的動力作用也具有一定的分帶性。由於高差較大，再加季節性的冰雪溶融作用，在較強的水動力作用下，也可形成一些較大的地下洞穴系統。這類系統同樣存在草原和森林退化的問題，但也存在另一類特殊的環境問題，如沼澤化所導致的對農業的不良影響和地下水污染問題。

2、深部岩溶動力系統

通過對與活動斷裂有關的岩溶作用的研究，發現一些物質（特別是CO2）的來源具有與上述表層岩溶系統不同的特點，主要差別在於：釋放的氣體組成及其同位素特徵差別大；分佈的形式主要表現為點（帶）狀集中釋放；氣體和化學組分濃度大，通常為表層岩溶作用的數倍到數十倍。這些差別一方面反映了物質來源途徑不同，另一方面說明驅動岩溶作用的動力系統也不相同。據此，並結合在一些代表性點上的研究成果，進一步將深部岩溶動力系統分為兩亞類。

(1) 沉積圈亞類

該類動力系統主要以高溫條件下碳酸鹽岩的熱分解為特徵，與岩溶作用有關的CO2來自灰岩的分解。即深部的熱液流沿斷裂上升，遇到碳酸鹽岩即使其發生熔融分解，產生大量CO2氣體。由於碳酸鹽岩在400℃溫度下才能分解，所以可推斷上述過程是在地殼深部進行的。產生的CO2氣體和含有高濃度的碳酸鹽組分的溶液被帶到淺部，並參與岩溶作用過程。可見，該動力系統得以與岩溶作用系統藕聯，必須具備高溫熱源和物質運移通道。這決定了該動力系統發生的地域通常是在活動斷裂帶上或地熱活動區，常伴隨有沉積圈的變質作用和圍岩蝕變特徵。所形成的CO2氣體的碳、氦同位素有如下特點：δ13C 值應與當地灰岩相似，一般為正值；3He/4He值低於大氣的3He/4He值，即兩者之比值(R/Ra值)一般小於1。

(2) 深源亞類

這一類型以熱動力作用和地球內部應力作用為特徵。與沉積圈亞類一樣，均與深切的斷裂活動及岩漿作用有關，都有大量的CO2氣體釋放。但兩者的CO2的來源卻有本質區別：沉積圈亞類的CO2來自灰岩分解，深源亞類的CO2則來自上地幔的地球內部原始碳的氧化作用和岩漿的脫氣作用，與沉積圈的岩石成因無關。如我國雲南騰衝地熱區無碳酸鹽岩分佈，卻有大量CO2氣體從溫（熱）泉釋放出來。深源型CO2的δ13C值一般在-3‰~8‰之間，與CO2伴生關係密切的氦的R/Ra值高，一般大於2，該值愈大，說明地幔氦的加入量愈多。

上述兩個亞類只是深層岩溶動力系統的兩個端元，事實上，在碳酸鹽岩區，純某一端元的情形是不存在的。我們對四川黃龍九寨溝和雲南中甸等典型地區的CO2來源進行了研究，結果都表明了既有來自灰岩分解的，又有深源的。說明是上述兩類動力系統共同作用的結果。

(三) 岩溶動力學與全球變化研究及第四紀地質學

1、岩溶作用與全球碳循環

(1) 在表層岩溶系統碳循環與大氣C02源匯關係方面，通過長期定位觀測從多方面揭示了岩溶動力系統中碳循環的運行機制，用多種方法估算了溶蝕作用回收大氣C02的量，中國全國為1.774x107tC/年，而全球為6．08×108tC/年。後者占當前全球碳循環模型中的遺漏匯(Missing Sink)的1/3，成為全球變化研究中需要認真注意的問題；

(2) 深部C02釋放問題，發現沿我國28條主要活動斷裂帶，有大量C02釋放點，在碳酸鹽岩地區，常伴隨大量鈣華沉澱，通過同位素示蹤，揭示其來源為慢源C02和殼源變質C02不同比例的混合，並用1370個地熱點的歷史資料，估算西藏及其鄰近地區年C02釋碳量為2．68x105t。過去的觀測方法，可能已是釋氣之後的數據，如果改善觀測方法，可能達到4000萬t/年；

2、以岩溶記錄重建全球變化

(1) 利用石筍記錄重建古氣候、古環境變化過程

我國南方古氣候岩溶記錄研究始於80年代，而系統的高解析度記錄研究則在90代初期以後，本實驗室開展古氣候重建研究，從1993年桂林盤龍洞Pl1石筍研究起，至今已有10個年頭。在這期間，由於得到了國家自然科學基金及原地礦部重要基礎理論項目的支持及IGCP-379、IGCP-448國際對比項目的資助，並與國內外的一些實驗室及許多學者建立了良好的協作關係，研究工作因而取得重要進展，從2000年以來已在黔、滇、湘(或桂)等省的廣闊岩溶區進行了千餘個洞穴的詳細調查，取石筍樣近百件，並以大型石筍為主，在詳細沉積學研究的基礎上，採用AMS14C、TIMS- U系或ICP-MS230Th、α計數U系等方法測年，並以碳、氧同位素為主，配合微層發光及微量元素等手段提取氣候記錄，取得多個石筍高解析度氣候變化的平行記錄。在地域上包括了東亞季風或印度季風為主的兩個氣候區，在時間跨度上則包括了最後兩次冰期-間冰期旋迴。主要成果如下：

a、採用多種測年方法相互補充和檢驗，建立了貴州南部16萬年以來的時標序列，取得了一系列可靠的TIMS -U系年齡數據，為氣候事件的揭示提供了有效的時標。

b、倒數第二次冰期終止點Ⅱ的年齡確定 (MIS5/MIS6)

通過對黔南地區3個(D3、D4和Q2)大型石筍進行TIMS － U系測年和碳、氧穩定同位素分析，獲得了163－113.8ka B.P高解析度的古氣候記錄。利用三個石筍的精確測年，確定了倒數第二次冰期的終止點Ⅱ的年齡為129.30±1.1 ka B.P.，這一界線的年齡代表了末次間冰期開始的年代，即是中更新世與晚更新世的分界年齡，與冰芯和深海SPECMAP氧同位素曲線上末次間冰期的起始年齡相一致。終止點Ⅱ年代的確定，不僅具有地層學、地質年代學意義，而且也為探討東亞季風區的短尺度氣候變化及其古氣候突變事件的確定奠定了基礎(中國科學D輯，2002，32卷11期)。

c、末次冰期石筍氣候記錄與Heinrich事件

在洞穴石筍的古氣候環境研究中，發現末次冰期以來存在有多次冷事件－Heinrich冷事件H1~H5，在石筍記錄中均有明顯的反映，並於1988年首次提出(見中國岩溶，1998，17 (4)，311-318) 桂林響水洞石筍在末次冰期記錄的五次冷事件，與北大西洋Heinrich冷事件H1~H5具有較好的對應關係，顯示與北極地區存在著古氣候的遙相關。在近三年，通過對貴州七星洞4號和6號石筍的深入研究，進一步證實了Heinrich冷事件在石筍記錄中的反映(地球學報，2003，待刊)，可以與格陵蘭冰芯Dansgaard－Oeschger旋迴中突出的乾冷事件或北大西洋的冰伐事件進行對比。研究表明末次冰期以來石筍記錄冷暖事件所反映出的古季風環流變化，明顯受北大西洋氣候振蕩的影響。

d、新仙女木事件和末次冰期終止點Ⅰ的年代確定

利用荔波、都勻和桂林等地的四個石筍的精確測年，揭示在12.5～11ka B.P.期間存在有一冷事件，並證實了末次冰期在荔波、都勻地區和桂林地區均存在有與新仙女木事件對應的冷事件。石筍記錄末次冰期終止點Ⅰ的年齡，得到了明確的定位，其時限為11.3ka B.P. ～12.5ka.B.P.。

石筍記錄的躍變事件表明，新仙女木事件在我國南方的洞穴沉積物中具有顯著的反映。

e、全新世的石筍氣候記錄

通過對桂林響水洞的石筍進行高精度的TIMS－U系測年和碳、氧同位素分析，建立了中全新世6.0kaB.P. 以來桂林地區高解析度的古氣候變化時間序列。石筍剖面的碳、氧同位素記錄揭示，桂林地區中全新世(6000aB.P.)以來的季風氣候變化，大致可分為2個氣候期：6000～3568aB.P.為氣候適宜期，顯示東亞夏季風由強盛逐漸變為減弱的趨勢，氣候溫暖濕潤期；3568～373aB.P.為降溫期，顯示東亞夏季風減弱，東亞冬季風增強以及氣候的大幅度波動。

碳同位素記錄表明，從6000aB.P到784aB.P.期間，δ13C均趨向於偏負或偏輕，表明森林植被茂盛。從3800～784 aB.P.間δ13C記錄化曲線揭示出為5個乾旱和潮濕亞階段，並以500～650年為一周期，其中，每一乾旱亞期持續時間為200～250年，每一潮濕亞期持續時間為300～400年。

從784aB.P.開始(即相當於金朝，公元1166年)到373 aB.P. (即相當於元朝末至明朝末，公元1343～1577年)，δ13C從-9.02‰突然增大到-6.75‰～-3.81‰，δ13C值突然偏重，是由於人類活動的影響造成的，反映當時人口的增多，森林被大量砍伐，大量墾荒耕植，反映此階段以C4植物為主。

f、石筍記錄所揭示的氣候旋迴的周期及其變化，以及終止點的特徵等，可以與海洋同位素記錄以及冰芯記錄進行對比。而石筍剖面則是環境地層學與洞穴沉積學很重要的研究對象，研究紋層、紋層組、沉積結構構造及韻律特性，區分沉積間斷及災害性突變，為重建古環境提供了依據。

目前該項研究正在為建立西南地區大剖面，進一步擴大時空範圍及提高解析度等方面進行有關項目研究。

(2) 鈣華的古環境重建研究方面

a、根據四川黃龍和雲南白水台不同時代內生成因鈣華氧穩定同位素組成的差異，對鈣華形成時的水溫進行了計算。結果發現自鈣華形成以來，水溫變化可高達10oC以上。如對雲南白水台，從2500年以前的21oC降至現在的10oC。這很可能反映了地熱對水溫的影響在降低。此外，用內生成因類鈣華進行古環境重建研究時值得注意的問題是：放射性碳測年中"死碳"(來自深部碳酸鹽碳和深部CO2)的干擾及由深源CO2和CO2自水中逸出導致的鈣華13C富集，後者在利用類似熱成因碳酸鹽沉積的 13C進行古植被重建時也是必須考慮的問題。

b、在貴州茂蘭外生成因鈣華古環境研究中發現：茂蘭小七孔景區內的響水河及源頭卧龍壩地下河的的鈣和重碳酸鹽濃度異常地低，分別僅為38.51~51.51mg/l和105.17~164.70mg/l, 相應的水的CO2分壓小於3000ppm，方解石飽和指數小於0.5, 可見現在的水化學特徵與響水河所見到的大量鈣華沉積明顯不匹配，結合鈣華年齡的測定和碳穩定同位素組成特徵分析，發現約4000年以來，響水河源頭補給區可能由於人類的活動發生了嚴重的植被退化和水土流失現象，結果導致進入岩溶系統的土壤CO2分壓降低(相應地大氣CO2所佔比重加大)，岩溶作用(碳酸鹽岩溶解作用及鈣華沉積作用)強度降低，水和鈣華的 13C值明顯偏高，如3600～4000年前的鈣華的 13C為－11.5~－11.05(平均－11.2‰),而後形成的鈣華的 13C增加到－9.09~－7.98‰(平均－8.5‰)，增加達2.7‰。

(四) 岩溶動力學與其它學科交叉及有關的資源環境和生態問題研究

在這方面，為全國不同類型岩溶地區合理的環境規劃和已出現的資源、環境和生態地質問題，尤其是旱澇、石漠化、水資源(水質和水量)問題的治理和改造提供了科學依據，但也提出了許多需要進一步研究的問題，包括岩溶地區石漠化的形成機理、演化趨勢及生態治理；碳酸鹽岩地區碳循環對元素遷移和生態的影響；對碳酸鹽岩的結構、構造和儲集性能的研究；油、水和氣在微空隙及裂隙儲層中的運移；岩溶水資源的評價、開發利用及科學管理；岩溶充水礦床的突水預報；岩溶區塌陷、滲漏和污染的調查、防治和預報的研究等。主要進展如下：

1、通過研究發現，在裸露的岩石上有大量的低等植物殖居，藻類、地衣、苔蘚在岩石表面殖居，不僅改善了岩石的水分條件，同時元素生物地球化學循環增強，富集了營養成分，可使高等植物直接在碳酸鹽岩上殖居，表明岩溶石漠化地區植被恢復的可能性。在有少量土壤的條件下，更有利於植被的恢復。在空氣污染嚴重的石漠化地區，植被自然恢復更加艱難。

2、地方名、特、優作物與岩溶地球化學背景關係密切。廣西弄拉是一個典型的峰叢石山區，碳酸鹽岩地層中含有泥硅質成分，岩石和土壤的地球化學背景也比較特殊，許多微量元素的含量相對比較豐富，為發展植物物種的多樣性提供了條件。在不同的地貌部位發展立體生態農業結構，根據不同的岩溶地球化學條件種植名特優藥材和果樹，使當地居民脫貧致富，且改善了生態環境，是探索園地可持續發展的途徑。

3、岩溶動力系統結構和功能對旱澇災害的形成起著控制作用，系統的結構發生變化從而產生功能衰退的原因卻是複雜的。土地利用方式的變化對岩溶旱澇的發生起著至關重要的作用，森林植被的破壞，水土流失和石漠化、地下河系統的淤塞、岩溶塌陷引起的滲漏等人類活動造成的影響因素構成一個複雜的具有因果關係的旱澇致災鏈。通過水域調配，地表水和地下水聯合調度，進行土地整理，可達到防治旱澇的目的，並可促進生態環境的改善。

4、在對廣西地下河調查和分析的基礎上，發現地下河水的一些離子濃度普遍增高，水質有惡化的趨勢。SO42-、NO3-、總溶解固體升高最明顯，HCO3-、Ca2+、K+、總硬度和永久硬度也有所增高，Cl-、pH有下降趨勢，說明地下河普遍受到污染或有污染趨勢。主要原因是SO2、CO2等排放量的劇增、過量施用化肥、石漠化等造成環境酸化的結果，也反映了土地利用的空間布局對岩溶地下水污染的影響。

5、表層岩溶帶是西南岩溶石山區非常普遍的一種岩溶現象，對地下水具有調蓄作用，並可形成表層岩溶泉，為乾旱缺水的石山區解決飲用水問題提供了條件。降雨、土壤和岩溶植被條件是控制表層岩溶泉動態的主要因素，表層岩溶泉的流量大小、出流時間長短與土地利用結構的關係極為密切。據初步評價，西南岩溶石山地區表層岩溶水年資源量可達247×108 m3，占降水補給量的約 8%，這部分水對於解決岩溶山區分散居民的飲用水問題具有重要意義。

6、岩溶塌陷已成為城市發展面臨的主要地質災害。以六盤水為例，水城盆地已產生塌陷坑1800餘個，其中68.46%發生在耕地，31.54%發生在建設用地和公路交通用地。岩溶塌陷區土地整理的目的有兩個方面，一是使對岩溶塌陷比較敏感的用地，如建築用地和交通用地，要避開岩溶塌陷高危險區，以減小潛在塌陷可能給社會帶來的影響；二是通過土地整理，減少高危險區可能產生的大型工程活動，進而減輕誘發塌陷產生的因素。建議岩溶塌陷高危險區作為公共綠地或耕地。

7、廣西岩溶區耕地整理的生態適宜性與宏觀岩溶地貌形態密切相關。總體上，耕地整理的生態適宜性從峰林平原或峰林谷地，到岩溶谷地，峰叢谷地，再到峰叢窪地區有逐漸降低的趨勢，表明峰叢石山區開展耕地整理工作的局限性較大，峰叢山區進行耕地整理時應注意水土流失等生態環境問題。實驗室科研隊伍包括研究隊伍和技術隊伍，其中研究隊伍13人，包括院士1名、研究員4名、副研究員6名和助理研究員2名；技術隊伍6人，包括分析化學人員3名(含副研、高級工程師和實驗師各1名)和同位素測試人員3名(含高級工程師、工程師和實驗師各1名)。實驗室有博士學位者3人，在讀博士生3名。博士生導師1名，碩士生導師3名。

科研用房總面積786平方米，其中包括工作人員辦公室用房285平方米、實驗儀器用房501平方米。

岩溶動力學開放研究實驗室的儀器設備包括室內元素和同位素分析設備和野外水文、氣象、環境地球化學監測設備。而野外自動化監測設備在全國岩溶地區典型監測站的啟用和正常運轉是實驗室在國內外的首創和特色。它們極大地促進了岩溶動力學研究水平的提高，為岩溶地區資源和環境問題發生、發展至最後解決提供了全新的視野。

管理和開放運行情況實驗室總的運行機制是：開放、流動、競爭、聯合。

1、主任負責制：

實驗室主任根據學科發展、國家需求和國土資源部的職能需要，組織科研工作，開展學術交流與合作；保證科研隊伍的建設；積極組織申報項目和籌集經費；建立規章制度、完善運行機制，真正落實"開放、流動、聯合、競爭"八字方針。副主任協助主任完成有關工作。

2、學術委員會指導制度：

成立了由國內外21位專家學者組成的開放實驗室學術委員會，定期召開了一年一度的學術委員會，討論和通過了實驗室研究方向、項目申請指南及審批了每年的開放課題。

3、增強開放度，實行流動制

一是強化實驗室基金的力度，自主設立學科急需發展方向的前期研究和吸引國內外科學家的講學、客座研究和合作研究等；二是對一些重點或重大項目的開放，吸引所內外不同學科的科學家和研究生聯合攻關。目前已在《中國岩溶》、實驗室網站上發布了岩溶動力學開放研究實驗室年度課題指南4期，資助了開放課題共23項(涉額50餘萬元)，涉及包括吉林大學等22個國內外研究機構，主要客座研究人員33人，其中2000年－2002年客座研究人員18人中國外客座人員佔40%多。

(1) IGCP國際合作實效　廣泛國際對比對全球岩溶取得新認識，即岩溶不一定是壞事，如在北方(Boreal) 或溫帶濕潤氣候生態區，地下岩溶系統被用於排除沼澤地區過多積水，偏鹼性的碳酸鹽岩有利於中和酸性環境。如俄羅斯烏拉爾的孔古爾(Kungur)地區、彼姆(Perm)地區，凡是岩溶發育的地方，都成了主要農業基地。另一方面，岩溶地區的植被，常常是涵養水分，增加含水層的貯水能力，改善水文生態環境的重要因素，但在澳大利亞南部岩溶區廣泛分佈的桉樹，則以其強烈的蒸發作用，而被用於降低地下水位，防治土壤鹽鹼化。因此，通過對比可加強不同類型岩溶生態系統運行機理的認識，針對生態問題採取更加科學合理的對策，以利可持續發展。

(2) IGCP多邊國際合作引出下面多個雙邊合作

a,中德合作：主要是與德國不來梅大學的Dreybrodt教授研究組在碳酸鹽岩溶解、沉積速率控制機理方面進行了深入的合作研究，培養了這方面的博士一名，並在國內外核心期刊Geochimica et Cosmochimica Acta和<<中國科學>>等上合作發表了文章，這些文章被國內外學者廣泛引用達60餘次；

b,中日合作：受中德合作研究成果的影響，近幾年我們與日本九州大學Yoshimura教授研究組對四川黃龍鈣華生物作用的可能影響進行了初步研究和探索，並共同撰寫了研究報告和論文。

c, 中澳合作：近2年來，在國家自然科學基金國際合作項目的資助下，我方與澳大利亞紐卡斯爾大學的Drysdale博士等繼續在四川黃龍對鈣華沉積速率及其水化學控制進行了研究，並已完成研究進展報告，雙方合著了論文。

d,中挪合作：與挪威貝爾根大學的Laurinz博士合作，利用桂林岩溶洞穴石筍進行了古氣候、古環境重建，首次在我國發現了新仙女木事件記錄在岩溶沉積物中。

e, 中美合作：一方面與美國西肯塔基大學的Groves博士等在桂林岩溶試驗場建立了我國第一個岩溶動力系統自動監測站，目前監測正常，並取得了數以萬計寶貴的降雨量、水位、水溫、pH值和電導率數據，經整理分析取得了重要成果，它大大加深了我們對岩溶動力系統運行機制和規律的認識。另一方面，與密尼蘇達大學合作，利用他們的精密儀器，為我們進行了大量石筍樣品(多達約300個TIMS樣品)年齡的免費測定(相對於節省人民幣60萬元以上)。

實驗室每月召開討論會，研究當前存在的問題和下一步解決的辦法。此外，實驗室每年還舉辦學術年會，總結一年來的學術進展，對全所和周圍大學(廣西師大和桂林工學院)開放。

在對外開放的同時，開放實驗室也採取積極地走出去的戰略，先後有7人(其中年輕人有6位)前往德國、韓國、法國、波蘭、美國、西班牙和澳大利亞等國學習、培訓和參加國際會議。

4、強化目標和績效管理制度：以項目為龍頭，真正使各類經費的支持集中於實現實驗室的創新目標。同時，增強實驗室的宏觀調控能力，實現實驗室的良性循環。

5、高效、有序的技術支撐系統的管理制度：完善的實驗儀器設備是實驗室的基本條件。但高效、有序的管理體系則是保證實驗儀器設備正常運轉和高效利用的保證。因此，高效、有序的技術支撐系統的管理制度就是為了保證實驗室儀器設備的正常、高效運行，同時對科研人員上崗進行培訓和指導，克服了研究與實驗兩張皮的現象

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1、岩溶動力系統中土壤鈣遷移及生態環境效應（負責人：曹建華）

2、廣西岩溶區土壤鈣的地球化學行為及生態環境意義（負責人：曹建華）

3、岩溶峰叢窪地地區的坡面流研究(負責人：姜光輝)

4、典型地下河系統水質演化趨勢及其控制因素研究（負責人：裴建國）

5、典型岩溶地下河硝酸鹽氮氧同位素動態變化研究（負責人：汪進良）

6、中國西南50-15萬年來石筍記錄的氣候事件及全球意義（負責人：張美良）

7、中國西南高解析度洞穴石筍記錄的MIS5a/4氣候突變的內部結構特徵（負責人：朱曉燕）

8、利用洞穴沉積物重建石漠化演化歷程及驅動機制的研究（負責人：朱曉燕）