• 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 中国科学引文数据库收录期刊
  • 世界期刊影响力指数(WJCI)报告来源期刊
  • Scopus, CA, DOAJ, EBSCO, JST等数据库收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

甑皮岩洞穴空气环境因子变化及其对遗址文化层的影响

张鹏 郭芳 姜光辉 刘凡 荆宝坤

张 鹏,郭 芳,姜光辉,等. 甑皮岩洞穴空气环境因子变化及其对遗址文化层的影响[J]. 中国岩溶,2024,43(5):1007-1019 doi: 10.11932/karst20240502
引用本文: 张 鹏,郭 芳,姜光辉,等. 甑皮岩洞穴空气环境因子变化及其对遗址文化层的影响[J]. 中国岩溶,2024,43(5):1007-1019 doi: 10.11932/karst20240502
ZHANG Peng, GUO Fang, JIANG Guanghui, LIU Fan, JING Baokun. Changes of air environmental factors in Zengpiyan cave site and its influence on the cultural layers[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(5): 1007-1019. doi: 10.11932/karst20240502
Citation: ZHANG Peng, GUO Fang, JIANG Guanghui, LIU Fan, JING Baokun. Changes of air environmental factors in Zengpiyan cave site and its influence on the cultural layers[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(5): 1007-1019. doi: 10.11932/karst20240502

甑皮岩洞穴空气环境因子变化及其对遗址文化层的影响

doi: 10.11932/karst20240502
基金项目: 广西重点研发计划项目(桂科AB24010054);国家自然科学基金(42272303;42172287); 桂林岩溶地质广西野外科学观测研究站(科研能力建设)(桂科23-026-274)
详细信息
    作者简介:

    张鹏(1998-),男,硕士研究生,主要从事岩溶洞穴环境和遗址保护的研究。E-mail:1019948337@qq.com

    通讯作者:

    郭芳(1978-),女,博士,研究员,主要从事岩溶水文地质的研究。E-mail:gfkarst@126.com

  • 中图分类号: P642.25

Changes of air environmental factors in Zengpiyan cave site and its influence on the cultural layers

  • 摘要: 甑皮岩古人类遗址洞穴内原始文化层的保存是遗址保护的重中之重。为了解洞内空气环境因子变化及其对遗址文化层风化的影响,选择洞穴温度、湿度以及二氧化碳(CO2)等环境因子进行为期一个水文年的观测。结果发现洞内空气环境因子随季节呈现三个阶段的变化:冬季温湿度低,变幅大,洞底CO2不累积;夏季温湿度高,变幅小且稳定,CO2在洞底累积;春秋为两者过渡阶段。空间上,温湿度随着洞穴深度的变化而呈现渐进式变化。CO2在洞穴东部有着高浓度带状的分布区域,表明水洞是主洞CO2的重要来源。综合分析认为通风效应、洞穴形态、旅游活动等是影响洞穴空气环境变化的重要因素。观察并结合X射线衍射分析发现,近洞口、水洞连接处、洞穴中段、洞底以及探方上下部等各处文化层之间,有明显的风化程度差异,与空气环境因子的时空变化有关。如洞底探方上部文化层溶蚀空洞较多,主要是由于水蒸气在上部堆积,易凝结溶蚀并带走文化层易溶组分;洞口文化层胶结物松散粉化,与洞口空气温度变幅较大、干湿交替频繁有关。本研究掌握了具有浅平开阔洞口特征的甑皮岩遗址主要环境因子的时空变化,探讨了可能的影响因素和对文化层风化的影响,为洞穴遗址更好的保护和利用提供了科学依据。

     

  • 图  1  (a)洞穴遗址平面图(改自覃政教等,2011),(b)甑皮岩遗址的地理位置,(c)A—A′洞穴遗址剖面图

    Figure  1.  (a) Cave site plan (Adapted from Qin Zhengjiao et al., 2011), (b) Geographical location of Zengpiyan cave site, (c) Cross-section of the cave site A-A′

    图  2  洞内CO2随时间(四季)变化曲线

    Figure  2.  Variation curve of CO2 within the cave with the change of four seasons

    图  3  洞内相对湿度随时间(四季)变化曲线

    Figure  3.  Variation curve of relative humidity within the cave with the change of four seasons

    图  4  洞内温度(a)、露点(b)随时间(四季)变化曲线

    Figure  4.  Variation curves of temperature (a) and dew point (b) within the cave with the change of four seasons

    图  5  2023年6月30日至7月9日甑皮岩遗址洞穴内外空气环境因子变化趋势对比

    Figure  5.  Comparative analysis of variations in air environmental factors inside and outside the Zengpiyan cave site from June 30 to July 9, 2023

    图  6  温度、湿度、二氧化碳(CO2)年平均值插值结果图

    Figure  6.  Interpolated annual averages of temperature, humidity and CO2 levels

    图  7  各探方上下部的T、RH和CO2均值对比图

    Figure  7.  Comparison of mean values of T, RH, and CO2 between the top and bottom surfaces of each exploration unit

    图  8  甑皮岩遗址洞穴通风模式一(a)、通风模式二(b)示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of ventilation mode 1 (a) and ventilation mode 2 (b) of Zengpiyan cave site

    图  9  4月5日洞穴环境因子观测结果插值图

    Figure  9.  Interpolations of measured results of cave environmental factors on April 5

    图  10  6月16日洞穴环境因子观测结果插值图

    Figure  10.  Interpolations of measured results of cave environmental factors on June 16

    图  11  文化层各探方上下部矿相成分XRD分析图

    Figure  11.  XRD analysis diagram of mineral phase composition in the upper and lower parts of each exploratory unit of the cultural layer

    图  12  文化层的主要风化状态

    左:DT6探方疏松多孔上部文化层 中:DT6探方致密紧实下部文化层 右: 近洞口文化层文物干裂

    Figure  12.  Principal weathering conditions of the cultural layer

    Left: the loose and porous upper cultural layer of DT6; Middle: the compact lower cultural layer of DT6; Right: the relic drying splits in the cultural layer near the cave entrance

    表  1  测点简介表

    Table  1.   Introduction of monitoring points

    分类 编号 位置 探方深/m 洞口距离/m 洞穴形态、沉积物、环境
    近洞口 BT1 0.2 4.5 高且宽阔的洞口,回填砂土以及暴露在外松散的原始堆积,长期有照明设施
    水洞连接 BT3 1.5~1.8 6.8 主洞与水洞连接通道,洞顶发育有较多鹅管,雨季有长期滴水
    洞穴中段 BT2 1.3~1.6 8.5 洞穴高度和宽度都有所收缩,东侧洞壁发育有较多钟乳石,雨季有滴水
    DT4 0.2 9.5 较宽阔洞穴中部,近矮洞有小型凹槽,回填砂土覆盖
    洞底 DT6 2.68 13.1 近水洞深坑,堆积潮湿黏土,坑底雨季蓄水淹没文化层
    DT5 1.97~2.47 13.9 有较狭窄向内凹槽,原始堆积,雨季滴水汇聚成水流流经
    其他 洞口外 \ 洞口外开阔地,自然堆积
    水洞 \ 小洞口洞厅,外部有钙华,内部松软水池底泥,洞内存在地下河,降雨期有大量滴水
    连续监测 15.9 狭窄洞底,存在未挖掘的原始堆积,雨季有滴水
    备注:①测试点为近洞口BT1探方测试点;②测点为水洞连接BT3探方测点;③、④测点为洞穴中段BT2、DT4探方测点;⑤、⑥测点为洞底DT6、DT5探方测点;⑦为洞口外测点;⑧为水洞测点。
    Note: ① measuring point of BT1 near the entrance of the cave; ② measuring point that connects water cave with measuring point of BT3 ; ③ and ④ measuing points of BT2 and DT4 in the middle of the cave; ⑤ and ⑥ measuring points of DT6 and DT5 at the cave floor; ⑦ measuring point outside the cave; ⑧ measuring point of the water cave.
    下载: 导出CSV

    表  2  洞穴温度、湿度和CO2观测结果统计表

    Table  2.   Statistics of observations on cave temperature, humidity, and CO2 levels

    指标/单位
    年平均值 T/ ℃ 22.6 22.2 21.7 21.4 21.1 21.2 22.8 22.0
    RH/% 73.6 74.2 77.5 75.0 81.7 78.0 72.6 83.1
    CO2/×10−6 509 633 575 469 583 520 429 1 042
    年最大值 T/ ℃ 29.3 28.0 27.8 27.9 27.5 27.4 30.7 27.9
    RH/% 93.7 91.1 92.7 94.6 94.5 94.3 95.3 99.5
    CO2/×10−6 617 1 097 1 264 519 787 642 456 2 789
    年最小值 T/ ℃ 13.7 12.7 12.1 11.5 11.8 11.5 8.0 15.6
    RH/% 45.2 50.4 46.8 44.3 57.2 46.7 46.3 55.6
    CO2/×10−6 410 419 421 415 478 471 394 448
    年变幅 T/ ℃ 15.6 15.3 15.7 16.4 15.7 15.9 22.7 12.3
    RH/% 48.5 40.7 45.9 50.3 37.3 47.6 49.0 43.9
    CO2/×10−6 207 678 843 104 309 171 62 2 341
    观测次数 N 11 11 11 11 11 11 11 10
    下载: 导出CSV

    表  3  T、RH、CO2垂直分布变化表

    Table  3.   Vertical distributions of T, RH and CO2

    位置 BT3(②) BT2(③) DT5(⑥) DT6(⑤)
    上部 下部 上部 下部 上部 下部 上部 下部
    顶底高差/m 1.80 1.60 1.97 2.68
    7月29日 T/ ℃ 27.0 27.9 28.1 27.8 27.5 27.4 27.1 27.5
    RH/% 86.1 82.1 82.9 84.7 83.8 82.6 87.2 81.1
    CO2/×10−6 530 730 493 562 529 568 592 787
    8月25日 T/ ℃ 26.1 27.2 26.4 26.7 25.9 26.0 25.8 25.7
    RH/% 94.3 91.1 93.9 92.7 93.0 94.3 96.3 94.5
    CO2/×10−6 861 1 097 896 1 264 658 642 605 786
    9月26日 T/ ℃ 26.1 26.6 26.7 26.5 26.4 26.7 25.9 26.2
    RH/% 86.4 83.9 86.0 88.0 85.5 85.3 89.1 87.7
    CO2/×10−6 645 788 552 612 457 556 464 711
    下载: 导出CSV
  • [1] Jiang G, Guo F, Wei M. Hydrogeological characteristics of foot caves in a karst peak-forest plain in South China[J]. Hydrogeology Journal, 2020, 28(2): 535-548. doi: 10.1007/s10040-019-02096-8
    [2] 黄文化. 桂林甑皮岩遗址地下水害防治工程水文地质试验[J]. 西部探矿工程, 2019, 31(1):125-127, 130. doi: 10.3969/j.issn.1004-5716.2019.01.044
    [3] Guo F, Jiang G H, Liu F. Biological sulfate reduction in an epigene karst aquifer and its impact on cave environment[J]. Journal of Hydrology, 2021, 602: 126804. doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.126804
    [4] Bao J, Wu X S, Zhang Q, Yuan D X, Guo F, Liu F. Unveiling the nitrogen transport and transformation in different karst aquifers media[J]. Journal of Hydrology, 2023, 620: 129335. doi: 10.1016/j.jhydrol.2023.129335
    [5] 张美良, 朱晓燕, 覃军干, 吴夏, 曹建华. 桂林甑皮岩洞穴的形成、演化及古人类文化遗址堆积浅议[J]. 地球与环境, 2011, 39(3):305-312.

    ZHANG Meiliang, ZHU Xiaoyan, QIN Jungan, WU Xia, CAO Jianhua. Primary research on the formation and development of Zengpiyan cave and the ancient cultural layer at the Zengpiyan archaeological site, Guilin, China[J]. Earth and Environment, 2011, 39(3): 305-312.
    [6] 班凤梅, 蔡炳贵. 北京石花洞空气环境主要因子季节性变化特征研究[J]. 中国岩溶, 2011, 30(2):132-137. doi: 10.3969/j.issn.1001-4810.2011.02.003

    BAN Fengmei, CAI Binggui. Research on seasonal variations of the air's main environmental factors in the Shihua cave, Beijing[J]. Carsologica Sinica, 2011, 30(2): 132-137. doi: 10.3969/j.issn.1001-4810.2011.02.003
    [7] 袁道先, 蔡桂鸿. 岩溶环境学[M]. 重庆:重庆出版社, 1988.
    [8] 方雨, 蒋忠诚, 张卫, 章程. 岩溶作用过程试验方法研究:以岩溶作用仪研制为例[J]. 中国岩溶, 2023, 42(1):40-51. doi: 10.11932/karst20230103

    FANG Yu, JIANG Zhongcheng, ZHANG Wei, ZHANG Cheng. Study on test method of karstification process: Take the development of karstification instrument as an example[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(1):40-51. doi: 10.11932/karst20230103
    [9] 石亮星, 周忠发, 范宝祥, 汤云涛, 闫利会, 安丹, 朱粲粲. 喀斯特洞穴通风效应特征变化及其对洞内空气环境的影响研究:以贵州绥阳麻黄洞为例[J]. 长江流域资源与环境, 2021, 30(7):1704-1713.

    SHI Liangxing, ZHOU Zhongfa, FAN Baoxiang, TANG Yuntao, YAN Lihui, AN Dan, ZHU Cancan. Characteristics of ventilation effect in karst caves and its influence on cave air environment: A case study of Mahuang cave of Suiyang, Guizhou Province[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2021, 30(7): 1704-1713.
    [10] Milanolo S, Gabrovšek F. Analysis of carbon dioxide variations in the atmosphere of Srednja Bijambarska cave, Bosnia and Herzegovina[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2009, 131(3): 479-493. doi: 10.1007/s10546-009-9375-5
    [11] Sánchez Cañete E P, Serrano Ortiz P, Domingo F, Kowalski A S. Cave ventilation is influenced by variations in the CO2-dependent virtual temperature[J]. International Journal of Speleology, 2013, 42(1): 1-8. doi: 10.5038/1827-806X.42.1.1
    [12] 宋林华, 韦小宁, 梁福源. 河北临城白云洞洞穴旅游对洞穴CO2浓度及温度的影响[J]. 中国岩溶, 2003, 22(3):230-235.

    SONG Linhua, WEI Xiaoning, LIANG Fuyuan. Effect of speleo-tourism on the CO2 content and temperature in Baiyun cave, Lincheng, Hebei[J]. Carsologica Sinica, 2003, 22(3): 230-235.
    [13] 卫敏洁. 甑皮岩洞穴遗址地下水的水—气界面侵蚀性气体的产生机理[D]. 重庆:西南大学, 2020.

    WEI Minjie. Production mechanism of corrosive gas at the water-air interface of groundwater at Zengpiyan cave site in Guilin[D]. Chongqing: Southwest University, 2020.
    [14] 潘艳喜. 喀斯特洞穴空气要素变化特征及其对洞穴环境的影响研究:以贵州织金洞为例[D]. 贵阳:贵州师范大学, 2020.

    PAN Yanxi. Study on the characteristics of air elements variety in karst cave and its impact on the cave environment: A case study of Zhijin cave, Guizhou Province[D]. Guiyang: Guizhou Normal University, 2020.
    [15] 蔡炳贵, 沈凛梅, 郑伟, 李克普, 白云志, 董春志. 本溪水洞洞穴空气CO2浓度与温、湿度的空间分布和昼夜变化特征[J]. 中国岩溶, 2009, 28(4):348-354. doi: 10.3969/j.issn.1001-4810.2009.04.004

    CAI Binggui, SHEN Linmei, ZHENG Wei, LI Kepu, BAI Yunzhi, DONG Chunzhi. Spatial distribution and diurnal variation in CO2 concentration, temperature and relative humidity of the cave air: A case study from Water cave, Benxi, Liaoning, China[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(4): 348-354. doi: 10.3969/j.issn.1001-4810.2009.04.004
    [16] 吴天太. 空气密度年变化情况对风电场发电量计算的影响[J]. 太阳能, 2023(4):22-29.

    WU Tiantai. Influence of annual variation of air density on power generation capacity calculation of wind farm[J]. Solar Energy, 2023(4): 22-29.
    [17] 薛冰清, 张结, 汪炎林, 周忠发, 张昊天, 汤云涛. 贵州双河洞空气环境主要因子化特征及影响因素分析[J]. 环境科学与技术, 2019, 42(2):81-88.

    XUE Bingqing, ZHANG Jie, WANG Yanlin, ZHOU Zhongfa, ZHANG Haotian, TANG Yuntao. Variation characteristics and causes of main factors of air environment of Shuanghe cave in Guizhou Province[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 42(2): 81-88.
    [18] 殷超, 周忠发, 曹明达, 张 结, 张 强, 张绍云, 潘艳喜. 岩溶洞穴内气候环境因子关系分析:以贵州省织金洞为例[J]. 中国岩溶, 2016, 35(4):414-424.

    YIN Chao, ZHOU Zhongfa, CAO Mingda, ZHANG Jie, ZHANG Qiang, ZHANG Shaoyun, PAN Yanxi. Analysis on the relationship between climatic and environmental factors in karst caves: An example from Zhijin cave of Guizhou Province[J]. Carsologica Sinica, 2016, 35(4): 414-424.
    [19] 傅寒晶, 简星, 梁杭海. 硅酸盐化学风化强度评估的沉积物指标与方法研究进展[J]. 古地理学报, 2021, 23(6):1192-1209. doi: 10.7605/gdlxb.2021.06.076

    FU Hanjing, JIAN Xing, LIANG Hanghai. Research progress of sediment indicators and methods for evaluation of silicate chemical weathering intensity[J]. Journal of Palaeogeography, 2021, 23(6): 1192-1209. doi: 10.7605/gdlxb.2021.06.076
    [20] 朱学稳, 汪训一, 朱德浩, 龚自珍, 覃厚仁. 桂林岩溶地貌与洞穴研究[M]. 北京:地质出版社, 1988.
    [21] Fernando Gázquez, José María Calaforra, Paolo Forti, Jo De Waele, Laura Sanna. The role of condensation in the evolution of dissolutional forms in gypsum caves: Study case in the karst of Sorbas (SE Spain)[J]. Geomorphology, 2015, 229: 100-111.
    [22] Houillon N, Lastennet R, Denis A, Malaurent P, Minvielle S, Peyraube N. Assessing cave internal aerology in understanding carbon dioxide (CO2) dynamics: Implications on calcite mass variation on the wall of Lascaux Cave (France)[J]. Environmental Earth Sciences, 2017, 76(4): 170. doi: 10.1007/s12665-017-6498-8
    [23] 易泉. 干旱区土遗址风化特征及劣化模型研究[D]. 兰州:兰州大学, 2023.

    YI Quan. Deterioration model for earthen monuments in arid weathering condition[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2023.
    [24] 陈毅, 张虎元, 杨龙. 遗址土劣化进程中微观结构变化的类比研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(11):4117-4124, 4141.

    CHEN Yi, ZHANG Huyuan, YANG Long. Analogy study on evolution of microstructure of earthen monument during natural weathering process[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(11): 4117-4124, 4141.
  • 加载中
图(12) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  54
  • HTML浏览量:  14
  • PDF下载量:  22
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-01
  • 录用日期:  2024-06-05
  • 修回日期:  2024-05-30
  • 网络出版日期:  2024-12-30
  • 刊出日期:  2024-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回