近日，西安交通大学全球环境变化研究院沙丽娟教授、程海教授与云南师范大学李廷勇研究员等，依托重庆武隆芙蓉洞长期连续监测，联合湖南师范大学、克罗地亚萨格勒布大学、河北地质大学、西南大学和中国科学院地球环境研究所等单位，开展了洞穴滴水三氧同位素及其水文传输过程研究。研究通过多年连续观测、三氧和氘同位素分析和洞穴滴水同位素传输模型，揭示了降水同位素信号从地表向洞穴传递过程中受到表层岩溶储存、混合和微弱蒸发的共同改造，并发现三氧同位素异常参数Δ′17O受到的衰减相对较弱，显示出记录大尺度水汽源区和大气环境变化的潜力。相关研究成果以“Triple oxygen isotope analysis of cave drip waters: insights into hydrological processes and paleoclimatic reconstruction”为题，发表在国际地球化学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。
石笋具有年代精确、时间跨度长和分辨率高等优势，其氧同位素记录被广泛用于重建过去的季风和水文气候变化。但石笋中的同位素信号并非地表降水的直接复制。降水进入洞穴前，要经过土壤、表层岩溶带和岩石裂隙，其同位素组成会受到储存、混合、流路转换以及蒸发或水—汽交换的影响。认识这些过程如何改变降水信号，是准确解释石笋古气候记录的关键。
围绕这一科学问题，研究团队依托芙蓉洞4个滴水点的多年监测资料，系统考察了传统氢、氧稳定同位素指标与三氧同位素异常参数Δ′17O在降水—滴水传输中的响应差异，并评估了表层岩溶储存、混合和蒸发对不同同位素信号的影响。该成果为亚洲夏季风区石笋三氧同位素记录的古气候解释提供了重要的现代过程依据。
主要研究结果如下：
1. 表层岩溶选择性过滤降水同位素信号
芙蓉洞降水同位素具有明显的干湿季变化，但4个滴水点的δ18O、δ17O和δD变化幅度很小，基本没有对应的季节周期。滴水仅保留约4%—5%的降水δ18O变率和约2%—5%的δD变率，其平均值则接近降水量加权年均值。这表明，降水进入洞穴前已在土壤、表层岩溶带和裂隙储水空间中经历长期储存与充分混合，季节尺度的快速波动被显著平滑，洞穴滴水主要记录年际至多年尺度的综合信号。
与δ18O、δD和dexcess相比，4个滴水点Δ′17O约保留了49%—84%的降水Δ′17O变率（图1）。研究表明，表层岩溶对不同同位素指标具有选择性过滤作用：传统同位素指标更容易受到单次降水、近地面蒸发和局地水汽再循环等短期过程影响，这些高频变化在地下传输中会被显著平滑。相比之下，Δ′17O可能包含更多与水汽源区相对湿度、水汽输送和大尺度大气环境有关的低频信号，因此具有用于石笋古气候重建的潜力。不过，由于Δ′17O的自然变化幅度较小，现阶段的定量解释仍需充分考虑分析精度和不同滴水点水文条件造成的不确定性。
图 1. 芙蓉洞滴水和降水的同位素组成
2.岩溶储水导致滴水同位素信号多年滞后
MP2滴水流量具有较明显的季节变化，能够较快响应地表降水，但其同位素组成仍相对稳定。这表明，滴水流量与同位素信号的响应并不同步：新降水可以快速增加滴水量，但其同位素信号在向下运移过程中会与表层岩溶中的旧水混合，季节变化因此被显著平滑。
在降水量加权方案下，平均传输时间（Mean transit time，MTT；即降水同位素信号在岩溶系统中被储存和整合的平均时间）估算显示，4个滴水点的信号整合时间约为10年。洞穴滴水同位素传输模型（ISODRIP）进一步表明，MP2的主要同位素滞后时间约5—10年。模型结果显示（图2），长期储存、充分混合的缓慢弥散流是主要补给通道，控制同位素信号的平滑与滞后；强降水期间短暂启动的侧向流则主要影响滴水量的短期变化。
图 2. 芙蓉洞监测及基于ISODRIP模型解析现代洞穴滴水同位素信号的概念框架示意图
3. 多同位素证据指示滴水仅受微弱蒸发改造
芙蓉洞滴水的δ18O—δD关系斜率明显低于当地降水线（图3）。两端元混合模拟显示，储存和混合虽然能够压缩δ18O、δD和氘盈余的变化范围，却基本不会改变水线斜率，因此无法单独解释滴水线斜率长期偏低的现象。进一步分析在4个滴水点均识别出低斜率分支，指示水体在进入洞穴前可能经历了微弱蒸发或水—汽交换。与此同时，滴水Δ′17O没有出现强蒸发通常造成的系统性降低，δ′18O—δ′17O关系也总体保持降水特征。这些证据不支持强烈的开放式蒸发，而更符合地表以下高湿环境中微弱或接近平衡状态的蒸发或水—汽交换，之后又被岩溶储水和混合进一步均一化。
图3. 当地降水与洞穴滴水的δ18O–δD（a）、δ′18O–δ′17O（c）和δ′18O–Δ′17O（e）线性关系；（b）、（d）和（f）分别为上述关系在 MP1、MP2、MP3和MP5四个滴水监测点数据范围内的局部放大图
论文第一作者沙丽娟为西安交通大学全球环境变化研究院科研人员，并担任共同通讯作者；云南师范大学李廷勇和西安交通大学全球环境变化研究院程海为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（42488201、42272214、42172204、42103005和42003006）、云南省基础研究计划项目（202201AS070022）、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目（202205AC160025）以及中央高校基本科研业务费专项资金（xzy012024072、xxj032025027）等资助。
原文信息：Sha, L., Liang, Q., Li, Y., et al. Triple oxygen isotope analysis of cave drip waters: insights into hydrological processes and paleoclimatic reconstruction. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2026.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.07.006
