CN111505228A - 一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法，属于岩溶水监测技术领域，解决了现有洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置采用平板毛玻璃片无法区分沉积物成因类型，导致碳酸钙沉积物同位素分馏效应监测结果不准确，无法准确厘定洞穴现代碳酸钙沉积物的同位素分馏效应的问题。该洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置包括平板，平板上设有多个凸起，凸起之间构成流水通道；凸起包括主凸起和次凸起，主凸起为滴水中心点位置，主凸起的顶端面用于接收滴水，多个次凸起设于主凸起的四周，用于接收飞溅水。本发明能够准确的解译洞穴现代碳酸钙沉积物的同位素分馏效应及影响因素。

Description

一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及岩溶水监测技术领域，尤其涉及一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法。

背景技术

目前现行的洞穴现代碳酸钙沉积物的接取主要使用平板毛玻璃片，监测结果发现，随着距离滴水点位置变化，碳酸钙沉积物δ¹⁸O和δ¹³C值出现不同程度的分馏。分馏被认为是滴水饱和度变化，动力分馏和蒸发效应等因素导致的。发明人经过多年研究发现，在实际监测中，洞穴滴水在滴落到平板毛玻璃片时，滴水会向四面八方飞溅开，不仅在滴水中心点形成沉积物，在距滴水点中心不同位置也会形成沉积物，不同位置沉积物的沉积过程有较大差异。其中，距滴水点中心不同位置的碳酸钙沉积物实为飞溅水和毛玻璃片上流水混合的结果，理论上，毛玻璃片上会出现三种类型的沉积物：

第一种为滴水直接沉积物，洞穴滴水滴落在毛玻璃片上直接在滴水中心点形成沉积物。

第二种为飞溅水沉积物，形成在距滴水点中心不同位置，由滴水溅落到毛玻璃片之后快速飞溅，若飞溅水仍过饱和，其飞溅落到毛玻璃板之后直接沉积形成飞溅水沉积，其同位素分馏效应则主要为动力分馏。

第三种为流水混合沉积物，形成在距滴水点中心不同位置，由飞溅水和毛玻璃片上流水混合后沉积而成。由于滴水滴落在滴水点，直接形成沉积物后，滴水汇聚流出，同时也会有飞溅水混入，汇聚的滴水可能并不饱和，在流动过程中伴随着蒸发效应，其逐步饱和并沉积，其沉积过程受到动力分馏和蒸发效应的共同影响。

由于滴水滴落在平板毛玻璃片后，进行飞溅，滴水不断汇聚流动，汇聚的流水不仅会影响滴水中心点的第一种沉积物的成分，而且会影响第二种沉积物的成分。

综上可知，现有采用平板毛玻璃片进行洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测时，由于目前现有的监测毛玻璃板为平板，表面水平，滴水、飞溅水和流水无法区分，平板毛玻璃片上的各种沉积物均受到流水影响，无法区分滴水直接沉积物、飞溅水沉积物和流水混合沉积物。

因此，急需提供一种能够区分沉积物成因类型进行、进而分别讨论其同位素分馏效应的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置及监测方法，用以解决现有洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置采用平板毛玻璃片无法区分沉积物成因类型，导致碳酸钙沉积物同位素分馏效应监测结果不准确，无法准确厘定滴水的动力分馏效应和蒸发效应的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，包括平板，平板上设有多个凸起，凸起之间构成流水通道。

进一步地，凸起包括主凸起和次凸起，主凸起为滴水中心点位置，主凸起的顶端面用于接收滴水，多个次凸起设于主凸起的四周，用于接收飞溅水。

进一步地，次凸起围绕主凸起间隔设置。

进一步地，多个次凸起位于以主凸起为中心的一个圆周或多个同心圆周上。

进一步地，主凸起的高度大于次凸起的高度。

进一步地，主凸起的横截面面积大于次凸起的横截面积。

进一步的，主凸起的顶端面能够汇聚数滴滴水，并形成滴水直接沉积物。

进一步地，主凸起的顶端面为水平结构或具有一定弧度的上凸结构。

进一步地，次凸起的顶端面为平面结构或者下凹结构。

进一步地，次凸起的顶端面倾斜设置，且次凸起的倾斜顶端面朝向主凸起。

进一步地，以主凸起为中心，至少布置两圈次凸起；位于内圈次凸起的高度大于位于外圈次凸起的高度。

进一步地，内圈次凸起顶端面的倾斜角度大于外圈次凸起顶端面的倾斜角度。

进一步地，主凸起和次凸起顶端面上均设置用于防止形成的沉积物被滴水或飞溅水冲落的防脱落结构。

进一步地，防脱落结构为凹坑、刻痕中的一种或两种组合。

进一步地，平板的上表面设置滑轨，次凸起通过滑轨与平板滑动连接，次凸起能够沿滑轨靠近或远离滴水中心点。

进一步地，滑轨上设有用于将次凸起固定在滑轨指定位置的固定组件。

进一步地，滑轨的数量为多条，每一条滑轨的对称轴均通过主凸起的中心。

另一方面，还提供一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，基于上述洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，具体包括如下步骤：

步骤一：将监测装置置于滴水装置下方，使滴水装置的滴液口对准主凸起的中心；

步骤二：开启滴水装置进行初步滴水试验，根据滴水飞溅轨迹调整次凸起距主凸起中心的距离，使飞溅水能够落在次凸起上，将次凸起固定在轨道上；

步骤三：将洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置冲洗干净，再次启动滴水装置，进行滴水实验；

步骤四：收集主凸起、次凸起以及流水通道上的沉积物，进行同位素分析测试。

进一步地，洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法还包括步骤五：根据次凸起上的沉积物测试结果对流水混合沉积物同位素测试数据进行矫正。

进一步地，步骤一中，将平板1置于平台结构的安装槽内，通过调节平台结构设置的水平调节组件使平板1处于水平状态。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：

a)本发明提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，通过在平板上的滴水中心及滴水中心的周边设置凸起，能够有效地将滴水、飞溅水与流水分开，滴水直接沉积、飞溅水沉积可以直接沉积，而不受流水影响，得到碳酸钙沉积物的同位素分馏效应的监测结果更准确。

b)本发明提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，通过设置滑轨，实现了次凸起相对于滴水中心点的位置可调整，使用时，根据水滴的飞溅轨迹及溅落位置调整次凸起距滴水中心点的距离，使滴水飞溅后尽可能多的落在次凸起的顶端面，保证了测试过程的稳定性和可靠性。

c)本发明提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，次凸起顶端面倾斜设置，次凸起的顶端为边坡状结构，次凸起倾斜顶端面朝向主凸起，此结构设置不仅增大了飞溅水与次凸起的接触面积，使更多的飞溅水落在次凸起顶端面，而且便于次凸起顶端面汇聚的流水顺利流下。

d)本发明提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，采用设置凸起结构的监测装置，有效地将滴水、飞溅水与流水分开，滴水直接沉积、飞溅水沉积可以直接沉积，而不受流水影响，实现了不同类型沉积物的区分，同时凸起之间流水通道内汇聚的流水虽受到部分飞溅水的影响，能够通过飞溅水沉积加以校正测，使试结果更为准确，不仅克服了现有监测装置因毛玻璃板的表面水平，滴水、流水和飞溅水无法区分，导致无法准确的得到碳酸钙沉积物的同位素分馏效应监测结果的缺陷，还解决了目前学术界无法准确厘定滴水的动力分馏和蒸发效应的难题。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置的结构示意图一；

图2为本发明实施例中洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置的结构示意图二；

图3为本发明实施例中洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置的结构示意图三；

图4为本发明实施例中主凸起的结构示意图一；

图5为本发明实施例中主凸起的结构示意图二；

图6为本发明实施例中次凸起的结构示意图一；

图7为本发明实施例中次凸起的结构示意图二。

附图标记：

1-平板；2-主凸起；3-次凸起；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，如图1至图3所示，包括平板1，平板1上设有多个凸起，凸起之间构成流水通道；其中，凸起包括一个主凸起2和至少一个次凸起3，主凸起2为滴水中心点位置，主凸起2优选设置于平板1的中心位置，主凸起2的顶端面用于接收滴落的滴水，主凸起2的四周设有用于接收飞溅水的多个次凸起3。其中，平板1为光滑玻璃板或毛玻璃板。

考虑到滴水飞溅后落在平面上的位置呈圆周分布，次凸起3围绕主凸起2间隔设置，示例性的，多个次凸起3位于以主凸起2为中心的一个圆周或多个同心圆周上，也即多个次凸起3围绕主凸起2呈同心圆布置，同一个圆周上的次凸起3距离主凸起2中心点的距离相等，如图1所示，此结构设置能够使滴水飞溅后尽可能多的落在次凸起3的顶端面。

进一步地，考虑到滴水高度、滴水滴率、洞穴封闭/通风程度、空气温湿度等因素均会影响水滴溅落后落在平面的位置，为了使滴水飞溅后尽可能多的落在次凸起3的顶端面，次凸起3相对于滴水中心点的位置可调整。具体的，平板1的上表面设置滑轨，次凸起3通过滑轨与平板1滑动连接，滑轨上设有用于将次凸起3固定在滑轨指定位置的固定组件，次凸起3能够沿滑轨靠近或远离滴水中心点，并通过固定组件固定在指定位置。滑轨的数量为多条，每一条滑轨的对称轴均通过主凸起2的中心，也即滑轨的对称轴通过滴水中心点。使用时，根据水滴的飞溅轨迹及溅落位置调整次凸起3距滴水中心点的距离，使滴水飞溅后尽可能多的落在次凸起3的顶端面。

本实施例的一个具体实施方式，如图2至图3所示，凸起为圆柱体或方形柱体结构，主凸起2的高度大于次凸起3的高度，主凸起2的横截面面积大于次凸起3的横截面积，主凸起2的顶端面能够汇聚数滴滴水，并形成滴水直接沉积物。

本实施例的一个具体实施方式，如图3所示，主凸起2的顶端面为水平结构或具有一定弧度的上凸结构，示例性的如图4所示，主凸起2的顶端面为上凸结构，如半球体，滴水落在半球体结构主凸起2的上凸弧面；或者，如图5所示，主凸起2为半球体结构，半球体结构的主凸起2直接扣设在平板1上，与平板1一体成型或通过滑轨与平板1连接。

本实施例中的一个具体实施方式，如图3、图6至图7所示，次凸起3的顶端面为平面结构或者下凹结构，次凸起3的顶端面倾斜设置，次凸起3的顶端为边坡状结构，次凸起3的倾斜顶端面朝向主凸起2，具有上凸的弧面。此结构设置，不仅增大了飞溅水与次凸起3的接触面积，使更多的飞溅水落在次凸起3顶端面，而且便于次凸起3顶端面汇聚的流水顺利流下。另外，倾斜边坡状结构有利于减少因飞溅水长时间滞留，不饱和飞溅水受到潜在的蒸发效应和动力分馏影响。因此，此结构能够保证飞溅水沉积物为平衡分馏沉积，不饱和飞溅水则直接汇聚成流水，同时也能够保证流水混合沉积受到飞溅水沉积影响可衡量。

进一步的，次凸起3围绕主凸起2呈至少两个同心圆布置，也即在滴水中心的主凸起2四周布置至少两圈次凸起3，由滴水中心点向四周的径向上，位于内圈的次凸起3的高度大于位于外圈的次凸起3的高度。此结构设置，能够避免次凸起3顶端面产生的二次飞溅水滴落在其他次凸起3上，同时，也避免了一次未饱和不发生沉积，再次飞溅发生饱和沉积而产生的动力分馏的影响，保证了飞溅水为平衡沉积。

再进一步的，考虑到水滴溅起后飞溅下落的轨迹大致呈抛物线形，由滴水中心点沿径向向四周，抛物线的切线与竖直方向的夹角逐渐变小。因此，本实施例中，内圈次凸起3顶端面的倾斜角度大于外圈次凸起3顶端面的倾斜角度。其中，倾斜角度是指倾斜顶端面与水平面的夹角，若倾斜的顶端面为凸形曲面，倾斜角度是指凸形曲面几何中心点处切线与水平面的夹角，此结构设置能够使飞溅水近似垂直的落在次凸起3的顶端面上，保证不同圆周位置上次凸起3顶端面的沉积环境相同，保持了飞溅水平衡沉积的环境，保证了实验效果的准确性。

为了避免凸起顶端面形成的沉积物意外脱落，在主凸起2和次凸起3顶端面上均设置用于防止形成的沉积物被滴水或飞溅水冲落的防脱落结构，优选地，防脱落结构包括凹坑、刻痕中的一种或两种组合，凹坑或刻痕深度为0.08-1.0mm，通过在凸起的顶端面设置防脱落结构，不仅有利于快速沉积，还能够有效地防止沉积物在滴水过程中意外脱落，保证了实验过程的稳定性和实验数据的准确性。

本实施例中，平板1为矩形结构，其具体尺寸根据滴水量及滴水高度设置，进一步的，平板1为矩形，平板1的尺寸为：长为5-20cm，宽为5-20cm；再进一步的，平板1为正方形，尺寸为8cm×8cm或者10cm×10cm。

本实施例中，主凸起2的顶端面面积为次凸起3顶端面面积的8-10倍，此参数设计能够提升滴水沉积的效果。

由于滴水实验过程中，平板1需要保持水平，因此，洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置还设置平台结构，平台结构设置用于限定平板1的安装槽，并且平台结构设置水平调节组件，如气泡水平仪，通过气泡水平仪调节平台结构，使平板1处于水平状态，保证了测试结果的准确性。

实施时，根据研究目的，将平板1放置于研究点位置，保持平板1水平，滴水能够直接滴落在位于平板1滴水中心的主凸起2上，滴水落在主凸起2进行汇聚并形成滴水直接沉积物，滴水在滴落到主凸起2上并不断汇聚的同时，产生飞溅水，飞溅水四散飞出，散布在以滴水中心点为同心圆的周围，飞溅水一部分飞溅水落在次凸起3上，且落在次凸起3上的均为飞溅水，次凸起3上形成飞溅水沉积物。主凸起2以及次凸起3上表面汇聚的流水经凸起之间的流水通道流走，同时流水通道内汇聚的流水中也会有飞溅水混入，汇聚的滴水可能并不饱和，在流动过程中伴随着蒸发效应，其逐步饱和并沉积，形成流水混合沉积物。

与现有技术相比，本实施例提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，通过在平板1上的滴水中心及滴水中心的周边设置凸起，由于主凸起2和次凸起3相对于平板1表面具有一定高度，凸起之间流水通道中汇聚的流水水量小，汇聚流水的上表面低于主凸起2和次凸起3的上表面，凸起能够有效地将滴水、飞溅水与流水分开，滴水直接沉积、飞溅水沉积可以直接沉积，而不受流水影响。同时凸起之间流水通道内汇聚的流水虽受到部分飞溅水的影响，但可以通过飞溅水沉积加以校正。本实施例提供的监测装置克服了现有监测装置因毛玻璃板的表面水平，导致滴水、流水和飞溅水无法区分，无法准确的得到碳酸钙沉积物的同位素分馏效应监测结果的缺陷，本实施例的监测装置能够更准确的厘定滴水的动力分馏和蒸发效应。

实施例2

本发明的又一具体实施例，公开了一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，利用实施例1中的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，具体包括如下步骤：

步骤一：将洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置置于滴水装置下方，使滴水装置的滴液口对准主凸起2的中心。将平板1放置于研究点位置，保持平板1水平，滴水能够直接滴落在位于平板1滴水中心的主凸起2上。

步骤二：开启滴水装置进行初步滴水试验，滴落在主凸起2上的滴水发生飞溅，根据滴水飞溅轨迹调整次凸起3距主凸起2中心的距离，使飞溅水尽可能多的落在次凸起3上，次凸起3位置调整后，将次凸起3固定在轨道上。

步骤三：用洁净水将洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置冲洗干净，再次启动滴水装置，进行滴水实验。

步骤四：收集主凸起2、次凸起3以及流水通道上的沉积物，进行同位素分析测试。停止滴水后，收集主凸起2上的滴水直接沉积物、次凸起3上的飞溅水沉积物和流水通道内的流水混合沉积物，并对不同位置、不同类型的沉积物分别进行编号，利用同位素质谱仪对各种沉积物进行分析测试，得到不同类型沉积物的同位素数据。

步骤一中，为了使平板1保持水平，将平板1置于平台结构的安装槽内，通过调节平台结构设置的水平调节组件使平板1处于水平状态，保证了测试结果的准确性。

还包括步骤五：根据次凸起3上的沉积物同位素测试结果对流水混合沉积物同位素测试数据进行矫正。由于凸起之间流水通道内汇聚的流水虽受到部分飞溅水的影响，但可以通过飞溅水沉积加以校正，校正原理及方法如下：

由于流水混合沉积包含部分飞溅水沉积，将测试的飞溅水沉积物与流水混合沉积物的同位素测试结果相减，得出流水混合沉积受到的蒸发效应和动力分馏的影响。具体的，计算飞溅水沉积物在流水混合沉积物中所占比例，得出到飞溅水沉积物在流水混合沉积物所占比重，并进行扣除，直接得出流水混合沉积物的同位素值。在准确获取滴水直接沉积物、飞溅水沉积物和流水混合沉积物的同位素值的基础上，进而能够评估不同过程的潜在同位素分馏效应。

与现有技术相比，本实施例提供的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，采用设置凸起结构的监测装置，有效地将滴水、飞溅水与流水分开，滴水直接沉积物、飞溅水沉积物可以直接沉积，而不受流水影响，实现了不同类型沉积物的区分，同时凸起之间流水通道内汇聚的流水虽受到部分飞溅水的影响，能够通过飞溅水沉积物加以校正，使测试结果更为准确，不仅克服了现有监测装置因毛玻璃板的表面水平，滴水、流水和飞溅水无法区分，导致无法准确的得到碳酸钙沉积物的同位素分馏效应监测结果的缺陷，还解决了目前学术界无法准确厘定滴水的动力分馏和蒸发效应的难题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，包括平板(1)，平板(1)上设有多个凸起，所述凸起之间构成流水通道。

2.根据权利要求1所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述凸起包括主凸起(2)和次凸起(3)，所述主凸起(2)为滴水中心点位置，所述主凸起(2)的顶端面用于接收滴水，多个次凸起(3)设于所述主凸起(2)的四周，用于接收飞溅水。

3.根据权利要求2所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述次凸起(3)围绕主凸起(2)间隔设置。

4.根据权利要求3所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述多个次凸起(3)位于以主凸起(2)为中心的一个圆周或多个同心圆周上。

5.根据权利要求2至4任一项所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述主凸起(2)的高度大于次凸起(3)的高度。

6.根据权利要求2至4任一项所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，主凸起(2)的横截面面积大于次凸起(3)的横截面积。

7.根据权利要求2至6任一项所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述主凸起(2)和次凸起(3)顶端面上均设置用于防止形成的沉积物被滴水或飞溅水冲落的防脱落结构。

8.根据权利要求7所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，其特征在于，所述防脱落结构为凹坑、刻痕中的一种或两种组合。

9.一种洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，其特征在于，基于权利要求1至8所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置，具体包括如下步骤：

步骤一：将所述监测装置置于滴水装置下方，使滴水装置的滴液口对准主凸起(2)的中心；

步骤二：开启滴水装置进行初步滴水试验，根据滴水飞溅轨迹调整次凸起(3)距主凸起(2)中心的距离，使飞溅水能够落在次凸起(3)上，将次凸起(3)固定在轨道上；

步骤三：将洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测装置冲洗干净，再次启动滴水装置，进行滴水实验；

步骤四：收集主凸起(2)、次凸起(3)以及流水通道上的沉积物，进行同位素分析测试。

10.根据权利要求9所述的洞穴现代沉积物同位素分馏效应监测方法，其特征在于，还包括步骤五：根据次凸起(3)上的沉积物测试结果对流水混合沉积物同位素测试数据进行矫正。

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