华南典型岩溶洞穴222Rn动态变化特征与调控机制：多因子协同作用解析

针对岩溶洞穴气体交换机制不明的问题，桂林岩溶观测站团队以毛毛头大洞为研究对象，通过三年连续监测揭示了222Rn活度浓度的时空变异规律。研究发现洞穴存在"冬春脱气-夏秋补气"的循环模式，温度梯度驱动通风效应是主控因素，降水则通过土壤含水率调控222Rn析出率。该研究首次阐明温度-降水-土壤性质-气体交换的协同调控机制，为洞穴环境健康风险评估提供关键理论支撑。

　　

在神秘的地下岩溶世界，洞穴气体交换如同呼吸般维系着生态系统平衡。氡气（²²²Rn）作为天然示踪剂，其浓度波动隐藏着洞穴与外界能量物质交换的密码。然而现有研究面临三重困境：旅游洞穴监测数据难以反映自然状态，华南岩溶区缺乏长期观测资料，气象因子与氡动态的机制关联模糊不清——正如文献所警示的"existing interpretations often lacking mechanistic clarity"。更令人忧心的是，全球多处洞穴检出超高氡浓度（如贵州沙湾洞达123,000 Bq m^?3），但桂林岩溶区历史数据却显示异常低值，这种矛盾现象亟待机制解析。

为解决这些科学难题，中国地质科学院岩溶地质研究所联合桂林岩溶地质观测研究站的科研团队，选取桂林毛毛头大洞作为天然实验室，展开为期三年（2018-2020）的系统研究。他们通过连续监测洞穴大气²²²Rn活度浓度，结合气象参数同步观测和土壤²²⁶Ra活度分析，首次揭示了温度梯度主导的洞穴气体循环新模式，相关成果发表于《Journal of Environmental Radioactivity》。

关键技术方法

1. 长期原位监测：在洞穴内外布设温湿度自动记录仪，分钟级分辨率连续采集三年数据

2. 氡活度测定：采用RAD7氡监测仪进行小时尺度²²²Rn活度测量

3. 母核素分析：伽马能谱仪测定上覆土壤²²⁶Ra比活度

4. 岩体特性表征：压汞法测定岩体孔隙度（<1%），渗透仪获取渗透率（~0.1 md）

5. 气象数据耦合：整合中国气象局降水数据，解析降雨-氡浓度响应关系

研究结果精要

洞穴大气²²²Rn活度浓度时间变化特征

数据揭示显著的季节韵律：夏秋高值（平均3,258 Bq m^?3）vs冬春低值（1,879 Bq m^?3）。这种波动由洞穴恒定温度（19°C）与外界温差驱动：当外界温度高于洞内时形成大气滞流，氡气累积；反之引发通风稀释。典型实例显示，单日温差达10°C时，氡浓度可骤降47%。

低²²²Rn活度浓度的影响机制

岩体特性是关键制约因素：

• 上泥盆统碳酸盐岩铀含量极低（<5.0×10^?10）

• 超低孔隙度（<1%）和渗透率（~0.1 md）

• 土壤²²⁶Ra比活度仅21.33±0.89 Bq kg^?1

  这些特性导致氡析出率不足其他洞穴的1/10，印证了历史监测中378-620 Bq m^?3的低值现象。

降水对²²²Rn的调控作用

发现"雨帘效应"的逆向响应：降雨量>10 mm/d时，氡浓度在12小时内下降25%-38%。机制在于雨水入渗增加土壤含水率，既阻碍氡析出又促进溶解迁移。模型显示土壤含水率每增加5%，氡析出率衰减17.2%。

结论与意义

本研究首次构建多因子协同调控模型：

1. 双模式循环机制：温度梯度主导冬春脱气（degassing mode）与夏秋补气（recharge mode）的季节转换

2. 四维驱动框架：温度差（ΔT）→通风强度→降水（Rainfall）→土壤含水率（θ）→氡传输（Rn transport）形成级联效应

3. 母核素约束：低铀岩体从根本上限制洞穴氡本底值

这项成果不仅破解了桂林岩溶区历史监测数据的矛盾谜题，更建立了洞穴气体交换的预测模型。相较于Gregori?等研究的旅游洞穴，该自然洞穴模型更能反映气候变化的原生响应。其科学价值在于为全球岩溶洞穴的温室气体通量估算、地质灾害预警系统开发以及辐射健康风险评估（如工作人员年辐射剂量核算）提供了新范式。正如作者在结论中强调的，这项长期监测数据积累将助力"理解岩溶环境演化，支撑洞穴可持续管理"。未来可进一步融合甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）同步监测，构建更完善的地下气体循环理论体系。