打狗河流域表層巖溶泉分布特征及水化學(xué)特征的影響因素

孟小軍,唐建生,李兆林,梁小平,潘曉東,蘇春田

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西 桂林 541004)

表層巖溶帶是指巖溶地區(qū)表層一定深度內(nèi)風(fēng)化較強(qiáng)烈的部分,它具有存儲、輸送降水補(bǔ)給的作用,是巖溶水系統(tǒng)的重要組成成分[1]。表層巖溶帶中的表層巖溶水因地形、巖性、構(gòu)造等出露地表而形成表層巖溶泉。表層巖溶帶是南方一種比較普遍的巖溶現(xiàn)象[2-5],其賦存的水體是西南巖溶山區(qū)峰叢谷地、峰叢洼地地區(qū)居民用水的主要來源[6]。目前對西南地區(qū)表層巖溶泉已經(jīng)開展了很多研究工作,如研究表層巖溶泉的分布特征、水動態(tài)特征、水化學(xué)、水溫等[7-11]。

本研究選取打狗河流域典型的表層巖溶泉,分析打狗河流域地形地貌、地層巖性、土壤植被、地質(zhì)構(gòu)造對表層巖溶泉發(fā)育的影響,并通過傳統(tǒng)的水化學(xué)方法,分析打狗河流域表層巖溶泉的水化學(xué)特征,找出影響表層巖溶泉分布特征和水化學(xué)特征的因素,為該地區(qū)的水資源保護(hù)與開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)的地質(zhì)條件

研究區(qū)位于貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,主要在貴州省荔波縣內(nèi),另包括貴州省三都縣、獨(dú)山縣部分區(qū)域,見圖1。研究區(qū)地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)107°23′～108°24′,北緯25°06′～25°50′,處于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),年平均氣溫18.3℃,多年(1981—2010年)平均降雨量為1 218.8 mm,雨量充沛,氣候宜人。研究區(qū)流域總面積約4 100 km2,其中碳酸鹽巖地區(qū)面積約3 000 km2。

圖1 研究區(qū)交通位置

研究區(qū)內(nèi)出露地層較為齊全,以泥盆系、石炭系、二迭系和三迭系發(fā)育最多,占測區(qū)總面積的80%左右,其中下奧陶系鍋壙組(O1g),泥盆系望城坡組(D3w)、堯梭組(D3y),石炭系巖關(guān)階組(C1y)、黃龍群組(C2hn)、馬平群組(C3mp),二迭系棲霞組(P1q)、茅口組(P1m),三迭系法郎組(T2f)、永寧鎮(zhèn)組(T1y)中段,以碳酸鹽巖為主。

研究區(qū)位于川黔南北向構(gòu)造帶東南隅及南嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶北側(cè)的交匯地帶,測區(qū)曾經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動,形成了較為復(fù)雜的構(gòu)造格局,構(gòu)造形跡以褶皺為主,斷裂較少;斷裂又以縱向壓性、壓扭性為主,東西向地層規(guī)模也較大,稀疏展布。從褶皺的展布格局上看,有北緊南疏、西窄東寬之規(guī)律。區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系主要有南北向、東西向及新華夏系3個構(gòu)造體系。

2 研究方法

選取打狗河流域267個表層巖溶泉為研究對象,其分布如圖2所示,結(jié)合1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查成果來分析地形地貌、地層巖性、土壤植被、地質(zhì)構(gòu)造4個因素對表層巖溶泉區(qū)域分布規(guī)律影響。在267個表層巖溶泉中選取25個水樣做水化學(xué)特征分析,進(jìn)一步了解其發(fā)育特征。

圖2 打狗河流域表層巖溶泉分布

3 打狗河流域表層巖溶泉發(fā)育特征

3.1 地形地貌對表層巖溶帶及表層巖溶泉的影響

3.1.1對表層巖溶帶的影響

據(jù)野外調(diào)查,在峰叢洼地地區(qū),表層巖溶帶比較發(fā)育,受地形控制明顯,斜坡地段以及一般地形坡度超過35°以上的地區(qū),由于地表水流速過快,水巖相互作用時間較短,表層巖溶帶發(fā)育相對較弱,厚度為3～5 m左右,不利于表層巖溶水的滯留;當(dāng)坡度在15°～35°之間時,水巖相互作用時間較長,受地表水溶蝕、侵蝕作用,表層巖溶帶最為發(fā)育,厚度為5～10 m,有利于表層巖溶水的滯留;在峰叢谷地地區(qū),表層巖溶帶發(fā)育程度為中等,通常也受地形控制,一般從上斜坡至坡腳地帶,厚度為2～8 m;在溶丘洼地和溶丘谷地,因受地下水位淺埋藏的嚴(yán)格控制,表層巖溶帶發(fā)育較弱,厚度很小,普遍在2～4 m左右;在峰林洼地和峰林谷地地區(qū),一般地形坡度較大,不利于水巖相互作用,表層巖溶帶發(fā)育相對較弱。受地形地貌控制,表層巖溶帶主要發(fā)育于地表水、表層巖溶水集中匯流的徑流區(qū)及排泄區(qū),由于長期受地表水和地下水的侵蝕、溶蝕作用,常常形成以溶溝、溶槽、溶孔、溶隙、溶縫為特征的巖溶形態(tài)。

3.1.2對表層巖溶泉的影響

根據(jù)對打狗河流域267個表層巖溶泉統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,發(fā)育于峰叢谷地中的表層巖溶泉120個,發(fā)育于峰叢洼地中的132個,發(fā)育于溶丘谷地中的13個,溶丘洼地中的2個。合計(jì)谷地發(fā)育133個,洼地發(fā)育134個。

研究區(qū)內(nèi)常見的巖溶地貌類型為峰叢洼地、峰叢谷地,峰林洼地、峰林谷地、溶丘溝谷、溶丘洼地。從表1中可知,表層巖溶泉主要發(fā)育于峰叢洼地、峰叢谷地中,溶丘溝谷、溶丘洼地少量發(fā)育,峰林谷地、峰林洼地未見發(fā)育。表層巖溶泉在地形地貌上的分布特征與表層巖溶帶的發(fā)育特征是密切相關(guān)的,表層巖溶帶最發(fā)育的峰叢洼地、峰叢谷地最有利于表層巖溶水的儲存,易出露成泉,形成表層巖溶泉。

3.2 地層巖性對表層巖溶帶和表層巖溶泉的影響

據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)測試分析,研究區(qū)內(nèi)的P1m、C3mp、C2hn、C1y2、C1y1地層屬于較純灰?guī)r,而且?guī)r層以厚層、巨厚層狀為主,夾中厚層。由于區(qū)內(nèi)降水豐富,此類地層巖石的水巖相互作用強(qiáng)烈,對表層巖溶帶發(fā)育較為有利,表層巖溶帶中溶溝、溶槽、溶隙、溶縫、溶孔、石牙、石柱、石脊等也較發(fā)育。但由于連通性較好,地下水的滲透、溶蝕和侵蝕能力較強(qiáng),通過表層巖溶水的作用,為深部巖溶發(fā)育提供十分有利的條件,使得此類地層雖然表層巖溶帶很發(fā)育,但是表層巖溶帶的富水性較弱。

而以白云巖為主的C1d2、D3y、D3w地層中,與純灰?guī)r相比,其巖溶作用相對較緩慢,使得地下水的滲透、溶蝕、侵蝕能力相對變?nèi)?深部巖溶發(fā)育不強(qiáng)烈,在表層巖溶帶底部形成了一個相對隔水層,將地下水賦存于表層巖溶帶中,增加了表層巖溶帶中水巖相互作用的時間,促進(jìn)了表層巖溶帶的進(jìn)一步發(fā)育。以白云巖為主的C1d2、D3y、D3w地層中,表層巖溶帶較發(fā)育,且富水性良好,由于具有相對隔水層,表層巖溶水容易在地勢低洼處出露成泉。

以泥質(zhì)灰?guī)r為主或者含有碎屑巖夾層的D2d3、T1y、P1q地層中,由于酸性不溶物質(zhì)含量較高,使得巖石的水巖相互作用較低,表層巖溶帶發(fā)育相對較弱,富水性相對較弱,但是此類地層中常常發(fā)育相對隔水層,使表層巖溶水容易出露成泉。

在以上3類地層中,表層巖溶帶發(fā)育強(qiáng)度從強(qiáng)到弱依次是:純灰?guī)r地層(P1m、C3mp、C2hn、C1y2、C1y1),白云巖地層(C1d2、D3y、D3w),泥質(zhì)灰?guī)r或者含有碎屑巖夾層地層(D2d3、T1y、P1q);表層巖溶帶富水性由大到小依次是:白云巖地層(C1d2、D3y、D3w),泥質(zhì)灰?guī)r或者含有碎屑巖夾層地層(D2d3、T1y、P1q),純灰?guī)r地層(P1m、C3mp、C2hn、C1y2、C1y1)。

對各地層出露的表層巖溶泉密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),白云巖地層(C1d2、D3y、D3w)出露的表層巖溶泉密度最高,分別是0.104 個/km2、0.222個/km2、0.322 個/km2,其次是泥質(zhì)灰?guī)r或者含有碎屑巖夾層地層(D2d3、T1y、P1q),最后是純灰?guī)r地層(P1m、C3mp、C2hn、C1y2、C1y1),其發(fā)育特征與表層巖溶帶的富水特征一致,但與表層巖溶帶的發(fā)育特征不一致。

表1 表層巖溶泉在各地層巖性內(nèi)分布密度統(tǒng)計(jì)

3.3 土壤、植被對表層巖溶帶及表層巖溶泉的影響

研究區(qū)內(nèi)多為巖溶山地、洼地及谷地,土層覆蓋厚度與植被覆蓋率變化很大,一般情況下,植被茂盛的地方,土層覆蓋厚度大;植被較稀少的地方,水土流失嚴(yán)重,基巖容易裸露。

植被與土壤對表層巖溶帶的發(fā)育具有促進(jìn)作用,其在巖溶過程中具有保持水分、延長水巖相互作用時間的作用,且提供CO2氣體,加快巖溶作用[12]。

對打狗河地區(qū)巖溶區(qū)植被類型及面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),了解不同植被類型表層巖溶發(fā)育情況,見表2。

表2 表層巖溶泉在各植被類型中的分布統(tǒng)計(jì)

從表2可知,打狗河流域表層巖溶主要發(fā)育于植被較為茂盛的灌叢區(qū)域,其泉點(diǎn)發(fā)育密度從大到小依次是森林、灌叢、喬幼林、灌叢草地、草地。其中森林植被類型的表層巖溶泉發(fā)育密度是草地的13倍,是灌叢草地的4倍。這說明打狗河地區(qū)植被對巖溶泉的發(fā)育分布影響巨大,植被越茂盛,表層巖溶泉越容易發(fā)育。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造對表層巖溶帶及表層巖溶泉的影響

研究區(qū)內(nèi)分布著大大小小的褶皺,褶皺以南北向或近南北向發(fā)育,表層巖溶泉在各褶皺帶上分布不均。據(jù)野外水文地質(zhì)調(diào)查,研究區(qū)內(nèi)向斜構(gòu)造多以巨厚層的二迭系、石炭系石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖組成的向斜核部及翼部,其核部和翼部的落水洞、洼地、地下暗河發(fā)育,表層巖溶帶富水性較弱,表層巖溶泉發(fā)育較弱。中、上石炭系灰?guī)r為向斜核部的較為緊密的褶皺構(gòu)造,褶軸核部巖溶發(fā)育,有大型洼地、落水洞、溶洞、漏斗、地下河發(fā)育,而翼部巖溶發(fā)育稍差,表層巖溶泉發(fā)育(圖3)。

圖3 大寨向斜巖溶分布

綜上,不同的褶皺構(gòu)造對表層巖溶泉發(fā)育的影響不同,褶皺構(gòu)造對表層巖溶泉發(fā)育的影響主要通過控制地下巖溶發(fā)育,一般落水洞、漏斗、地下河較發(fā)育的地區(qū),表層巖溶泉發(fā)育較弱,反之,表層巖溶泉較發(fā)育。

同理,斷裂構(gòu)造也是通過控制地層的巖溶發(fā)育情況來控制表層巖溶帶的發(fā)育。研究區(qū)內(nèi),發(fā)育有北北東-北東向,北西-北西西向,近南北向及近東西向斷裂。這種斷裂構(gòu)造經(jīng)歷了多期地殼運(yùn)動,斷裂的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變,具有多期復(fù)合、改造的性質(zhì)。不同時期、不同體系、不同性質(zhì)、不同方向的斷裂帶及斷裂帶交匯區(qū)地表,往往沿斷裂帶發(fā)育有較多的線狀分布的巖溶洼地、落水洞、消水洞、漏斗、溶洞、巖溶泉等,地下往往發(fā)育有較大規(guī)模的地下河,而這些巖溶發(fā)育地區(qū),表層巖溶泉發(fā)育較弱。研究區(qū)內(nèi)西南側(cè)張性斷層、大型節(jié)理裂隙發(fā)育有堯花地下河系統(tǒng)、皇后地下河系統(tǒng)等,深部巖溶發(fā)育,表層巖溶帶富水性較弱,表層巖溶泉發(fā)育較弱。而在研究區(qū)的北部、東南部,張性斷層、大型裂隙節(jié)理相對較少,表層巖溶泉較發(fā)育,分布密度較高。

4 打狗河流域表層巖溶泉的水化學(xué)特征

為了進(jìn)一步查明地形地貌、地層巖性、土壤植被、地質(zhì)構(gòu)造對表層巖溶泉的影響,對打狗河流域表層巖溶泉的水化學(xué)特征進(jìn)行分析。利用野外調(diào)查所取的水樣,對267個表層巖溶泉中的25個表層巖溶泉進(jìn)行水化學(xué)分析,以確定表層巖溶泉水化學(xué)特征及其影響因素。

4.1 表層巖溶泉的水化學(xué)類型

選取的25個表層巖溶泉所處的地層巖性見表3。

表3 表層巖溶泉出露地層統(tǒng)計(jì)

從piper三線圖(圖4)可以看出,打狗河流域的表層巖溶泉主要類型為HCO3-Ca型,其中B675、B115點(diǎn)為HCO3-Mg-Ca型,其出露地層分別為D3y、C2hn1地層,其地層巖性為白云巖。

圖4 水化學(xué)類型piper圖

4.2 pH值

對各水樣點(diǎn)的pH值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)表層巖溶泉的pH值介于6.55～7.29之間,均值6.98,總體pH值偏中性,與表層以下巖溶水相比,pH值偏低。分析其原因,主要是因?yàn)榇髿饨邓M(jìn)入表層巖溶帶后,其中的弱酸離子尚未與巖石中的弱堿離子進(jìn)行充分離子交換與吸附作用。這從另一方證明了表層巖溶泉受地形地貌控制,表層巖溶泉流域較小,表層巖溶水在表層巖溶帶中的滯留時間較短,降水滲入其中,會很快從巖溶裂隙中排出,出露成泉。

4.3 飽和指數(shù)

飽和指數(shù)是地下水水化學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的一個指標(biāo),用于判斷和研究礦物在地下水中的飽和狀態(tài)。當(dāng)飽和指數(shù)等于0時,礦物在水溶液中達(dá)到溶解平衡狀態(tài),即同一時間內(nèi)溶解量與析出量相等;當(dāng)飽和指數(shù)為負(fù)值時,說明礦物在水溶液中未達(dá)到平衡,處于非飽和狀態(tài),礦物繼續(xù)溶解,且飽和指數(shù)的絕對值越大,溶蝕能力越強(qiáng);當(dāng)飽和指數(shù)為正值時,說明礦物在水溶液中處在過飽和狀態(tài),礦物溶解量小于析出量,將發(fā)生沉淀，且飽和指數(shù)值越大,沉淀趨勢越強(qiáng)。飽和指數(shù)的定義為

(1)

式中:SI為飽和指數(shù);K為在某一溫度下礦物達(dá)到溶解平衡時的平衡常數(shù);IIAP為礦物在溶解反應(yīng)過程中相關(guān)組分的離子活度積(所有組分均為離子)。

圖5 方解石、白云石飽和指數(shù)散點(diǎn)圖

5 結(jié) 論

a. 打狗河流域表層巖溶泉主要發(fā)育于峰叢洼地、峰叢谷地的山坡上或者山腳下,在溶丘洼地、溶丘谷地中有少量發(fā)育,在峰林洼地、峰林谷地中未見發(fā)育;表層巖溶泉出露密度最高的地層是以白云巖為主的C1d2、D3y、D3w地層,其次是以泥質(zhì)灰?guī)r或者含有碎屑巖夾層的D2d3、T1y、P1q地層,最后是以純灰?guī)r為主的C3mp、C2hn、C1y2、C1y1地層;土壤和植被有利于表層巖溶帶和表層巖溶泉的發(fā)育,植被越茂盛,表層巖溶泉出露的密度越高,森林地區(qū)巖溶泉密度是草地的13倍,是灌叢草地的4倍;地質(zhì)構(gòu)造主要通過控制地層巖溶發(fā)育程度來控制表層巖溶泉的發(fā)育,當(dāng)?shù)貙又新渌?、漏斗、地下暗河較發(fā)育時,表層巖溶泉發(fā)育較少,反之愈多;在張性斷層、大型節(jié)理較發(fā)育的研究區(qū)西南側(cè)地下河系統(tǒng)發(fā)育,而表層巖溶泉少見。

[ 1 ] 袁道先,戴愛德,蔡五田,等.中國南方裸露型巖溶峰叢山區(qū)巖溶水系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型研究[M].南寧:廣西師范大學(xué)出版社,1996.

[ 2 ] 袁道先.現(xiàn)代巖溶學(xué)和全球變化研究[J].地學(xué)前緣,1997,4(1/2):17-25.(YUAN Daoxian.Modern karstology and global change study[J].Earth Science Frontiers,1997,4(1/2):17-25.(in Chinese))

[ 3 ] 劉再華.表層巖溶帶的水溫特征及其與下部包氣帶的對比[J].中國巖溶,1991,10(4):277-282.(LIU Zaihua.Characteristics of water temperature in epikarst zone and its comparison with that in lower aeration zone[J].Carsologica Sinica,1991,10(4):277-282.(in Chinese))

[ 4 ] 蔣忠誠.中國南方表層巖溶帶的特征及形成機(jī)理[J].熱帶地理,1998,18(4):322-326.(JIANG Zhongcheng.Features of epikarst zone in south china and formation mechanism [J].Tropical Geography,1998,18(4):322-326.(in Chinese))

[ 5 ] 蔣忠誠,袁道先.表層巖溶帶的巖溶動力學(xué)特征及其環(huán)境和資源意義[J].地球?qū)W報,1999,20(3):302-308.(JIANG Zhongcheng,YUAN Daoxian.Dynamics features of the epikarstzone and their significance in environments and resources[J].Acta Geoscientia Sinica,1999,20(3):302-308.(in Chinese))

[ 6 ] 蔣忠誠,王瑞江,裴建國,等.我國南方表層巖溶帶及其對巖溶水的調(diào)蓄功能[J].中國巖溶,2001,20(2):106-110.(JIANG Zhongcheng,WANG Ruijiang,PEI Jianguo,et al.Epikarst zone in south China and its regulation function to karst water[J].Carsologica Sinica,2001,20(2):106-110.(in Chinese))

[ 7 ] 劉再華,袁道先.中國典型表層巖溶系統(tǒng)的地球化學(xué)動態(tài)特征及其環(huán)境意義[J].地質(zhì)論評,2000,46(3):324-327.(LIU Zaihua,YUAN Daoxian.Features of geochemical variations in typical epikarst systems of China and their environmental significance[J].Geological Review,2000,46(3):324-327.(in Chinese))

[ 8 ] 章程,曹建華.不同植被條件下表層巖溶泉動態(tài)變化特征對比研究:以廣西馬山縣弄拉蘭電堂泉和東旺泉為例[J].中國巖溶,2003,22(1):1-5.(ZHANG Cheng,CAO Jianhua.Seasonal and diurnal variation of physic-chemistry of typical epikarst springs under different vegetation:a case study of Landiantang Spring and Dongwang Spring at Nongla Village,Mashan County,Guangxi [J].Carsologica Sinica,2003,22(1):1-5.(in Chinese))

[ 9 ] 鄒勝章,朱遠(yuǎn)峰,梁彬.湘西洛塔表層巖溶泉的生態(tài)環(huán)境類型及水文特征[J].地學(xué)前緣,2008,15(4):190-197.(ZOU Shengzhang,ZHU Yuanfeng,LIANG Bin.Hydrologic features and the eco-enviromnental classification of epikarst springs in Luota,West of Hunan,China[J].Earth Science Frontiers,2008,15(4):190-197.(in Chinese))

[10] 姚昕,夏日元,唐健生.湘西洛塔巖溶生態(tài)微景觀結(jié)構(gòu)對表層巖溶泉的影響[J].中國水土保持,2006 (11):35-37.(YAO Xin,XIA Riyuan,TANG Jiansheng.Influence of Karst micro landscape structures to Karstic spring of surface layer in Luota of Western Hunan[J].Soil and Water Conservation in China,2006 (11):35-37.(in Chinese))

[11] 姜光輝,郭芳.表層巖溶泉的水資源管理與開發(fā)工程設(shè)計(jì)[J].水文,2008,28(4):31-33.(JIANG Guanghui,GUO Fang.Water resources management and exploitation design of epikarst spring[J].Journal of China Hydrology,2008,28(4):31-33.(in Chinese))

[12] 鄧艷,蔣忠誠,覃星銘,等.巖溶生態(tài)系統(tǒng)中不同植被枯落物對土壤理化性質(zhì)的影響及巖溶效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報,2009,29(6):3307-3315.(DENG Yan,JIANG Zhongcheng,QIN Xingming,et al.Impacts of litter on physical and chem ical soil properties and its Karst effects on different forested Karst ecosystem[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(6):3307-3315.(in Chinese))