羅布泊干鹽湖表層鹽殼含水率季節(jié)性變化及吸水特征研究

孔德庸,李保國*,馬黎春,蔣平安,武紅旗,劉洪鵬中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193;中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052

?

羅布泊干鹽湖表層鹽殼含水率季節(jié)性變化及吸水特征研究

孔德庸1),李保國1)*,馬黎春2),蔣平安3),武紅旗3),劉洪鵬3)
1)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193;2)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;3)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052

摘 要:根據(jù)羅布泊遙感影像圖,在干鹽湖區(qū)域選擇“黑紋”和“白紋”觀測區(qū)為典型研究對象,對其表層鹽殼含水率、地下水位埋深、氣象參量的動態(tài)變化進行了1年多的系統(tǒng)觀測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個觀測區(qū)的表層鹽殼的季節(jié)含水率存在一定的差異,其吸附水含水率均大于結(jié)晶水含水率,兩觀測區(qū)的吸附水含水率差異在1%左右,但黑紋觀測區(qū)鹽殼結(jié)晶水含水率是白紋觀測區(qū)的3倍以上;黑紋觀測區(qū)的地下水水位埋深相對穩(wěn)定,表層鹽殼的吸附水變化與地下水水位變化無明顯的直接關(guān)系。另在高濕度、不同溫度的野外環(huán)境和室內(nèi)模擬環(huán)境下開展的鹽殼吸水能力實驗都發(fā)現(xiàn),黑紋觀測區(qū)鹽殼的吸水能力明顯強于白紋觀測區(qū),甚至達(dá)到10倍以上的差異,分析表明這和表層鹽殼鹽類礦物成分(如硫酸鎂)的差異性密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞:羅布泊;干鹽湖;鹽殼;含水率;吸水特征

www.cagsbulletin.com www.地球?qū)W報.com

本文由科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“庫姆塔格沙漠綜合科學(xué)考察”(編號:2012FY111700)、國家自然基金項目“羅布泊大耳朵干鹽湖鹽殼鹽土礦物分異特征及環(huán)境學(xué)意義”(編號:41071149)和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金(編號:YK1404)聯(lián)合資助。

鹽殼是干鹽湖地表典型的地貌特征之一,其發(fā)育過程十分復(fù)雜,既有間歇動蕩的淺水面蒸發(fā)析鹽過程,又有湖底暴露時期的地表成鹽過程,在風(fēng)蝕、日曬、雨淋、凍融交替等作用下,形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鹽泥混合物(Lerche and Petersen,1995;馬黎春等,2011),主要鹽類礦物由K、Ca、Na和Mg的氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽組成,而且這些鹽類礦物具有一定的吸濕性,尤其是鹽湖演化至晚期的鉀鎂鹽礦物和一些鈣的氯化物,如光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、水氯鎂石(MgCl2·6H2O)、軟鉀鎂釩(K2SO4·MgSO4·6H2O)、瀉利鹽(MgSO4·7H2O)和溢晶石(CaCl2.6H2O)等。單相鹽類礦物的吸水及失水特征曲線,前人已開展了大量研究,并將其拓展到火星蒸發(fā)巖及其沉積環(huán)境反演研究中(Wang et al.,2006;Chen et al.,2007;Chou et al.,2013),然而鮮有學(xué)者對鹽殼,即蒸發(fā)巖礦物及其碎屑混合物,開展相關(guān)研究。Cochran等(1988)對美國Owens湖濱鹽殼開展了地表溫濕度的野外觀測實驗,初步揭示Owens湖的特征和可能的成因;Robinson等(2008)則對不同溫度體系土壤中石膏等礦物的失水特征開展了系列研究,孫自永等(2008)在羅布泊開展了凝結(jié)水的實驗,本文將在前人基礎(chǔ)上,選取羅布泊干鹽湖區(qū)典型鹽殼,開展長期溫濕度、含水率及地下水位波動等野外觀測實驗,同時在室內(nèi)開展不同溫濕度條件下的鹽殼吸水模擬實驗,以探索不同類型鹽殼的吸水特征及變化規(guī)律。

羅布泊是世界著名的內(nèi)陸干鹽湖之一(鄭綿平,2001;鄭喜玉等,2002),地處新疆塔里木盆地東部邊緣,自第三紀(jì)末至第四紀(jì)初以來就成為整個盆地的匯流中心,大湖時期,水域面積曾達(dá)2×104km2。目前羅布泊行政區(qū)隸屬巴音郭楞蒙古自治州若羌縣羅布泊鎮(zhèn),地理位置39.6°—41.3°N,89.6°—91.4°E(圖1)。

羅布泊干鹽湖北抵庫魯克塔格山山前沖洪積扇,南至阿爾金山北麓,東為北山,西為庫魯克庫姆沙漠,東南緊挨庫姆塔格沙漠,目前湖區(qū)被鹽殼覆蓋,其厚度20～100 cm不等,局部呈蜂窩狀、龜裂狀。該區(qū)域氣候極端炎熱干旱,多年平均降水量僅為38.5 mm/a,平均蒸發(fā)量則達(dá)3776.5 mm/a,屬典型的大陸性干旱氣候(夏訓(xùn)誠等,2007)。

圖1　羅布泊干鹽湖位置Fig.1 The location of Lop Nur dry lake in Xinjiang

1 材料與方法

1.1 實驗觀測區(qū)的選擇

在衛(wèi)星影像上,羅布泊干鹽湖區(qū)中東部呈“大耳朵”狀,色調(diào)分明,輪廓清晰(圖2),在世界干鹽湖中實屬罕見。根據(jù)土壤、鹽漬土的衛(wèi)星影像常規(guī)判讀經(jīng)驗,含水率越高、光譜反射率越低,遙感影像色調(diào)越暗。空間上含水量的差異將導(dǎo)致遙感影像的色調(diào)、紋理存在一定的差異性(Metternicht and Zinck,2003;何挺等,2006;翁永玲和宮鵬,2006;王俊,2011),馬黎春等(2010)對不同“耳輪”環(huán)帶鹽殼含鹽量、含水量、離子組成及礦物組合開展了綜合研究,認(rèn)為水分差異是影響羅布泊衛(wèi)星影像色調(diào)深淺的重要因素之一,蔡愛民等(2011)則認(rèn)為地表全鹽含量和結(jié)構(gòu)差異是形成“耳紋”特征的直接原因,也有學(xué)者認(rèn)為鹽殼含沙量、顏色、地表粗糙度和地下水的深度會影響羅布泊遙感影像的色調(diào)(趙元杰等,2006;夏訓(xùn)誠等,2007)。針對羅布泊特殊的“耳輪”型地貌特征,李保國等(2008)開展了湖區(qū)DGPS的實測工作,在此基礎(chǔ)上,邵蕓等則利用遙感、雷達(dá)數(shù)據(jù),開展了一系列地貌、高程等解譯工作,繪制出古湖盆分區(qū)圖、現(xiàn)代湖區(qū)高程和大耳朵紋理分區(qū)圖(邵蕓和宮華澤,2011;Wang et al.,2014)。

本研究選擇羅布泊干鹽湖兩處遙感影像光譜色調(diào)反差較大的區(qū)域(文中分別命名為“黑紋觀測區(qū)[BOS]”和“白紋觀測區(qū)[WOS]”,圖2),進行為期一年多的野外觀測實驗(2009年5月—2010年8月),觀測項目包括表層鹽殼含水率、地下水位、大氣溫濕度、蒸散和風(fēng)速風(fēng)向等,并在室內(nèi)采用恒溫恒濕試驗箱開展了濕度為60%RH和不同溫度條件下的表層鹽殼吸水特征實驗,以探索表層鹽殼含水率變化規(guī)律及其吸水特征。

實驗觀測區(qū)位于羅布泊鎮(zhèn)東南方向約3 km,黑紋觀測區(qū)和白紋觀測區(qū)中心坐標(biāo)分別為(90.905°E,40.438°N)和(90.890°E,40.448°N),兩觀測區(qū)直線距離約1 km,經(jīng)水準(zhǔn)儀測量,兩觀測區(qū)幾乎無高差存在。白紋理觀測區(qū)鹽殼厚度50～60 cm不等,南北向平均粗糙度0.965,東西向平均粗糙度0.946;黑紋觀測區(qū)鹽殼厚度在55～65 cm不等,鹽殼表面較為平整,南北向平均粗糙度0.974,東西向平均粗糙度0.966(圖3;平均粗糙度,單位長度測繩平鋪于表層后的直線長度和單位長度測繩的比值,0—1取值,數(shù)值越小表示粗糙度越大,數(shù)值越接近1.0表示地面起伏越趨于平坦)。

1.2 鹽殼含水率測定方法

本研究采用烘干法測定表層鹽殼重量含水率。根據(jù)前人研究結(jié)果,110℃以內(nèi)烘干條件下獲得的含水率為吸附水,110～230℃烘干獲得的含水率為結(jié)晶水(地球科學(xué)大辭典編委會,2006;唐洪明,2007)。

實驗期內(nèi),共獲得有效表層鹽殼含水率樣品700余個。每天早上北京時間10:00在觀測區(qū)表層0～5 cm取樣,密封后即時用千分之一電子天平進行稱重,然后集中在實驗室用烘箱烘干,105℃恒溫烘干8小時以上,獲得鹽殼吸附水重量含水率,繼續(xù)在恒溫200℃烘干8小時以上,獲得鹽殼結(jié)晶水重量含水率。

圖3　實驗觀測區(qū)鹽殼表面情況Fig.3 The surface landscape of the two observing sites

1.3 地下水位觀測

利用國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司工程地質(zhì)鉆井對黑紋觀測區(qū)進行地下水位的觀測,觀測時間間隔期為10天;白紋觀測區(qū)無觀測井。

1.4 吸水能力測試

表層鹽殼的吸水能力實驗在恒溫恒濕試驗箱中進行。試驗箱采用美國STIK恒溫恒濕箱(CTHI-250B靜電容式),溫度控制范圍–10～+85℃(精度±0.5℃)、濕度控制范圍20%RH～98%RH(精度±1.5%RH),到達(dá)設(shè)定的模擬環(huán)境且穩(wěn)定后,將表層鹽殼樣品鋪平,放進恒溫恒濕試驗箱內(nèi),每隔2小時取出稱重,該時段內(nèi)樣品重量增加數(shù)值即為吸濕量數(shù)值。

1.5 氣象觀測方法

氣象觀測主要利用鉀鹽礦氣象觀測站和實驗臨時安裝的雨量筒、蒸發(fā)皿、溫度記錄儀、濕度記錄儀等,氣象站獲得的數(shù)據(jù)包括自動測定記錄的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度和大氣濕度等數(shù)據(jù),臨時實驗儀器主要為人工觀測降雨量、蒸發(fā)量、地表溫度等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣象因素變化特征

春夏秋冬四個季節(jié)劃分采用氣候?qū)W候平均溫度(每5日的平均氣溫)進行劃分,候溫度穩(wěn)定高于22℃為夏季,低于10℃為冬季,從10℃增溫至22℃為春季,從22℃降溫至10℃為秋季,大氣溫濕度觀測時期為2009年09月01日至2010年08月31日。

實驗期間,鹽殼表面實測最高溫度為+66.0℃,最低溫度為–22.1℃,大氣溫度最高為43.0℃,最低溫度為–21.0℃;觀測到的最低大氣濕度＜5.0%RH,最高值為96.0%RH;主風(fēng)向東北風(fēng),2分鐘最大風(fēng)速為19.5 m/s;實測降水量(含降雪)<5 mm,據(jù)不完全觀測統(tǒng)計,夏季和秋季日平均蒸發(fā)量約15 mm,春季和冬季日平均蒸發(fā)量約7 mm,年蒸發(fā)量為3800 mm左右。

表1　觀測期季節(jié)劃分及風(fēng)速、大氣溫濕度季度平均值Table 1 Division of seasons by the pentad temperature method,and the seasonal average value of the wind speed,the air temperature and the air humidity during the observing period

表2　兩個觀測區(qū)表層鹽殼主要化學(xué)含量表(g/kg)Table 2 The chemical composition of salt-crust at the two observing sites(g/kg)

2.2 表層鹽殼化學(xué)組分特征

兩個觀測區(qū)表層鹽殼的主要化學(xué)分析結(jié)果見表2,其中Na+、Cl-離子主要以石鹽(NaCl)礦物形式存在,Ca2+、以石膏(CaSO4)礦物存在,另外富含Mg+、K+離子在不同溫度濕度情況下可能形成光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、鉀鹽鎂礬(KCl·MgSO4·3H2O)和軟鉀鎂礬(K2SO4·MgSO4·6H2O)等吸濕性較強的復(fù)合鹽礦物(王弭力和劉成林,2001;馬黎春,2007)。

從表2各觀測區(qū)的“離子/總鹽”比值分析,黑紋觀測區(qū)表層鹽殼比白紋觀測區(qū)表層鹽殼富含K+、Mg2+、Ca2+等離子,其中K+、Ca2+離子約為2倍,Mg2+離子更是高達(dá)17倍左右,故推測黑紋觀測區(qū)表層鹽殼比白紋觀測區(qū)富含CaSO4、MgSO4等礦物,也容易形成石膏(CaSO4·2H2O)、半水石膏(CaSO4·0.5H2O)以及前述鉀、鎂復(fù)合鹽礦物;白紋觀測區(qū)則比黑紋觀測區(qū)形成更多的石鹽(NaCl)礦物。

2.3 表層鹽殼含水率變化特征

2.3.1 表層鹽殼含水率季節(jié)變化

表層鹽殼的含水率日變化過程如圖4所示,根據(jù)日變化數(shù)據(jù),整理出兩觀測區(qū)的表層鹽殼吸附水和結(jié)晶水的季節(jié)變化情況,見表3和圖5。

白紋觀測區(qū)的吸附水季節(jié)平均含水率變幅在4.50%～6.93%之間,春—夏—秋—冬四個季節(jié)呈“自最大值開始下降—下降到最小值—升高”變化趨勢,以春季最高、秋季最低,分別為6.93%和4.50%,峰值和谷值相差2.43%,變幅相對較大;結(jié)晶水含水率季節(jié)均值在1%以內(nèi),春—夏—秋—冬四個季節(jié)呈“自最大值開始下降—下降—下降到最小值”的變化趨勢,春季、夏季接近1.0%,秋季和冬季在0.6%～0.7%之間變化,最大值和最小值相差僅為0.37%,變幅相對較小。

圖4　兩觀測區(qū)表層0–5 cm鹽殼重量含水率日變化過程Fig.4 The daily gravimetric moisture content change in 0–5 cm of top salt-crust at the two observing sites

圖5　表層鹽殼重量含水率季節(jié)變化對比Fig.5 The moisture content change of the salt-crust during the four seasons

黑紋觀測區(qū)的吸附水季節(jié)平均含水率變幅在4.11%～7.04%范圍,春—夏—秋—冬四個季節(jié)呈“下降—下降到最小值—升高到最大值”的變化趨勢,以冬季最高、秋季最低,分別為7.04%和4.11%,最大值和最小值相差2.93%,變幅相對較大;結(jié)晶水含水率季節(jié)均值在3%～4%之間變化,春—夏—秋—冬四個季節(jié)呈“從最小值開始上升到最大值—下降—下降”變化趨勢,最大值和最小值相差僅為0.50%,變幅相對穩(wěn)定。

表3和圖5也表明,兩個觀測區(qū)的表層鹽殼吸附水含水率季節(jié)均值存在一定差異,差異幅度在0.39%～1.32%,其中以春、夏季節(jié)差異最大(>1%),秋、冬季節(jié)差異最小(<0.6%),此外,除黑紋觀測區(qū)表層鹽殼吸附水含水率在冬季高于白紋觀測區(qū)外,其它三個季節(jié)均為白紋觀測區(qū)表層鹽殼吸附水含水率高于黑紋觀測區(qū)。兩個觀測區(qū)表層鹽殼結(jié)晶水含水率在全年四個季節(jié)內(nèi),白紋觀測區(qū)的結(jié)晶水含水率明顯低于黑紋觀測區(qū),其差異從2.11%～2.84%不等,以春季差異最小,為2.1%,秋、冬季差異最大,接近3%。

整體來說,兩觀測區(qū)的鹽殼表層吸附水含水率存在一定差異,其直接原因可能是兩觀測區(qū)的礦物的成分和含量不同導(dǎo)致的。相對白紋觀測區(qū)表層鹽殼來說,黑紋觀測區(qū)表層鹽殼富含Mg2+離子礦物,在冬季低溫、高濕度、低蒸發(fā)、低風(fēng)速的情況下,可能更容易吸收大氣水分產(chǎn)生吸附水,導(dǎo)致其吸附水含水率高于白紋觀測區(qū);到了春、夏、秋三個季節(jié)時段,氣候恰好相反,變成了高溫、低濕度、高蒸發(fā)、高風(fēng)速的情況,黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼吸附水可能產(chǎn)生了逸出,導(dǎo)致其吸附水含水率略低于白紋觀測區(qū)。

圖5也明顯的看出,表層鹽殼的吸附水含水率大于結(jié)晶水含水率,在白紋觀測區(qū)尤為明顯,差異達(dá)5倍以上;黑紋觀測區(qū)吸附水含水率略高于結(jié)晶水含水率,比率在1～2倍之間。估計其原因可能是黑紋觀測區(qū)的Ca2+、SO2-4離子形成的石膏礦物和Mg2+、SO2-4離子形成的瀉利鹽(七水硫酸鎂)礦物均多于白紋觀測區(qū)導(dǎo)致的(Robinson et al.,2008;Chou et al.,2013)。

兩個觀測區(qū)的吸附水和結(jié)晶水含水率的差異,和鹽類礦物成分組成有著密切關(guān)系,結(jié)合剖面溫濕度和氣象資料詳加分析,可更準(zhǔn)確地確定其原因,有利于進一步探索羅布泊大耳朵干鹽湖區(qū)域不同時期的紋理色調(diào)差異的因素。

表4　黑紋觀測區(qū)地下水水位(單位:mm-dd,m)Table 4 The groundwater level change during the observing period in BOS(mm-dd,m)

2.3.2 黑紋觀測區(qū)表層鹽殼含水率與地下水位埋深關(guān)系

一般情況下,大部分干鹽湖,其表層鹽殼的含水率變化和地下水水位埋深關(guān)系甚為密切,經(jīng)2009 年10月至2010年7月份觀測發(fā)現(xiàn),該時期內(nèi)黑紋觀測區(qū)地下水位相對較穩(wěn)定,始終在5.0～5.2 m之間變化(表4),其變化幅度相對較小,但黑紋觀測區(qū)表層鹽殼吸附水含水率在2.5%～14.5%之間變化,其變化幅度相對較大,變化幅度差異接近6倍,圖6可以直觀地表現(xiàn)出地下水位埋深變化對黑紋觀測區(qū)表層鹽殼含水率的季節(jié)性變化無顯著影響的關(guān)系,另外,通過數(shù)理統(tǒng)計的相關(guān)性分析,黑紋表層鹽殼吸附水含水率與地下水水位的p=0.295,兩者之間關(guān)系未達(dá)到顯著水平。由于兩個觀測區(qū)距離較短、高程幾乎相同,故推測其地下水水位埋深變化幅度和黑紋觀測區(qū)類似,由此可進一步推測白紋觀測區(qū)表層鹽殼含水率變化和地下水水位埋深存在同樣的結(jié)論,因此,可以推斷,在實驗觀測區(qū)內(nèi),表層鹽殼含水率的變化與地下水水位埋深變幅關(guān)系不明顯。

2.3.3 表層鹽殼吸水能力初步對比

在觀測期的冬季,曾對兩觀測區(qū)的表層鹽殼吸水能力進行簡單的測試,即取原狀土用纖維網(wǎng)包裝后懸掛于空氣中,分別觀測期增加的重量百分比,白紋觀測區(qū)和黑紋觀測區(qū)當(dāng)日的表層鹽殼吸附水含水率分別為4.9%和8.6%。表5的實驗結(jié)果表明,大氣溫度和濕度分別接近0℃和50%RH情況下,經(jīng)過15 h后,黑紋觀測區(qū)和白紋觀測區(qū)表層鹽殼因吸收水分增加的平均重量百分比分別為2.0%和0.5%左右,黑紋觀測區(qū)表層鹽殼的吸水能力大概為白紋觀測區(qū)的4倍;再經(jīng)過27 h后,則其平均重量百分比增加分別到4.3%和0.6%左右,黑紋觀測區(qū)表層鹽殼的吸水能力和白紋觀測區(qū)的比值也達(dá)到了7倍左右,一定程度上證明黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼吸水能力大于白紋觀測區(qū)。

2.4 室內(nèi)模擬溫濕度條件下表層鹽殼吸水能力對比

為了進一步研究兩觀測區(qū)的表層鹽殼吸水能力的差異,本研究在濕度60%RH、溫度分別為20℃、30℃和40℃三個溫度梯度環(huán)境下進行鹽殼吸水能力實驗,白紋觀測區(qū)和黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼樣品吸附水含水率分別為1.9%和3.2%,結(jié)晶水含水率分別為1.3%和6.4%。實驗結(jié)果表明,黑紋觀測區(qū)表層鹽殼具有較強的吸水能力,在12 h內(nèi)隨溫度升高吸水能力逐漸增強,20℃、30℃和40℃三個模擬溫度下其含水率分別增加了5.56%,6.64%和11.63%,見表6和圖7,而40℃模擬條件下鹽殼含水率在12 h達(dá)到峰值后開始失水,22 h后含水率下降至7%左右,20℃、30℃條件下始終呈緩慢增加趨勢,22 h后其含水率增加值也基本穩(wěn)定在7%左右;而白紋觀測區(qū)表層鹽殼在整個模擬實驗過程中始終未表現(xiàn)出明顯的吸水性能,其含水率僅增加0.5%左右。在各模擬溫度下,黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼吸水能力均明顯高于白紋觀測區(qū),根據(jù)表層鹽殼的化學(xué)成分(表2),相比白紋觀測區(qū),黑紋觀測區(qū)表層鹽殼富含Mg2+離子,易形成含鎂礦物,是導(dǎo)致其吸水能力高于白紋觀測區(qū)10倍左右的重要原因之一。

表5　冬季表層鹽殼在空氣中吸收水分重量增加百分比Table 5 The percentage of gravimetric moisture increase caused by the water adsorption of salt-crust in winter

表6　表層鹽殼在60%RH和20℃、 30℃、40℃溫度條件下吸收水分重量增加百分比Table 6 The percentage of gravimetric moisture increase caused by the water adsorption of salt-crust under the condition of temperatures of 20℃,30℃,40℃ and the same relative humidity of 60%

圖7　60%RH濕度及不同溫度條件表層鹽殼吸水能力Fig.7 The comparison of water absorption capability of salt-crust under the condition of temperatures of 20℃,30℃,40℃ and the same relative humidity of 60%

3 結(jié)論

(1)兩觀測區(qū)的鹽殼表層含水率存在一定差異的原因可能是兩觀測區(qū)的礦物成分和含量不同導(dǎo)致的。黑紋觀測區(qū)表層鹽殼富含Mg+離子礦物,在春季和冬季低溫、高濕度、低蒸發(fā)、低風(fēng)速的情況下,可能更容易吸收大氣水分產(chǎn)生吸附水,導(dǎo)致其吸附水含水率高于白紋觀測區(qū);到了夏季和秋季時段,黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼吸附水可能在高溫、低濕度、高蒸發(fā)、高風(fēng)速的氣候條件產(chǎn)生了逸出,導(dǎo)致其吸附水含水率略低于白紋觀測區(qū)。在全年任何時段,白紋觀測區(qū)表層鹽殼的結(jié)晶水含量均明顯低于黑紋觀測區(qū),可能是黑紋觀測區(qū)的離子形成的石膏礦物和離子形成的瀉利鹽(七水硫酸鎂)礦物均多于白紋觀測區(qū)導(dǎo)致的。

(2)經(jīng)觀測,黑紋觀測區(qū)地下水位埋深變幅相對較穩(wěn)定,對表層鹽殼含水率的季節(jié)性變化無顯著影響。

(3)本研究在野外大氣溫度和濕度分別接近0℃和50%RH情況,或者是室內(nèi)的恒溫恒濕試驗箱模擬的濕度60%RH、溫度分別為20℃、30℃和40℃三個溫度梯度環(huán)境下,黑紋觀測區(qū)的表層鹽殼吸水能力均明顯高于白紋觀測區(qū),推測其原因是黑紋觀測區(qū)表層鹽殼所含的Mg2+離子含量高于白紋觀測區(qū)約17倍而導(dǎo)致的。

(4)兩個觀測區(qū)表層鹽殼中礦物組分和含量的差異,尤其是鉀鎂鹽礦物的差異性,導(dǎo)致其吸附水和結(jié)晶水含量不同,從而使其鹽殼表層含水率和光譜響應(yīng)特征不同,這也是導(dǎo)致羅布泊干鹽湖區(qū)在遙感影像上形成“黑紋”和“白紋”的重要原因之一。

致謝:本實驗得到了國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司的大力幫助和支持,在此表示衷心感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Ministry of Science and Technology(No.2012FY111700),National Natural Science Foundation of China(No.41071149),and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.YK1404).

參考文獻:

蔡愛民,邵蕓,宮華澤,王國軍,謝酬.2011.羅布泊遙感影像“耳紋”特征分析及其環(huán)境意義[J].光譜學(xué)與光譜分析,31(6):1633-1638.

地球科學(xué)大辭典編委會.2006.地球科學(xué)大辭典—基礎(chǔ)科學(xué)卷[G].北京:地質(zhì)出版社:406-438.

何挺,王靜,程燁,林宗堅.2006.土壤水分光譜特征研究[J].土壤學(xué)報,43(6):1027-1032.

李保國,馬黎春,蔣平安,段增強,孫丹峰,邱宏烈,鐘俊平,武紅旗.2008.羅布泊“大耳朵”干鹽湖區(qū)地形特征與干涸時間討論[J].科學(xué)通報,53(3):327-334.

馬黎春,李保國,蔣平安,盛建東,鐘俊平,邱宏烈,武紅旗.2011.羅布泊鹽湖“大耳朵”鹽盤特征、成因及古環(huán)境意義[J].沉積學(xué)報,29(1):125-133.

馬黎春,李保國,蔣平安,鐘俊平,盛建東,邱宏烈,武紅旗.2010.羅布泊“大耳朵”湖區(qū)鉀元素地球化學(xué)與富集機理[J].礦床地質(zhì),29(4):616-624.

馬黎春.2007.羅布泊“大耳朵”干鹽湖區(qū)鹽殼特征及與“耳紋”相關(guān)性的探討[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),1-104.

邵蕓,宮華澤.2011.基于多源雷達(dá)影像的羅布泊湖岸變遷初探[J].遙感學(xué)報,15(3):645-650.

孫自永,余紹文,周愛國,張俊,劉德良,楊麗.2008.新疆羅布泊地區(qū)凝結(jié)水試驗[J].地質(zhì)科技情報,27(2):91-96.

唐洪明.2007.礦物巖石學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社:68-69.

王俊.2011.天津濱海鹽漬土利用與演變動態(tài)的遙感分析[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué):1-65.

王弭力,劉成林.2001.羅布泊鹽湖鉀鹽資源[M].北京:地質(zhì)出版社:25-88.

翁永玲,宮鵬.2006.土壤鹽漬化遙感應(yīng)用研究進展[J].地理科學(xué),26(3):369-375.

夏訓(xùn)誠,王富葆,趙元杰.2007.中國羅布泊[M].北京:科學(xué)出版社:1-490.

趙元杰,夏訓(xùn)誠,王富葆,曹瓊英,高偉明,游廣永.2006.新疆羅布泊環(huán)狀鹽殼的特征與成因[J].干旱區(qū)地理,29(6):779-783.

鄭綿平.2001.論中國鹽湖[J].礦床地質(zhì),20(2):181-189.

鄭喜玉,張明剛,徐昶,李秉孝.2002.中國鹽湖志[M].北京:科學(xué)出版社:234-237.

References:

CAI Ai-min,SHAO Yun,GONG Hua-ze,WANG Guo-jun,XIE Chou.2011.Analysis of Lop Nur “Ear” features in remote sensing image and its environmental meaning[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,31(6):1633-1638(in Chinese with English abstract).

CHEN Hong,EVITTS R W,BESANT R W.2007.Moisture adsorption characteristics of a thin bed of polycrystalline potash pellets Part II — Modeling and numerical simulation[J].Powder Technology,171:46-53.

CHOU I-ming,SEALⅡ R R,WANG A-lian.2013.The stability of sulfate and hydrated sulfate minerals near ambient conditions and their significance in environmental and planetary sciences[J].Journal of Asian Earth Science,62:734-758.

COCHRAN G F,MIHEVC T M,TYLER S W,LOPES T J.1988.Study of salt crust formation mechanisms on Owens(Dry)Lake,California[R].Los Angeles Department of Water and Power,1-103.

HE Ting,WANG Jing,CHENG Ye,LIN Zong-jian.2006.Spectral Features of Soil Moisture[J].Acta Pedologica Sinica,43(6):1027-1032(in Chinese with English abstract).

LERCHE I,PETERSEN K.1995.Salt and sediment dynamics[M].The Chemical Rubber Company Press,Florida,US,1-321.

LI Bao-guo,MA Li-chun,JIANG Ping-an,DUAN Zeng-qiang,SUN Dan-feng,QIU Hong-lie,ZHONG Jun-ping,WU Hong-qi.2008.High precision topographic data on Lop Nur basin’s Lake “Great Ear” and the timing of its becoming a dry salt lake[J].Chinese Science Bulletin,53(6):905-914(in Chinese with English abstract).

MA Li-chun,LI Bao-guo,JIANG Ping-an,SHENG Jian-dong,ZHONG Jun-ping,QIU Hong-lie,WU Hong-qi.2011.Geochemical characteristics and enrichment mechanism of potassium in Lop Nur “Great Ear” playa[J].Mineral Deposits,29(4):616-624(in Chinese with English abstract).

MA Li-chun,LI Bao-guo,JIANG Ping-an,SHENG Jian-dong,ZHONG Jun-ping,QIU Hong-lie,WU Hong-qi.2011.Sedimentary features’ origin and paleoenvironmental significance of “Great Ear” salt pans in the Lop Nor playa[J].Acta Sedimentologica Sinica,29(1):125-133(in Chinese with English abstract).

MA Li-chun.2007.A study on the relationships between the salt crust characteristics and the tonal changes of the “Great Ear”rings in the Lop Nur dry salt lake area[D].Beijing:China Agricultural University:1-104(in Chinese with English abstract).

METTERNICHT G I,ZINCK J A.2003.Remote sensing of soil salinity:potentials and constraints[J].Remote Sensing of Environment,85:1-20.

ROBINSON D A,CAMPBELL C S,HOPMANS J W,HOMBUCKLE B K,JONES S B,KNIGHT R,OGDEN F,SELKER J,WENDROTH O.2008.Soil moisture measurement for ecological and hydrological watershed-scale obervatories:A Review[J].Vadose Zone Journal,7(1):358-389.

SHAO Yun,GONG Hua-ze.2011.Primary interpretation on shorelines of vanished Lop Nur Lake using multi-source SAR data[J].Journal of Remote Sensing,15(3):645-650(in Chinese with English abstract).

SUN Zi-yong,YU Shao-wen,ZHOU Ai-guo,ZHANG Jun,LIU De-liang,YANG Li.2008.Experimental Study on the Condensation Water in Lop Nur Region,Xinjiang[J].Geological Science and Technology Information,27(2):91-96(in Chinese with English abstract).

TANG Hong-ming.2007.Mineralogy and Petrology[M].Beijing:Petroleum Industry Press:68-69(in Chinese with English abstract).

The Editorial Committee of a Dictionary of Earth Sciences.2006.A Dictionary of Earth Sciences—Basic sciences[G].Beijing:Geological Publishing House:406-438(in Chinese with English abstract).

WANG A-lian,FREEMAN J J,JOLLIFF B L,CHOU I-ming.2006.Sulfates on Mars:A systematic Raman spectroscopic study of hydration states of magnesium sulfates[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,70:6118-6135.

WANG Jun.2011.Detecting dynamic evolutionary of landuse change on coastal salt-affected soils in Tianjin by remote sensing method[D].Beijing:China Agricultural University,1-65(in Chinese with English abstract).

WANG Long-fei,GONG Hua-ze,SHAO Yun.2014.Precise topography assessment of Lop Nur Lake Basin using GLAS altimeter[C].Earth and Environmental Science(35th International Symposium on Remote Sensing of Environment),17:1-6.

WANG Mi-li,LIU Cheng-lin.2001.Saline lake potash resources in the Lop Nur,Xinjiang[M].Beijing:Geological Publishing House:25-88(in Chinese with English abstract).

WENG Yong-ling,GONG Peng.2006.A review on remote sensing technique for salt-affected soils[J].Scientia Geographica Sinica,26(3):369-375(in Chinese with English abstract).

XIA Xun-cheng,WANG Fu-bao,ZHAO Yuan-jie.2007.Lop Nur In China[M].Beijing:Science Press:1-490(in Chinese with English abstract).

ZHAO Yuan-jie,XIA Xun-cheng,WANG Fu-bao,CAO Qiong-ying,GAO Wei-ming,YOU Guang-yong.2006.Features and causes of formation on ring-shaped salt crust in Lop Nur region of Xinjiang,China[J].Arid Land Geography,29(6):779-783(in Chinese with English abstract).

ZHENG Mian-ping.2001.On Saline Lakes of China[J].Mineral Deposits,20(2):181-189(in Chinese with English abstract).

ZHENG Xi-yu,ZHANG Ming-gang,XU Chang,LI Bing-xiao.2002.Salt Lakes of China[M].Beijing:Science Press:234-237(in Chinese with English abstract).

Seasonal Change of Water Absorption Capability and Moisture Content of the Top Salt-crust in Lop Nur Dry Lake

KONG De-yong1),LI Bao-guo1)*,MA Li-chun2),JIANG Ping-an3),WU Hong-qi3),LIU Hong-peng3)
1)College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193;
2)Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037;
3)College of Grassland and Environment Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,Xinjiang 830052

Abstract:Two observing sites within the Lop Nur dry salt lake were selected as field experiment areas to monitor the moisture content change on the surface of salt-crust,groundwater level and meteorological data,and a systematic observation lasted for more than one year.One observing site has typical bright stripes exhibiting white color and is named WOS,and the other has typical gray stripes assuming black color and is called BOS.Based on the experiment,it could be concluded that the seasonal moisture values of salt-crust in the two observing sites are different:the adsorbed water content on the surface of salt-crust is higher than the crystal water content,with the difference of adsorbed water content in the two observing sites being about 1%;the content of crystal water in BOS is over 3 times that in WOS.The field observation data indicate that the groundwater level is relatively stable,and it makes little contribution to the adsorbed water content of the surface in salt-crust in BOS.The absorption capability of salt-crust in BOS is remarkably stronger than that in WOS both under the conditions of high humidity and different temperatures in field test or laboratory simulation test,and the difference of water absorption capability is even more than 10 times,probably caused by the difference of the mineral compositions,such as the content of magnesium sulfate in the two observing sites during the salt-curst formation and development.

Key words:Lop Nur;dry lake;salt-crust;moisture content;water absorption capability

*通訊作者:李保國,男,1964年生。教授,博士生導(dǎo)師。主要從事土壤學(xué)、土壤水鹽運移等研究工作。E-mail:libg@cau.edu.cn。

作者簡介:第一孔德庸,男,1978年生。博士研究生,助教。從事水土資源利用及水文地質(zhì)相關(guān)工作。

通訊地址:100193,北京市海淀區(qū)圓明園西路2號中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院(博2008)。E-mail:921992733@qq.com。

收稿日期:2015-11-27;改回日期:2016-02-25。責(zé)任編輯:閆立娟。

中圖分類號:K928.43;P578.32

文獻標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.06