不同碳酸鹽巖巖性試片的溶蝕速率研究
——以三姑泉域?yàn)槔?/h1>
2018-11-20 03:33:58張春潮李向全王振興侯新偉桂春雷白占學(xué)付昌昌
水資源與水工程學(xué)報(bào) 2018年5期
張春潮， 李向全， 王振興， 侯新偉， 桂春雷， 白占學(xué)， 付昌昌
(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所， 河北 石家莊 050000)
1 研究背景
溶蝕試片法利用研究區(qū)的典型碳酸鹽巖，統(tǒng)一制作成標(biāo)準(zhǔn)試片。埋藏型的溶蝕試片方法是將試片放置于土壤表層以及埋藏于地下的不同深度，經(jīng)一定時(shí)間，通常為一個(gè)完整水文年的溶蝕后，取出試片樣品稱重，根據(jù)溶蝕前后試片重量的減少量，進(jìn)而間接計(jì)算埋放地的試片溶蝕速率及巖溶碳匯強(qiáng)度[1-2]；該方法相比于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是不需要長期監(jiān)測、試片制作簡單、埋放方法成熟、更加接近自然狀態(tài)等，在研究巖溶碳匯時(shí)被廣泛應(yīng)用[3-4]。在以往開展碳酸鹽巖溶蝕作用的研究時(shí)，常使用標(biāo)準(zhǔn)試片方法來評(píng)價(jià)氣候及環(huán)境對(duì)其溶蝕作用的影響[5-6]，溶蝕試片大都加工成統(tǒng)一尺寸(直徑40 mm，厚為3 mm)，標(biāo)準(zhǔn)是采用桂林泥盆系融縣組的純石灰?guī)r，制作成圓片狀試片。
目前，采用埋放地的碳酸鹽巖來制作試片。如黃奇波等[7]對(duì)北方不同植被覆蓋下碳酸鹽巖試片的溶蝕速率及巖溶碳匯進(jìn)行了分析，測定了土壤有機(jī)碳、無機(jī)碳、土壤水分含量以及CO2濃度，研究表明土壤中的CO2濃度、水分含量以及有機(jī)碳含量越高，越能促進(jìn)土下試片的溶蝕速率，而土壤無機(jī)碳含量則對(duì)土下試片的溶蝕速率具有抑制作用。此外，其還研究了呂梁山東側(cè)和山西晉中盆地的半干旱巖溶區(qū)典型小流域，選用標(biāo)準(zhǔn)試片以及當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)試片明顯大于當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g速率和所計(jì)算的巖溶碳匯強(qiáng)度，表明使用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法會(huì)使巖溶碳匯強(qiáng)度被高估[3]。梁永平等[8]對(duì)鄂爾多斯盆地周邊地區(qū)進(jìn)行野外原位溶蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明灰?guī)r的溶蝕量相比白云巖要大20%以上，且埋藏的碳酸鹽巖樣品溶蝕量遠(yuǎn)小于放置于地上樣品的溶蝕量。大量研究表明，不同區(qū)域、不同植被覆蓋以及不同土地類型、土壤有機(jī)碳無機(jī)碳含量、土壤水分含量等因素均會(huì)對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕產(chǎn)生影響，但對(duì)于不同地貌類型、不同巖性、不同深度的碳酸鹽巖試片溶蝕速率的差異研究較少。目前關(guān)于碳酸鹽巖的溶蝕及碳匯效應(yīng)的研究存在以下發(fā)展趨勢：(1)人類活動(dòng)影響下對(duì)碳匯效應(yīng)的影響研究；(2)注重各種特殊類型水對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用研究，如外源水、酸雨、礦坑水、凝結(jié)水、土壤水等；(3)注重從微觀角度揭示碳酸鹽巖溶蝕的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；(4)巖溶碳匯通量計(jì)算的新方法、新技術(shù)、新模型的研究。
本文以此為背景，選擇在山西半干旱巖溶區(qū)三姑泉域開展當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g試驗(yàn)，通過選擇典型地貌單元埋放當(dāng)?shù)卦嚻Y(jié)合巖樣磨片分析及可溶巖測試，揭示干旱半干旱氣候條件下碳酸鹽巖溶蝕速率的特征及影響因素。本研究對(duì)試驗(yàn)方法的改進(jìn)、認(rèn)識(shí)干旱氣候條件下巖溶碳匯的特征以及提高巖溶作用碳匯估算精度有著重要意義。
2 研究區(qū)概況
研究區(qū)三姑泉域位于山西省東南部，西鄰陽城縣，東接陵川縣，北與長治市毗鄰，東南與河南焦作市接壤，地理位置介于東經(jīng)111°55′～113°36′，北緯35°12′～36°04′。夏季降水量多集中在6-8月，為多雨季節(jié)；冬季由于西北風(fēng)盛行，為干旱季節(jié)，雨雪稀少。多年平均氣溫為10.2℃，多年平均蒸發(fā)量為1 670 mm，多年平均降水量為580 mm，6-8月降水量約占全年降水量的60%左右，多以暴雨形式出現(xiàn)。泉域內(nèi)降水分布極不均勻，山區(qū)多，盆地少，由低平區(qū)向山區(qū)遞增。泉域內(nèi)主要河流為丹河，是晉城市境內(nèi)第二大河流，最小年徑流量為1.34×108m3，最大為6.8×108m3，多年平均徑流量為2.67×108m3。三姑泉域行政區(qū)劃及區(qū)域水系分布如圖1所示。
研究區(qū)總體地勢是四面高山環(huán)繞，中部地勢低且呈波狀起伏，形成寬闊的山間盆地和丘陵。東部和南部為太行山脈，標(biāo)高為1 000～1 500 m；西部為伊侯山和武神山，標(biāo)高為1 000～1 300 m；北部為琉璃山和金泉山，標(biāo)高為1 000～1 400 m；中部為河谷沖洪積河谷平原、山間盆地和丘陵，標(biāo)高為700～850 m；丹河出境處的三姑泉一帶河谷最低，標(biāo)高為300 m 左右。三姑泉域總面積為3 214.45 km2，其中二疊系出露面積為527.26 km2、石炭系為249.83 km2、第四系出露面積為1 577.35 km2、裸露灰?guī)r區(qū)為860.02 km2，巖溶裸露區(qū)多出露奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，大面積出露于三姑泉域北部、南部以及西部伊侯山、東部東丹河一帶。
3 研究方法
為了了解研究區(qū)內(nèi)不同巖性的巖溶發(fā)育規(guī)律，本次試驗(yàn)分別選取了區(qū)內(nèi)分布面積最廣的峰峰組泥灰?guī)r、馬家溝組灰?guī)r及寒武系白云巖3種不同的巖性試樣；同時(shí)作為探索研究，也對(duì)區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r進(jìn)行了取樣，利用X射線熒光光譜儀對(duì)試片進(jìn)行化學(xué)分析(表1)，測定了試片的可溶鹽成分以及酸不溶物。利用偏光顯微鏡(圖2)，根據(jù)巖石分類和命名方案(GB/T 17412)對(duì)試片進(jìn)行鏡下定名(見表1)。
由表1可知，4種巖性試片中生物碎屑灰?guī)r的酸不溶物含量最高，灰?guī)r中含量最低；主要可溶鹽成分組成為CaO和MgO，兩者總含量灰?guī)r最高，白云巖最低。
表1 溶蝕試驗(yàn)試樣分析表
圖2 各試樣鏡下觀察影像
為了便于埋藏和保存，加工成140塊標(biāo)準(zhǔn)試樣(長30 mm、寬10 mm、高10 mm的長方體)。對(duì)每個(gè)試樣用蒸餾水清洗干凈，放于烘箱中以60℃烘干12 h，然后對(duì)其進(jìn)行編號(hào)、稱重，于2015年7月1日將加工的試樣根據(jù)不同的地貌單元按表層、深度20 cm、深度50 cm進(jìn)行埋放，并在氣象站處離地面100 cm放置對(duì)照試樣。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，收集氣溫、降雨量資料。至2016年7月1日回收試樣，140塊試樣中，14塊丟失，2塊發(fā)生斷裂，對(duì)剩下的124塊試樣進(jìn)行清洗、烘干、稱重，獲得一個(gè)完整水文年后試樣的重量。稱重均采用萬分之一精度的天平進(jìn)行稱量。
4 結(jié)果分析與討論
本次結(jié)果只分析寒武系及奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r，對(duì)C3t太原組生物碎屑灰?guī)r僅做討論分析。
4.1 不同地貌單元試片的溶蝕特征
在對(duì)試片進(jìn)行一個(gè)水文年的埋藏之后，經(jīng)過稱重計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同埋藏深度、不同地貌單元、不同巖性試片的溶蝕量具有不同的特征(見表2)。表2中溶蝕速率的計(jì)算為經(jīng)過一個(gè)完整的水文年后，試片埋藏前后的重量差異。
表2不同條件下試片年平均溶蝕速率
mg/a
視不同的地貌單元為變量，統(tǒng)計(jì)不同地貌單元所埋藏的所有試片的溶蝕量(圖3)，分析可知，從河漫灘-一級(jí)階地-二級(jí)階地-盆地-低海拔丘陵-高海拔丘陵，整體來說，溶蝕量呈現(xiàn)減小趨勢。但在一級(jí)階地及盆地區(qū)有兩個(gè)峰值點(diǎn)。
圖3 不同地貌單元試片年總?cè)芪g量曲線
在河漫灘處，含水率比較高，由于常年淤積，巖性主要為粉砂，顆粒細(xì)，相對(duì)比較致密，雖然有較濕潤的條件，但CO2通透性差，不利于碳酸鹽巖的溶蝕；此外，在冬季河漫灘粉砂處于凍結(jié)狀態(tài)，溫度低，試片被凍結(jié)的水土所包圍，也不利于碳酸鹽巖的溶蝕。而在一級(jí)階地處，巖性為粉砂夾礫石，通透性良好，在降雨及豐水季節(jié)又有相對(duì)濕潤的水分條件，因此，碳酸鹽巖試片溶蝕量相對(duì)較大。
盆地區(qū)出現(xiàn)峰值的主要原因是該試片埋藏位置為農(nóng)耕區(qū)。該處碳酸鹽巖試片溶蝕量大主要有以下原因：(1)由于農(nóng)作物及植物殘?bào)w逐漸轉(zhuǎn)化和積累，土壤中含有大量的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量高，為碳酸鹽巖的溶蝕提供了足夠的碳源，促進(jìn)了巖溶作用的進(jìn)行；(2)土壤中由于腐殖質(zhì)的存在，土質(zhì)疏松，使得微生物活動(dòng)增強(qiáng)，也對(duì)巖溶有促進(jìn)作用；(3)在農(nóng)耕區(qū)，由于肥料的施用，特別是氮肥的施用，降低了土壤中的C/N比，使得土壤中微生物活性增加，促進(jìn)有機(jī)物料的分解，提高了土壤中的CO2，促進(jìn)了碳酸鹽巖的溶解。這也與許多研究得到的結(jié)論一致[9-11]。
其他地貌單元，二級(jí)階地-低海拔丘陵-高海拔丘陵，試片溶蝕量逐漸減小，高海拔丘陵處碳酸鹽巖的年溶蝕量僅2.2 mg/a。巖性由亞黏土、粉質(zhì)黏土逐漸過渡為粉質(zhì)黏土、黏土，土體致密，通透性差，降雨入滲條件差。因此，丘陵區(qū)具有低含水率、低CO2濃度的特點(diǎn)，使得碳酸鹽巖的溶蝕量小，溶蝕速率較低。這與許多學(xué)者所做的試驗(yàn)結(jié)論一致[12-14]，在北方干旱半干旱氣候條件下，土壤水中的無機(jī)碳含量較高，在蒸發(fā)量大、干旱少雨的氣候條件下，容易在試片表面形成碳酸鹽沉積，使溶蝕試驗(yàn)中的部分試片經(jīng)過一定時(shí)間的溶蝕之后，出現(xiàn)重量減小很少或不減反增的現(xiàn)象。
4.2 不同巖性試片的溶蝕特征
對(duì)所埋藏的試片進(jìn)行稱重分析，得出不同巖性試片的年溶蝕量，該量排除了埋藏位置、含水率、CO2等因素的影響。
通過對(duì)比分析可知，經(jīng)過一個(gè)完整的水文年后，3種不同巖性試片中，奧陶系泥灰?guī)r(O2f峰峰組)溶蝕量最大，奧陶系灰?guī)r(O2m馬家溝組)次之，寒武系白云巖(∈3s)最小，這與試片的巖性密切相關(guān)。通過對(duì)比試片的化學(xué)成分含量，白云巖相對(duì)于灰?guī)r及泥灰?guī)r的可溶鹽含量較少，與灰?guī)r可溶鹽含量相近。試片年溶蝕量也呈現(xiàn)出與此類似的特征。泥灰?guī)r的年溶蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于奧陶系灰?guī)r及寒武系白云巖，這與其本身的性質(zhì)也有關(guān)系。泥灰?guī)r相對(duì)于其他兩種巖性來說，具有質(zhì)地較軟、易破碎、遇水軟化等特點(diǎn)，因此在水分的侵蝕下極易發(fā)生巖溶作用[15-16]。
4.3 不同埋藏深度試片的溶蝕特征
視深度、巖性為變量，將不同地貌單元的試片溶蝕量匯總，按不同深度、不同巖性進(jìn)行分類，年溶蝕量如圖4所示。
圖4 不同埋藏深度試片的溶蝕特征
對(duì)不同埋藏深度的每層試片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)3種不同巖性的試片均存在地上的溶蝕量大于埋藏型的溶蝕量，白云巖大致為1∶1，奧陶系灰?guī)r地上溶蝕量為地下溶蝕量的2～3倍，奧陶系泥灰?guī)r則達(dá)到了3～5倍，其中地下0.2 m處與地上溶蝕量差異最大。這一結(jié)果也與南方的試驗(yàn)結(jié)果相反。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)屬于內(nèi)陸半干旱-干旱氣候 ，因此水的化學(xué)溶蝕作用相對(duì)較弱 ，在地表裸露巖溶區(qū)以物理風(fēng)化為主 ，因而造成空中試樣的重量損失最大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，在研究區(qū)以及北方大部分巖溶分布區(qū)，常發(fā)育成以溶蝕裂隙為主、缺少巖溶負(fù)地形、溶蝕洞穴少見、地表往往常態(tài)山為主要特征，形成與南方巖溶不同、獨(dú)特的“北方型巖溶地貌”[17-18]。
而白云巖在地表+0.2 m、土壤表層、地下-0.2 m以及地下-0.5 m處的溶蝕量大致相當(dāng)，這與試片的巖性密切相關(guān)，也印證了在北方巖溶區(qū)，奧陶系峰峰組、馬家溝組的重要含水層往往以灰?guī)r成分為主，而奧陶統(tǒng)白云巖主要以相對(duì)隔水層的形式出現(xiàn)。
通過分析不同埋藏深度試片的溶蝕量曲線(圖4)，發(fā)現(xiàn)在-0.2 m處為不同巖性試片的溶蝕量最低值。如奧陶系泥灰?guī)r-0.2 m處的溶蝕量比-0.5 m處的溶蝕量小了1.94 mg/a，比表層及地上的溶蝕量分別小了3.46和14.71 mg/a；奧陶系灰?guī)r-0.2 m處的溶蝕量比-0.5 m處的溶蝕量小了0.18 mg/a，比表層及地上的溶蝕量分別小了0.92和2.87 mg/a。這可能表征著在研究區(qū)特定的氣候條件下，地下-0.2 m為氣溫、水分等因素的特殊的關(guān)鍵層或關(guān)鍵帶。在-0.2 m以上，溶蝕作用主要以溫度控制，在-0.2 m以下，溶蝕作用主要以水分控制為主。
4.4 討論
在進(jìn)行上述一系列試驗(yàn)的同時(shí)，在巖性上增設(shè)了石炭系生物碎屑灰?guī)r，在溶蝕介質(zhì)上增設(shè)了研究區(qū)內(nèi)最為典型的外源水-酸性礦坑水。三姑泉域內(nèi)有大小煤礦101座，礦坑排水量達(dá)4 695.32×104m3/a。在煤系地層的作用下，礦坑水多為酸性水，具有低pH值、高硬度、高礦化度、高SO42-等典型特征。為探究在該特征下的碳酸鹽巖溶蝕特征，增設(shè)此試驗(yàn)。
經(jīng)稱重分析，石炭系生物碎屑灰?guī)r試片的年平均溶蝕量達(dá)到了23.32 mg/a。其中，表層的溶蝕量為26.12 mg/a，-0.2 m處為22.52 mg/a，-0.5 m處為20.14 mg/a，地上溶蝕量為28.10 mg/a。無論是地上還是埋藏的試片溶蝕量均大于其他3種巖性的溶蝕量，這與生物碎屑灰?guī)r的海湖相沉積環(huán)境有關(guān)。就溶蝕規(guī)律來說，與其他巖性試片相似。
在礦坑酸性水中，不同巖性的試片溶蝕量顯著增加，總體規(guī)律為奧陶系泥灰?guī)r>奧陶系灰?guī)r>寒武系白云巖>石炭系灰?guī)r，溶蝕量分別為531.2、402.3、399和101.7 mg/a。這與酸性礦坑水的水化學(xué)特征有關(guān)，經(jīng)對(duì)水樣進(jìn)行測試，pH值僅為2.4。流動(dòng)的低pH酸性水對(duì)碳酸鹽巖的不斷侵蝕，是造成溶蝕量顯著增大的主要原因。奧陶系泥灰?guī)r的溶蝕量最大是因?yàn)樵谌芪g的過程中，泥灰?guī)r中的泥質(zhì)團(tuán)塊或泥晶不斷脫落所致；相比之下，石炭系生物碎屑灰?guī)r的溶蝕量相對(duì)較小的原因是在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，一段時(shí)間之后，試片表面吸附有一層礦物質(zhì)，阻礙了碳酸鹽巖的進(jìn)一步溶蝕；另一個(gè)原因是石炭系生物碎屑灰?guī)r的酸不溶物含量最高(見表1)。
研究區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r和酸性礦坑外源水對(duì)碳源碳匯的估算精度會(huì)起到一定的影響。如碳酸鹽巖的水蝕過程會(huì)消耗一部分CO2，屬碳匯效應(yīng)；而酸蝕過程又會(huì)釋放出一定量的CO2，增加了一部分碳源，屬碳源效應(yīng)。水蝕和酸蝕過程的反應(yīng)式分別如式(1)和(2)：
(1)
(2)
因此，查清區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的溶蝕模式，對(duì)于提高區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的碳源和碳匯計(jì)算精度具有重要的指導(dǎo)意義[19-20]。
5 結(jié) 論
本次研究對(duì)三姑泉域內(nèi)分布的4種碳酸鹽巖地層進(jìn)行取樣，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試片，在不同的地貌單元以及不同的埋藏深度進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。通過研究，得到以下結(jié)論：
(1)對(duì)于不同的地貌單元，隨著海拔的升高，溶蝕量總體呈現(xiàn)出逐漸減小的特征；對(duì)于不同的巖性試片，奧陶系泥灰?guī)r(O2f峰峰組)溶蝕量最大，奧陶系灰?guī)r(O2m馬家溝組)次之，寒武系白云巖(∈3s)最??；對(duì)于不同埋藏深度的試片溶蝕量，從地上、表層到埋藏深度為0.2 m處，溶蝕量逐漸減小；埋藏深度0.2至0.5 m溶蝕量增加。
(2)對(duì)于區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r以及酸性礦坑水做了針對(duì)性的研究。研究表明，無論是地表還是地下，生物碎屑灰?guī)r的溶蝕量總體水平均大于其他3種巖性；在酸性礦坑水的作用下，4種碳酸鹽巖試片的溶蝕量顯著變大。
(3)碳酸鹽巖試片的溶蝕與眾多因素有關(guān)，如溫度、水分含量、水的碳酸鹽飽和度、水分pH值等，建議以后開展進(jìn)一步的研究，找出碳酸鹽巖溶蝕的主要驅(qū)動(dòng)因子。
(4)查清區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖溶蝕模式，對(duì)于提高區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的碳匯計(jì)算精度具有重要意義。
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1 研究背景
溶蝕試片法利用研究區(qū)的典型碳酸鹽巖，統(tǒng)一制作成標(biāo)準(zhǔn)試片。埋藏型的溶蝕試片方法是將試片放置于土壤表層以及埋藏于地下的不同深度，經(jīng)一定時(shí)間，通常為一個(gè)完整水文年的溶蝕后，取出試片樣品稱重，根據(jù)溶蝕前后試片重量的減少量，進(jìn)而間接計(jì)算埋放地的試片溶蝕速率及巖溶碳匯強(qiáng)度[1-2]；該方法相比于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是不需要長期監(jiān)測、試片制作簡單、埋放方法成熟、更加接近自然狀態(tài)等，在研究巖溶碳匯時(shí)被廣泛應(yīng)用[3-4]。在以往開展碳酸鹽巖溶蝕作用的研究時(shí)，常使用標(biāo)準(zhǔn)試片方法來評(píng)價(jià)氣候及環(huán)境對(duì)其溶蝕作用的影響[5-6]，溶蝕試片大都加工成統(tǒng)一尺寸(直徑40 mm，厚為3 mm)，標(biāo)準(zhǔn)是采用桂林泥盆系融縣組的純石灰?guī)r，制作成圓片狀試片。
目前，采用埋放地的碳酸鹽巖來制作試片。如黃奇波等[7]對(duì)北方不同植被覆蓋下碳酸鹽巖試片的溶蝕速率及巖溶碳匯進(jìn)行了分析，測定了土壤有機(jī)碳、無機(jī)碳、土壤水分含量以及CO2濃度，研究表明土壤中的CO2濃度、水分含量以及有機(jī)碳含量越高，越能促進(jìn)土下試片的溶蝕速率，而土壤無機(jī)碳含量則對(duì)土下試片的溶蝕速率具有抑制作用。此外，其還研究了呂梁山東側(cè)和山西晉中盆地的半干旱巖溶區(qū)典型小流域，選用標(biāo)準(zhǔn)試片以及當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)試片明顯大于當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g速率和所計(jì)算的巖溶碳匯強(qiáng)度，表明使用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法會(huì)使巖溶碳匯強(qiáng)度被高估[3]。梁永平等[8]對(duì)鄂爾多斯盆地周邊地區(qū)進(jìn)行野外原位溶蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明灰?guī)r的溶蝕量相比白云巖要大20%以上，且埋藏的碳酸鹽巖樣品溶蝕量遠(yuǎn)小于放置于地上樣品的溶蝕量。大量研究表明，不同區(qū)域、不同植被覆蓋以及不同土地類型、土壤有機(jī)碳無機(jī)碳含量、土壤水分含量等因素均會(huì)對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕產(chǎn)生影響，但對(duì)于不同地貌類型、不同巖性、不同深度的碳酸鹽巖試片溶蝕速率的差異研究較少。目前關(guān)于碳酸鹽巖的溶蝕及碳匯效應(yīng)的研究存在以下發(fā)展趨勢：(1)人類活動(dòng)影響下對(duì)碳匯效應(yīng)的影響研究；(2)注重各種特殊類型水對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用研究，如外源水、酸雨、礦坑水、凝結(jié)水、土壤水等；(3)注重從微觀角度揭示碳酸鹽巖溶蝕的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；(4)巖溶碳匯通量計(jì)算的新方法、新技術(shù)、新模型的研究。
本文以此為背景，選擇在山西半干旱巖溶區(qū)三姑泉域開展當(dāng)?shù)卦嚻娜芪g試驗(yàn)，通過選擇典型地貌單元埋放當(dāng)?shù)卦嚻Y(jié)合巖樣磨片分析及可溶巖測試，揭示干旱半干旱氣候條件下碳酸鹽巖溶蝕速率的特征及影響因素。本研究對(duì)試驗(yàn)方法的改進(jìn)、認(rèn)識(shí)干旱氣候條件下巖溶碳匯的特征以及提高巖溶作用碳匯估算精度有著重要意義。
2 研究區(qū)概況
研究區(qū)三姑泉域位于山西省東南部，西鄰陽城縣，東接陵川縣，北與長治市毗鄰，東南與河南焦作市接壤，地理位置介于東經(jīng)111°55′～113°36′，北緯35°12′～36°04′。夏季降水量多集中在6-8月，為多雨季節(jié)；冬季由于西北風(fēng)盛行，為干旱季節(jié)，雨雪稀少。多年平均氣溫為10.2℃，多年平均蒸發(fā)量為1 670 mm，多年平均降水量為580 mm，6-8月降水量約占全年降水量的60%左右，多以暴雨形式出現(xiàn)。泉域內(nèi)降水分布極不均勻，山區(qū)多，盆地少，由低平區(qū)向山區(qū)遞增。泉域內(nèi)主要河流為丹河，是晉城市境內(nèi)第二大河流，最小年徑流量為1.34×108m3，最大為6.8×108m3，多年平均徑流量為2.67×108m3。三姑泉域行政區(qū)劃及區(qū)域水系分布如圖1所示。
研究區(qū)總體地勢是四面高山環(huán)繞，中部地勢低且呈波狀起伏，形成寬闊的山間盆地和丘陵。東部和南部為太行山脈，標(biāo)高為1 000～1 500 m；西部為伊侯山和武神山，標(biāo)高為1 000～1 300 m；北部為琉璃山和金泉山，標(biāo)高為1 000～1 400 m；中部為河谷沖洪積河谷平原、山間盆地和丘陵，標(biāo)高為700～850 m；丹河出境處的三姑泉一帶河谷最低，標(biāo)高為300 m 左右。三姑泉域總面積為3 214.45 km2，其中二疊系出露面積為527.26 km2、石炭系為249.83 km2、第四系出露面積為1 577.35 km2、裸露灰?guī)r區(qū)為860.02 km2，巖溶裸露區(qū)多出露奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，大面積出露于三姑泉域北部、南部以及西部伊侯山、東部東丹河一帶。
3 研究方法
為了了解研究區(qū)內(nèi)不同巖性的巖溶發(fā)育規(guī)律，本次試驗(yàn)分別選取了區(qū)內(nèi)分布面積最廣的峰峰組泥灰?guī)r、馬家溝組灰?guī)r及寒武系白云巖3種不同的巖性試樣；同時(shí)作為探索研究，也對(duì)區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r進(jìn)行了取樣，利用X射線熒光光譜儀對(duì)試片進(jìn)行化學(xué)分析(表1)，測定了試片的可溶鹽成分以及酸不溶物。利用偏光顯微鏡(圖2)，根據(jù)巖石分類和命名方案(GB/T 17412)對(duì)試片進(jìn)行鏡下定名(見表1)。
由表1可知，4種巖性試片中生物碎屑灰?guī)r的酸不溶物含量最高，灰?guī)r中含量最低；主要可溶鹽成分組成為CaO和MgO，兩者總含量灰?guī)r最高，白云巖最低。
表1 溶蝕試驗(yàn)試樣分析表
圖2 各試樣鏡下觀察影像
為了便于埋藏和保存，加工成140塊標(biāo)準(zhǔn)試樣(長30 mm、寬10 mm、高10 mm的長方體)。對(duì)每個(gè)試樣用蒸餾水清洗干凈，放于烘箱中以60℃烘干12 h，然后對(duì)其進(jìn)行編號(hào)、稱重，于2015年7月1日將加工的試樣根據(jù)不同的地貌單元按表層、深度20 cm、深度50 cm進(jìn)行埋放，并在氣象站處離地面100 cm放置對(duì)照試樣。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，收集氣溫、降雨量資料。至2016年7月1日回收試樣，140塊試樣中，14塊丟失，2塊發(fā)生斷裂，對(duì)剩下的124塊試樣進(jìn)行清洗、烘干、稱重，獲得一個(gè)完整水文年后試樣的重量。稱重均采用萬分之一精度的天平進(jìn)行稱量。
4 結(jié)果分析與討論
本次結(jié)果只分析寒武系及奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r，對(duì)C3t太原組生物碎屑灰?guī)r僅做討論分析。
4.1 不同地貌單元試片的溶蝕特征
在對(duì)試片進(jìn)行一個(gè)水文年的埋藏之后，經(jīng)過稱重計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同埋藏深度、不同地貌單元、不同巖性試片的溶蝕量具有不同的特征(見表2)。表2中溶蝕速率的計(jì)算為經(jīng)過一個(gè)完整的水文年后，試片埋藏前后的重量差異。
表2不同條件下試片年平均溶蝕速率
mg/a
視不同的地貌單元為變量，統(tǒng)計(jì)不同地貌單元所埋藏的所有試片的溶蝕量(圖3)，分析可知，從河漫灘-一級(jí)階地-二級(jí)階地-盆地-低海拔丘陵-高海拔丘陵，整體來說，溶蝕量呈現(xiàn)減小趨勢。但在一級(jí)階地及盆地區(qū)有兩個(gè)峰值點(diǎn)。
圖3 不同地貌單元試片年總?cè)芪g量曲線
在河漫灘處，含水率比較高，由于常年淤積，巖性主要為粉砂，顆粒細(xì)，相對(duì)比較致密，雖然有較濕潤的條件，但CO2通透性差，不利于碳酸鹽巖的溶蝕；此外，在冬季河漫灘粉砂處于凍結(jié)狀態(tài)，溫度低，試片被凍結(jié)的水土所包圍，也不利于碳酸鹽巖的溶蝕。而在一級(jí)階地處，巖性為粉砂夾礫石，通透性良好，在降雨及豐水季節(jié)又有相對(duì)濕潤的水分條件，因此，碳酸鹽巖試片溶蝕量相對(duì)較大。
盆地區(qū)出現(xiàn)峰值的主要原因是該試片埋藏位置為農(nóng)耕區(qū)。該處碳酸鹽巖試片溶蝕量大主要有以下原因：(1)由于農(nóng)作物及植物殘?bào)w逐漸轉(zhuǎn)化和積累，土壤中含有大量的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量高，為碳酸鹽巖的溶蝕提供了足夠的碳源，促進(jìn)了巖溶作用的進(jìn)行；(2)土壤中由于腐殖質(zhì)的存在，土質(zhì)疏松，使得微生物活動(dòng)增強(qiáng)，也對(duì)巖溶有促進(jìn)作用；(3)在農(nóng)耕區(qū)，由于肥料的施用，特別是氮肥的施用，降低了土壤中的C/N比，使得土壤中微生物活性增加，促進(jìn)有機(jī)物料的分解，提高了土壤中的CO2，促進(jìn)了碳酸鹽巖的溶解。這也與許多研究得到的結(jié)論一致[9-11]。
其他地貌單元，二級(jí)階地-低海拔丘陵-高海拔丘陵，試片溶蝕量逐漸減小，高海拔丘陵處碳酸鹽巖的年溶蝕量僅2.2 mg/a。巖性由亞黏土、粉質(zhì)黏土逐漸過渡為粉質(zhì)黏土、黏土，土體致密，通透性差，降雨入滲條件差。因此，丘陵區(qū)具有低含水率、低CO2濃度的特點(diǎn)，使得碳酸鹽巖的溶蝕量小，溶蝕速率較低。這與許多學(xué)者所做的試驗(yàn)結(jié)論一致[12-14]，在北方干旱半干旱氣候條件下，土壤水中的無機(jī)碳含量較高，在蒸發(fā)量大、干旱少雨的氣候條件下，容易在試片表面形成碳酸鹽沉積，使溶蝕試驗(yàn)中的部分試片經(jīng)過一定時(shí)間的溶蝕之后，出現(xiàn)重量減小很少或不減反增的現(xiàn)象。
4.2 不同巖性試片的溶蝕特征
對(duì)所埋藏的試片進(jìn)行稱重分析，得出不同巖性試片的年溶蝕量，該量排除了埋藏位置、含水率、CO2等因素的影響。
通過對(duì)比分析可知，經(jīng)過一個(gè)完整的水文年后，3種不同巖性試片中，奧陶系泥灰?guī)r(O2f峰峰組)溶蝕量最大，奧陶系灰?guī)r(O2m馬家溝組)次之，寒武系白云巖(∈3s)最小，這與試片的巖性密切相關(guān)。通過對(duì)比試片的化學(xué)成分含量，白云巖相對(duì)于灰?guī)r及泥灰?guī)r的可溶鹽含量較少，與灰?guī)r可溶鹽含量相近。試片年溶蝕量也呈現(xiàn)出與此類似的特征。泥灰?guī)r的年溶蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于奧陶系灰?guī)r及寒武系白云巖，這與其本身的性質(zhì)也有關(guān)系。泥灰?guī)r相對(duì)于其他兩種巖性來說，具有質(zhì)地較軟、易破碎、遇水軟化等特點(diǎn)，因此在水分的侵蝕下極易發(fā)生巖溶作用[15-16]。
4.3 不同埋藏深度試片的溶蝕特征
視深度、巖性為變量，將不同地貌單元的試片溶蝕量匯總，按不同深度、不同巖性進(jìn)行分類，年溶蝕量如圖4所示。
圖4 不同埋藏深度試片的溶蝕特征
對(duì)不同埋藏深度的每層試片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)3種不同巖性的試片均存在地上的溶蝕量大于埋藏型的溶蝕量，白云巖大致為1∶1，奧陶系灰?guī)r地上溶蝕量為地下溶蝕量的2～3倍，奧陶系泥灰?guī)r則達(dá)到了3～5倍，其中地下0.2 m處與地上溶蝕量差異最大。這一結(jié)果也與南方的試驗(yàn)結(jié)果相反。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)屬于內(nèi)陸半干旱-干旱氣候 ，因此水的化學(xué)溶蝕作用相對(duì)較弱 ，在地表裸露巖溶區(qū)以物理風(fēng)化為主 ，因而造成空中試樣的重量損失最大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，在研究區(qū)以及北方大部分巖溶分布區(qū)，常發(fā)育成以溶蝕裂隙為主、缺少巖溶負(fù)地形、溶蝕洞穴少見、地表往往常態(tài)山為主要特征，形成與南方巖溶不同、獨(dú)特的“北方型巖溶地貌”[17-18]。
而白云巖在地表+0.2 m、土壤表層、地下-0.2 m以及地下-0.5 m處的溶蝕量大致相當(dāng)，這與試片的巖性密切相關(guān)，也印證了在北方巖溶區(qū)，奧陶系峰峰組、馬家溝組的重要含水層往往以灰?guī)r成分為主，而奧陶統(tǒng)白云巖主要以相對(duì)隔水層的形式出現(xiàn)。
通過分析不同埋藏深度試片的溶蝕量曲線(圖4)，發(fā)現(xiàn)在-0.2 m處為不同巖性試片的溶蝕量最低值。如奧陶系泥灰?guī)r-0.2 m處的溶蝕量比-0.5 m處的溶蝕量小了1.94 mg/a，比表層及地上的溶蝕量分別小了3.46和14.71 mg/a；奧陶系灰?guī)r-0.2 m處的溶蝕量比-0.5 m處的溶蝕量小了0.18 mg/a，比表層及地上的溶蝕量分別小了0.92和2.87 mg/a。這可能表征著在研究區(qū)特定的氣候條件下，地下-0.2 m為氣溫、水分等因素的特殊的關(guān)鍵層或關(guān)鍵帶。在-0.2 m以上，溶蝕作用主要以溫度控制，在-0.2 m以下，溶蝕作用主要以水分控制為主。
4.4 討論
在進(jìn)行上述一系列試驗(yàn)的同時(shí)，在巖性上增設(shè)了石炭系生物碎屑灰?guī)r，在溶蝕介質(zhì)上增設(shè)了研究區(qū)內(nèi)最為典型的外源水-酸性礦坑水。三姑泉域內(nèi)有大小煤礦101座，礦坑排水量達(dá)4 695.32×104m3/a。在煤系地層的作用下，礦坑水多為酸性水，具有低pH值、高硬度、高礦化度、高SO42-等典型特征。為探究在該特征下的碳酸鹽巖溶蝕特征，增設(shè)此試驗(yàn)。
經(jīng)稱重分析，石炭系生物碎屑灰?guī)r試片的年平均溶蝕量達(dá)到了23.32 mg/a。其中，表層的溶蝕量為26.12 mg/a，-0.2 m處為22.52 mg/a，-0.5 m處為20.14 mg/a，地上溶蝕量為28.10 mg/a。無論是地上還是埋藏的試片溶蝕量均大于其他3種巖性的溶蝕量，這與生物碎屑灰?guī)r的海湖相沉積環(huán)境有關(guān)。就溶蝕規(guī)律來說，與其他巖性試片相似。
在礦坑酸性水中，不同巖性的試片溶蝕量顯著增加，總體規(guī)律為奧陶系泥灰?guī)r>奧陶系灰?guī)r>寒武系白云巖>石炭系灰?guī)r，溶蝕量分別為531.2、402.3、399和101.7 mg/a。這與酸性礦坑水的水化學(xué)特征有關(guān)，經(jīng)對(duì)水樣進(jìn)行測試，pH值僅為2.4。流動(dòng)的低pH酸性水對(duì)碳酸鹽巖的不斷侵蝕，是造成溶蝕量顯著增大的主要原因。奧陶系泥灰?guī)r的溶蝕量最大是因?yàn)樵谌芪g的過程中，泥灰?guī)r中的泥質(zhì)團(tuán)塊或泥晶不斷脫落所致；相比之下，石炭系生物碎屑灰?guī)r的溶蝕量相對(duì)較小的原因是在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，一段時(shí)間之后，試片表面吸附有一層礦物質(zhì)，阻礙了碳酸鹽巖的進(jìn)一步溶蝕；另一個(gè)原因是石炭系生物碎屑灰?guī)r的酸不溶物含量最高(見表1)。
研究區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r和酸性礦坑外源水對(duì)碳源碳匯的估算精度會(huì)起到一定的影響。如碳酸鹽巖的水蝕過程會(huì)消耗一部分CO2，屬碳匯效應(yīng)；而酸蝕過程又會(huì)釋放出一定量的CO2，增加了一部分碳源，屬碳源效應(yīng)。水蝕和酸蝕過程的反應(yīng)式分別如式(1)和(2)：
(1)
(2)
因此，查清區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的溶蝕模式，對(duì)于提高區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的碳源和碳匯計(jì)算精度具有重要的指導(dǎo)意義[19-20]。
5 結(jié) 論
本次研究對(duì)三姑泉域內(nèi)分布的4種碳酸鹽巖地層進(jìn)行取樣，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試片，在不同的地貌單元以及不同的埋藏深度進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。通過研究，得到以下結(jié)論：
(1)對(duì)于不同的地貌單元，隨著海拔的升高，溶蝕量總體呈現(xiàn)出逐漸減小的特征；對(duì)于不同的巖性試片，奧陶系泥灰?guī)r(O2f峰峰組)溶蝕量最大，奧陶系灰?guī)r(O2m馬家溝組)次之，寒武系白云巖(∈3s)最??；對(duì)于不同埋藏深度的試片溶蝕量，從地上、表層到埋藏深度為0.2 m處，溶蝕量逐漸減小；埋藏深度0.2至0.5 m溶蝕量增加。
(2)對(duì)于區(qū)內(nèi)分布的石炭系生物碎屑灰?guī)r以及酸性礦坑水做了針對(duì)性的研究。研究表明，無論是地表還是地下，生物碎屑灰?guī)r的溶蝕量總體水平均大于其他3種巖性；在酸性礦坑水的作用下，4種碳酸鹽巖試片的溶蝕量顯著變大。
(3)碳酸鹽巖試片的溶蝕與眾多因素有關(guān)，如溫度、水分含量、水的碳酸鹽飽和度、水分pH值等，建議以后開展進(jìn)一步的研究，找出碳酸鹽巖溶蝕的主要驅(qū)動(dòng)因子。
(4)查清區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖溶蝕模式，對(duì)于提高區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖的碳匯計(jì)算精度具有重要意義。
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