黔西南喀斯特洞穴沉積物粒度特征分析

張育林，王恒松，程 星，涂 鑫，張輝華

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025； 2.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴州 貴陽550001； 3.黎平縣國有石井山林場，貴州 黎平 557300)

喀斯特地區(qū)洞穴形成的主要驅(qū)動(dòng)力是水文因素，洞穴中的沉積物是洞穴形成演化和地表、地下水文作用的產(chǎn)物，隱藏著大量的地理環(huán)境信息[1]。洞穴環(huán)境條件特殊，受外界影響較小，洞內(nèi)沉積物較穩(wěn)定，能保持相對較高的沉積連續(xù)性，因此能很好地反映洞穴發(fā)育演化過程及氣候變化規(guī)律。借鑒前人以洞穴內(nèi)地下河沉積物揭示地下水文環(huán)境特征與沉積過程的研究方法[2-4]，本研究采集北盤江唐家大洞沉積物，分析其粒度分布特征、平均粒徑、偏度及峰度等，并采集洞穴基巖進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)，分析喀斯特洞穴的發(fā)育演化特征及沉積物沉積機(jī)理，以揭示喀斯特洞穴沉積物的沉積過程及地下水文變化情況。

1 研究區(qū)概況

貴州花江峽谷石漠化治理示范區(qū)位于貴州省西南部貞豐縣以北和關(guān)嶺縣以南的北盤江花江河段，地理位置介于東經(jīng)105°36′30″～105°46′30″、北緯25°39′13″～25°41′00″(圖1)，屬于向斜構(gòu)造形成的北陡南緩的寬谷套峽的疊置谷，屬珠江流域。研究區(qū)出露地層以中、上三疊統(tǒng)地層為主，巖層厚度大，碳酸鹽巖占95%以上；海拔500～1 359 m，氣候帶垂直分異明顯，其中海拔850 m以下屬南亞熱帶干熱型河谷氣候區(qū)，海拔900 m以上屬中亞熱帶河谷氣候區(qū)；春冬季溫暖干燥，夏秋季悶熱濕潤，年均氣溫18.4 ℃，年均降水量為1 100 mm，5—10月降雨量可達(dá)年降雨量的83%；受地質(zhì)巖性與地層構(gòu)造因素影響，研究區(qū)巖溶發(fā)育，河谷深切，植被覆蓋率低，成土過程緩慢，地下水下滲匯流于北盤江花江河段。研究區(qū)為典型的喀斯特中山峽谷地貌，屬于重度喀斯特石漠化地區(qū)，是貴州省生態(tài)環(huán)境較為惡劣的典型巖溶貧困地區(qū)之一。

圖1 唐家大洞基本信息及采樣點(diǎn)位置示意

唐家大洞位于貴州花江峽谷石漠化治理示范區(qū)內(nèi)。該洞發(fā)育在二疊系石灰?guī)r巖溶溝谷之中，洞口海拔1 021 m，洞口坐標(biāo)為105°38′10″E、25°38′26″N。洞穴主體沿北偏東12°方向發(fā)育，屬于新近脫水的洞穴，受碳酸鹽巖巖性影響洞內(nèi)縱向剖面發(fā)育不穩(wěn)定，可以看到早期地下河面，而在距離洞口70～100 m處堆積有大量沉積物。

2 采樣與試驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

本研究沉積物粒度試驗(yàn)樣品取樣點(diǎn)位于距洞口約78 m處。取樣時(shí)間選在枯水期(2016年12月)，沉積物露出，對沉積物進(jìn)行開挖并采集樣品。從沉積物底部垂直向上采集樣品，開挖深度為0.5 m，共采集土壤樣品5個(gè)，依次命名為HJ-05、HJ-04、HJ-03、HJ-02、HJ-01。溶蝕試驗(yàn)的巖石樣品采集于唐家大洞內(nèi)的5塊巖石(分別位于洞口、洞頂及洞內(nèi))，分別命名為HJYS-1、HJYS-2、HJYS-3、HJYS-4、HJYS-5，將巖石樣品切割成邊長為2～2.5 cm的正方體樣本，以方便后期放入燒杯進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

2017年3月23日在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行沉積物土壤樣品粒度測定。粒度測定流程為：先提取0.25 g自然風(fēng)干的土壤樣品放入燒杯，由于樣品黏粒級組分的主要成分為黏土礦物，具有黏結(jié)性，因此在樣品預(yù)處理時(shí)加入分散劑(NaPO3)6，以防黏粒組分的團(tuán)聚和黏附；然后向燒杯內(nèi)注入濃度為10%的H2O2試劑，靜置12 h以確保去除土壤樣品中的有機(jī)質(zhì)，待反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)加入10 mL HCl與土壤樣品進(jìn)行反應(yīng)，直到加入HCl試劑土壤樣品不再反應(yīng)，以去除樣品中的次生碳酸鹽，反應(yīng)完全后將燒杯靜置24 h。在上述化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，利用MASTERSIZER 2000激光粒度分析儀(測試量程為0.02～2 000 μm)對土壤樣品進(jìn)行粒度測定[5]。

溶蝕試驗(yàn)將巖石樣品放入燒杯中，每個(gè)燒杯注入10 mL HCl試劑，5個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)，浸泡72 h，每2 h對樣品進(jìn)行翻查，使HCl試劑與樣品進(jìn)行充分反應(yīng)，觀察樣品被HCl侵蝕的過程，視反應(yīng)程度補(bǔ)入HCl試劑，使樣本始終浸泡在試劑中并進(jìn)行詳細(xì)記錄。根據(jù)溶蝕試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，通過巖石樣品質(zhì)量與試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算出溶蝕速率(Rv)和溶蝕率(R)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

收集整理MASTERSIZER 2000激光粒度分析儀得出的粒度數(shù)據(jù)，按烏頓-溫德氏提出的粒級標(biāo)準(zhǔn)[6]，將土壤樣品粒度經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)化成等比制粒級Φ值，計(jì)算公式為

Φ=-log2d

(1)

式中：Φ為土壤顆粒直徑轉(zhuǎn)換值；d為土壤顆粒直徑，mm。

Φ5、Φ95、Φ16、Φ84、Φ25、Φ75、Φ50分別代表累積頻率曲線上百分比含量為5%、95%、16%、84%、25%、75%、50%的粒徑(Φ)值。利用Folk-Ward公式[7]計(jì)算平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度參數(shù)特征

平均粒徑描述的是沉積物的平均粒度，通過平均粒度能反映沉積物搬運(yùn)營力的平均動(dòng)能[8]。由表1知，測試的5個(gè)土壤樣品平均粒徑最大的是HJ-02，Φ值為6.64，最小的是HJ-01，Φ值為5.65，唐家大洞沉積物各土壤樣品平均粒徑均值(Φ)為5.94。

表1 唐家大洞沉積物土壤粒度參數(shù)

分選系數(shù)是通過標(biāo)準(zhǔn)偏差(δI)來表示的，它反映了土壤樣品粒度分布與平均粒徑之間的差異特征，通常作為區(qū)分沉積物分選程度的標(biāo)準(zhǔn)[9]。唐家大洞沉積物5個(gè)土壤樣品的分選系數(shù)最大值為2.05，最小值為1.79，平均值為1.96。以標(biāo)準(zhǔn)偏差確定的6個(gè)分選級別中，δI=1.00～2.00屬于分選較差，這表明唐家大洞沉積物土壤樣品分選性較差。

偏度反映的是沉積物粒度頻率分布的不對稱性特征及介質(zhì)搬運(yùn)營力的大小，描述曲線峰態(tài)特征及變化[10]。唐家大洞沉積物5個(gè)土壤樣品全部呈現(xiàn)負(fù)偏態(tài)，偏度值最大為-0.23，最小為-0.29，平均值為-0.26，說明沉積物以細(xì)粒徑顆粒為主，且分選性較差。

峰度表示曲線兩端與中間分選性之間的比率，描述沉積物粒度頻率曲線峰型的寬窄程度[11-13]。根據(jù)土壤樣品的峰度值判斷存在兩種峰型，其中峰度值>1為窄峰、<1為寬峰。唐家大洞5個(gè)沉積物土壤樣品峰度值變化范圍為0.92～1.05，其中寬峰樣品為2個(gè)、窄峰樣品為3個(gè)，主要以單峰態(tài)結(jié)構(gòu)存在。

3.2 粒徑分布特征

根據(jù)粒徑自然分布頻率曲線(圖2)，土壤樣品粒徑分布特征趨近一致且以單峰形態(tài)為主。HJ-02主峰在0.399～282.508 μm區(qū)間，其百分比含量為0.1%～4.07%；HJ-03主峰在0.399～355.656 μm區(qū)間，其百分比含量為0.01%～3.89%；HJ-04主峰在0.399～282.508 μm區(qū)間，其百分比含量為0.09%～3.74%；HJ-05主峰在0.399～282.508 μm區(qū)間，其百分比含量為0.12%～3.82%；HJ-01的粒徑分布曲線與其他樣品的略顯不同，主峰在0.356～178.25 μm區(qū)間，其中0.7～50 μm占據(jù)了相當(dāng)部分，其百分比含量為0.12%～4.66%，次峰在178.25～399.025 μm，其百分比含量為0.01%～0.13%，主峰偏向細(xì)顆粒方向，且峰度最高，是唯一峰態(tài)存在雙峰的樣品。分析可知，沉積物表層HJ-01土壤粒徑最小，隨沉積時(shí)間增加樣品土壤粒徑自然分布頻率曲線存在峰度逐漸平緩的趨勢。

圖2 粒徑自然分布頻率曲線

表2為洞穴沉積物土壤顆粒結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)表2，隨取樣深度增加沉積物土壤顆粒含量在不同粒徑區(qū)間有所變化。由圖2分析知，HJ-02到HJ-05樣品的粒徑分布特征基本一致，且相比HJ-01樣品平均粒徑較粗，推測這4個(gè)樣品的沉積過程可能發(fā)生在降雨較多的雨季，地表徑流從洞口進(jìn)入，帶來大量泥沙堆積于洞底；而HJ-01樣品沉積過程可能出現(xiàn)在流域內(nèi)洪水事件發(fā)生率較低或降水量較小的時(shí)段，也就是說HJ-01樣品可能是在洪水事件或較大降雨發(fā)生后，地下河水流逐漸減小，通過較小的水流并借助洞穴地形不斷沉積形成的。

表2 洞穴沉積物土壤顆粒結(jié)構(gòu)特征

3.3 洞穴碳酸鹽巖溶蝕率、溶蝕速率

對唐家大洞巖石樣品進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出溶蝕率及溶蝕速率[14-15]，見表3。溶蝕率的計(jì)算公式[14]為

R=Ms/M×100%

(2)

式中：Ms為樣品溶蝕量，g；M為樣品原質(zhì)量，g；R為溶蝕率，%。

計(jì)算得出巖石樣品溶蝕率HJYS-1為26.00%，HJYS-2為13.29%，HJYS-3為15.96%，HJYS-4為10.08%，HJYS-5為8.60%，平均溶蝕率為14.79%。巖石樣品溶蝕速率的計(jì)算公式[15]為

Rv=Ms/T

(3)

式中：Rv為溶蝕速率，g/h；Ms為樣品溶蝕量，g；T為溶蝕時(shí)間，h。

得到樣品溶蝕速率HJYS-1為0.118 g/h，HJYS-2為0.082 g/h，HJYS-3為0.11 g/h，HJYS-4為0.063 g/h，HJYS-5為0.046 g/h。

表3 唐家大洞巖石樣品溶蝕率和溶蝕速率

4 結(jié) 語

洞穴沉積物與地表河流沉積物的粒度分布特征有所不同。洞穴沉積物的粒度分布主要受氣候條件、水文特征及沉積環(huán)境等因素的影響，相比地表河流沉積物所受到的眾多外界控制因素，洞穴沉積物的沉積環(huán)境相對穩(wěn)定且在沉積過程上具有規(guī)律性、連續(xù)性，通過研究洞穴沉積物的粒度分布特征，可以了解其沉積環(huán)境及氣候變化。本研究采集北盤江唐家大洞沉積物進(jìn)行試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)屬于石漠化地區(qū)，洞穴內(nèi)的泥沙搬運(yùn)和土壤沉積主要受地下河及降雨量的影響。在唐家大洞采集的沉積物土壤樣品以黏粒、粉砂及細(xì)砂3個(gè)粒級為主，其中細(xì)砂和粉砂所占百分比含量之和在75%以上。根據(jù)圖2分析結(jié)果，下層HJ-02至HJ-05土壤樣品的粒徑分布特征基本一致，相比HJ-01土壤樣品平均粒徑較粗。據(jù)此，我們推測：前4個(gè)土壤樣品的沉積過程可能發(fā)生在降雨量較大的雨季，地表徑流從洞口進(jìn)入，帶來大量泥沙堆積于洞底；而表層土壤樣品HJ-01的沉積過程可能發(fā)生在相對持續(xù)的流域內(nèi)洪水事件發(fā)生過后或降水量較小的時(shí)段，因?yàn)槎囱ǖ叵潞恿髟诮涤炅枯^小時(shí)水動(dòng)力減小，洞穴古河道河流水位穩(wěn)定或水動(dòng)力較弱，只能搬運(yùn)一些粒徑較小的砂粒。同時(shí)，洞內(nèi)沉積物不斷增加也反映出洞穴所在流域范圍內(nèi)地表植被覆蓋率低，地表侵蝕較為嚴(yán)重。

(2)根據(jù)沉積物表層HJ-01與下層HJ-02至HJ-05土壤樣品粒徑分布特征，可以得出洞穴沉積物沉積過程中可能存在降雨量大、小兩種情況且二者相互交替具有循環(huán)性，這也揭示了地下洞穴受氣候和喀斯特作用影響，地下水位增長滯后于地表水位增長，地下河在雨季流量增加但相對穩(wěn)定，表現(xiàn)在洞穴土壤沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積過程主要受水文環(huán)境與碳酸鹽巖溶蝕程度影響。

(3)溶蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，研究區(qū)地表溶蝕極其嚴(yán)重，由于碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖層組相互交替或鑲嵌，受水流作用影響洞穴主要沿地層裂隙方向發(fā)育。地表徑流形成條件差，表層巖溶水屬于快速垂直入滲無調(diào)蓄排泄型，借助洞穴到河谷的極大高差，巖溶水獲得了較大的勢能，通過洞穴及地下管道排泄，最終匯集到河谷中，在徑流過程中巖溶水?dāng)y帶泥沙沉積于落水洞或洞穴底部。

(4)通過洞穴沉積物粒度特征來分析土壤沉積過程及地下古河道的環(huán)境，是研究洞穴形成發(fā)育過程及區(qū)域氣候變化規(guī)律的一種新途徑，與洞穴石筍研究相比，這是一個(gè)相對可持續(xù)的研究方法。未來如果在沉積物粒度和洞穴石筍的基礎(chǔ)上再加入沉積物測年的分析要素，通過三方面來對洞穴發(fā)育及氣候變化進(jìn)行研究，將會(huì)為區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供更加可靠的理論依據(jù)。