青藏高原東緣梯度帶大氣CO2含量與巖溶發(fā)育相關(guān)性初探

許 模, 毛邦燕, 張廣澤, 康小兵, 漆繼紅,李 瀟, 易 磊, 楊四福

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

巖溶發(fā)育演化是各因素長期綜合作用的過程。索科洛夫提出的巖溶發(fā)育的4個基本條件：可溶性巖石、巖石的透水性、侵蝕性的水和水的運動[1]。結(jié)合地球圈層理論及地球關(guān)鍵帶理念，巖溶發(fā)育演化是巖石、土壤、生物、水和大氣各個圈層復(fù)雜相互作用的過程。被稱作“亞洲水塔”、世界“第三極”的青藏高原，不僅通過區(qū)域內(nèi)大面積的冰川覆蓋影響全球氣候，而且通過巖石風化作用(碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和花崗巖風化)消耗大氣CO2影響全球氣候變化，在通過海陸能量交換過程發(fā)生的全球碳循環(huán)中占有十分重要的地位[2-4]。

伴隨第二次青藏高原綜合科學(xué)考察及第三極國家公園群、川藏鐵路等建設(shè)項目的開展，深入研究高原隆升、全球氣候變化背景下的巖溶發(fā)育具有極高的科學(xué)價值。為此，本文選擇青藏高原東緣梯度帶區(qū)域，通過野外大氣CO2測量和巖溶發(fā)育情況調(diào)查，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)情況以及巖礦測試數(shù)據(jù)，對比分析研究巖溶發(fā)育程度及其控制因素。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東緣，中國陸地第一臺階到第二臺階的斜坡梯度帶。本次研究數(shù)據(jù)采集點以雅江為起始，沿國道G318、G214和G317分布(圖1)。伴隨青藏高原第四紀期間的快速隆升，青藏高原中東部梯度帶內(nèi)瀾滄江、怒江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等一系列南北向河流強烈快速下切，形成了高原東側(cè)橫斷山區(qū)一系列近南北向分布的平行嶺谷，高山和峽谷間高差達2～3 km。研究區(qū)空間跨度大，川西高原氣候垂直分帶顯著，雨量較少，年、日溫差較大，夏季最高氣溫可達35～40℃ ，高山臺地冬季最低氣溫可降至-15～-20℃，年降雨量在600～900 mm；青藏高原東緣區(qū)屬高原海洋性氣候和大陸性高寒干燥氣候，青藏高原空氣稀薄，年平均氣溫多在7～10℃，最高氣溫可達30℃，最低氣溫可降至-20～-30℃。海拔高度4 km以上地區(qū)有季節(jié)性凍結(jié)層分布，最大厚度50 cm。植被多以高山草甸為主且整體植被覆蓋程度普遍偏低，全年低與較低植被覆蓋面積超過研究區(qū)總面積的50%；夏季較高植被覆蓋區(qū)域占總面積的2%，海拔高度4.5 km以上地區(qū)幾乎無植被，具有明顯的垂直分帶性。

研究區(qū)位于歐亞大陸西南活動大陸邊緣中段，跨越板塊結(jié)合帶區(qū)段從雅江到林芝(圖2)。該區(qū)地層巖性混雜多變，從震旦系至新生界均有分布。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制， 地層展布方向大多與構(gòu)造形跡方向有關(guān)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與1∶50萬區(qū)域水文地質(zhì)報告將研究區(qū)出露的碳酸鹽巖依據(jù)巖性組成分為以灰?guī)r為主的石灰?guī)r類、以白云巖為主的白云巖類及以碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層或夾層為主的不純碳酸鹽巖類。石灰?guī)r類主要分布于C2a、D1g、D2q、D2c、T3b地層中，普遍為厚層-巨厚層；巖性以灰?guī)r為主，偶夾少量白云質(zhì)灰?guī)r，白云質(zhì)含量偏低，以生物碎屑、細粒結(jié)構(gòu)為主，含少許微晶結(jié)構(gòu)。白云巖類主要分布于S3y、S2s及T3x2，巖性以白云巖為主，局部含灰質(zhì)白云巖和泥質(zhì)白云巖。不純碳酸鹽巖類以泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖與砂板巖互層為主，主要分布于研究區(qū)T3t2、T3q、P1eq1、P2b地層中，巖性復(fù)雜且?guī)r相變化較大[1]。

2 研究方法及數(shù)據(jù)

2.1 大氣CO2濃度測量

使用德國德圖公司Testo535 CO2測量儀測量大氣CO2質(zhì)量濃度(ρ)。雅江至林芝沿G318、G317和G214國道分布，包括海子山剖面不同高程測點共40個，整合測點數(shù)據(jù)(表1)。為確保數(shù)據(jù)精確性，測點盡量選擇在人、車足跡較少的地區(qū)，避免汽車尾氣及呼吸產(chǎn)生的CO2干擾。本次實地觀測了夏季野外大氣CO2濃度。

表1 研究區(qū)典型部位大氣CO2質(zhì)量濃度Table 1 Mass concentration of atmospheric CO2 in the study area

2.2 區(qū)域巖溶地貌調(diào)查統(tǒng)計

野外調(diào)查統(tǒng)計沿線可溶巖分布以及巖溶節(jié)理、巖溶裂隙、巖溶泉和溶蝕洼地等巖溶地貌發(fā)育程度和分布規(guī)律(表2)。巖溶節(jié)理、巖溶裂隙的統(tǒng)計結(jié)果是，2.5～3 km高程帶平均裂隙率只有1.22%，到4 km以上地帶增至1.91%。其中以2.5～4 km高程增長較快，4 km以上已無明顯增減；碳酸鹽巖及砂巖裂隙較發(fā)育，平均裂隙率達1.85%以上，裂隙寬度一般1～5 mm，極少達1 cm，局部見蜂窩狀溶孔[1]。根據(jù)1∶50萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查資料，結(jié)合30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)和高清遙感影像，利用ArcGIS提取溶蝕洼地數(shù)目、面積和空間分布。

2.3 水化學(xué)參數(shù)分析測試

2.4 碳酸鹽巖礦物成分分析

在野外采集可溶巖樣品，在西南冶金地質(zhì)測試中心進行了化學(xué)分析。參考前人對化學(xué)成分與溶解度關(guān)系的相關(guān)研究，根據(jù)巖石鏡下鑒定報告，選取巖石內(nèi)部CaO、MgO、酸不溶物3種化學(xué)組分含量作為影響巖溶發(fā)育程度指標(表3) 。

2.5 植被覆蓋度識別

通過ArcGIS和ENVI(完整的遙感圖像處理平臺)對重點研究區(qū)(金沙江流域白玉-巴塘段)Landsat 8衛(wèi)星30 m分辨率遙感圖像進行處理，并計算歸一化植被指數(shù)NDVI值，得到研究區(qū)各季度植被覆蓋度(FC)[1]。參考前人研究成果，統(tǒng)計分析區(qū)內(nèi)低植被覆蓋度(FC<10%)、較低植被覆蓋(10%≤FC<30%)、中度植被覆蓋度(30%≤FC<50%)和較高植被覆蓋度(FC≥50%)[1](表4)。

表2 研究區(qū)各地層溶蝕洼地、巖溶泉分布特征統(tǒng)計Table 2 Statistics of distribution characteristics of uvala and karst springs in the study area

表3 研究區(qū)碳酸鹽巖組分及對應(yīng)水樣Ca2+和Mg2+濃度Table 3 Statistics of carbonate rock components and corresponding Ca2+ and Mg2+ concentration in water samples in the study area

表4 研究區(qū)植被覆蓋度Table 4 Fraction of vegetation coverage in the study area

3 結(jié)果與分析

為深入分析CO2分布規(guī)律，圖4、圖5、圖6和圖7分別給出了研究區(qū)不同地貌剖面CO2分布、巖溶發(fā)育程度和大氣CO2垂向分布、碳酸鹽巖地層巖礦組分和夏冬兩季植被覆蓋度情況。

青藏高原東緣梯度帶區(qū)金沙江河谷段巖溶發(fā)育有如下規(guī)律：海拔高度>4.1 km分布溶蝕裂隙，未見巖溶泉；海拔高度3.7～4.1 km分布溶蝕裂隙、構(gòu)造型溶洞及巖溶泉，該高度范圍內(nèi)溶蝕現(xiàn)象相對發(fā)育；海拔高度3.3～3.5 km多分布巖溶泉，泉口高程略高于流域切溝的溝底；海拔高度2.9～3.1 km僅分布巖溶泉，泉水集中排泄于溝谷切割、斷裂交匯部位(圖4-A)。

研究區(qū)大氣CO2濃度隨海拔高度變化顯著：海拔高度>4 km，CO2質(zhì)量濃度基本在250 ～290 mg/L；海拔高度在4～3 km，CO2質(zhì)量濃度基本在280～310 mg/L；海拔高度<3 km時，CO2質(zhì)量濃度基本在320～380 mg/L(圖4-B)。

3.1 海拔高度與CO2濃度

綜合大氣CO2實測數(shù)據(jù)，大氣CO2濃度在季節(jié)上的差異很小，但隨海拔高度的增加而明顯降低(圖3-B)。根據(jù)數(shù)據(jù)回歸擬合，大氣CO2質(zhì)量濃度高程梯度為55.6 mg/(L·km),符合大氣密度變化規(guī)律和高海拔區(qū)域低氣溫低分壓特征，與章典等[7]在1997年的觀測結(jié)果相一致。

根據(jù)研究區(qū)不同地形地貌剖面上的大氣CO2濃度實測數(shù)據(jù)分析，金沙江右岸沿G318自巴塘至海子山寬緩斜坡剖面(圖5-A)，大氣CO2質(zhì)量濃度在233～311 mg/L，濃度高程梯度約為69.6 mg/(L·km)；降曲源頭沙馬鄉(xiāng)南側(cè)陡坡剖面(圖5-B)，大氣CO2質(zhì)量濃度在258～307 mg/L，濃度高程梯度約為77 mg/(L·km)。結(jié)果顯示沿寬緩斜坡和較陡斜坡兩種地形坡度變化較大的地貌剖面，大氣CO2含量高程梯度存在分異，但規(guī)律性不強，說明相對于隨海拔高度變化的大氣密度及高原低氣溫的低分壓，地形坡度對大氣CO2濃度分布趨勢的影響較弱。

沿瑪曲和降曲河谷區(qū)，大氣CO2質(zhì)量濃度在258～358 mg/L，濃度高程梯度約為108.7 mg/(L·km)，與高海拔山原區(qū)剖面存在較大差異；但分水嶺與山原海拔高度重疊區(qū)CO2濃度呈現(xiàn)高度一致性。這是由于河谷區(qū)大氣CO2含量與受海拔高度變化影響的大氣密度有關(guān)之外，還受隨河谷至分水嶺的植被類型、覆蓋度、氣溫梯度的影響。河谷剖面氣溫測試數(shù)據(jù)顯示，海拔高度每變化1 km，氣溫相差11℃，河谷至分水嶺植被從低矮落葉小喬木到灌木到分水嶺區(qū)域的高山草甸，海拔高度>4.5 m的山原區(qū)幾乎為裸露基巖，無明顯植被覆蓋。對比分析海拔高度3～4.5 km區(qū)域大氣CO2濃度與巖溶類型及發(fā)育情況，顯示出巖溶發(fā)育情況與大氣CO2濃度隨海拔高度變化的較高一致性(圖4)。

3.2 溫度與濃度

研究區(qū)氣溫明顯受海拔高度和地形控制，平均氣溫7℃，地表水平均溫度7.4℃，顯示地表水與氣溫有相似的特征；除溫熱泉外，地下水平均溫度8.4℃。根據(jù)野外測試點位，拉月村等溫熱泉分布點位，大氣CO2質(zhì)量濃度在331～382 mg/L，明顯高于無溫熱泉分布點位的平均值289 mg/L，推測是由于溫熱泉分布區(qū)域地熱活動強烈，存在內(nèi)源性碳源的溢散。

3.3 植被與CO2濃度

研究區(qū)植被覆蓋程度普遍偏低，除夏季外，其余3季無較高植被覆蓋區(qū)域，夏季植被覆蓋度為中度和較高的區(qū)域面積之和僅占總面積的36%(圖7)。與廣西桂林和貴州畢節(jié)典型巖溶區(qū)的植被覆蓋度相比，桂林與畢節(jié)巖溶區(qū)的較高植被覆蓋度面積與中度植被覆蓋度面積占主要份額，桂林為69.15%，畢節(jié)為62.78%，遠遠高于研究區(qū)夏季較高植被覆蓋度面積占比[13-14]；對應(yīng)碳酸鹽巖地層在夏冬兩季各等級植被覆蓋度所占比例統(tǒng)計[1]，石炭系碳酸鹽巖地層夏季中度植被覆蓋面積達地層出露面積的72%，泥盆系碳酸鹽巖地層夏季中度植被覆蓋面積占地層出露總面積的1/3，明顯低于石炭系。

表5 研究區(qū)及相關(guān)研究中涉及的水文及物理化學(xué)參數(shù)Table 5 Hydrologic and physicochemical parameters in the study area and related studies

研究區(qū)植被中度覆蓋面積所處位置大多沿區(qū)內(nèi)主要水系金沙江及其支流切割溝谷兩側(cè)分布，這是由于河谷海拔高度一般在2.9～3.5 km，相對較低，氣溫適中，靠近溝谷及河流兩側(cè)的位置水源條件充分，利于植被生長。結(jié)合青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物、CO2通量的相關(guān)研究，研究區(qū)高海拔和低溫不利于植被生長，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)整體植被覆蓋度較低,溶蝕作用中消耗的CO2不能及時得到足夠的土壤呼吸和生態(tài)呼吸釋放的CO2的補充[15-17]，延緩甚至停止了溶蝕作用繼續(xù)發(fā)生；同時低植被覆蓋度，使其難以減弱地表徑流速度，不利于降雨下滲，從而減緩或停止地下巖溶發(fā)育。

4 結(jié) 論

通過在青藏高原東緣梯度帶進行大氣CO2現(xiàn)場測試與室內(nèi)巖性、植被指數(shù)等計算分析，對影響巖溶發(fā)育的大氣CO2分布規(guī)律取得如下認識：

a.青藏高原區(qū)大氣CO2含量低是造成區(qū)域降水侵蝕性弱進而導(dǎo)致區(qū)域巖溶發(fā)育程度低的主要原因。

b.大氣CO2含量隨高程變化的背景下，區(qū)域巖溶發(fā)育類型和規(guī)模也呈現(xiàn)明顯的垂向分帶性。

d.植被覆蓋度達中度以上的區(qū)域較少，且隨水系分布，同時顯示與高程控制的氣溫和大氣CO2濃度的變化存在高度的一致性；區(qū)域植被覆蓋度低，導(dǎo)致因生物作用提供的CO2有限是區(qū)域巖溶發(fā)育的次要因素。