亞熱帶典型白云巖流域化學(xué)剝蝕速率及碳匯潛力—以貴州施秉杉木河流域為例.pdf

1、人類活動造成的以CO2為主的溫室氣體排放是造成全球氣溫升高的主要原因，而反過來全球氣候變暖又威脅著人類生存。氣候變化已不再是一個簡單的科學(xué)問題，而成了重要的國際政治議題。碳酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化會消耗大氣CO2，形成巖溶碳匯。因此，碳酸鹽巖的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯效應(yīng)研究得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。以往的研究表明：碳酸鹽風(fēng)化碳匯是陸地碳匯的重要組成部分。然而，以前的研究更多關(guān)注以石灰?guī)r為主的流域，有關(guān)亞熱帶典型白云巖流域的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯的研

2、究卻顯不足。雖然理論上白云巖的溶蝕速率比石灰?guī)r的低，但自然條件下，白云巖的溶解度大大高于石灰?guī)r。中國白云巖以及含白云石地層分布面積占整個碳酸鹽巖出露面積的比例較大，全球白云巖的分布和石灰?guī)r的分布也一樣普遍，因此，白云巖的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯研究值得關(guān)注。
　　貴州施秉白云巖喀斯特世界自然遺產(chǎn)地內(nèi)杉木河流域及其子流域黃洲河流域是亞熱帶白云巖流域的典型代表，其中，杉木河流域總面積242.00km2，其中，白云巖出露面積為192.34

3、km2，占流域總面積的80%；黃洲河流域總面積49.19km2，流域絕大部分（45.27km2，92%）均為寒武系純白云巖或灰質(zhì)白云巖，成為全國乃至全球研究亞熱帶典型白云巖巖溶過程的模式地。因此，為了揭示白云巖巖石風(fēng)化的水文地球化學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上估算亞熱帶典型白云巖流域的化學(xué)剝蝕速率及白云巖風(fēng)化的巖溶碳匯通量，豐富與完善中國巖溶碳匯研究類型，進一步提高我國巖溶碳匯潛力估算值的精度，本論文以這兩條小流域為研究區(qū)，通過對杉木河流域的巖石學(xué)

4、特征、地下水和地表水的水文地球化學(xué)特征及時空動態(tài)變化規(guī)律研究，揭示亞熱帶典型白云巖流域的水文地球化學(xué)特征，之后重點對杉木河流域的子流域黃洲河流域進行水化學(xué)監(jiān)測及流量實時在線監(jiān)測，利用水化學(xué)-徑流法估算亞熱帶典型白云巖流域的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯通量。主要得出以下結(jié)論：
　?。?）貴州施秉世界自然遺產(chǎn)地內(nèi)杉木河及黃洲河流域是典型的白云巖流域，主要出露寒武系清虛洞組、石冷水組和跨寒武-奧陶系婁山關(guān)組白云巖。研究區(qū)清虛洞組巖石的CaO含

5、量為16.56%～47.20%，多數(shù)為28.04%～32.05%；MgO的含量為0.92%～21.71%，多為18.65%～19.80%；Ca/Mg比為0.97～36.65，多數(shù)為0.97～1.42，既有石灰?guī)r出露，也有白云巖分布。石冷水組巖石的CaO含量為22.76%～53.39%，多數(shù)為27.36%～32.95%；MgO的含量為1.25%～21.62%，多數(shù)為16.26%～21.62%；Ca/Mg比為0.99～30.51，多數(shù)為0.

6、99～1.64，以白云巖為主；婁山關(guān)組巖石的CaO含量為25.82%～36.75%，多數(shù)為25.82%～30.90%；MgO的含量為15.62%～21.70%，多數(shù)為19.44%～21.70%；Ca/Mg比為0.97～1.68，多數(shù)為0.97～1.09，為一套純白云巖。依據(jù)結(jié)構(gòu)組分類型，研究區(qū)主要巖石類型白云巖分為顆粒白云巖和晶粒白云巖，次要巖石類型石灰?guī)r進一步細分為內(nèi)碎屑灰?guī)r和結(jié)晶灰?guī)r等。
　?。?）壓汞和孔滲測試實驗結(jié)果顯示，

7、研究區(qū)白云巖的進汞量和孔隙度都大于石灰?guī)r，表明白云巖的孔隙系統(tǒng)對水的儲集能力要好于石灰?guī)r；白云巖的孔面積大于石灰?guī)r，表示白云巖與汞的接觸面積更大，即白云巖的水-巖反應(yīng)作用面積更大，更有利于水-巖作用的進行；雖然白云巖的中值孔徑和平均孔徑都小于石灰?guī)r，但白云巖的門限壓力小于石灰?guī)r，表明研究區(qū)白云巖孔隙系統(tǒng)比石灰?guī)r均勻，其喉道直徑要大于石灰?guī)r，整體上白云巖的滲透性要優(yōu)于石灰?guī)r；白云巖的迂曲度總體小于石灰?guī)r，而白云巖的滲透率比石灰?guī)r高，這也表

8、明研究區(qū)白云巖的滲透性更好，更有利于孔隙流體的交換，從而有助于巖溶作用的發(fā)生，有利于白云巖地區(qū)地下水的滲流及水-巖作用進行，使得白云巖呈現(xiàn)出整體化學(xué)溶蝕特征，促使白云巖溶解完全而達到溶解平衡。
　?。?）受地質(zhì)背景與巖性控制，杉木河流域北部小面積碎屑巖分布區(qū)的水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，而白云巖區(qū)巖溶地表水和地下水中均以Ca2+、Mg2+和HCO3-為主，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型。較純白云巖流域與不純白云巖流域相比具有

9、更高的HCO3-濃度和Mg2+/Ca2+。就地表水而言，較純白云巖流域的HCO3-濃度均值約為4.3mmol/L，而不純白云巖流域約為3.7mmol/L；就地下水而言，較純白云巖流域的HCO3-濃度均值約為5.5mmol/L，而不純白云巖流域約為5.2mmol/L。白云巖的溶蝕速率雖然比石灰?guī)r慢，但在水巖作用時間足夠的情況下，其更高的溶解度使其產(chǎn)出更多HCO3-。該流域巖溶地表水和地下水水化學(xué)的形成和變化主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的控制，人為活

10、動對水化學(xué)的影響非常小。研究區(qū)巖溶地下水DIC主要來源于有機質(zhì)氧化分解產(chǎn)生的CO2和碳酸鹽巖的溶解，它們對地下水DIC的貢獻平均分別為50.9%和49.1%。
　?。?）研究區(qū)杉木河流域來自北部碎屑巖區(qū)的外源水的飽和指數(shù)SIc和SId都小于零，對流域碳酸鹽巖具有強烈溶蝕作用。而外源水進入白云巖巖溶區(qū)后，Ca2+、Mg2+、HCO3-濃度均顯著提高，地表水和地下水的飽和指數(shù)SIc和SId每個月均達到過飽和狀態(tài)。表明，雖然白云巖的溶蝕

11、速率較慢，但在自然條件下，其仍然達到了溶解平衡。這可能是因為白云巖含水性更均勻，形成擴散流型含水層，導(dǎo)致水巖接觸面積較大、水-巖-氣相互作用的時間相對較長、反應(yīng)更充分。因而，在自然界流域尺度上，白云巖流域中的地下水和地表水能達到溶解平衡。
　?。?）濕潤亞熱帶典型白云巖流域溶解無機碳及鈣、鎂離子具有較強的化學(xué)穩(wěn)態(tài)行為。2015年3月～2016年3月，黃洲河典型白云巖流域月降雨量和月均流量的變差系數(shù)為0.7～1.133，遠遠高于鈣、

12、鎂和碳酸氫根等離子濃度的變差系數(shù)0.1～0.2，月時間尺度上明顯表現(xiàn)出流域化穩(wěn)性特征，即流量的相對增幅遠大于鈣、鎂、碳酸氫根等離子濃度的相對降幅。這也使得利用低頻率采集的碳酸氫根及鈣、鎂離子濃度與高頻率監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)便可估算典型白云巖流域的巖溶碳匯通量及化學(xué)剝蝕速率，并且保證估算值的準確性。
　　（6）利用黃洲河流域內(nèi)Ca2+、Mg2+離子的質(zhì)量濃度及流量來估算該流域內(nèi)巖石化學(xué)剝蝕通量及化學(xué)剝蝕速率，得出黃洲河典型白云巖流域201

13、5年3月～2016年3月的化學(xué)剝蝕通量為119.65t·km-2·a-1，化學(xué)剝蝕速率為46mm/ka?？梢姡瑏啛釒У湫桶自屏饔虻幕瘜W(xué)剝蝕通量及化學(xué)剝蝕速率都較高。
　　（7）采用水化學(xué)-徑流法估算了黃洲河典型白云巖流域的巖溶碳匯通量，發(fā)現(xiàn)2015年3月～2016年3月黃洲河白云巖流域的巖溶碳匯通量為57.58tCO2·km-2·a-1?？梢姡瑏啛釒У湫桶自屏饔虻膸r溶碳匯通量相當可觀，這是由于白云石的溶解度較高、且流域尺度上白云巖

14、有足夠的時間達到水-巖-氣相互作用平衡所造成的。因此，白云巖流域的巖溶碳匯不容忽視。
　　總之，過去關(guān)于亞熱帶典型白云巖流域的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯通量的研究較少，本論文率先估算了亞熱帶典型白云巖流域的化學(xué)剝蝕速率及巖溶碳匯通量，認為較高的溶解度和較低的溶蝕速率是影響白云巖溶蝕強度的兩個重要因素。雖然前人在理論上證明了白云巖的溶蝕速率較低，然而，在流域尺度上，在自然條件下，亞熱帶典型白云巖流域獨特的巖石特性及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)能使其水-

15、巖-氣相互作用的時間總體上可以保證CaMg(CO3)2-CO2-H2O體系達到平衡狀態(tài)，進而使白云石的溶解度成為巖溶碳匯通量大小的決定性因素，加之化學(xué)穩(wěn)態(tài)行為同樣適用于白云巖流域，白云巖溶蝕強度僅取決于水循環(huán)強度和溶解度。因此，白云巖較高的溶解度導(dǎo)致白云巖流域較高的巖溶碳匯強度及化學(xué)剝蝕速率，白云巖的化學(xué)風(fēng)化可能對全球碳循環(huán)也有著重大意義。該論文的結(jié)論在亞熱帶地區(qū)典型白云巖流域的巖溶碳匯效應(yīng)及化學(xué)剝蝕速率研究方面有比較重要的突破和創(chuàng)新，