金佛山表层岩溶泉水化学动态变化浅析

2011-03-23四川省绵阳中学621000师自龙

地理教学 2011年4期

四川省绵阳中学（621000）师自龙

金佛山表层岩溶泉水化学动态变化浅析

四川省绵阳中学（621000）师自龙

为进一步研究中国亚热带地区表层岩溶水的动态变化规律，了解亚热带岩溶作用机制，通过分析重庆金佛山表层岩溶泉——碧潭泉和水房泉的全自动观测数据，得出以下结论：(1)长时间尺度监测表明，海拔不同的两个泉水之间水化学性质有较大差异。（2）短时间尺度加密观测表明，碧潭泉和水房泉的水化学性质昼夜变化一致，但有区别。（3）在降雨作用下，碧潭泉和水房泉的水化学动态变化一致。（4）两个泉水水位都比较稳定，可以在一定程度上保证附近居民的用水，尤其可用于山顶的旅游开发。研究结论有助于进一步认识表层岩溶水的变化规律，理解亚热带岩溶作用的机理，并且还可以参与到全国表层岩溶对比之中，完善表层岩溶动力系统的分类，指导人们对地表水资源的利用。

金佛山表层岩溶泉化学动态

一、引言

岩溶动力系统涉及固（碳酸盐岩）、液（H2O）、气（CO2）三相的相互作用，水在此系统中的重要性不仅体现在它是一种溶剂，更是一种载体①。

岩溶水在这一岩溶过程中，作为系统输出特性的反映，其化学性质的变化必然反映了该系统的动态变化，所以，把握岩溶水的化学动态变化规律就可以帮助认识表层岩溶带的作用机理，进而理解整个岩溶生态系统。

国土资源部岩溶动力学开放实验室以国际地质对比计划IGCP379“岩溶作用与碳循环”和IGCP488“全球岩溶生态对比计划”项目为依托，开展了典型岩溶生态环境系统的运行规律及其全球变化的影响研究，对我国6个表层岩溶系统作了详细观测②③，但缺乏对亚高山岩溶生态系统的详细研究。在亚高山岩溶生态系统中，海拔差异造成表层岩溶生态系统因素作用强度的改变，进而影响到岩溶形态的发育、岩溶水化学性质和岩溶作用强度的改变，形成其独特的岩溶生态系统运行规律①。因此开展亚高山岩溶研究，对进一步全面深入研究岩溶生态系统运行机制和开展全球岩溶生态系统对比有着重要的意义。

二、金佛山岩溶生态系统发育的环境背景

金佛山位于重庆市南部，地理坐标是28°50′N—29°20′N，107°3′E—107°20′E，东邻重庆市武隆县，南与贵州省正安、桐锌两县接壤，西与重庆市万盛区相连，北依南川市隆化镇。整个金佛山由金佛、菁坝、柏枝三山108峰组成，面积1300平方千米，风景规划区面积441平方千米，保护区面积522平方千米。金佛山1988年被命名为全国重点风景名胜区，1991年被命名为国家森林公园，行政区属重庆南川市。

金佛山位于我国四川盆地东南缘，是大娄山东段支脉的突异山峰。区内整个山体的上部由二叠纪栖霞组灰岩构成，形成海拔2000m的较大面积缓坡和平台，发育大型的地表、地下岩溶形态；山体中部由志留纪页岩、粉砂岩组成，出露标高1000m到1500m；山体下部由寒武纪、奥陶纪的石灰岩、白云岩构成，发育小型、微型岩溶形态。山地海拔1400m～2251m，属典型的喀斯特地质地貌，最高峰风吹岭海拔2251．1m。它位于亚热带湿润季风气候区，云雾多、日照少、雨量充沛、湿度大。山体上部多年平均气温为8．2℃，平均降雨量为1434．5mm；山体下部平均气温为16．6℃，年均降雨量为1286．5mm，大气降水为地下水唯一补给源。受垂直气候带的影响，土壤分布具有明显的垂直分带性，从山底向山顶依次为：黄壤、暗黄壤、黄棕壤、棕壤。金佛山相对高程达1300m～1500m，受岩性和垂直气候的影响，金佛山的岩溶生态系统明显分成两大类型④。

（1）山下亚热带岩溶生态系统

物质基础和水热条件好，岩溶作用较为强烈，表现在大的岩溶泉口有大量钙华沉淀，溶洞内外钟乳石发育，石灰岩表面的小型和微型的溶蚀形态（溶痕等）常见。

（2）高原面上温带岩溶生态系统

因为海拔高、气温低，现代岩溶发育强度远低于山体下部。生物活动能力减弱，土壤CO2浓度较低，水的侵蚀能力也较弱，泉水的HC浓度也较低，小于1．5mmol/l，泉附近无钙华沉淀现象。

三、观测内容和方法

碧潭泉出露在金佛山西坡山麓，标高600m左右。它所在的碧潭幽谷岩溶发育，以落水洞、谷地和漏斗发育为主，为典型的亚热带岩溶景观，属山下亚热带岩溶生态系统。水房泉出露在金佛山顶部，标高2100m左右，属高原面上温带岩溶生态系统。另外，选取这两个岩溶泉为研究对象，还因为它们受人为影响小。

图1 碧潭泉水化学动态变化曲线(2004/4/1－2004/8/1)

图2 水房泉水化学动态变化曲线(2004/6/1－2004/8/1)

通过多功能自动化监测记录仪Greenspan（澳大利亚产），分别观测泉水的指标：pH、电导率、水温、泉水堰口水位，每15分钟记录一次数据。分辨率分别为0．01、0．1us/cm、0．01℃和0．001m，大气降雨量的精度为0．5mm，观测时间从2004/3/20到2004/12/28。

四、结果和分析

1. 碧潭泉和水房泉水化学日动态分析

对比图1和图2两条曲线，可知碧潭泉和水房泉水化学日动态有以下规律。

（1）水位与降水正相关，表现在每一次降水过程都伴随水位的上升，但水位的上升较降雨的形成有一定的时间滞后。原因是：降水进入地下水系统需要一定的时间，泉水水位与降水的连动也体现了表层岩溶水与大气降水的密切关系——大气降水是碧潭泉的唯一补给来源。

（2）水温与降水反相关，每一次降水都伴随温度的下降。原因如下：首先，一般情况下，降水的形成总是与大气的降温分不开的，考虑到碧潭泉所处的地形条件，不可能产生地形雨，因而促使降雨形成的大气温度下降，直接或间接（如大气降温促使地表岩石和土壤冷却了岩溶泉水）的引起了岩溶泉水温度的下降；其次，大气降水可以促进岩溶作用，而化学反应方程式CaCO3＋CO2＋H2O＜＝＞Ca2+＋HCO3-和CaMg（CO3）2+ 2CO2＋2H2O＜＝＞Ca2+＋Mg2+＋4 HCO3-正向移动需要消耗热量，这样也对泉水的温度降低有推动效果，但其贡献要低一些。

（3）pH值与降水反相关，原因是：首先，大气降水溶解较多CO2，一般为偏酸性，进入表层岩溶水中，可以直接降低岩溶泉水的pH值；其次，大气降水在进入表层岩溶泉水的过程中，有可能携带或载运了一些酸性物质，如在岩溶系统的表层生长的植物、发育的土壤及其中土壤微生物，除了本身产生有机酸外，本身被分解同样产生酸性物质，这些酸性物质进入岩溶水导致了pH值下降，而且还更进一步的促进了岩溶作用；再次，当降水在经过那些有丰富CO2聚集的表层岩溶带时，提高了气相液相界面的CO2气体分压，使更多的CO2溶于水中，同样也降低了pH值。

（4）电导率与降水成反相关。一般而言，大气降水的偏酸性特征可以促进岩溶作用，溶解更多的金属离子，考虑到Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子浓度与电导率之间的线性关系⑤，这样就促使了电导率升高，导致电导率与降水成正相关。可是观测曲线与此相反，这就需要考虑降雨的稀释作用在降低离子浓度方面的作用，综合以上两种作用得出的合理解释是：虽然降水促进岩溶作用溶解更多的金属离子，但这些金属离子的浓度却因为有雨水的稀释作用下降，导致电导率没有上升反而下降。

（5）综合各个参数来看，当有降水产生时，一方面与降水相伴的气温下降增大了CO2在水中的溶解度；另一方面降水把空气和土壤中的CO2溶解后，带入表层泉。这样就增大了岩溶泉中的CO2浓度，提高了HCO2－浓度。考虑到pH＝4～8．4之间时岩溶泉的电中性方程[7：2［Ca2＋］+［H＋］＝［HCO3-］+2［CO32-］+［OH-］，可以简化（误差2%）为2［Ca2＋］＝［HCO3-］

图3 夏季碧潭泉与水房泉水化学动态变化对比 (2004/4/1－2004/8/1)

因此，随着HCO3-浓度的升高，Ca2＋浓度也要上升，就促使电导率的上升。另外，雨水的酸效应也促进岩溶作用，增加了水中Ca2＋和HCO3-，这样也有助于电导率的升高。但以上水动力效应却被雨水稀释效应掩盖，整体上表现为电导率下降。相比而言，海拔较高的水房泉参数变化相关性较强，水化学性质变化对外界环境改变较敏感。

2. 碧潭泉与水房泉水化学季节动态对比分析

（1）夏季碧潭泉与水房泉化学动态变化对比分析

①水房泉降水量大于碧潭泉。水房泉海拔高于碧潭泉，蒸发量小，湿度大，气温低于碧潭泉，较容易使水汽达到过饱和，形成降水。水房泉的总体水位高于碧潭泉，水房泉水位的变化幅度大大小于碧潭泉，原因除了与降水有关，还与碧潭泉的管道性质、水房泉的裂隙性质有关。因为管道水的调蓄能力小，变率大；裂隙水的调蓄能力大，变率小⑤。

②水房泉的水温明显低于碧潭泉。原因是水房泉出露海拔明显高于碧潭泉，气温和地温都低于碧潭泉，导致水温明显较低。虽然碧潭泉处的岩溶作用强度大，消耗的热量也大，但该因素对泉水温度降低的贡献相较由气温和地温引起的水温降低是微不足道的。

③水房泉的pH值低于碧潭泉。水房泉处的温度低于碧潭泉处的温度，高温促进岩溶作用消耗H+，提升pH值，反之，低温则减缓岩溶作用，造成水房泉pH低于碧潭泉。

④水房泉的电导率明显低于碧潭泉，同样反映了岩溶作用的强弱差别。气温高，有利岩溶作用，促使水中溶解较多金属离子，引起电导率升高；反之，低温环境不利于岩溶作用，也就不利于电导率的升高。

⑤综合得出夏季碧潭泉的岩溶作用强度大于水房泉处。

（2）冬季碧潭泉与水房泉水化学动态对比分析

冬季与夏季相比，除了pH值以外，各项结果相同：水房泉降水量高于碧潭泉，水房泉水位高于碧潭泉，水房泉水温低于碧潭泉，水房泉电导率低于碧潭泉。综合得出冬季碧潭泉的岩溶作用强度也大于水房泉处。

对比两泉冬夏季的pH动态变化曲线，可以发现，碧潭泉的pH值冬季和夏季相差不大，都在7．6左右浮动，而水房泉的pH值却由夏季平均7．4左右迅速上升至冬季的平均8．05左右，也就是说水房泉的pH值季节间变化大。产生这种现象的原因如下：①冬季气温低于夏季，引起土壤微生物的生活节奏放慢，降低了有机酸的分解和排放，不利于降低pH。②冬季常常有积雪覆盖，融水形成的薄膜阻止了大气中CO2的进入，减小了土壤及岩溶水中的CO2分压，降低了H+的浓度，提高了pH值⑥。两种原因综合的影响造成了水房泉pH值在冬季的跳升，超过了碧潭泉。这是冬季水房泉与夏季水房泉化学性质的最大不同，对高海拔地区岩溶泉水化学性质的季节变化有很好的借鉴作用。