四川黑水卡龙沟钙华形成影响因素

黄浩，陈林，岳芯，谭铭磊，甘杰



四川黑水卡龙沟钙华形成影响因素

黄浩，陈林，岳芯，谭铭磊，甘杰

（成都理工大学，成都 610059）

四川黑水卡龙沟的地貌是典型的高寒岩溶作用下形成的钙华堆积地貌，其钙华堆积量巨大且钙华景观类型丰富，享有“中国苔藓泉华世界”之美誉。与黄龙的钙华景观相比，卡龙沟的钙华景观表面多覆盖有大量的藻类、苔藓等植物，形成了丰富的生物钙华景观。钙华的形成通常是岩石、水、大气、生物等多方面相互作用的结果。通过对卡龙沟钙华体形成造成影响的因素进行列举并适度分析，望有关认识能对今后卡龙沟钙华的进一步研究提供依据。

钙华；卡龙沟；影响因素；黑水

卡龙沟位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县麦扎乡境内，属于达古冰山地质公园的附属园区。园区四址界线为：北以高程点3 637~高程点4 137为界；西以才盖高程点3 690为界；南以伊若佐季—阿勒地杂给为界；东以黑水县—松潘县县界为界，地理坐标为东经103°18′23″~103°21′57″，北纬32°22′03″~32°25′35″。卡龙沟园区总面积约18.8km2，海拔2 400～4 100m，平均海拔为3 544m。

1 气候与地质背景

卡龙沟园区内属于高原季风气候，日照充足，年温差小，日温差大，旱雨季分明，夏季降水集中，年均降水量约620.6mm。卡龙沟因园区内高山径流“卡龙沟”得名，其水源主要来自黑水与松潘交界的阿勒地杂给山头，径流时而潜流时而出露地表，并沿北西向穿过卡龙沟园区后在麦扎乡才盖村汇入麦扎河，全长约6km。正因为卡龙沟岩溶水的运移及水体中丰富的CO2、碳酸盐等钙华沉积物源，才造了就卡龙沟的钙华边石坝、钙华长坡、钙华瀑布、钙华滩等形态各异的钙华景观。

卡龙沟园区主要出露地层表

界系统组/地方名代号代表岩性厚度（m） 新生界第四系全新统化学-生物堆积Q4ch-b由厚度大、范围广的钙华堆积物形成的众多类型丰富、规模宏大的钙华景观 冲洪积Q4al-pal近代山前冲洪积物，由砾石、砂、亚粘土组成，零星分布于沟口地带 上更新统化学堆积Q3ch-b堆积物下部为砂砾层，上部由亚砂土、粘土等组成＜50 古生界三叠系上统罗空松多组T3l是园区内地质遗迹发展成生的物质背景，为薄-中层状间夹厚层-块状的钙质石英砂岩、凝灰质砂岩、粉砂质板岩、板岩的不等厚互层800 新都桥组T3x分布于园区外围，该地层常构成复向斜的核部层，岩性为深灰-灰黑色薄板-叶片状粉砂质、钙质、泥质板岩＞389 中统杂谷脑组下段T2z1出露于园区东部，是卡龙沟钙华堆积地貌最核心的物质来源，为灰色钙质石英细砂岩、深灰色粉砂质板岩、灰黑色块状-薄层状结晶灰岩的不等厚互层。＞480

卡龙沟受园区东缘的热务沟旋卷构造制约产生了北西向的阿勒地杂给入字型折断束，阿勒地杂给折断束是卡龙沟最主要的断裂构造，该折断束构造行迹分布在卡龙沟园区东部松潘与黑水县交界的阿勒地杂给山脊，折断束也由此得名。该构造由复背斜、主干断裂、分支断裂组成：其中复背斜走向为北西320°，全长约12km；复背斜西侧为主干断裂，由阿勒地杂给以北西325°走向延伸至罗纳沟一带，全长约37km；复背斜东侧断裂属分支断裂，走向近北西315°，与主干断裂以10°锐角相交。卡龙沟园区内仅出露有该复背斜构造西翼的阿勒地杂给主断裂北西段，其中最典型的地貌特征即杂谷脑组下段灰岩挤压碎裂后经岩溶作用形成的峰林，而卡龙沟的阿勒地杂给断裂带上广泛分布的“扎尕山灰岩”正是卡龙沟钙华最主要的物质来源（表）。

2 钙华的概念

1）钙华的定义：钙华又称石灰华，泉、湖等岩溶水体在一定条件下沉积形成的次生CaCO3，钙华体具有多孔海绵状、薄层壳状、块状、纤维状、同心圆状等结构。

2）钙华分类：有的学者基于钙华的岩石、地球化学及同位素等特征，将其分为冷水钙华（Tufa）与热水钙华（Travertine）（Ford等，1996）；也有学者将冷水钙华概括为有生物构造、多为多孔状且较疏松的生物型钙华，同时将热水钙华概括为致密、多具良好结晶形态并成层的结晶型钙华（辜寄蓉等，2007）；还有学者按碳的来源指出，冷水钙华是在没有地球深部CO2来源并在大气环境中形成的大气成因类钙华，又称表生钙华，而热水钙华则是有地球深部CO2来源并由于CO2大量逸出使岩溶水中CaCO3沉积所形成，又称内生钙华（晏浩,刘再华等，2013）。

3）钙华成分与颜色：钙华体的主要矿物成份为方解石、文石，其总含在90％以上，白云石约5％，还有极少量的石英、褐铁矿及藻类生物。钙华体的颜色十分多样，一般冷水钙华颜色与环境中的生物种类、生物生长情况有关，通常成黄、淡黄、乳黄色等，而热水钙华年层颜色的变化据推测与掺和的杂质有关，降水量较大时水土流失会引入土壤颗粒及有机碎屑等杂质使钙华年层颜色较深，而降水量较小时钙华体则更多呈现其本来的白、灰白或乳白色（高竞，2013）。

3 卡龙沟钙华形成的影响因素

3.1 压力与CO2来源

压力泛指环境中的各类压力，通常CO2在水中的溶解度随压力增大而增大，在较大压力下溶解在水中的CO2含量较高。CO2在卡龙沟地下的高压环境中溶于水并形成了富含CO2、CaCO3的饱和岩溶水，高CO2分压的岩溶水沿断裂等构造从地下出露到地表后，由于外部气压较小，CO2即从岩溶水中大量逸出，推动离子方程Ca2++2HCO3-=CaCO3（固）+H2O(液)+CO2（气）平衡右移，进而析出大量CaCO3沉淀，由于该反应需要一定时间，故钙华沉积往往在岩溶水出露泉口的中下游相对明显。关于黄龙CO2的来源探究，曾有学者对其冷/热成因论（周绪纶，2008/刘再华，2008）进行过探讨，本文根据卡龙沟钙华的各项特征初步判断卡龙沟的钙华更符合冷水钙华类型。卡龙沟岩溶水中CO2的来源主要有三个方面：其一是大气来源，大气中的CO2含量通常为0.589mg/L且δ13C= -8‰，大气中的CO2可通过大气降水、地表水下渗进行溶解并进入地下含水系统；其二来源于土壤，主要包括土壤中保存的CO2、植物根系呼吸作用产生的CO2以及有机物分解产生的CO2，这些CO2同样通过大气降水及地表水下渗进行溶解并进入地下含水系统；其三是地壳中岩石变质作用产生的CO2，其δ13C与卡龙沟园区内灰岩的δ13C值相近，尤其是构造运动强烈时地壳中岩石会受到多种变质作用形成大量CO2溶于水后进入地下含水系统。CO2与压力因素主要对卡龙沟钙华形成起促进作用。

3.2 生物因素

卡龙沟园区内植被茂密，特别是水中生长了大量苔藓、藻类等植物，这些生物对钙华形成的影响主要有三个方面：其一，参与钙华沉积（张捷，1992），生物可以作为钙华沉积颗粒附着的主体成为沉积核从而参与并促进钙华沉积；其二，阻滞、溶解钙华，Lebron与Suarez于1996年发现生物释放的溶解性有机碳（DOC）浓度从0.02mmol/L增加到0.15mmol/L时，方解石晶体大小从大于100μm减少至不足2μm，而当DOC达到0.3mmol/L时便不再有CaCO3沉积出现（晏浩，刘再华等，2013）。另外，如藻类植物还会分泌有机酸，其细胞壁内也有含果胶质，甚至其呼吸作用强烈时都会对钙华沉积物造成一定的溶解，卡龙沟园区内的松萝彩池钙华景观（图1）就附着了大量的苔藓、藻类等植物，上述的钙华溶解作用就使得该处钙华体的轮廓十分模糊；其三，促进钙华沉积，在水流较缓的水体里由于水中CO2的逸出会受到限制，故水中生物因光合作用对CO2的消耗及O2的生产对水体pH值的提高就会促进钙华沉积。生物因素主要影响卡龙沟钙华的微观形态。

图1 卡龙沟松萝彩池钙华景观

图2 卡龙沟园区部分栈道台阶的钙华沉积

3.3 水化学因素与温度

钙华沉积的化学本质是岩溶水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-及CO2发生的关于CaCO3/MgCO3溶解与结晶的可逆过程，卡龙沟岩溶水的pH值为6.5~7.5，且该岩溶水从上游至下游水体pH值有逐渐增高的趋势。卡龙沟地表岩溶水水体中Ca2+含量为94.19~113.2mg/L、Mg2+含量为6.69~40.74mg/L、HCO3-含量为317.3~561.4mg/L、SO42-含量为1.6~3.2mg/L，同时该岩溶水的水化学成分含量有明显的季节性特征，即地表补给量小时水体矿化度高，补给量大时反之。卡龙沟地表岩溶水的水体总硬度为262~500mg/L，可溶性固体总含量为223~445mg/L，水体中游离CO2含量为11~45mg/L，以上指标从卡龙沟岩溶水的上游至下游均有逐渐减小的趋势。岩溶水中CaCO3/MgCO3和CO2的溶解量一般随温度的升高而降低，卡龙沟的气温日温差较大，虽然水温日温差相对较小但在阳光直射下也可达10℃以上，只要温度变化足够就能够影响岩溶水中CaCO3的析出，主要表现为温度升高时水中CaCO3溶解度降低，进而逐渐析出并沉积，同理水中CO2也由于温度升高溶解度降低而逸出，这也促进了CaCO3的沉积。温度与水化学因素是卡龙沟钙华形成的直接原因。

3.4 水动力因素与地形

水动力因素对钙华沉积速率有显著的影响，其它条件相同时，岩溶水流速越快，固液界面间的扩散边界层越越薄，越有利于钙华沉积。根据伯努利方程p+1/2ρv2+ρgh=C（p为流体中某点的压强，v为流体中该点的流速，ρ为流体密度，C为常量），即流体中某点流速越快，该点压强越小，这可解释地表岩溶水流速快的位置更容易逸出CO2从而促进钙华沉积，但这不能说明流速与钙华沉积速率的直接关系（刘再华,Dreybrodt W，1998）。目前比较主流的两个钙华沉积速率预报模型分别是PWP模型（Plummer，Wigley，Parkhurst，1978）与DBL模型（Dreybrodt W, Buhmann D，1991），PWP模型是表面反应控制模型，它不考虑扩散边界层内溶质传输对速率的控制，而DBL模型是扩散边界层模型，它考虑了水动力对方解石溶解、沉积速率以及溶液中CO2慢速转换的控制（王海静,巴明廷等，2014），故研究流动系统中方解石的沉积DBL模型更为理想。按DBL模型所得的结论即流速越快，固液界面间的扩散边界层（DBL）厚度越小，钙华沉积速率越快（周绪纶，2006）。由此可大致推测卡龙沟各类钙华景观的成因：如边石坝内部由于岩溶水流速较慢，所以钙华沉积作用没有其边缘明显，同理钙华瀑布、钙华长坡等由于陡砍、陡坡等地形因素导致岩溶水在这些位置流速加快且边界层变薄，故其钙华沉积效果显著。卡龙沟园区的部分栈道台阶由于岩溶水的流经也被覆盖了一定的钙华沉积物，其台阶踏步立面处的钙华沉积物明显多于其平面处（图2），这就可用上述理论来解释：即由于岩溶水流至踏步立面处跌落加快了水流速度、固液界面间的扩散边界层变薄导致该处更易钙华沉积。地形与水动力因素主要影响卡龙沟钙华的宏观形态。

3.5 钙华物源及水源

卡龙沟园区东部海拔最高的阿勒地杂给山主峰及其附近区域皆为碳酸盐岩区，该区同时也是卡龙沟地表水、地下水的补给区，其水源补给方式主要为大气降水。其中一部分补给水源在浅层松散堆积物的风化孔隙中流向低处后在沟谷出露地表，此类孔隙潜水的矿化度、CO2含量不高，不构成卡龙沟钙华的主要物源。另一部分补给水源沿断裂裂隙向地下运动，此类水源由于本身含有一定量CO2，又在地下的流动过程中不断溶解CO2，具有很强的岩溶能力，大量CaCO3被溶蚀后生成Ca2+，这就构成了卡龙沟钙华的主要物源，该地下水沿隔水边界断裂上涌到达第四系堆积层后进入浅层地表水，后在地表出露并通过北西向的断裂进入卡龙沟园区内部。卡龙沟岩溶水的源头分布有中三叠统厚度较大的扎尕山灰岩，灰岩受到阿勒地杂给主干断裂构造作用后成裂隙发育，故其含水性较强。卡龙沟岩溶水的流量变化较大，一般在1～10L/s，大气降水补给充足时可达20L/s，岩溶水在流经过程中从陡坡流入地形平缓处后往往渗到地下，随后潜流至下一级陡坡时再溢出地表并往复进行此过程。钙华物源及水源因素是卡龙沟钙华形成的根本原因。

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Influence Factors of Calc-Sinter Formation in the Kalong Valley, Heishui, Sichuan

HUANG Hao CHEN Lin YUE Xin TAN Ming-lei GAN Jie

(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

The landform of the Kalong Valley is the typical calc-sinter accumulation which was formed in karstification in alpine and cold region. The calc-sinter landscape has long been known as the “moss sinter world in China” thanks to its plenty and diverse calc-sinter accumulation. The formation of calc-sinter usually results from the interaction of such factors as water, limestone, air and so on. Compared to the calc-sinter in the Huanglong scenic spots, the calc-sinter in the Kalong scenic spots is covered with numerous algae and moss which has formed diverse biologic calc-sinter landscape.

calc-sinter; Kalong scenic spots; influence factors; Heishui, Sichuan

2017-04-10

黄浩（1992-），男，汉族，四川成都人，硕士研究生，自然地理专业，研究方向为地质遗迹保护与地质公园建设

P642.25

A

1006-0995（2017）04-0639-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.025