黔西南喀斯特洞穴沉积物粒度特征分析

张育林，王恒松，程 星，涂 鑫，张辉华

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550025； 2.贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵州 贵阳550001； 3.黎平县国有石井山林场，贵州 黎平 557300)

喀斯特地区洞穴形成的主要驱动力是水文因素，洞穴中的沉积物是洞穴形成演化和地表、地下水文作用的产物，隐藏着大量的地理环境信息[1]。洞穴环境条件特殊，受外界影响较小，洞内沉积物较稳定，能保持相对较高的沉积连续性，因此能很好地反映洞穴发育演化过程及气候变化规律。借鉴前人以洞穴内地下河沉积物揭示地下水文环境特征与沉积过程的研究方法[2-4]，本研究采集北盘江唐家大洞沉积物，分析其粒度分布特征、平均粒径、偏度及峰度等，并采集洞穴基岩进行溶蚀试验，分析喀斯特洞穴的发育演化特征及沉积物沉积机理，以揭示喀斯特洞穴沉积物的沉积过程及地下水文变化情况。

1 研究区概况

贵州花江峡谷石漠化治理示范区位于贵州省西南部贞丰县以北和关岭县以南的北盘江花江河段，地理位置介于东经105°36′30″～105°46′30″、北纬25°39′13″～25°41′00″(图1)，属于向斜构造形成的北陡南缓的宽谷套峡的叠置谷，属珠江流域。研究区出露地层以中、上三叠统地层为主，岩层厚度大，碳酸盐岩占95%以上；海拔500～1 359 m，气候带垂直分异明显，其中海拔850 m以下属南亚热带干热型河谷气候区，海拔900 m以上属中亚热带河谷气候区；春冬季温暖干燥，夏秋季闷热湿润，年均气温18.4 ℃，年均降水量为1 100 mm，5—10月降雨量可达年降雨量的83%；受地质岩性与地层构造因素影响，研究区岩溶发育，河谷深切，植被覆盖率低，成土过程缓慢，地下水下渗汇流于北盘江花江河段。研究区为典型的喀斯特中山峡谷地貌，属于重度喀斯特石漠化地区，是贵州省生态环境较为恶劣的典型岩溶贫困地区之一。

图1 唐家大洞基本信息及采样点位置示意

唐家大洞位于贵州花江峡谷石漠化治理示范区内。该洞发育在二叠系石灰岩岩溶沟谷之中，洞口海拔1 021 m，洞口坐标为105°38′10″E、25°38′26″N。洞穴主体沿北偏东12°方向发育，属于新近脱水的洞穴，受碳酸盐岩岩性影响洞内纵向剖面发育不稳定，可以看到早期地下河面，而在距离洞口70～100 m处堆积有大量沉积物。

2 采样与试验方法

2.1 样品采集

本研究沉积物粒度试验样品取样点位于距洞口约78 m处。取样时间选在枯水期(2016年12月)，沉积物露出，对沉积物进行开挖并采集样品。从沉积物底部垂直向上采集样品，开挖深度为0.5 m，共采集土壤样品5个，依次命名为HJ-05、HJ-04、HJ-03、HJ-02、HJ-01。溶蚀试验的岩石样品采集于唐家大洞内的5块岩石(分别位于洞口、洞顶及洞内)，分别命名为HJYS-1、HJYS-2、HJYS-3、HJYS-4、HJYS-5，将岩石样品切割成边长为2～2.5 cm的正方体样本，以方便后期放入烧杯进行溶蚀试验。

2.2 试验方法

2017年3月23日在中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室内进行沉积物土壤样品粒度测定。粒度测定流程为：先提取0.25 g自然风干的土壤样品放入烧杯，由于样品黏粒级组分的主要成分为黏土矿物，具有黏结性，因此在样品预处理时加入分散剂(NaPO3)6，以防黏粒组分的团聚和黏附；然后向烧杯内注入浓度为10%的H2O2试剂，静置12 h以确保去除土壤样品中的有机质，待反应结束后继续加入10 mL HCl与土壤样品进行反应，直到加入HCl试剂土壤样品不再反应，以去除样品中的次生碳酸盐，反应完全后将烧杯静置24 h。在上述化学反应结束后，利用MASTERSIZER 2000激光粒度分析仪(测试量程为0.02～2 000 μm)对土壤样品进行粒度测定[5]。

溶蚀试验将岩石样品放入烧杯中，每个烧杯注入10 mL HCl试剂，5个样品同时进行溶蚀试验，浸泡72 h，每2 h对样品进行翻查，使HCl试剂与样品进行充分反应，观察样品被HCl侵蚀的过程，视反应程度补入HCl试剂，使样本始终浸泡在试剂中并进行详细记录。根据溶蚀试验的数据进行分析计算，通过岩石样品质量与试验时间计算出溶蚀速率(Rv)和溶蚀率(R)。

2.3 数据处理

收集整理MASTERSIZER 2000激光粒度分析仪得出的粒度数据，按乌顿-温德氏提出的粒级标准[6]，将土壤样品粒度经对数转化成等比制粒级Φ值，计算公式为

Φ=-log2d

(1)

式中：Φ为土壤颗粒直径转换值；d为土壤颗粒直径，mm。

Φ5、Φ95、Φ16、Φ84、Φ25、Φ75、Φ50分别代表累积频率曲线上百分比含量为5%、95%、16%、84%、25%、75%、50%的粒径(Φ)值。利用Folk-Ward公式[7]计算平均粒径、标准偏差、偏度和峰度。

3 结果与分析

3.1 粒度参数特征

平均粒径描述的是沉积物的平均粒度，通过平均粒度能反映沉积物搬运营力的平均动能[8]。由表1知，测试的5个土壤样品平均粒径最大的是HJ-02，Φ值为6.64，最小的是HJ-01，Φ值为5.65，唐家大洞沉积物各土壤样品平均粒径均值(Φ)为5.94。

表1 唐家大洞沉积物土壤粒度参数

分选系数是通过标准偏差(δI)来表示的，它反映了土壤样品粒度分布与平均粒径之间的差异特征，通常作为区分沉积物分选程度的标准[9]。唐家大洞沉积物5个土壤样品的分选系数最大值为2.05，最小值为1.79，平均值为1.96。以标准偏差确定的6个分选级别中，δI=1.00～2.00属于分选较差，这表明唐家大洞沉积物土壤样品分选性较差。

偏度反映的是沉积物粒度频率分布的不对称性特征及介质搬运营力的大小，描述曲线峰态特征及变化[10]。唐家大洞沉积物5个土壤样品全部呈现负偏态，偏度值最大为-0.23，最小为-0.29，平均值为-0.26，说明沉积物以细粒径颗粒为主，且分选性较差。

峰度表示曲线两端与中间分选性之间的比率，描述沉积物粒度频率曲线峰型的宽窄程度[11-13]。根据土壤样品的峰度值判断存在两种峰型，其中峰度值>1为窄峰、<1为宽峰。唐家大洞5个沉积物土壤样品峰度值变化范围为0.92～1.05，其中宽峰样品为2个、窄峰样品为3个，主要以单峰态结构存在。

3.2 粒径分布特征

根据粒径自然分布频率曲线(图2)，土壤样品粒径分布特征趋近一致且以单峰形态为主。HJ-02主峰在0.399～282.508 μm区间，其百分比含量为0.1%～4.07%；HJ-03主峰在0.399～355.656 μm区间，其百分比含量为0.01%～3.89%；HJ-04主峰在0.399～282.508 μm区间，其百分比含量为0.09%～3.74%；HJ-05主峰在0.399～282.508 μm区间，其百分比含量为0.12%～3.82%；HJ-01的粒径分布曲线与其他样品的略显不同，主峰在0.356～178.25 μm区间，其中0.7～50 μm占据了相当部分，其百分比含量为0.12%～4.66%，次峰在178.25～399.025 μm，其百分比含量为0.01%～0.13%，主峰偏向细颗粒方向，且峰度最高，是唯一峰态存在双峰的样品。分析可知，沉积物表层HJ-01土壤粒径最小，随沉积时间增加样品土壤粒径自然分布频率曲线存在峰度逐渐平缓的趋势。

图2 粒径自然分布频率曲线

表2为洞穴沉积物土壤颗粒结构特征。根据表2，随取样深度增加沉积物土壤颗粒含量在不同粒径区间有所变化。由图2分析知，HJ-02到HJ-05样品的粒径分布特征基本一致，且相比HJ-01样品平均粒径较粗，推测这4个样品的沉积过程可能发生在降雨较多的雨季，地表径流从洞口进入，带来大量泥沙堆积于洞底；而HJ-01样品沉积过程可能出现在流域内洪水事件发生率较低或降水量较小的时段，也就是说HJ-01样品可能是在洪水事件或较大降雨发生后，地下河水流逐渐减小，通过较小的水流并借助洞穴地形不断沉积形成的。

表2 洞穴沉积物土壤颗粒结构特征

3.3 洞穴碳酸盐岩溶蚀率、溶蚀速率

对唐家大洞岩石样品进行溶蚀试验，根据试验数据计算出溶蚀率及溶蚀速率[14-15]，见表3。溶蚀率的计算公式[14]为

R=Ms/M×100%

(2)

式中：Ms为样品溶蚀量，g；M为样品原质量，g；R为溶蚀率，%。

计算得出岩石样品溶蚀率HJYS-1为26.00%，HJYS-2为13.29%，HJYS-3为15.96%，HJYS-4为10.08%，HJYS-5为8.60%，平均溶蚀率为14.79%。岩石样品溶蚀速率的计算公式[15]为

Rv=Ms/T

(3)

式中：Rv为溶蚀速率，g/h；Ms为样品溶蚀量，g；T为溶蚀时间，h。

得到样品溶蚀速率HJYS-1为0.118 g/h，HJYS-2为0.082 g/h，HJYS-3为0.11 g/h，HJYS-4为0.063 g/h，HJYS-5为0.046 g/h。

表3 唐家大洞岩石样品溶蚀率和溶蚀速率

4 结 语

洞穴沉积物与地表河流沉积物的粒度分布特征有所不同。洞穴沉积物的粒度分布主要受气候条件、水文特征及沉积环境等因素的影响，相比地表河流沉积物所受到的众多外界控制因素，洞穴沉积物的沉积环境相对稳定且在沉积过程上具有规律性、连续性，通过研究洞穴沉积物的粒度分布特征，可以了解其沉积环境及气候变化。本研究采集北盘江唐家大洞沉积物进行试验研究得出以下结论：

(1)研究区属于石漠化地区，洞穴内的泥沙搬运和土壤沉积主要受地下河及降雨量的影响。在唐家大洞采集的沉积物土壤样品以黏粒、粉砂及细砂3个粒级为主，其中细砂和粉砂所占百分比含量之和在75%以上。根据图2分析结果，下层HJ-02至HJ-05土壤样品的粒径分布特征基本一致，相比HJ-01土壤样品平均粒径较粗。据此，我们推测：前4个土壤样品的沉积过程可能发生在降雨量较大的雨季，地表径流从洞口进入，带来大量泥沙堆积于洞底；而表层土壤样品HJ-01的沉积过程可能发生在相对持续的流域内洪水事件发生过后或降水量较小的时段，因为洞穴地下河流在降雨量较小时水动力减小，洞穴古河道河流水位稳定或水动力较弱，只能搬运一些粒径较小的砂粒。同时，洞内沉积物不断增加也反映出洞穴所在流域范围内地表植被覆盖率低，地表侵蚀较为严重。

(2)根据沉积物表层HJ-01与下层HJ-02至HJ-05土壤样品粒径分布特征，可以得出洞穴沉积物沉积过程中可能存在降雨量大、小两种情况且二者相互交替具有循环性，这也揭示了地下洞穴受气候和喀斯特作用影响，地下水位增长滞后于地表水位增长，地下河在雨季流量增加但相对稳定，表现在洞穴土壤沉积环境相对稳定，沉积过程主要受水文环境与碳酸盐岩溶蚀程度影响。

(3)溶蚀试验数据分析结果表明，研究区地表溶蚀极其严重，由于碳酸盐岩与非碳酸盐岩层组相互交替或镶嵌，受水流作用影响洞穴主要沿地层裂隙方向发育。地表径流形成条件差，表层岩溶水属于快速垂直入渗无调蓄排泄型，借助洞穴到河谷的极大高差，岩溶水获得了较大的势能，通过洞穴及地下管道排泄，最终汇集到河谷中，在径流过程中岩溶水携带泥沙沉积于落水洞或洞穴底部。

(4)通过洞穴沉积物粒度特征来分析土壤沉积过程及地下古河道的环境，是研究洞穴形成发育过程及区域气候变化规律的一种新途径，与洞穴石笋研究相比，这是一个相对可持续的研究方法。未来如果在沉积物粒度和洞穴石笋的基础上再加入沉积物测年的分析要素，通过三方面来对洞穴发育及气候变化进行研究，将会为区域生态环境修复提供更加可靠的理论依据。