贡嘎山东北坡地表水地球化学特征及影响因素

2019-09-17白景文刘美玉

四川农业大学学报 2019年4期

陈洋，白景文，杨靖，刘美玉

（中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

高山地区是全球物质循环的起点，该区域矿物风化释放的元素对全球物质和能量循环以及下游地区生态安全具有重要意义，如青藏高原向海洋输入的物质占全球总输入量的20%[1]。水是高山地区向下游传输物质和能量的主要载体，阐明高山地区地表水的地球化学特征及其影响因素不仅是正确认识高山地区元素地球化学循环和迁移的基础，而且有利于评估其对下游地区生态和环境的影响。针对我国主要大型河流水化学特征的研究已取得一系列有益的研究成果[2-6]，对认识大空间尺度上的元素地球化学过程具有重要的作用。然而，目前针对大型水系源区高山小流域水化学的研究还少见报道。此外，由于大型河流沿岸通常是人口和工业集中区，其水化学特征受人类活动影响较大，较难通过大型河流的水化学参数分析其源区水体的地球化学特征，因此，有必要对江河源区水体地球化学特征进行研究。

自然界水体水化学受河流流经区岩性、气候、地形、土壤、植被和人类活动的共同影响。有研究认为，大部分情况下自然水体的水化学性质主要受地质条件的影响，其它因素的影响较小[7]。因此，通过研究自然水体的水化学性质，一方面可认清各种自然因素对水体地球化学特征的影响，另一方面也有助于对比分析人类活动对自然河流的影响程度。贡嘎山位于四川盆地与青藏高原的过渡地带，人类活动较少，是研究自然状态下江河源区小流域水体地球化学特征的理想区域。该区域冰川运动剧烈，降水量较大，冻融交替过程明显，可能导致岩石风化作用较强；但年均温较低，不利于水-岩的地球化学过程。这些地质和气候因素如何影响该区域水体的地球化学特征，尚需开展深入研究工作。因此，本研究选取贡嘎山东北坡燕子沟和雅家埂流域，测定其水化学主要离子组成，分析控制该区域地表水水化学特征的主要因素，为理解自然状态下江河源区水体地球化学特征及其主控因素提供案例。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

贡嘎系横断山的主峰，海拔达7 556 m，区内现代冰川发育。贡嘎山东坡主要由海螺沟、磨子沟、燕子沟、南门关沟和雅家埂等小流域组成，其中，燕子沟和雅家埂位于东北部（29°39′22″N～29°54′26″N，102°6′43″E ～101°57′36″E）（图 1）。贡嘎山东坡主要受东亚季风的影响，降水主要集中在夏季，气温日较差较大。研究区燕子沟流域在大地构造上，位于川滇南北向构造带北段西缘与青藏高原地块的过渡带上，自沟内小南门关沟口以下，左岸谷坡及右岸全部为二叠系下统的各种深变质片岩、石英岩和大理岩，流域内其余绝大部分几乎为燕山期黑云母花岗岩，仅在西南角贡嘎主峰一带分布燕山二期花岗岩[8]。雅家埂流域内以北西向为控制性构造，由一系列压扭性断裂和复式褶皱组成，形成于印支期，并在燕山期发展强化，第四纪以来新构造活动以强烈的地震活动和水热活动为主。雅家埂流域内出露地层较多，岩石类型多样，主要为绿片岩、石英岩、夹板岩、大理岩、斜长花岗岩、石英闪长岩等[9]。贡嘎山东坡发育了完整的土壤和植被垂直带谱[10]。中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所在海螺沟建有两个长期气象观测站（海拔分别为1 600 m和3 000 m）。针对贡嘎山的研究也多基于海螺沟展开，对海螺沟的气候、地质、水文、土壤、植物和自然灾害等各个方面都开展了详尽的研究[11]，而针对贡嘎山东北坡的研究较为少见。

图1 采样点位置图Figure 1 The location of Mt.Gongga and sampling sites

1.2 样品采集与方法

根据研究区水系特点分源头区和干流区进行采样，并在雅家埂的最高点采集积雪样品（图1）。研究区为典型的东亚季风控制区，降雨多集中在6—10 月初，该时期也是积雪融化的主要时期，因此将采样时间设定为2014年9 月下旬，以获取具有代表性的水体样品。使用YSI 6600 现场测定水体pH值。采集的样品使用干净的PVC 瓶保存于0～4 ℃的保温箱中。采集样品后的24 h 内，先采用0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤，后使用离子色谱仪（ICS-90）测定 Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-和 SO42-的浓度，CO32-、HCO3-采用滴定法测定，Si 浓度采用 ICP-OES（optima 8300）测定，总溶解固体（TDS）为各离子浓度之和。样品测定过程中设置空白和标准样品，并测定平行样，测试精度±5%。水体主要离子来源采用Gibbs 图进行分析，采用IBM SPSS22 软件进行主成分分析；采用Origin®8.0 绘制所有图件。

2 结果与分析

2.1 降水和地表水主要离子浓度

对所有采集的水样和积雪样进行离子成分及浓度，分析结果见表1。

表1 贡嘎山东北坡水体主要离子浓度Table 1 Concentrations of major ions in waters in the northeast slope of Gongga Mt.mg·L-1

结果表明贡嘎山东北坡地表水总体呈中性偏弱碱性，pH 平均值为7.33。雅家埂分水岭的积雪样品pH 比地表水更低，平均值为6.15。积雪样品的TDS 平均浓度为 3.71 mg/L，仅有 HCO3-和 SO42-被检测到，其余离子浓度均低于检测限。由于积雪和冰川融水是该区域地表水的重要补给来源[12]，通过雅家梗源头区地表水较高的pH 值和TDS 含量可以看出，弱碱性及低TDS 含量的融水通过与岩石发生较强烈的水-岩交互作用，对地表水的地球化学特征产生重要影响。

源头区地表水TDS 浓度范围为15.60～33.66 mg/L，平均值为22.19 mg/L，显著低于干流区的平均值84.71 mg/L（P＜0.05）。整个研究区水体 TDS 浓度平均值为 50.2 mg/L，低于其南边的海螺沟（128 mg/L）[13]，也低于大渡河泸定段（185 mg/L）[14]和长江水系主要干支流（248 mg/L）[15]TDS 浓度的均值。研究结果表明该区域的风化程度总体上较低。

研究区内绝大部分水样的阳离子含量为：Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+，Ca2+始终是阳离子的最大组分。所有水样的阴离子含量顺序为：HCO3-＞SO42-＞Cl-＞CO32-。

2.2 Gibbs和阴阳离子三角图

贡嘎山东北坡大多数地表水样的地球化学组成均位于Gibbs 图的岩石控制区内，但高海拔地区样品的地球化学特征有接近于大气降水控制区的趋势（图2）。由图3 可知，该区域地表水阳离子主要位于阳离子三角图的Ca2+一端，部分样点有向（K++Na+）端靠近的趋势，阴离子则主要偏向HCO3-一端。

3 讨论与结论

3.1 水体主要离子来源

Gibbs 图是一种半对数坐标图，可直观地将河水组分分为大气降水控制类型、岩石风化控制类型和蒸发—结晶型，是定性地判断水体中离子来源的有效工具[16]。由图2 可知，贡嘎山东北坡地表水水化学组成主要位于Gibbs 分布图的岩石控制区内（图2），一方面表明该区域水体中主离子主要来自于岩石的风化，另一方面也表明贡嘎山东北坡地表水目前受人类影响较小。尽管所有样点的水化学组成均在岩石风化区内，但源头区的水样比干流区的更接近于大气降水控制区，这说明贡嘎山东北坡高海拔地区地表水水化学组成除受岩石风化外，还受大气降水较大的影响。

3.2 水体地球化学特征影响因素

图2 贡嘎山东北坡地表水Gibbs 图Figure 2 The Gibbs figure of hydrochemistry in the northeast slope of Gongga Mt.

图3 贡嘎山东北坡地表水阳离子（左）和阴离子（右）三角图Figure 3 Triangular diagrams of anions and cations in water of of northeast slope of Gongga Mt

在通过Gibbs 图判定水体主离子的来源为岩石风化基础上，可进一步通过阴、阳离子三角图来判别水体中的离子主要来自于哪类岩石的风化。在三角图中，若水体主离子主要受蒸发盐岩的影响，阴离子多位于SO42--Cl-线上，阳离子则偏向（K++Na+）端；若主要受碳酸盐岩风化的影响，阴、阳离子则分别偏向HCO3-和Ca2+一端[7]。本区域地表水阳离子靠近Ca2+一端、阴离子主要偏向HCO3-一端的特征表明该区域水体主离子组成主要受碳酸盐岩风化的影响。贡嘎山东北坡岩石以硅酸盐为主，但水体呈现出受碳酸盐岩风化主导的特征。这主要由该地区的气候和岩性特征决定的。区域内海拔较高、温度较低，硅酸盐岩很难被风化，因而，含量极少的碳酸盐岩就首先被风化溶解。

水体Mg/Na-Ca/Na 散点图是另一个定性判断水体中离子来源的有效指标[17]。如图4 所示，贡嘎山东北坡地表水Mg/Na-Ca/Na 散点主要位于碳酸盐岩与花岗岩之间，但更靠近碳酸盐岩。结果表明，尽管花岗岩对该地区水体离子有一定的贡献，但碳酸盐岩风化才是最主要的贡献者。

图4 贡嘎山东北坡地表水Na+的标准化比值混合图解Figure 4 The scatter diagram of normalized Na+and other ion in waters of northeast slope of Gongga Mt.

硅酸盐岩风化对水体阳离子总量（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）的贡献率（（Na*+K+）/ TZ+）是一个半定量判断硅酸盐风化贡献程度的指标[18]。水体中的Na+有2 个主要来源：硅酸盐岩风化和石盐的溶解。为消除石盐溶解对Na+的贡献，通常用Na+浓度减去Cl-的浓度（Na*=Na+-Cl-）来代表硅酸盐对 Na+的贡献[18]。贡嘎山东北坡（Na*+K+）/TZ+的平均值为 0.057±0.028，最高值为0.154（图5），表明硅酸盐对该地区水体主离子的贡献较低，这也从另一个角度表明碳酸盐岩风化的主导作用。该结论与蒋浩等对贡嘎山流域岩石风化速率的研究结果相似，他也发现硅酸盐为主要基岩类型的高原自然流域，碳酸盐岩的风化对水体主离子的贡献达74%～90%[19]。

对主要离子进行主成分分析可进一步明确不同岩石类型对水化学的影响程度。如表2 所示，主成分分析提取的前3 个因子可代表8 个变量原始信息的89.56%。其中，第1 因子、第2 因子和第3 因子分别代表原始信息的60.0%、20.9%和8.6%。第1因子与 Ca2+、Mg2+、HCO3-和 SO42-的相关性最好，可代表碳酸盐类矿物的风化。第2 因子与Si、Cl-和Na+的相关性较好，可代表硅酸盐岩风化和大气降水的贡献。第3 因子则只与Cl-的相关性较好，表明了大气降水的影响。

上述几个方面的数据均表明，尽管贡嘎山东北坡的雅家埂和燕子沟母岩类型以硅酸盐岩为主，但是，目前该地区地表水主要离子组成受碳酸盐岩风化的影响，硅酸盐岩风化的影响较小。在贡嘎山东坡海螺沟流域[12]、喜马拉雅山[20]、瑞士阿尔卑斯山[21]的研究中也发现有类似结果。

图5 贡嘎山东北坡不同海拔硅酸盐岩分化对水体总离子的贡献率Figure 5 The contribution rate of silicate weathering to total ions in water at different altitude in the northeast slope of gongga Mt.