第二章岩溶形成与碳、水、钙循环

第二章岩溶形成与碳、水、钙循环袁道先+西南大学地理科学学院现代岩溶学大纲一、全球碳、水、钙循环概述二、岩溶动力系统运行特征的经验判别三、岩溶动力系统运行特征的定量判别（矿物饱和指数的计算）四、数据制图软件（origin）的应用一、全球碳、水、钙循环概述（一）岩溶动力系统（KarstDynamicSystem，KDS）定义：控制岩溶形成演化、并常受控于已有的岩溶形态、在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上，以碳、水、钙循环为主的物质、能量传输、转换系统。它是由固相、液相、气相三部分构成的开放系统。功能：驱动岩溶形成，调节环境酸化，驱动元素迁移、形成有用矿产、影响生命，记录环境变化。特征：对环境变化反映灵敏，需要特殊的工作方法。•监测:掌握系统、界面、事件•实验•模型岩溶动力系统的定义、功能和特征，要求我们从全球碳、水、钙循环来掌握其运行规律。（二）全球水循环与岩溶形成1、全球水循环地球上水的起源和分布年龄：38亿年（据沉积岩石），46亿年－38亿年间有无水：不知道？现在地球上的水量：1408.6×106km3ReservoirVolume(106km3)PercentofTotalOceans137097.25Icecapsandglaciers292.05Deepgroundwater5.30.38(750-4000m)Shallowgroundwater4.20.30(750m)Lakes0.1250.01Soilmoisture0.0650.005Atmospherea0.0130.001Rivers0.00170.0001Biosphere0.00060.00004Total1408.7100Sources:Nace1967;peixotoandKettani1973;turekian1976;andAmbroggi1977.aAsliquidequivalentofwatervapor.地球表层各种水体的水量分配全球水循环箭头边数字为通量(单位：106km3)年降水量(陆地＋海面)=年蒸发量(陆地＋海面)0.1100.3860.0730.4230.4960.4962、全球水循环对岩溶作用的影响陆地：每年11万km3的陆地降水分布很不均匀，赤道附近净降水量最大，而南、北纬20o附近净降水为负值。这对岩溶发育有很大影响。(FromJ.P.PeixotoandM.A.kettani,“TheControloftheWaterCycle.”Copyright©April1973byScientificAmerican,Inc.Allrightsreserved.)全球净降水量（降水量－蒸发量）与纬度的关系全球年均降水量(FromH.L.Penman,“TheWaterCycle.”Copyright©September1970byScientificAmerican,Inc.Allrightsreserved.)降水量差别，直接造成了岩溶作用强度和形态的差别。如热带岩溶（桂林）干旱区岩溶（美国Nevada）地中海岩溶（土耳其）高山岩溶（四川黄龙）热带岩溶(桂林)干旱区岩溶(美国Nevada)地中海岩溶(土耳其)高山岩溶(四川黄龙)海洋：海底由于温度低，水压加大，pH值降低，溶蚀强度加大，以致在4000~5000m深度以下方解石不再沉积，称为碳酸盐补偿面(CCD)，也称为“海底雪线”。因为其上有方解石，为白色，其下为红粘土。图9CCD(CarbonateCompensationDepth)或海底雪线(J.Murry,1912,英国挑战者号船)（三）全球碳循环与岩溶作用定义：地球系统的碳循环，是指的碳在岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间以CO32-(以CaCO3、MgCO3为主)、HCO3-、CO2、CH4、(CH2O)n(有机碳)等形式相互转换和运移过程。气圈：CO2、CH4、CO水圈：HCO3-生物圈：(CH2O)n岩石圈：CO32-、(CaCO3、MgCO3等)模型全球碳循环模型，单位：109tc五个碳库：1.碳酸盐岩99.55%2.陆地生态系统3.海洋4.化石燃料5.大气全球碳循环模型单位：109tc五个碳库：1.碳酸盐岩99.55%2.陆地生态系统3.海洋4.化石燃料5.大气问题：(1)占碳库99.55%的碳酸盐岩是否积极参与全球碳循环？一般认为碳酸盐岩的溶蚀作用是长时间尺度的缓慢过程？实际上如何？(2)土壤圈中的碳转换过程:决定碳酸盐岩库是否积极参与全球碳循环。地球系统碳循环与岩溶作用土壤圈在岩溶作用中的重要地位观测验证：石灰岩溶蚀速度观测安放方式试验场安装试片铁栅广州－伊春各观测站溶蚀速度观测成果曲线土下溶蚀比地面溶蚀多。CO2与水相结合才能加强溶蚀作用，成为一个汇陕西甸阳鱼洞岩溶动力系统观测结果：1.碳酸盐岩库积极参与全球碳循环2.土中CO2不能单独促进溶蚀作用3.它必需与雨水结合，才能促进溶蚀作用桂林试验场植被恢复，CO2、pH值、HCO3-也很快改变雨季水中HCO3-升高，从大气（包括土壤)中回收CO2，成一个大气CO2的“失踪”汇石灰岩溶蚀速度观测安放方式试验场安装试片铁栅广州－伊春各观测站溶蚀速度观测成果曲线土下溶蚀比地面溶蚀多。CO2与水相结合才能加强溶蚀作用，成为一个汇Sink陕西甸阳鱼洞岩溶动力系统观测结果1.碳酸盐岩库积极参与全球碳循环2.土中CO2不能单独促进溶蚀作用3.它必需与雨水结合，才能促进溶蚀作用CO2(ppm)020000400006000080000100000[Ca2+],[HCO3-](mmol/l)024681012369123691236912369121993年1996年1994年1995年[HCO3-][Ca2+]土壤CO2桂林岩溶试验场观测站土壤桂林试验场植被恢复，CO2、pH值、HCO3也很快改变（四）全球钙(镁)循环与岩溶作用钙(镁)循环常与碳循环伴生，而在岩石圈、水圈之间转移，一方面成为碳循环的载体。同时也成为岩溶作用的表现之一。有三种过程。(钙(镁)循环)(1)硅酸盐风化（CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2），回收大气CO2，将碳存在碳酸盐岩中，为岩溶作用提供物质基础。这在地球历史的早期，使其适合生命发展，起了重要作用。(图)(2)碳酸盐溶蚀，回收大气CO2，将钙和碳一起转入水圈，同时形成岩溶。CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3-(3)板块构造俯冲，碳酸盐岩变质产生硅酸钙盐，释放CO2CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2钙(镁)循环地质历史上大气CO2浓度与现代大气CO2浓度之比StandardformulationaccordingtotheGEOCARBIImodelforRCO2asafunctionoftime.RCO2isthemassofatmosphericCO2attimetdividedbythatat“present”(=300ppmv).Upperandlowerlinesrepresentcrudeerrorestimatesbasedonthesensitiviyanalysis.二、岩溶动力系统运行特征的经验判别用地球系统的碳、水、钙循环的运行规律研究岩溶作用，需要有一种方法，揭示三者对岩溶作用的综合影响，即掌握岩溶动力系统的运行规律。（一）判别指标的选择据岩溶动力系统特点(岩溶动力系统)以下列指标，及其相互关系，确定KDS运行特征。气相：CO2：升高，溶蚀降低，沉积液相：HCO3-：升高，溶蚀降低，沉积pH值：降低，溶蚀，CO2溶入水中升高，沉积，CO2由水中逸出Ca2+：升高，溶蚀降低，沉积固相：观察CaCO3(MgCO3或其它碳酸盐)是沉积(钙华)，还是溶蚀(溶沟、溶痕等)或是生物作用(植被生长)。1、光合作用与CO2浓度(及地形与CO2浓度)红外CO2测空气中不同高度的CO2浓度(桂林试验场)观测结果，CO2在距地面2m高度内，逐步降低，洼地底CO2浓度高(600－700ppm)，洼地顶部垭口低(300ppm)湖北长阳榔平钙华：pH值升高，植物吸收CO2。罗马尼亚PoartaLiuIonele洞口钙华及植被PoartaLiuIonele洞口水化学变化向光钟乳石自来水两种不同流出方式引起的水化学变化（二）应用实例2、水体扰动、日光暴晒与CO2脱气溶潭不同水深的水化学变化黄果树瀑布脱气产生钙华黄果树瀑布水化学监测点分布示意图采样点ToCpH值Ca2+(mg/l)Mg2+(mg/l)HCO3-(mg/l)Pco2(PA)121.98.3365.0418.69179.4266.07220.78.5557.8918.09158.4138.02320.48.3760.0318.69174.5764.57黄果树瀑布上、下游水化学特征变化即使不在瀑布部位：水流速度与岩溶作用也有密切关系。在同一水体，流速快的部位溶蚀作用或沉积作用都较快。3.应用实例3、雨水对土壤CO2的活塞式驱动桂林试验场CF5孔(揭露溶洞者)，暴雨后出现pH值降低，电导上升的反常现象4、岩溶动力系统开放度变化对水化学特征的影响黄龙钙华黄龙地热泉(转花池)由深部封闭系统溢出后，在黄龙沟沿线的水化学变化，示CO2脱气和钙华沉积土耳其Pamukale钙华Pamukale钙华台地沿线水化学变化示热水由深部溢出后，CO2脱气，pH升高，HCO3下降，钙华沉积5、人类活动对岩溶动力系统运行规律的影响乌江渡水电站大坝廊道中的鹅管乌江渡水电站大坝附近水化学剖面，示水泥形成高碱性环境(Ca(OH)2)3.应用实例红外CO2测空气中不同高度的CO2浓度(桂林试验场)观测结果a：CO2在距地面2m高度内，逐步降低。b:洼地底CO2浓度高(600－700ppm)，洼地顶部垭口(300ppm)湖北长阳榔平钙华：PH升高，植物吸收CO2。榔平钙华罗马尼亚PoartaLiuIonele洞口钙华及植被PoartaLiuIonele洞口水化学变化向光钟乳石自来水两种不同流出方式引起的水化学变化(时间1991年10月10日)桂林试验场S291号泉水化学特征随水深变化，界面脱气，日光照射效应(1991年7月4日观测)溶潭不同水深的水化学变化黄果树瀑布脱气产生钙华黄果树瀑布水化学监测点分布示意图扩散边界层厚度与岩溶作用的关系桂林试验场CF5与孔(揭露溶洞者)暴雨后出现pH值降低，电导上升的反常现象四川，松潘县黄龙钙华黄龙地热泉(转花池)由深部封闭系统溢出后，在黄龙沟沿线的水化学变化，表示CO2脱气和钙华沉积Pamukale钙华，土尔其Pamukale钙华台地沿线水化学变化热水由深部溢出后，CO2脱气，pH升高，HCO3下降，钙华沉积乌江渡水电站大坝廊道中的鹅管乌江渡水电站大坝附近水化学剖面示水泥形成高碱性环境[Ca(OH)2]（三）小结根据CO2、pH值、电导率、HCO3-等指标的相互关系及其变化，可定性判别岩溶动力系统的运行规律，掌握碳、水、钙循环与岩溶作用方向的关系。监测要实行现场测定、现场解释、及时发现问题，及时验证。监测点的选择：泉口或距泉一定距离，土下、树下、探头放置水下深度等。监测时间：白天、夜间、早晨、中午、雨前、雨后，都要根据研究目标安排，克服随意性。三、岩溶动力系统运行特征的定量判别（一）简单定量判别（二）模型定量判别（热力学方法：矿物饱和指数计算）（一）简单定量判别根据实验、建立溶液中温度、Pco2、pH值、CaCO3饱和浓度的相互关系，用表格或曲线图对岩溶作用方向强度作简单定量评价，例如：不同温度和Pco2条件下水中CO2含量(ppm)，温度越低，水中溶解CO2浓度越高。溶液的pH值(受CO2控制)和饱和CaCO3浓度的关系。封闭系统和开放系统中CO2浓度和饱和CaCO3浓度关系的差别温度、CO2浓度和溶蚀CaCO3浓度对岩溶动力系统运动方向的综合判别(Jakuss,1977)不同水化学特征的水混合后的岩溶作用方向判别(Bogli,1964)不同温度和Pco2条件下水中CO2含量(ppm)温度越