四川省綿陽中學（621000） 師自龍

金佛山表層巖溶泉水化學動態(tài)變化淺析

四川省綿陽中學（621000） 師自龍

為進一步研究中國亞熱帶地區(qū)表層巖溶水的動態(tài)變化規(guī)律，了解亞熱帶巖溶作用機制，通過分析重慶金佛山表層巖溶泉——碧潭泉和水房泉的全自動觀測數(shù)據(jù)，得出以下結論：(1)長時間尺度監(jiān)測表明，海拔不同的兩個泉水之間水化學性質有較大差異。（2）短時間尺度加密觀測表明，碧潭泉和水房泉的水化學性質晝夜變化一致，但有區(qū)別。（3）在降雨作用下，碧潭泉和水房泉的水化學動態(tài)變化一致。（4）兩個泉水水位都比較穩(wěn)定，可以在一定程度上保證附近居民的用水，尤其可用于山頂?shù)穆糜伍_發(fā)。研究結論有助于進一步認識表層巖溶水的變化規(guī)律，理解亞熱帶巖溶作用的機理，并且還可以參與到全國表層巖溶對比之中，完善表層巖溶動力系統(tǒng)的分類，指導人們對地表水資源的利用。

金佛山 表層巖溶泉 化學動態(tài)

一、引言

巖溶動力系統(tǒng)涉及固（碳酸鹽巖）、液（H2O）、氣（CO2）三相的相互作用，水在此系統(tǒng)中的重要性不僅體現(xiàn)在它是一種溶劑，更是一種載體①。

巖溶水在這一巖溶過程中，作為系統(tǒng)輸出特性的反映，其化學性質的變化必然反映了該系統(tǒng)的動態(tài)變化，所以，把握巖溶水的化學動態(tài)變化規(guī)律就可以幫助認識表層巖溶帶的作用機理，進而理解整個巖溶生態(tài)系統(tǒng)。

國土資源部巖溶動力學開放實驗室以國際地質對比計劃IGCP379“巖溶作用與碳循環(huán)”和IGCP488“全球巖溶生態(tài)對比計劃”項目為依托，開展了典型巖溶生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的運行規(guī)律及其全球變化的影響研究，對我國6個表層巖溶系統(tǒng)作了詳細觀測②③，但缺乏對亞高山巖溶生態(tài)系統(tǒng)的詳細研究。在亞高山巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，海拔差異造成表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)因素作用強度的改變，進而影響到巖溶形態(tài)的發(fā)育、巖溶水化學性質和巖溶作用強度的改變，形成其獨特的巖溶生態(tài)系統(tǒng)運行規(guī)律①。因此開展亞高山巖溶研究，對進一步全面深入研究巖溶生態(tài)系統(tǒng)運行機制和開展全球巖溶生態(tài)系統(tǒng)對比有著重要的意義。

二、金佛山巖溶生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的環(huán)境背景

金佛山位于重慶市南部，地理坐標是28°50′N—29°20′N，107°3′E—107°20′E，東鄰重慶市武隆縣，南與貴州省正安、桐鋅兩縣接壤，西與重慶市萬盛區(qū)相連，北依南川市隆化鎮(zhèn)。整個金佛山由金佛、菁壩、柏枝三山108峰組成，面積1300平方千米，風景規(guī)劃區(qū)面積441平方千米，保護區(qū)面積522平方千米。金佛山1988年被命名為全國重點風景名勝區(qū)，1991年被命名為國家森林公園，行政區(qū)屬重慶南川市。

金佛山位于我國四川盆地東南緣，是大婁山東段支脈的突異山峰。區(qū)內整個山體的上部由二疊紀棲霞組灰?guī)r構成，形成海拔2000m的較大面積緩坡和平臺，發(fā)育大型的地表、地下巖溶形態(tài)；山體中部由志留紀頁巖、粉砂巖組成，出露標高1000m到1500m；山體下部由寒武紀、奧陶紀的石灰?guī)r、白云巖構成，發(fā)育小型、微型巖溶形態(tài)。山地海拔1400m～2251m，屬典型的喀斯特地質地貌，最高峰風吹嶺海拔2251．1m。它位于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，云霧多、日照少、雨量充沛、濕度大。山體上部多年平均氣溫為8．2℃，平均降雨量為1434．5mm；山體下部平均氣溫為16．6℃，年均降雨量為1286．5mm，大氣降水為地下水唯一補給源。受垂直氣候帶的影響，土壤分布具有明顯的垂直分帶性，從山底向山頂依次為：黃壤、暗黃壤、黃棕壤、棕壤。金佛山相對高程達1300m～1500m，受巖性和垂直氣候的影響，金佛山的巖溶生態(tài)系統(tǒng)明顯分成兩大類型④。

（1）山下亞熱帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)

物質基礎和水熱條件好，巖溶作用較為強烈，表現(xiàn)在大的巖溶泉口有大量鈣華沉淀，溶洞內外鐘乳石發(fā)育，石灰?guī)r表面的小型和微型的溶蝕形態(tài)（溶痕等）常見。

（2）高原面上溫帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)

因為海拔高、氣溫低，現(xiàn)代巖溶發(fā)育強度遠低于山體下部。生物活動能力減弱，土壤CO2濃度較低，水的侵蝕能力也較弱，泉水的HC濃度也較低，小于1．5mmol/l，泉附近無鈣華沉淀現(xiàn)象。

三、觀測內容和方法

碧潭泉出露在金佛山西坡山麓，標高600m左右。它所在的碧潭幽谷巖溶發(fā)育，以落水洞、谷地和漏斗發(fā)育為主，為典型的亞熱帶巖溶景觀，屬山下亞熱帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)。水房泉出露在金佛山頂部，標高2100m左右，屬高原面上溫帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)。另外，選取這兩個巖溶泉為研究對象，還因為它們受人為影響小。

圖1 碧潭泉水化學動態(tài)變化曲線(2004/4/1－2004/8/1)

圖2 水房泉水化學動態(tài)變化曲線(2004/6/1－2004/8/1)

通過多功能自動化監(jiān)測記錄儀Greenspan（澳大利亞產(chǎn)），分別觀測泉水的指標：pH、電導率、水溫、泉水堰口水位，每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。分辨率分別為0．01、0．1us/cm、0．01℃和0．001m，大氣降雨量的精度為0．5mm，觀測時間從2004/3/20到2004/12/28。

四、結果和分析

1. 碧潭泉和水房泉水化學日動態(tài)分析

對比圖1和圖2兩條曲線，可知碧潭泉和水房泉水化學日動態(tài)有以下規(guī)律。

（1）水位與降水正相關，表現(xiàn)在每一次降水過程都伴隨水位的上升，但水位的上升較降雨的形成有一定的時間滯后。原因是：降水進入地下水系統(tǒng)需要一定的時間，泉水水位與降水的連動也體現(xiàn)了表層巖溶水與大氣降水的密切關系——大氣降水是碧潭泉的唯一補給來源。

（2）水溫與降水反相關，每一次降水都伴隨溫度的下降。原因如下：首先，一般情況下，降水的形成總是與大氣的降溫分不開的，考慮到碧潭泉所處的地形條件，不可能產(chǎn)生地形雨，因而促使降雨形成的大氣溫度下降，直接或間接（如大氣降溫促使地表巖石和土壤冷卻了巖溶泉水）的引起了巖溶泉水溫度的下降；其次，大氣降水可以促進巖溶作用，而化學反應方程式CaCO3＋CO2＋H2O＜＝＞Ca2+＋HCO3-和CaMg（CO3）2+ 2CO2＋2H2O＜＝＞Ca2+＋Mg2+＋4 HCO3-正向移動需要消耗熱量，這樣也對泉水的溫度降低有推動效果，但其貢獻要低一些。

（3）pH值與降水反相關，原因是：首先，大氣降水溶解較多CO2，一般為偏酸性，進入表層巖溶水中，可以直接降低巖溶泉水的pH值；其次，大氣降水在進入表層巖溶泉水的過程中，有可能攜帶或載運了一些酸性物質，如在巖溶系統(tǒng)的表層生長的植物、發(fā)育的土壤及其中土壤微生物，除了本身產(chǎn)生有機酸外，本身被分解同樣產(chǎn)生酸性物質，這些酸性物質進入巖溶水導致了pH值下降，而且還更進一步的促進了巖溶作用；再次，當降水在經(jīng)過那些有豐富CO2聚集的表層巖溶帶時，提高了氣相液相界面的CO2氣體分壓，使更多的CO2溶于水中，同樣也降低了pH值。

（4）電導率與降水成反相關。一般而言，大氣降水的偏酸性特征可以促進巖溶作用，溶解更多的金屬離子，考慮到Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子濃度與電導率之間的線性關系⑤，這樣就促使了電導率升高，導致電導率與降水成正相關。可是觀測曲線與此相反，這就需要考慮降雨的稀釋作用在降低離子濃度方面的作用，綜合以上兩種作用得出的合理解釋是：雖然降水促進巖溶作用溶解更多的金屬離子，但這些金屬離子的濃度卻因為有雨水的稀釋作用下降，導致電導率沒有上升反而下降。

（5）綜合各個參數(shù)來看，當有降水產(chǎn)生時，一方面與降水相伴的氣溫下降增大了CO2在水中的溶解度；另一方面降水把空氣和土壤中的CO2溶解后，帶入表層泉。這樣就增大了巖溶泉中的CO2濃度，提高了HCO2－濃度。考慮到pH＝4～8．4之間時巖溶泉的電中性方程[7：2［Ca2＋］+［H＋］＝［HCO3-］+2［CO32-］+［OH-］，可以簡化（誤差2%）為2［Ca2＋］＝［HCO3-］

圖3 夏季碧潭泉與水房泉水化學動態(tài)變化對比 (2004/4/1－2004/8/1)

因此，隨著HCO3-濃度的升高，Ca2＋濃度也要上升，就促使電導率的上升。另外，雨水的酸效應也促進巖溶作用，增加了水中Ca2＋和HCO3-，這樣也有助于電導率的升高。但以上水動力效應卻被雨水稀釋效應掩蓋，整體上表現(xiàn)為電導率下降。相比而言，海拔較高的水房泉參數(shù)變化相關性較強，水化學性質變化對外界環(huán)境改變較敏感。

2. 碧潭泉與水房泉水化學季節(jié)動態(tài)對比分析

（1）夏季碧潭泉與水房泉化學動態(tài)變化對比分析

①水房泉降水量大于碧潭泉。水房泉海拔高于碧潭泉，蒸發(fā)量小，濕度大，氣溫低于碧潭泉，較容易使水汽達到過飽和，形成降水。水房泉的總體水位高于碧潭泉，水房泉水位的變化幅度大大小于碧潭泉，原因除了與降水有關，還與碧潭泉的管道性質、水房泉的裂隙性質有關。因為管道水的調蓄能力小，變率大；裂隙水的調蓄能力大，變率?、?。

②水房泉的水溫明顯低于碧潭泉。原因是水房泉出露海拔明顯高于碧潭泉，氣溫和地溫都低于碧潭泉，導致水溫明顯較低。雖然碧潭泉處的巖溶作用強度大，消耗的熱量也大，但該因素對泉水溫度降低的貢獻相較由氣溫和地溫引起的水溫降低是微不足道的。

③水房泉的pH值低于碧潭泉。水房泉處的溫度低于碧潭泉處的溫度，高溫促進巖溶作用消耗H+，提升pH值，反之，低溫則減緩巖溶作用，造成水房泉pH低于碧潭泉。

④水房泉的電導率明顯低于碧潭泉，同樣反映了巖溶作用的強弱差別。氣溫高，有利巖溶作用，促使水中溶解較多金屬離子，引起電導率升高；反之，低溫環(huán)境不利于巖溶作用，也就不利于電導率的升高。

⑤綜合得出夏季碧潭泉的巖溶作用強度大于水房泉處。

（2）冬季碧潭泉與水房泉水化學動態(tài)對比分析

冬季與夏季相比，除了pH值以外，各項結果相同：水房泉降水量高于碧潭泉，水房泉水位高于碧潭泉，水房泉水溫低于碧潭泉，水房泉電導率低于碧潭泉。綜合得出冬季碧潭泉的巖溶作用強度也大于水房泉處。

對比兩泉冬夏季的pH動態(tài)變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，碧潭泉的pH值冬季和夏季相差不大，都在7．6左右浮動，而水房泉的pH值卻由夏季平均7．4左右迅速上升至冬季的平均8．05左右，也就是說水房泉的pH值季節(jié)間變化大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：①冬季氣溫低于夏季，引起土壤微生物的生活節(jié)奏放慢，降低了有機酸的分解和排放，不利于降低pH。②冬季常常有積雪覆蓋，融水形成的薄膜阻止了大氣中CO2的進入，減小了土壤及巖溶水中的CO2分壓，降低了H+的濃度，提高了pH值⑥。兩種原因綜合的影響造成了水房泉pH值在冬季的跳升，超過了碧潭泉。這是冬季水房泉與夏季水房泉化學性質的最大不同，對高海拔地區(qū)巖溶泉水化學性質的季節(jié)變化有很好的借鑒作用。

圖4 冬季碧潭泉與水房泉化學性質動態(tài)變化對比 (2004/4/1－2004/8/1)

五、結論

通過對碧潭泉和水房泉水化學的加密監(jiān)測和對比分析，得出以下認識：

（1）從兩個巖溶泉的物理化學性質動態(tài)變化來看，水位與降水正相關，水溫、電導、pH與降水反相關，這反映了表層巖溶水與上層環(huán)境有直接密切的關系。

（2）海拔差異導致的水熱條件變化，反映在碧潭泉和水房泉的水化學性質上有差別。冬季和夏季，水房泉水位高于碧潭泉，水房泉的水溫、電導率低于碧潭泉；pH值冬夏有別，夏季碧潭泉的高而冬季水房泉的高。

（3）碧潭泉和水房泉水化學性質在晝夜都有變化，碧潭泉表現(xiàn)為動態(tài)中的穩(wěn)定，水房泉有小幅的波動。

（4）兩個泉水水位都比較穩(wěn)定，可以一定程度上保證附近居民的用水，尤其是用于山頂?shù)穆糜伍_發(fā)。

①李林立等．金佛山巖溶生態(tài)系統(tǒng)的初步探討——巖溶水化學特征分析［J］．四川師范大學學報（自然科學版），2005，26（2）：202-204．

②國土資源部．巖溶動力學開放實驗室“九五”主要科研成果簡介［J］．中國巖溶，2001，20（1）：73-74．

③章程，袁道先．IGCP448：巖溶生態(tài)系統(tǒng)全球對比研究進展［J］．中國巖溶，2005，24（3），83-88．

④劉成軍．國家自然保護區(qū)——金佛山［J］．生物學教學，2001，26（2）：28－29．

⑤劉再華．CaCO3-CO-H2O巖溶系統(tǒng)的平衡化學及其分析［J］．中國巖溶，2005，24（1），1-14．

⑥蔣忠誠等．我國南方表層巖溶帶及其對巖溶水的調蓄功能［J］．中國巖溶，2000，20（2），106-110．