王海靜, 張金流, 劉再華, 臺(tái)永東

1)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州貴陽 550002;2)黃龍國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局, 四川松潘 623300

基于水化學(xué)和同位素特征的四川黃龍溝泉群分類研究

王海靜1), 張金流1), 劉再華1), 臺(tái)永東2)

1)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州貴陽 550002;2)黃龍國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局, 四川松潘 623300

本文采用水化學(xué)和同位素方法對(duì)四川黃龍溝沿途出露的7個(gè)泉點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明, 泉水水化學(xué)和同位素的時(shí)空變化反映了CO2逸出、鈣華沉積和蒸發(fā)效應(yīng)等諸多因素的共同影響, 是由這些泉水處在四個(gè)水循環(huán)轉(zhuǎn)化段決定的。根據(jù)水化學(xué)和同位素特征可將這些泉水劃分為三種不同的類型: 深部泉、表生泉和轉(zhuǎn)化泉。這些認(rèn)識(shí)將為四川黃龍溝景觀水資源的管理和鈣華景觀的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

泉水; 水化學(xué); 同位素; 景觀水資源; 鈣華景觀保護(hù); 四川黃龍

泉水是地下水的天然露頭, 其地球化學(xué)特征反映了泉域的地質(zhì)和氣候背景條件以及地表地下水文過程。作為世界自然遺產(chǎn)的四川黃龍溝, 隨著資源開發(fā)和旅游環(huán)境建設(shè)的發(fā)展, 人類活動(dòng)影響下的水質(zhì)已發(fā)生某些變化, 如鈣華沉積減慢、砂化和變黑等問題相繼出現(xiàn)(劉再華等, 2009; Wang et al., 2010),因此, 自然和人為影響背景的研究需要進(jìn)一步深入:一方面是區(qū)域地質(zhì)與地理背景, 包括巖石、水系和氣候等方面的特征; 另一方面是監(jiān)測(cè)和探明人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響。目前, 區(qū)域內(nèi)水化學(xué)和同位素的系列資料較少, 黃龍溝的水文地球化學(xué)研究工作還需進(jìn)一步系統(tǒng)深入。本文主要研究了不同地貌背景條件下的黃龍溝泉水水化學(xué)和同位素的差異,以期揭示黃龍溝地表、地下水水化學(xué)主要是受何種因素控制和影響的, 以便為維系鈣華景觀的水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)背景

黃龍溝補(bǔ)給區(qū)巖性總體以碳酸鹽巖為主, 約占44%, 其次為板巖, 約占 27%, 砂巖及千枚巖各占18%和 10%, 上游的石炭-二疊碳酸鹽巖層為鈣華沉積的補(bǔ)給源區(qū), 形成的鈣華主要沉積在中下游三疊系和志留系的板巖、砂巖之上(盧國平等, 1992)。整個(gè)山體受垂直氣候帶的影響, 區(qū)內(nèi)植被類型復(fù)雜,基本上包括了闊葉林、針葉林、灌叢、高山草甸及高寒荒漠等各種類型。土壤分布也具有明顯的垂直分帶性。該區(qū)屬于典型的高原溫帶-亞寒帶季風(fēng)氣候,冬季漫長, 年平均氣溫只有 1.1℃, 晝夜溫差大, 降雨量 758.9 mm/a, 且集中在 5～9月份, 約占全年降水量的 70%。地表融雪水和泉水在沿途流動(dòng)過程中進(jìn)行著多次的地表地下轉(zhuǎn)換, 形成了具有不同特征的復(fù)雜的地表地下水循環(huán)系統(tǒng)(李前銀等, 2009)。

2 研究方法

沿黃龍溝自源頭泉口至近涪江, 選取 7個(gè)主要實(shí)驗(yàn)觀測(cè)泉點(diǎn)(圖1)。主要采用儀器監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)滴定和樣品室內(nèi)測(cè)試相結(jié)合的方法。儀器使用德國WTW公司生產(chǎn)的Multiline-P3多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量泉水的pH、水溫和電導(dǎo)率, 分辨率分別達(dá)到0.01 pH單位、0.1℃和1 μs/cm。儀器在測(cè)量之前進(jìn)行校正, 其pH值用4和7兩種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校正,而儀器的電導(dǎo)率用1412 μs/cm標(biāo)準(zhǔn)校正液校正?，F(xiàn)場(chǎng)滴定使用德國Merck公司生產(chǎn)的堿度計(jì)和硬度計(jì)測(cè)定水的 HCO3-和 Ca2+濃度, 其精度分別為 6 mg/l和2 mg/l(王海靜等, 2009; Wang et al., 2010)。

用于水化學(xué)分析和同位素測(cè)定的樣品拿回中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其 K+、Na+、Mg2+、 SO42-、Cl-含量, 檢出下限是0.001 ppm; 碳、氫穩(wěn)定同位素的測(cè)定誤差分別小于0.15‰和0.5‰。

方解石和白云石飽和指數(shù)(SIC和SID), 以及CO2分壓(pCO2)的計(jì)算利用WATSPEC軟件進(jìn)行(Wigley,1977)。

3 測(cè)試結(jié)果及其分析討論

3.1 泉水水化學(xué)的特征及其季節(jié)變化規(guī)律分析

黃龍溝7個(gè)泉點(diǎn)的水化學(xué)特征總結(jié)于表1, 據(jù)此可將這些泉水分為3大類: 深部泉(1號(hào)泉)、表生泉(7 號(hào)泉)和轉(zhuǎn)化泉(2～6 號(hào)泉)。

三大類泉水中表生泉的水溫和 pCO2最低, pH值最高, 最低的電導(dǎo)率和 Ca2+、HCO3-濃度, 因其CO2主要來源于土壤和大氣(表 1, 圖 2), 深部泉因其CO2主要來源于地球深部(劉再華等, 2000, 2009),故具有最高的pCO2、最低的pH值、最高的電導(dǎo)率和 Ca2+、HCO3-濃度; 而轉(zhuǎn)化泉主要是表生泉(地表融雪水)和深部泉水的混合, 故其水化學(xué)特征介于表生泉和深部泉水之間, 如表1。

圖1 黃龍溝鈣華景觀形成的平/剖面示意圖Fig. 1 Geological plan and section of Huanglong Ravine

表1 黃龍溝泉水水化學(xué)特征Table 1 Hydrochemical features of the Huanglong Springs

圖2 黃龍溝泉水的水化學(xué)季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal hydrochemical variations of the springs at Huanglong

從圖2還可以看出深部泉的水溫常年較為穩(wěn)定,表生泉由于受溫度較低的融雪水補(bǔ)給的影響使其水溫比其他泉水偏低, 它與轉(zhuǎn)化泉的水溫均呈現(xiàn)出夏季升高冬季降低的季節(jié)變化特點(diǎn)。表生泉的 pCO2夏季高, 表現(xiàn)出表生巖溶系統(tǒng)相似的特征, 與土壤中CO2含量的變化有關(guān)(Liu et al., 2007)。深部泉?jiǎng)t呈現(xiàn)冬季升高, 夏季降低的趨勢(shì), 可能是冬季來自于深部的 CO2較多, 受雨水稀釋作用影響小的緣故, 還與冬季氣溫低, 水中的 CO2氣體逸出速度較夏季緩慢有關(guān)。二次轉(zhuǎn)化泉受其影響為主, 也表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化特點(diǎn)。表生泉在夏季隨著pCO2的升高, pH降低, 而深部泉的pH變化相對(duì)穩(wěn)定, 在誤差范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)化泉主要受溫度的影響, 夏季 CO2逸出增加, 導(dǎo)致pH出現(xiàn)升高趨勢(shì)。受其影響轉(zhuǎn)化泉的 SIc也出現(xiàn)夏季升高的特點(diǎn)。深部泉由于較少受外界因素影響, SIc受水溫和pH值的制約也相對(duì)穩(wěn)定。表生泉的方解石飽和指數(shù)則受其夏季 pCO2升高、pH降低的影響而出現(xiàn)降低趨勢(shì)。水中的主要陽離子 Ca2+的含量則在深部泉中為最高, 夏季受到雨水的少量稀釋, 而它在表生泉中的含量在春季時(shí)偏高應(yīng)該是與土壤中 CO2含量的增加有關(guān), 夏季降低則主要是稀釋效應(yīng)影響為主(Liu et al., 2004, 2007)。由于沿途鈣華的沉積使轉(zhuǎn)化泉中 Ca2+的含量遠(yuǎn)低于深部泉, 季節(jié)上的變化則主要受稀釋作用和較強(qiáng)的沉積作用而呈現(xiàn)出夏季降低的特點(diǎn)。

3.2 泉水碳和氫同位素的特征及其季節(jié)變化規(guī)律分析

由于不同碳庫的δ13C差異較大, 所以利用碳同位素能很好的示蹤泉水中碳的來源及演化(Fritz et al., 1989)。表生泉的δ13C最低, 反映出其碳來源的生物成因特征, 而其δ13C在雨季升高, 可能是因?yàn)橛猩畈康闹靥蓟烊雽?dǎo)致。深部泉水因CO2主要來源于深部非生物成因(劉再華等, 2000, 2009), 故其碳同位素值偏高, 且隨著深部泉水出露后 CO2逸出,向下游流動(dòng)過程中鈣華大量沉積, 產(chǎn)生碳同位素的分餾作用, 導(dǎo)致下游轉(zhuǎn)化泉水的碳同位素值進(jìn)一步增加(圖 3)。

雨水的δD值在春季偏高, 反映了該研究區(qū)春季降雨偏少而蒸發(fā)強(qiáng)烈的特點(diǎn)。主要受雨水補(bǔ)給的表生泉的δD值在夏季降低, 但比雨水滯后1～2個(gè)月,反映了表生泉水的循環(huán)速率還是較為緩慢的。轉(zhuǎn)化泉的δD和深部泉的變化規(guī)律較為相似, 但深部泉的δD較低, 反映了其補(bǔ)給高程可能是最大的, 轉(zhuǎn)化泉的δD較高應(yīng)該主要是受蒸發(fā)作用的影響所致。

3.3 黃龍溝泉群的進(jìn)一步分析

李前銀等(2009)的研究表明, 黃龍景區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)由鈣華源泉巖溶地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)和地表、地下水轉(zhuǎn)化系統(tǒng)三部分組成。若無沿途眾多泉水的補(bǔ)給, 黃龍溝內(nèi)溪水水化學(xué)應(yīng)隨源頭泉水的距離增加單調(diào)增加或降低, 但每一循環(huán)段出露的轉(zhuǎn)化泉打破了各項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)空間上的規(guī)律性(圖 4、圖 5), 不僅構(gòu)成下一循環(huán)段水量上的“源泉”, 也對(duì)溝內(nèi)溪水中各種離子再次進(jìn)行補(bǔ)充; 每一循環(huán)段鈣華的生長都隨景觀水流路徑的延長、碳酸鈣的不斷析出而減弱, 景區(qū)最為艷麗壯觀的五彩池、爭(zhēng)艷彩池、金沙鋪地和迎賓池都位于各循環(huán)段鄰近“源泉”的區(qū)域。隨著沉積作用的不斷進(jìn)行, 水中碳酸鈣含量逐漸減少, 到黃龍溝口已與地表水相差無幾, 相應(yīng)地各循環(huán)轉(zhuǎn)化段也顯示出由泉口往下鈣華沉積作用由弱至強(qiáng)再減弱的趨勢(shì), 如到每個(gè)循環(huán)階段的最后一段, 鈣華沉積已非常緩慢, 且大部分出現(xiàn)鈣華砂化變黑等退化趨勢(shì)。

圖3 黃龍泉水碳、氫同位素的季節(jié)變化Fig. 3 Seasonal variations in carbon and hydrogen isotopic compositions of the springs at Huanglong

圖4 黃龍溝泉水的水化學(xué)空間變化(圖中1～7為泉水編號(hào))Fig. 4 Spatial hydrochemical variations of the springs at Huanglong(1 to 7 of the fig is the number of spring)

圖5 黃龍溝泉水同位素的空間變化(圖中1～7為泉水編號(hào))Fig. 5 Spatial variations in carbon and hydrogen isotopic compositions of the springs at Huanglong(1 to 7 of the fig is the number of spring)

下面, 根據(jù)泉水的地貌位置和泉水的地球化學(xué)特征, 探討其空間分布意義, 如表2。

黃龍景區(qū)源頭巖溶地下水(泉群I)出露地面后與地表融雪水混合形成溝內(nèi)主要的景觀水源, 在流動(dòng)過程中不斷沉積CaCO3形成鈣華景觀并沿途大量漏失轉(zhuǎn)化為地下水,又在一定條件下以泉的方式出露形成轉(zhuǎn)化泉, 周而復(fù)始, 在核心景區(qū)形成四個(gè)轉(zhuǎn)化段,從而構(gòu)成一個(gè)特殊的水循環(huán)及景觀演化系統(tǒng)(圖1)。

(1)五彩池—接仙橋轉(zhuǎn)化段

1號(hào)泉群和7號(hào)泉出露后與地表融雪水混合, 一路漏失, 至馬蹄海附近完全轉(zhuǎn)入地下。漏失的水流在鈣華與下伏冰磧層接觸帶匯集, 最終形成的泉水在接仙橋一帶的溝谷兩側(cè)邊緣出露, 從而完成了景觀水的第一次轉(zhuǎn)化。代表景觀: 五彩池。隨著 1號(hào)深部泉的出露, 水流向下的流動(dòng)過程中, 水中 pCO2遠(yuǎn)大于大氣中的pCO2, 導(dǎo)致水中CO2大量快速逸出,CO2分壓急劇降低, 再加上地表融雪水的混入, 導(dǎo)致沿途水的 pH值顯著升高, 方解石飽和指數(shù)也有較大的增加, 鈣華大量沉積, 鈣和重碳酸根的含量也有顯著下降(表1, 1號(hào)泉和2號(hào)泉間的變化, 圖4)。

(2)接仙橋—爭(zhēng)艷池轉(zhuǎn)化段

第一階段漏失后形成的地下水在接仙橋2號(hào)泉點(diǎn)以下匯入 3號(hào)泉形成溝狀水流, 流至宿云橋附近分流。東側(cè)形成彩池群及鈣華灘流并沿途漏失, 部分漏失水流在爭(zhēng)艷彩池附近的三岔路口形成4號(hào)泉;西側(cè)水流則形成艷麗無比的爭(zhēng)艷彩池, 然后很快漏失, 并在彩池末端形成 5號(hào)泉, 從而完成了景觀水的第二次轉(zhuǎn)化。代表景觀: 爭(zhēng)艷池。第一階段漏失的水量在此又重新得到補(bǔ)充, 由于泉水的出現(xiàn), 水中的各項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)與第一段末段相比均有明顯變化(圖 4、圖 5), 在經(jīng)過地下一段距離的流動(dòng)過程后, CO2得到了一定程度的補(bǔ)充, 在2、3號(hào)泉水出露處泉水水溫較為穩(wěn)定, 與第一循環(huán)段末端的地表水流相比, 2、3號(hào)轉(zhuǎn)化泉的pCO2升高, pH值降低, 方解石飽和指數(shù)降低。

(3)爭(zhēng)艷池—蓮臺(tái)飛瀑轉(zhuǎn)化段

4號(hào)泉出露后與第二階段的東側(cè)剩余水流匯合,加上 5號(hào)泉, 共同沿平坦而傾斜的溝面傾瀉而下,與此同時(shí)景觀水流也在不斷漏失, 到蓮臺(tái)飛瀑時(shí),下滲水流在蓮臺(tái)飛瀑下形成 6號(hào)泉, 從而完成了景觀水的第三次轉(zhuǎn)化。代表景觀: 金沙鋪地。此階段鈣華沉積形態(tài)以鈣華灘為主, 形成的鈣華灘流是目前世界上發(fā)現(xiàn)的同類地質(zhì)構(gòu)造中, 狀態(tài)最好、面積最大、距離最長的地表鈣華灘流。4和 5號(hào)泉是這一循環(huán)段的主要補(bǔ)給水源, 在繼承了兩個(gè)主要補(bǔ)給泉水的各項(xiàng)特征的基礎(chǔ)上, 在長約1.3 km的距離內(nèi)水的地球化學(xué)特征在空間上體現(xiàn)出相對(duì)較為有規(guī)律性的變化: 隨著水流的向下流動(dòng), 沿途pH值呈升高趨勢(shì), pCO2和電導(dǎo)率降低(圖4)。

表2 黃龍溝泉群類型的劃分及其基本特征Table 2 Classification of spring groups at Huanglong Ravine

(4)蓮臺(tái)飛瀑—黃龍溝口轉(zhuǎn)化段

6號(hào)泉與該段地表水混合后向下游流動(dòng), 在形成和養(yǎng)護(hù)下游鈣華景觀的同時(shí),一路漏失。漏失的水流多數(shù)以潛流的方式流入涪江, 從而完成了景觀水的最后一次轉(zhuǎn)化。代表景觀: 迎賓池。在第三循環(huán)段的末段, 水量已大大減少, 水中的離子含量也大為降低, 鈣華的沉積能力變得微弱, 此時(shí) 6號(hào)泉水的出露及時(shí)地補(bǔ)充了下游的水量, 并一定程度上增加了水中的pCO2及鈣和重碳酸根的含量, 對(duì)最下游的迎賓彩池的形成和養(yǎng)護(hù)起到了非常重要的作用。

4 結(jié)論

黃龍溝地區(qū)泉水在地表和地下進(jìn)行了多次轉(zhuǎn)換,其過程主要受地形地貌的控制。通過對(duì)溝內(nèi)沿途出露的7個(gè)泉點(diǎn)水化學(xué)和同位素時(shí)空變化特征(反映了CO2逸出、鈣華沉積、蒸發(fā)效應(yīng)等諸多因素的影響)的分析, 將泉水劃分為三種類型: 深部泉、表生泉和轉(zhuǎn)化泉, 它們受控于溝內(nèi)四個(gè)水循環(huán)轉(zhuǎn)化段: 五彩池—接仙橋轉(zhuǎn)化段、接仙橋—爭(zhēng)艷池轉(zhuǎn)化段、爭(zhēng)艷池—蓮臺(tái)飛瀑轉(zhuǎn)化段和蓮臺(tái)飛瀑—黃龍溝口轉(zhuǎn)化段。

總之, 本研究通過水化學(xué)和同位素時(shí)空變化規(guī)律的分析, 對(duì)于景區(qū)地表地下水的轉(zhuǎn)換過程有了更清晰的認(rèn)識(shí), 這對(duì)于下一步可能進(jìn)行的各景觀段地表水的調(diào)配和防滲工程提供了重要參考, 同時(shí)也為有效防治景觀水的污染提供了科學(xué)依據(jù), 因?yàn)橹挥斜３贮S龍水資源量和質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定, 才能更好地保護(hù)黃龍景區(qū)的旅游資源。

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Classification of Spring Groups Based on Hydrochemical and Isotopic Features of Huanglong Ravine

WANG Hai-jing1), ZHANG Jin-liu1), LIU Zai-hua1), TAI Yong-dong2)
1)State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences,Guiyang, Guizhou550002;2)Huanglong National Scenic Spot Administration, Songpan, Sichuan623300

Hydrochemical and isotopic methods were used to analyze 7 springs issued along the Huanglong Ravine.It is found that spatial-temporal variations in hydrochemistry and isotopes of the 7 springs are related to the combined influence of CO2degassing, travertine deposition and evaporation, which are determined by four stages of water cycle. Three different spring groups were then identified based on these hydrochemical and isotopic features. These findings may provide scientific basis for the management of the landscape water resources and the protection of the travertine landscape.

spring; hydrochemistry; isotope; landscape water resource; travertine landscape protection;Huanglong Ravine in Sichuan

K928.9; P641.1; P597

A

10.3975/cagsb.2011.03.12

本文由中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 40872168)聯(lián)合資助。

2011-02-27; 改回日期: 2011-04-05。責(zé)任編輯: 閆立娟。

王海靜, 女, 1980年生。博士研究生, 主要從事巖溶環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail: whj0707@sina.com。

劉再華, 男, 1963年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。長期從事巖溶作用動(dòng)力學(xué)與全球變化研究。通訊地址: 550002, 貴州省貴陽市觀水路46號(hào)。電話: 0851-5892338。E-mail: liuzaihua@vip.gyig.ac.cn。