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《西南大学》 2017年
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亚热带典型白云岩流域化学剥蚀速率及碳汇潜力

肖时珍  
【摘要】:人类活动造成的以CO_2为主的温室气体排放是造成全球气温升高的主要原因,而反过来全球气候变暖又威胁着人类生存。气候变化已不再是一个简单的科学问题,而成了重要的国际政治议题。碳酸盐岩的化学风化会消耗大气CO_2,形成岩溶碳汇。因此,碳酸盐岩的化学剥蚀速率及岩溶碳汇效应研究得到国内外学者的关注。以往的研究表明:碳酸盐风化碳汇是陆地碳汇的重要组成部分。然而,以前的研究更多关注以石灰岩为主的流域,有关亚热带典型白云岩流域的化学剥蚀速率及岩溶碳汇的研究却显不足。虽然理论上白云岩的溶蚀速率比石灰岩的低,但自然条件下,白云岩的溶解度大大高于石灰岩。中国白云岩以及含白云石地层分布面积占整个碳酸盐岩出露面积的比例较大,全球白云岩的分布和石灰岩的分布也一样普遍,因此,白云岩的化学剥蚀速率及岩溶碳汇研究值得关注。贵州施秉白云岩喀斯特世界自然遗产地内杉木河流域及其子流域黄洲河流域是亚热带白云岩流域的典型代表,其中,杉木河流域总面积242.00 km2,其中,白云岩出露面积为192.34 km2,占流域总面积的80%;黄洲河流域总面积49.19 km2,流域绝大部分(45.27 km2,92%)均为寒武系纯白云岩或灰质白云岩,成为全国乃至全球研究亚热带典型白云岩岩溶过程的模式地。因此,为了揭示白云岩岩石风化的水文地球化学特征,在此基础上估算亚热带典型白云岩流域的化学剥蚀速率及白云岩风化的岩溶碳汇通量,丰富与完善中国岩溶碳汇研究类型,进一步提高我国岩溶碳汇潜力估算值的精度,本论文以这两条小流域为研究区,通过对杉木河流域的岩石学特征、地下水和地表水的水文地球化学特征及时空动态变化规律研究,揭示亚热带典型白云岩流域的水文地球化学特征,之后重点对杉木河流域的子流域黄洲河流域进行水化学监测及流量实时在线监测,利用水化学-径流法估算亚热带典型白云岩流域的化学剥蚀速率及岩溶碳汇通量。主要得出以下结论:(1)贵州施秉世界自然遗产地内杉木河及黄洲河流域是典型的白云岩流域,主要出露寒武系清虚洞组、石冷水组和跨寒武-奥陶系娄山关组白云岩。研究区清虚洞组岩石的Ca O含量为16.56%~47.20%,多数为28.04%~32.05%;MgO的含量为0.92%~21.71%,多为18.65%~19.80%;Ca/Mg比为0.97~36.65,多数为0.97~1.42,既有石灰岩出露,也有白云岩分布。石冷水组岩石的CaO含量为22.76%~53.39%,多数为27.36%~32.95%;MgO的含量为1.25%~21.62%,多数为16.26%~21.62%;Ca/Mg比为0.99~30.51,多数为0.99~1.64,以白云岩为主;娄山关组岩石的CaO含量为25.82%~36.75%,多数为25.82%~30.90%;MgO的含量为15.62%~21.70%,多数为19.44%~21.70%;Ca/Mg比为0.97~1.68,多数为0.97~1.09,为一套纯白云岩。依据结构组分类型,研究区主要岩石类型白云岩分为颗粒白云岩和晶粒白云岩,次要岩石类型石灰岩进一步细分为内碎屑灰岩和结晶灰岩等。(2)压汞和孔渗测试实验结果显示,研究区白云岩的进汞量和孔隙度都大于石灰岩,表明白云岩的孔隙系统对水的储集能力要好于石灰岩;白云岩的孔面积大于石灰岩,表示白云岩与汞的接触面积更大,即白云岩的水-岩反应作用面积更大,更有利于水-岩作用的进行;虽然白云岩的中值孔径和平均孔径都小于石灰岩,但白云岩的门限压力小于石灰岩,表明研究区白云岩孔隙系统比石灰岩均匀,其喉道直径要大于石灰岩,整体上白云岩的渗透性要优于石灰岩;白云岩的迂曲度总体小于石灰岩,而白云岩的渗透率比石灰岩高,这也表明研究区白云岩的渗透性更好,更有利于孔隙流体的交换,从而有助于岩溶作用的发生,有利于白云岩地区地下水的渗流及水-岩作用进行,使得白云岩呈现出整体化学溶蚀特征,促使白云岩溶解完全而达到溶解平衡。(3)受地质背景与岩性控制,杉木河流域北部小面积碎屑岩分布区的水化学类型为HCO_3-Ca型,而白云岩区岩溶地表水和地下水中均以Ca~(2+)、Mg~(2+)和HCO_3-为主,水化学类型为HCO_3-Ca·Mg型。较纯白云岩流域与不纯白云岩流域相比具有更高的HCO_3-浓度和Mg~(2+)/Ca~(2+)。就地表水而言,较纯白云岩流域的HCO_3-浓度均值约为4.3 mmol/L,而不纯白云岩流域约为3.7 mmol/L;就地下水而言,较纯白云岩流域的HCO_3-浓度均值约为5.5 mmol/L,而不纯白云岩流域约为5.2 mmol/L。白云岩的溶蚀速率虽然比石灰岩慢,但在水岩作用时间足够的情况下,其更高的溶解度使其产出更多HCO_3-。该流域岩溶地表水和地下水水化学的形成和变化主要受碳酸盐岩风化的控制,人为活动对水化学的影响非常小。研究区岩溶地下水DIC主要来源于有机质氧化分解产生的CO_2和碳酸盐岩的溶解,它们对地下水DIC的贡献平均分别为50.9%和49.1%。(4)研究区杉木河流域来自北部碎屑岩区的外源水的饱和指数SIc和SId都小于零,对流域碳酸盐岩具有强烈溶蚀作用。而外源水进入白云岩岩溶区后,Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3-浓度均显著提高,地表水和地下水的饱和指数SIc和SId每个月均达到过饱和状态。表明,虽然白云岩的溶蚀速率较慢,但在自然条件下,其仍然达到了溶解平衡。这可能是因为白云岩含水性更均匀,形成扩散流型含水层,导致水岩接触面积较大、水-岩-气相互作用的时间相对较长、反应更充分。因而,在自然界流域尺度上,白云岩流域中的地下水和地表水能达到溶解平衡。(5)湿润亚热带典型白云岩流域溶解无机碳及钙、镁离子具有较强的化学稳态行为。2015年3月~2016年3月,黄洲河典型白云岩流域月降雨量和月均流量的变差系数为0.7~1.133,远远高于钙、镁和碳酸氢根等离子浓度的变差系数0.1~0.2,月时间尺度上明显表现出流域化稳性特征,即流量的相对增幅远大于钙、镁、碳酸氢根等离子浓度的相对降幅。这也使得利用低频率采集的碳酸氢根及钙、镁离子浓度与高频率监测的流量数据便可估算典型白云岩流域的岩溶碳汇通量及化学剥蚀速率,并且保证估算值的准确性。(6)利用黄洲河流域内Ca~(2+)、Mg~(2+)离子的质量浓度及流量来估算该流域内岩石化学剥蚀通量及化学剥蚀速率,得出黄洲河典型白云岩流域2015年3月~2016年3月的化学剥蚀通量为119.65 t·km-2·a-1,化学剥蚀速率为46 mm/ka。可见,亚热带典型白云流域的化学剥蚀通量及化学剥蚀速率都较高。(7)采用水化学-径流法估算了黄洲河典型白云岩流域的岩溶碳汇通量,发现2015年3月~2016年3月黄洲河白云岩流域的岩溶碳汇通量为57.58 t CO_2·km-2·a-1。可见,亚热带典型白云流域的岩溶碳汇通量相当可观,这是由于白云石的溶解度较高、且流域尺度上白云岩有足够的时间达到水-岩-气相互作用平衡所造成的。因此,白云岩流域的岩溶碳汇不容忽视。总之,过去关于亚热带典型白云岩流域的化学剥蚀速率及岩溶碳汇通量的研究较少,本论文率先估算了亚热带典型白云岩流域的化学剥蚀速率及岩溶碳汇通量,认为较高的溶解度和较低的溶蚀速率是影响白云岩溶蚀强度的两个重要因素。虽然前人在理论上证明了白云岩的溶蚀速率较低,然而,在流域尺度上,在自然条件下,亚热带典型白云岩流域独特的岩石特性及水文地质结构能使其水-岩-气相互作用的时间总体上可以保证CaMg(CO_3)_2-CO_2-H_2O体系达到平衡状态,进而使白云石的溶解度成为岩溶碳汇通量大小的决定性因素,加之化学稳态行为同样适用于白云岩流域,白云岩溶蚀强度仅取决于水循环强度和溶解度。因此,白云岩较高的溶解度导致白云岩流域较高的岩溶碳汇强度及化学剥蚀速率,白云岩的化学风化可能对全球碳循环也有着重大意义。该论文的结论在亚热带地区典型白云岩流域的岩溶碳汇效应及化学剥蚀速率研究方面有比较重要的突破和创新,为提升全国乃至全球岩溶碳汇估算精度提供了新证据。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P512.2;X142

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