1、从沉积物组成变化看三峡水库蓄水对大宁河沉积环境的影响第 27 卷第 1 期2008 年 3 月中国岩溶CARS0L0GICASINICAVo1.27No.1Mar.2008文章编号:10014810(2008)01 003206从沉积物组成变化看三峡水库蓄水对大宁河沉积环境的影响王勇,李红春,罗尚德.,郭芳旭.,蔡金郎.,王津(1.西南大学地理科学学院,重庆北碚 400715;2.台湾成功大学地球科学系 ,台湾台南 70101;3.台湾中山大学海洋地质与地球化学研究所,台湾高雄 804;4.广州大学环境科学与工程学院,广东广州 510006)0 前言摘要:对 2006 年 1o 月采自长江重要
2、支流大宁河中上游河底沉积物约 42cm 长的岩芯样品进行 X 射线衍射(XRD),总碳(TC)和有机碳(TOC)分析.实验结果表明:(1)该研究时段内沉积物中主要的矿物类型是石英和方解石,总碳含量为 3357g/kg,有机碳含量为 834g/kg;(2)沉积剖面中总碳和有机碳含量从 lOcm 深的部位向岩芯顶部都发生了急剧的下降,沉积物颜色也在此处由灰色转为红褐色,这可能反映了三峡水库蓄水后,在较低的流速状态下,原来处于位置较高,含碳较低的褐红色粘土受水体淹没并被大量输入河流沉积物中,从而引起了泥沙沉积速率的迅速增加;(3) 双龙沉积剖面中有机碳的变化结果还显示,在 1710cm 深处沉积物有
3、机碳含量大幅度增加,可能是本区域内该时段人类活动引起有机物质急剧输入到河流中的反映.关键词:沉积物;总碳含量;有机碳含量;矿物成分;三峡水库 ;大宁河中图分类号:P512.2 文献标识码:A三峡库区的建设是合理利用长江水资源,防止中下游洪涝灾害发生的一个重大举措.三峡大坝工程的修建以及各项工程改造为库区社会经济发展提供了一次良好的发展机遇,但三峡水库完成 175m 线蓄水后,将产生一个面积广达 1084km.的蓄水区,由其引发的环境和地质问题引起了众多专家学者的关注和研究.对于库区的环境变化,以往的研究多从库区水体污染,土壤侵蚀,土地利用/土地覆被变化等方面来进行,对蓄水后河流沉积环境变化的研
4、究报道尚不多见 L1J.由于采取了“蓄清排洪 “的措施,目前长江干流的泥沙淤积问题似乎基本可以解决.但由于三峡水库蓄水,库区两岸的支流也变成了静水环境,在水流几近停滞的状态下必然会引发支流河道中泥沙淤积和水体污染问题6. 同时,在建设移民新城的过程中,由于科学规划与管理不足,大量的工程和生活废弃物进入支流水系,导致蓄水后水位上升,水流减缓,河流自净能力变差,造成支流水系的污染日趋严重.此外,河流是全球碳循环的一个重要环节,河流底部沉积物与流域内碳物质的变化密切相关,但目前对河流中碳物质的研究主要集中在河流水体中悬浮态物质含碳量的变化上,而对沉积于河流底部的沉积物中的含碳量研究较少 L7.因此,
5、了解河流沉积物中固定碳物质的特征,无论是对于探究水体的富营养化或是探究河流碳循环过程都具有重要的意义.在探讨沉积物的来源研究中,矿物的变化历来是一个常用的有效手段1, 河流沉积物中矿物类型基金项目:本文受国家自然科学基金(全新世中期以来贵州生态环境及石漠化演变格局石笋记录研究,批准号:NsFC4O6722O2),重庆市院士专项(重庆东北部九盘河流域碳氮及微量元素循环机制与环境演变格局,批准号:CSTC,2006BC7002),西南大学博士基金(swNuB2OO5O39)共同资助第一作者简介:王勇(1975 一),男,博士,副教授,主要研究方向为环境磁学,河流沉积物环境特征等*通讯作者:李红春(
6、1960 一),男,教授.Email:hliUSC.edu.收稿日期:20070825第 27 卷第 1 期王勇等:从沉积物组成变化看三峡水库蓄水对大宁河沉积环境的影响 33和沉积组成的变化也是了解河流沉积环境自然变化的手段之一.另外,由于自然原因和现代人类活动导致输入河流有机物质的变化,也必然会对河流沉积物的理化性质产生重要的影响.基于此,我们于 2006 年10 月在库区长江主要支流大宁河采集沉积物岩芯,并对其矿物种类和碳含量变化进行初步研究,以探讨河流沉积物对三峡水库蓄水前后的响应.1 研究区概况大宁河位于长江三峡的中段,发源于大巴山南麓,在巫峡西口巫山县城附近汇入长江(图 1),是长江
7、三峡段第一大支流,全长 250km.长江三峡的巫山段是长江三峡中石灰岩发育最为典型的地区,因此大宁河流域主要土壤为碳酸盐岩风化发育的地带性黄壤和黄棕壤,流域内植被主要为亚热带常绿阔叶林.主要的农作物为玉米,稻谷,小麦和油菜等.流域内主要的地貌是峡谷地貌,以“小三峡 “而着称,现代河漫滩相堆积在库区蓄水以后已鲜能见到.由于长期的人类活动,流域内植被破坏较大,水土流失现象严重.图 1 研究区地理位置和采样位置示意图Fig.1Locationsofthestudyareaandsamplesites2 样品采集与实验结果2006 年 10 月 15 日,我们利用重力岩芯采集器在大宁河大昌镇到巫山县城
8、段共采集岩芯 4 根.本文研究的样品采于大昌镇附近涂家坝大宁河河底以及双龙镇附近小溪河入口处的大宁河河底(图 1).大昌镇岩芯(YZ1 一 l1)长 43cm,双龙镇岩芯(YZ122)长41cm.两根岩芯距顶约 10llcm 处有明显交界线(图 2),10cm 以上为红褐色 ,以下为灰色.为防止沉积物扰动,岩芯在野外当场分样.YZ1 一 l1 岩芯以 3cm为间隔取样,共获得样品 14 个;YZ122 岩芯在 09cm 深处以 1.5cm 为取样间隔,919cm 深处以 2cm为取样间隔,19cm 以下以 3cm 为取样间隔,共获得样品 18 个.野外取得样品后首先置于保温箱内低温保存.在实验
9、室试验时,将样品从保温箱中取出,待其完全溶解后挤出并放置于玻璃皿中,在 60烘箱中加热烘干,然后把样品放在玛瑙研钵中研磨,使土样各部分充分混合,用 80 目的分样筛将样品中的植物残体部分分开待测.图 2YZ111(左图)和 YZ122(右图)岩芯柱Fig.2Photosofsedimentcores(1eftpanelforYZ111andrightforYZ122)2.1X 射线衍射(XRD)分析在台湾成功大学地球科学系,作者利用 x 射线衍射仪对 YZ122 岩芯的 18 个样品进行了测试.取约0.2g 磨细混合均匀的粉末样品并加丙酮,涂于玻璃片上,然后置于 RigakuXRD 衍射仪上测
10、试.作者起初打算用各样品中碳酸盐特征峰的峰面积半定量地估算碳酸盐含量的变化,然而后来发现,由于样品介质的变化,碳酸盐晶粒分布不均匀,碳酸盐含量低等原因,在计算石英与碳酸盐含量时误差较大,定量分析存在困难,因此我们主要结合 XRD 结果来定性讨34 中国岩溶论样品中的主要矿物构成.所有样品 XRD 的分析结果显示,沉积物中主要的矿物为石英和方解石(图 3).从样品的石英特征峰(20=26.5)的峰面积(624)与石英标准样(陶片) 石英特征峰的峰面积(1128) 相比估计,样品中大概含有 5O 左右的石英.根据碳含量的测试(见后文), 样品中方解石的含量为 1233.除此之外,样品中还含有云母一
11、伊利石类和绿泥石之类的粘土矿物,但是这些粘土矿物含量较低,晶型排列也很复杂,因此没有显示出明显的特征峰.综上所述,大宁河河底沉积物的组成主要是石英和方解石,其它为粘土矿物和有机物质.2n/一,Z1220图 3 大宁河河底沉积物代表性样品的 X 衍射图谱Fig.3XRDspectraofsampleYZ122OfromriverbedoftheDaningriver2.2 总碳(Tc) 和有机碳 (TOe)分析作者在台湾成功大学地球科学系用 LachatIL550TOCTN 分析仪对 YZ111 和 YZ122 岩芯沉积物中的总碳和 YZ122 岩芯的总有机碳含量进行了测定.准确称取 5O60m
12、g 左右的样品,放入分析仪在 1200.C 下灼烧,定量分析所释放的 CO.,得出样品中总碳含量.然后,准确称取 7O90mg 左右的样品,以 1NHNO.滴入样品至无气泡产生,以彻底去除样品中的碳酸盐,再将样品放入分析仪在 1200下灼烧,定量分析所释放的 CO,得出样品中总有机碳含量.该仪器的分析精度可以到达 ppm(mg/kg)级.表 1 列出了各样品的总碳和有机碳分析结果.图4 显示两根岩芯的总碳含量和 YZ122 有机碳含量量0【图 4 大宁河河底沉积物总碳(Tc),有机碳(TOC)含量及有机碳占总碳含量百分比变化图Fig.4VariationsofTC,TOCandTOC/TCin
13、YZ122,andvariationsofTCinYZ111的变化.分析结果显示,两根岩芯样品中总碳的含量大致在 3o57g/kg 范围内变化,样品含碳量最高可达 5.7%,而且变化趋势基本一致.由于这两根岩芯的相似性,我们可以认为它们代表大宁河从大昌镇到双龙镇这段距离的沉积物特征.图 4 中岩芯 YZ122 的有机碳含量为 834g/kg,占总碳的比例上半部为5O6O9/5,下半部较低,为 18359/5.有机碳的绝对含量在岩芯深 1O17cm 段内最高,占总碳的比例大于 5O.2.3 沉积物年代测定为了便于讨论,我们对采集的样品进行了.Pb测年(表 2).Pb 定年是在广州大学环境科学与工
14、程学院,利用能谱仪测量样品中与.Pb 平衡的.Po 的强度.Pb 的半衰期为 22.4 年.从理论上来说,100年内的沉积物中过剩.Pb 应该随沉积物的深度呈指数衰变.然而,我们没有得到这样的结果,即.Pb 的强度基本不随深度衰减.引起这种现象的原因主要有两个:一是沉积的速率太高,而且变化大.由于沉积速率快,不仅沉积物中的.Pb 会受到稀释,而且大气沉降的.Pb 也不能很好地吸附在地表沉积物中而造成含量太低.二是小于 2O 年的样品,很难看到.Pb 的衰变.这种.Pb 不随沉积物的深度呈指数衰变的结果,也可以从反面来证实我们采集的样品为近代所沉积.第 27 卷第 1 期王勇等:从沉积物组成变化
15、看三蛱水库蓄水对大宁河沉积环境的影响 35表 l 大宁河双龙镇河底沉积物总碳(Tc),有机碳(TOC)及 TOC/TC 测定值Tab.1Totalcarbon(TC),totalorganiccarbon(TOC)andTOC/TCofYZ122,TCofYZ111表 2 大宁河岩芯 YZl 一 22 中.Pb 强度随深度变化表Tab.2VariationofPbintensityinYZ122corefromriverbedoftheDaningriver3 结果与讨论从野外和实验室的观察可以看出,沉积物在岩芯的不同深度呈现出明显的颜色差异(图 2),沉积物由大约 10cm 深处以下的灰色转
16、为此深度以上的褐色,反映了流域沉积环境的变化特征.通常地来说,导致颜色变化的原因主要是沉积物的矿物组成和有机质含量的变化.但从矿物测定的结果来看,矿物的种类并没有发生明显的变化,主要是石英和方解石,以及部分粘土矿物.这些矿物的含量虽然随岩芯深度发生了一些变化,但并不明显.因此,沉积物颜色的变化难以用上述矿物组成的变化解释.一般来说,沉积物中含有少量的高价铁锰氧化物,如 Fe.o.和 MnO.,是导致沉积物呈红褐色的主要原因.在大昌镇和双龙镇附近大宁河西岸标高 150m 以上的地方都发育有褐红色粘土层,在滴翠峡两岸则是石灰岩地层.因此,作者判断这两根岩芯中 10cm 以上的沉积物可能是由于三峡水
17、库蓄水水位抬升,使原本处于水面以上的粘土层被淹没变软,后在水流的冲击和侵作用下,大量的粘土颗粒被带进河流中,同时由于水库蓄水后水力梯度变小,水流速较低,因而土粒没被搬运太远便沉积下来,从而使得沉积物的颜色由灰色变为红褐色.这样,作者保守地估计从 2003 年三峡水库蓄水以来,大宁河中上游段在大约 3 年的时间内沉积了 10cm 的泥沙,平均线性沉积速率大约为 3.3cm/a.这一沉积速率是通常河湖相沉积速率的 1020 倍,反映了三峡水库蓄水对大宁河泥沙堆积的巨大影响.沉积物样品中总碳和有机碳的含量变化也支持了作者的上述解释.一方面,总碳的含量(以 YZ122为例)在深度 10cm 以下较为稳
18、定,平均值为 48g/kg,在 10cm 以上持续降低,这说明含碳量较低的褐红色粘土在水库蓄水后不断地输入到大宁河中,稀释了沉积物的总碳含量.在 YZ122 岩芯中 27cm 深处( 对应于 YZ1 一 l1 中 35cm 深处 )的总碳低谷值也许可以理解为特大洪水或三峡建坝前人类活动的影响造成褐36 中国岩溶红色粘土的大量输入.另一方面,在沉积物 10cm 以上这一部分,石英含量和总碳含量基本呈反相关,也反映红褐色粘土的稀释效应.从岩芯 YZ122 有机碳含量的变化曲线上(图4),我们可以区分出三个比较明显的阶段:(1)17cm以下有机碳含量处于一个较低的水平,为 816g/kg;(2)从
19、17cm 到 10cm 是沉积物中有机碳含量最高的部分,为 2434g/kg;(3)10cm 以上,有机碳含量从 31g/kg 减低到 14g/kg 左右,与总碳含量变化呈现同步下降趋势(图 4).而有机碳占总碳的比例只呈现两个大的变化趋势,即从底部到 10cm 深处总体为上升趋势,而在 10cm 以上变化较小,稳定在 4O5O左右.根据总碳含量和有机碳含量,我们可以计算无机碳(TIC)的含量(TIC=TCTOC).由于无机碳基本是方解石,我们可以将无机碳含量转换成样品中方解石的含量(CaCO3 一 TIC(g/kg)100/(1210).由表 1 中的 TC 和 TOC 数据计算,样品中方解
20、石的含量为 1233.有机碳含量和占总碳比例的变化可以这样理解:在第一段中(17cm 以下),沉积物中有机碳 ,总碳和方解石含量基本为自然条件下的背景值,有机碳的含量随着沉积物年龄变老而被氧化减少;在第二段中(1017cm),有机碳含量大幅增加,可能指示该流域人类活动的增加(如大宁河小三峡的旅游开发,区域内水土流失等)造成有机物质输入的增加.在第三段中(10cm 以上),有机碳和总碳同步减低是由水库蓄水后红褐色粘土的稀释效应所引起,而这种稀释效应并不会改变有机碳占总碳的百分比.综上所述,大宁河中上游沉积物在深度 10cm 以下的沉积为受人类活动影响相对较为稳定时期的河流沉积,有机碳含量在这一时
21、期的上升趋势可能是流域内人类活动加强的反映.而在 10cm 以上的沉积物,颜色转变为红褐色,有机碳和总碳含量急剧下降,则是由于三峡水库蓄水后河流两岸褐红色粘土的输入所为.在人类活动中,水库和大坝的兴建是影响河流最为重大的举措之一 l1.黄河着名的三门峡水利枢纽工程对黄河和渭河的泥沙产生了重大的影响,泥沙在大坝以上区域干流和支流区域的大量沉积以及下游区域河流的下切都大大改变了河流的动力系统和地貌 I1.三峡水库蓄水引起的长江支流水质的变化一直受到研究者的关注.Zhang 等的研究指出在长江及其干流上,因水库的大量兴建,而非降水和径流的变化,是造成最近几十年来长江河流携带物质减少的主要原因.同时,水库的修建对于支流沉积物的影响要大于干流1. 对大宁河而言,由于蓄水引起的水质变化,尤其是富营养化问题首先得到了注意,如钟成华等对蓄水 135m 后大宁河回水段的富营养化研究就证实了蓄水工程对支流水系水质的重大影响1.同时,库区蓄水后被淹没土壤的地球化学元素的释放同样是人类获得造成环境变化的一个重要例证.杨钢等通过受淹土壤污染物释放量的实验指出:三峡工程建成蓄水后,受淹耕地将遭到江水浸泡,积蓄在耕地上的有机污染物,N,P 以及 Cu,Cr 等微量重金属将通过溶解,交换,扩散而迁移到江水中,增加江水中相应成分的含量.其中以 CODBCOD 为主成为三峡库区水环境污染的重要污染源1.然而对三峡地
