1、贵州七星洞滴水的水文水化学特征及其意义-52-水文地质工程地质 2006 年第 1 期贵,kl,I 七星洞滴水的水文水化学特征及其意义周运超,王世杰(1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳 550002;2.贵州大学林学院,贵阳 550025)摘要:本文对贵州都匀七星洞 9 个滴水点进行厂为期 1 年的动态临测,结果显示滴水的物质组成直接源自于洞穴环境,即土壤和岩石.而大气降雨携带的物质成分较少.洞穴滴水的化学组成中元素含量变化主要由水运移过程中水一土,水一岩作用导致的岩石溶解一方解石沉淀过程所控制.QXD1#,QXD.2#,QXD.6#,QXD一 7#,QXD 一 8#
2、由于水运移过程中经过的土壤较薄.水一岩作用对滴水化学特性的贡献略大.稀释作用发生在于旱条件下的 QXD 一 2#滴水点,活塞作用在雨季对 QXD 一 7#,QXD 一 9#滴水产生影响,在不同的季节,QXD 一 1#,QXD 一3#,QXD8#滴水点的滴率产生跳跃式变化.这些作用均受控于水的来源差异.所有这些过程对滴水点水化学产生影响但其效果较弱.滴水的 Mg/Ca 指示了大气降雨的变化,其值受控于洞穴顶板内水运移过程中水一土,水一岩作用下的水文地球化学过程即岩石的溶解,方解石沉淀过程及土壤物理,化学,牛物学过程等.关键词:贵州七星洞;洞穴滴水;水文地球化学过程;作州;意义中图分类号:t:64
3、1.3;64l,134;P642.252 文献标识码:A 文章编号:1000 3665(2006)010052.061 引言目前针对七星洞次生沉积物记录的古环境变化研究取得了大量富有成效的研究成果.本文通过对七星洞水文地球化学过程的了解,一.面弄清了影响洞穴滴水中 Mg/Ca 的因素,另一方面明确了 Mg/Ca 的准确指征,同时了解发生在洞穴顶板的水文地球化学过程,以揭示发生在七星洞顶板内(黑箱中)水一土,水一岩作用过程及特点.2 研究点概况及研究方法2.1 研究点概况七星洞位于贵州都匀市凯口镇凯酉村东约1.5km,东经 107.16,北纬 26.o4,系发育在 Cb-Chn白云质灰岩的高位水
4、平旱洞,洞口海拔 1020m 左右 ,盖板厚度 50m 左右.七星洞地表植被为草地灌木林.区内年均温度为 15.9,年均降雨量 1445mm.根据滴水点洞顶出水处次生沉积物类型,滴距高低,滴率大收稿日期:20050204;修订日期:2005.10.08基金项目:中国科学院地球化学研究所知识创新工程前沿领域项目和国家自然科学基金委西部生态环境研究计划项目(90202003) 资助.作者简介:周运超(1964 一),男,博士后,教授,地球化学专业.Email:小,滴点次生沉积物类型等特性的差异,在洞内选择了9 个观测滴水点,由外向内按顺序编号为 QXD 一 1#QXD 一 9#.2.2 研究方法(
5、1)样品采集 9 个观测滴水点每月采样 1 次.土壤水样品的采集为在洞穴滴水点上部土下 50cm 处埋设土壤水收集器(3 次重复)定期每月进行 1 次采样和测定.监测时间自 2003 年 4 月2004 年 5 月.(2)测定在洞穴环境下,现场测定滴水点滴率,pH,HCO;等项目,HCO 采用标准酸混合指示剂.滴定法.样品采集好后,在实验室内进行阴阳离子的测定工作,s0:一,cl 一采用 HP1100 型高效液相色谱仪测定,Ca“,Mg2,Na,K 采用 PE5100PC 型原子吸收光谱仪测定,阴阳离子问的测定误差控制在 4-5%以内.所有结果的分析均是在中国科学院地球化学研究所环境地球化学国
6、家重点实验室完成.在进行示踪滴水点样品采集的同时,采用简易的大气降雨测定器皿测定大气降雨量.将已知直径的塑料圆桶洗净后,置于屋顶(无树枝遮拦)承接大气降雨,并记录起止降雨时间.降雨结束时,测量桶内水量毫升数,换算成毫米雨量.3 元素分析结果3.1 大气降雨,土壤水中的元素动态七星洞大气降雨中 Ca2,Mgz 元素含量均非常低2006 年第 1 期水文地质工程地质?53?(图 1),其范围分别为 1.254.63mg/L,0.100.40mg/L,目.不同的季节相差不大(与土壤水,滴水同尺度比较).Mg/Ca 比的动态也大致显示出相同的特点,其值在 0.030.15 之间变动.而大气降雨中的 s
7、0 一则在干旱季节明显升高(1O.1123.70mg/L),湿润季节含量较低(2.142.44mg/L),干,湿季节的差异较大.日日田图 1 大气降雨,土壤水主要元素动态Fig.1KineticsofMaindementsinrainfallandsoilwater(a):Ca;(I);M;(c):Mg/Ca;(d):SOj 一1 一大气降雨;25Om 土壤水;3m100cm 土壤水土壤水中的 ca 含量存 7 月份时最低 ,8 月份为最高,直接原凶可能是七星洞区域大气降雨始于每年的 4 月份,雨季的到来加速了土壤 Ca2 的淋洗作用 ,反之,含量就高.上壤水中 ng 的变化较缓,7 月份时含
8、量较高,9 月份最低.时,100cm 土壤水 M 含量与 50cmt 壤水中的含量相差约 1mg/L 左右,表现出与 ca 不同的特点,这可能是土壤对 M 的作用,使M 的淋洗显示出略为滞后的特点.相应地 Mg/Ca表现出雨季高(0.93), 旱季低(0.350.53) 的特点.SO;则是雨季低 (6.188.84rag/L),旱季高(22.3526.13mg/L),lOOcm 处的含量略高于 50cm 处的含量 ,_二者相差 24rag/L.3.2 洞穴滴水主要元素动态滴水 ca 显示出 7 月份时为一低值 ,在 13.2913,45mg/L 之间,其余时间段则较高(图 2),在 18.75
9、80.20mg/L 之间,表现出与土壤水相似的变化过程,显示了洞穴滴水对上壤水的继承特点.Mg2 含量总体差异较小,在 21.3435.00mg/L 之间,平均值为 28.17mg/L.Mg/Ca 比的动态则表现出 7 月份时的一个峰值(1.85 3.27)和其他时间段的低值(0.401.86), 但QXD 一 6#滴水点有 2 个时间段 Mg/Ca 超过 2.o0.同一滴点不同季节的 s0:变化较小,各滴水点季节间的最大差值为 2.82mg/L,不同滴点问存在的差异较大,其差值达到 5.917.84mg/L.3.3 滴水滴率与元素问的相互关系七星洞滴水点滴率大的有 QXD 一 4#,其滴率为
10、0.498-t-0.264 滴/s; 小的有 QXD 一 9#,滴率为 0.1300.060 滴/s;同时,滴水中元素含量都在变化,大致有如下 4 种类型(图 3):QXD 一 1#,QXD 一 3#,QXD8#呈现出跳跃式的变化,即滴率大致维持两种水平,但元素含量均发生改变;QXD 一 2#则是在一定滴率阶段随着滴率的增大,元素含量下降,滴率高到一定程度后保持较为稳定状态,但元素含量变化;QXD 一 4#,QXD 一 5#,QXD.6#表现为随着滴率的改变,元素含量无规律变化;QXD 一 7#,QXD 一 9#在低滴率阶段,滴率不变而元素含量变,当滴率上升时元素含量增加.4 讨论4.1 洞穴
11、滴水的物质来源从图 1 可以看出,大气降雨中的元素含量大致情况为 ca2,M 含量极低,而土壤水中 Ca2,Mg2 含量较高,50cm 土壤水中的 Ca2 含量就已经达到较高的水一呈(1 里水文地质工程地质 2006 年第 1 期平,Mg2 含量略低.水一土作用的结果使得水中的Ca2,Mg2 量快速增加,也就使得 50cn 土壤水中的C 含量接近 ,甚至超过某些滴水中 C 含量,而100cm 土壤水中的 c 含量更是超过了 50cm 处的含量,也超过了滴水中的量,同时远超过大气降雨输入的量(图 1,图 2).土壤水中的 Mg2 含量也达到滴水的一半左右,表明滴水中 Ca“,Mg.的丰要来源之为
12、土壤.另一主要来源为岩石.20032200362003102004220046时问(年 .月)圈日 2 田 3 田 4 困 5 田田日 8 日 9图 2 滴水主要元素动态Fig.2KineticsofMainelementsindripwaters(a):Ca;(b):Mg“;():Mg/Ca;(J):SOQXD 一 1#;2QxI)-2#;3 一 QxI)3#;4 一 QxD-4#;5 一 Qx1)_5#;6QxD-6#;7Qx1)-7#;8一 QxDJ8#;9-QXD 一 9#大气降雨中的 s():一雨季含量较低,干旱季节较高,表明大气降雨存在着对岩溶系统 s():一的输入,尤其在于旱季节
13、表现更加明显.然而,大气降雨携带的s0j 一进入土壤后,很快被士壤固定.从图 2 可以看出,土壤中 s0的含量较高,甚至高于滴水中 s()一含量.同时,滴水点不同季节 s0i 的含量差异较小,而滴水点间的差异较大,可以达到 34 倍.其原因并不是源自大气降雨,而是土壤的物理,化学发生物过程导致的结果,表明土壤 s0i 是岩溶?I 可八滴水 SO的主要来源.从滴水的 ca含量米看,可以明显地划分成两类(图 2a):QXD 一 1,QXD 一 2,QXD 一 6,QXD 一 7,QXD 一 8含量存 19.5830.21rag/L 之问;QXD 一 3,QXD 一 4,QXD 一 5,QXD 一
14、9含量在 33.6650.48mg/L之间.前一组滴水点的电导率(230.59269.451Ls/cm)低于后一组(312.10345.22tts/cm);前一? 组滴水的Mg/Ca(1.141.68) 高丁后一组的 (0.721.03)( 图2).这些结果指示了水在洞穴顶板内的运移过程中,前一组滴水点的水运移时经过的土壤较薄,而后一组经过的土壤较厚.表明水在洞穴顶板内运移过程中,经过十壤厚的滴水点,岩石对滴水水化学特性的相对贡献小些,而经过土壤薄的滴水点岩石的相对贡献大些.4.2 洞穴滴水的水文地球化学过程洞穴滴水存洞穴顶板内的运移过程中,常常会受到不同源来水,稀释作用,活塞效应,岩石溶解以
15、及方解石沉淀等过程的影响(1)同源来水洞穴滴水的示踪结果表明 9个滴水点均出现了示踪剂的踪影 j,即七星洞滴水点水中的示踪剂(Na,C1 一)含量(0.58 0.78mg/L,0.791.58mg/L)仅略高于背景值(0.35mg/L,0.13mg/L),对其他洞穴滴水的示踪研究表明,滴水中示踪剂含量可高达 3.24mg/I,10.30mg/L,即七星涧示踪剂的埋设点并不足洞内滴水点的主要物源点.因此,七星洞9 个滴水点均受到多来源水的影响.尤其明显地表现在 QD 一 1,QXD 一 3和 QXD 一 8滴水点,这种多来源6生箜塑水文地质工程地质水对滴水的影响结果可以从滴率与元素问的关系得出(
16、图 3).3 个滴水点滴率呈现出一种跳跃式的变化,即滴率维持 2 种水平,但元素含量均发生改变.表明当摆瓣摆lO童摆.撰00存在另外的来水时,来水量加大,水头压力增大,滴率增加,元素含量也发生变化.摆一jl摆lOo.5jl撰OONO1(mg/I)so:.(rag/L)圈 1 回 2 囚.口5 回 e口 8 口 9图 3 七星洞滴率与滴水元素间的关系Fig.3CorrelationofdripratewithelementcontentsinQixingcave(a):Ca“;(1,):Md;(c):No;(d):sol 一1 一 QX1)-I#;2QX1)-2#;3 一 QXD-3#;4QxI
17、)-4#;5 一 QxD-5#;6 一 QXD-6#;7 一QxD-7#;8QxD-8#;9 一 Qx1)-9#(2)稀释作用岩溶系统中最容易发生的作用类型是大气降雨直接影响水运移过程中的元素化学组成,即“ 稀释作用“. 从滴率与元素问的相互关系来看(图 3),QXD.2#在低滴率条件下 ,显示了随着滴率的增加,s0: 一等元素含量逐渐下降的现象,表现出相对明的稀释作用效果,但当滴率增加到一定程度(0.2l 滴/s)后,元素含量未显示出规律性变化,表明稀释作用只在低滴率条件 F 较明显地影响到 QXD 一 2#滴水点(3)活塞效应由于水头的限制,QXD 一 7#,QXD 一 9#在来水量低时滴
18、率不变,来水量大时,随着滴牢的增加,元素含量也增加(图 3),表明其他来源的水将先前贮存于其他地点的高离子含量的水以活塞作用的方式推入这 2 个滴水点的运移路径,从而产生与其他滴水点不同的水运移模式及化学组成特点.但由于滴水对大气降雨的响应时间较缓,这一作用对滴水点的影响较弱.(4)岩溶解岩溶系统中,岩石的可溶解性是一显着特点,它主导了洞穴顶板内发生的作用.根据对七星洞土壤水,滴水的方解石饱和指数(s,.)及 CO分压的测定计算,结果见表 1.由于生物的活动,土壤中产生人量 CO,土壤水的 CO,分压极高,而 50crI1 处的 CO 又高于 lO0m 处的,滴水的 CO 分压则很低 ,同时,
19、土壤水的 s,值多为不饱和(负值),表明土壤水进入岩裂隙的最初一段时间内会对岩石产生溶解作用,从而形成过饱和的水,而滴水的.s,值多为饱和,表明在水运移的过程中,产生了岩石的溶解作用.同时,滴水中 Mg2 含量较土壤水的高出 1 倍的现象也说明 r 这一结果( 图 1,2).(5)方解石沉淀从表 l 可知 ,七星洞 9 个滴水点滴水的 S,值多为饱和甚至过饱和,而从图 2,图 3Hn 看出,9 个滴水点滴水中的 Mg2 含量变化较小,但ca“变化较大, 甚至低于土壤水中 ca 含量.上述已经证明土壤水进入岩石后发生了岩石的溶解作用,应泼出现的结果是滴水中 ca2 含量更高的现象.但实际上,在碳
20、酸盐的岩石节理中常常可以看到一种缝合线的构造,表明水在岩石裂隙内运移的过程中,水的方解石饱和指数达到饱和后继续发生了另外一种作用过?56?水文地质工程地质 2006 年第 1 期程,即方解石沉淀作用.这一作用发牛在饱气带的岩石裂隙中.能够发生 CO 的溢出,导致水中已经出现的高 Ca2 含量下降,而 Mg2 的含量增加.从图 4 中可见,在七星洞 9 个滴水点顶板内水运移过程中均发生了随着 ca2 含量的下降,Mg/Ca 增加的规律变化,即发生了方解石沉淀的作用过程.且 9 个滴水点的这一作用过程指示均达到 O.9 以上的相关性,表明这一作用过程主导了七星洞洞穴顶板内发生的水文地球化学过程,并
21、主要控制了滴水的水化学特性.4.3 作用及意义表 150100em 土壤水,滴水方解石饱和指数() 及 C02 分压Table1SaturationindexofCalcite(S/c)andCO2partialpressureofdripwaterand50 一lOOcmsoilwater100一J玉童 5O土0Mg/Ca田回 2 囚.口回.口 s 日 9图 4 洞穴滴水 Ca2 与 Mg/Ca 的相关性Fig.4CorrelationofdripsCa2withMg/CalQxD-1#;2 一 Qxl1-2#;3 一 QxD 一 3#:4 一 QxD-4#;5 一 QXD-5#;6 一 QxD-6#;7 一 QxD-7#;8QxD-8#;9 一 QxD 一 9#已经有人在实验室人工模拟条件下研究了喀斯特系统滴水的化学组成与次生沉积物微量元素之间的相关性特点.研究表明次生沉积物的 Mg/Ca 决定于次生沉积物形成时的温度以及滴水的化学组成.而在洞穴
