现代岩溶学Ch2第二章

0.125 0.065 0.013 0.0017 0.0006
1408.7
0.01 0.005 0.001 0.0001 0.00004
100
Sources: Nace 1967; peixoto and Kettani 1973; turekian 1976; and Ambroggi 1977. a As liquid equivalent of water vapor.
一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成 3.全球碳循环与岩溶作用

定义：地球系统的碳循环，是指的碳在岩石圈、 水圈、气圈和生物圈之间以CO32- (以CaCO3、 MgCO3为主)，HCO3-, CO2, CH4, (CH2O)n(有机碳 )等形式相互转换和运移过程。 气圈：CO2, CH4, CO 水圈：HCO3生物圈：(CH2O)n 岩石圈：CO32-, (CaCO3, MgCO3等)
ph升高植物吸收co图27罗马尼亚poartaliuionele洞口钙华及植被图28poartaliuionele洞口水化学变化图29向光钟乳石图30自来水两种不同流出方式引起的水化学变化时间1991年10月10日桂林试验场s291号泉水化学特征随水深变化界面脱气日光照射效应1991年7月4日观测图31溶潭不同水深的水化学变化图32黄果树瀑布脱气产生钙华图33黄果树瀑布水化学监测点分布示意图图331扩散边界层厚度与岩溶作用的关系图34桂林试验场cf5与孔揭露溶洞者暴雨后出现ph降低电导上升的反常现象图35四川松潘县黄龙钙华图36黄龙地热泉转花池由深部封闭系统溢出后在黄龙沟沿线的水化学变化示co脱气和钙华沉积37pamukale图38pamukale钙华台地沿线水化学变化示热水由深部溢出后co下降钙华沉积图39乌江渡水电站大坝廊道中的鹅管图40乌江渡水电站大坝附近水化学剖面示水泥形成高碱性环境caoh含量ppm温度越低水中溶解co浓度越高图42溶液的ph受co浓度的关系图43封闭系统和开放系统中co浓度关系的差别图44温度co浓度对岩溶动力系统运动方向的综合判别jakuss1977图46桂林附近不同水体饱和指数对比其中漓江尧山及漓江边的冲洪积层水受外源水影响为不饱和水具侵蚀性其余为岩溶水均已饱和
图39，乌江渡水电站大坝廊道中的鹅管 图40，乌江渡水电站大坝附近水化学剖面 示水泥形成高碱性环境(Ca(OH)2)
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
小结:
• 根据CO2、pH、电导、HCO3等指标的相互关系及其变 化，可定性判别岩溶动力系统的运行规律，掌握碳、水、 钙循环与岩溶作用方向的关系。 • 监测要实行现场测定、现场解释、及时发现问题，及时 验证。 • 监测点的选择：(泉口或距泉一定距离，土下、树下、 探头放置水下深度等)。监测时间(白天、夜间、早晨、中 午、雨前、雨后)都要根据研究目标安排，克服随意性。
1. 简单定量判别：根据实验、建立溶液中温度、Pco2、
2. 模型定量判别(热力学方法：矿物饱和指数计算)
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
3. 应用实例
(1) 光合作用与CO2浓度(及地形与CO2浓度)
图24，红外CO2测空气中不同高度的CO2浓度(桂林试验场) 图25a，观测结果，CO2在距地面2m高度内，逐步降低。 图25b，洼地底CO2浓度高(600－700ppm) 洼地顶部垭口低(300ppm) 图26，湖北长阳榔平钙华：pH升高，植物吸收CO2。 图26－1 榔平钙华 图27，罗马尼亚Poarta Liu Ionele洞口钙华及植被 图28，Poarta Liu Ionele洞口水化学变化 图29，向光钟乳石 图30，自来水两种不同流出方式引起的水化学变化
全球水循环对岩溶作用的影响
陆地： 每年 11 万km3 的陆地区降水分布很不均匀( 图 3
及图4)，由图上可看出，赤道附近净降水量最大， 而南、北纬20o附近净降水为负值。这对岩溶发育有 很大影响。 图3 全球净降水量(降水量－蒸发量)与纬度的关系 (From J. P. Peixoto and M. A. kettani, “ The Control of the Water Cycle.” Copyright© April 1973 by Scientific American, Inc. All rights reserved.) 图4 全球年均降水量(From H. L. Penman,“ The Water Cycle.” Copyright© September 1970 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)
一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成 4.全球钙(镁)循环与岩溶作用
钙(镁)循环常与碳循环伴生，而在岩石圈、水圈之间转移，一 方面成为碳循环的载体。同时也成为岩溶作用的表现之一。有三 种过程。(图19，钙(镁)循环) (1) 硅酸盐风化，回收大气CO2，将碳存在碳酸盐岩中，为岩溶作 用提供物质基础。这在地球历史的早期，使其适合生命发展，起 了重要作用。 CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2 (2) 碳酸盐溶蚀，回收大气CO2，将钙和碳一起转入水圈，同时形 成岩溶。 CaCO3+CO2+H2O Ca2++2HCO3(3) 板块构造俯冲，碳酸盐岩变质产生硅酸钙盐，回收CO2 CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2
总量长期不变 这个总水量在已知地质历史上，保持不变， 不会向太空逸走(15km高空 凝结返回) 图2 全球水循环 箭头边数字为通量(单位：106km3) 年降水量(陆地＋海面)=年蒸发量(陆地＋海面) 0.110 0.386 0.073 0.423 0.496 0.496 括弧中为：各种水体的贮存量(详见表1)
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
2. 监测注意事项。
(1) 强调现场监测：用便携仪器 图21，CO2测定 Gastec 图22，CO2测定 红外仪 图23， HCO3-, PH, Tº C (2) 强调系统性： 除上述掌握气相、液相指标外，还注意固相的变化：溶蚀(溶痕)， 沉积(有钙华)，生物作用，植被 (3) 注意掌握界面，及环境的变化 液－气界面，生物－钙华界面；土－岩界面等。 环境：久旱，或雨后；日光；生物作用；水体扰动(瀑布等)； 冷水侵入，系统封闭或开放； 人为条件：人群附近，或自然森林中，水泥使用(Ca(OH)2)
现代岩溶学基础
刘子琦 michelle-lily@
绪论 第一篇 普通岩溶学 (16学时)
第1章 地质、气候、水文、植被与岩溶 形成 第2章 岩溶形成与碳、水、钙循环 第3章 岩溶形态组合及其形成环境和特征 第4章 碳酸盐岩洞穴学
第2章
岩溶形成与碳、水、钙循环
一、全球碳、水、钙循环概述 二、岩溶动力系统运行特征的经验判别 三、岩溶动力系统运行特征的定量判别 (矿物饱和指数的计算)
表1 地球表层各种水体的水量分配
Reservoir Oceans Ice caps and glaciers Deep groundwater (750-4000m) Shallow groundwater (<750m) Lakes Soil moisture Atmospherea Rivers Biosphere Total Volume(106km3) 1370 29 5.3 4.2 Percent of Total 97.25 2.05 0.38 0.30
3. 应用实例
(2)
水体扰动、日光暴晒与CO2脱气 图31，溶潭不同水深的水化学变化 图32，黄果树瀑布脱气产生钙华 图33，黄果树瀑布水化学监测点分布示意图
Pco2(PA) 66.07 38.02 64.57
表2，黄果树瀑布上、下游水化学特征变化 Ca2+ Mg2+ HCO3o TC PH 采样点 (mg/l) (mg/l) (mg/l) 1 2 3 21.9 20.7 20.4 8.33 8.55 8.37 65.04 57.89 60.03 18.69 18.09 18.69 179.42 158.41 174.57
即使不在瀑布部位：水流速度与岩溶作用也有密切关系(图33－ 1)。在同一水体，流速快的部位溶蚀作用或沉积作用都较快。 图33－1，扩散边界层厚度与岩溶作用的关系
3. 应用实例
(3) 雨水对土壤CO2的活塞式驱动
图34，桂林试验场CF5与孔(揭露溶洞者) 暴雨后出现pH降低，电导上升的反常现象
(4) 岩溶动力系统开放度变化对水化学特征的影响
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
用地球系统的碳、水、钙循环的运 行规律研究岩溶作用，需要有一种方法， 揭示三者对岩溶作用的综合影响－即掌握 岩溶动力系统的运行规律。
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
1. 判别指标的选择
据岩溶动力系统特点(图20，岩溶动力系统) 以下列指标，及其相互关系，确定KDS运行特征。 气相：CO2：升高 溶蚀 降低 沉积 液相： HCO3-：升高 溶蚀 降低 沉积 pH 降低 溶蚀 CO2溶入水中 升高 沉积 CO2由水中逸出 Ca2+：升高 溶蚀 降低 沉积 固相： 观察CaCO3(MgCO3或其它碳酸盐)是沉积(钙华) 还是溶蚀(溶沟、溶痕(图20-1)等) 生物作用(植被生长)
降水量差别，直接造成了岩溶作用强度
和形态的差别。如 热带岩溶(桂林，图5) 干旱区岩溶(美国Nevada, 图6) 地中海岩溶(土耳其，图7) 高山岩溶(四川黄龙，图8)
海洋：
海底由于温度低，水压加大， pH 降低，溶蚀强度加大，以致在 4000～5000m深度以下方解石不再沉积，称为碳酸盐补偿面(CCD)， 也称为“ 海底雪线”。因为其上有方解石，为白色，其下为红粘 土。 图9 CCD(Carbonate Compensation Depth)或海底雪线 (J. Murry, 1912, 英国挑战者号船) 但海洋水也是不断地运动的。 如在3000m深处，海水的年龄在北大西洋为250岁，而北太平洋为 1750岁(图10，现代大洋深层水年龄分布) 这样就提出了一个大洋水传递带 (图11，大西洋和太平洋之间海水传递带示意图) 上述“ 海底雪线”也被扰动。 陆地水循环造成的一些局部及微观岩溶现象 (波痕、边槽、外源水作用等)已在前一章讲过。
模型：
全球碳循环模型如图12，单位：109tc 五个碳库： 1. 碳酸盐岩99.55% 2. 陆地生态系统 3. 海洋 4. 化石燃料 5. 大气 实线：平衡通量； 虚线：非平衡通量 图12 全球碳循环
地球系统碳循环与岩溶作用
问题：(1)占碳库99.55%的碳酸盐岩是否积
极参与全球碳循环？ 一般认为碳酸盐岩的溶蚀作用是长时间尺 度的缓慢过程？实际上如何？ (2)土壤圈中的碳转换过程(图13) 它决定碳酸盐岩库是否积极参与全球碳循 环。
三、岩溶动力系统运行特征的定量判别
l 简单定量判别 l 模型定量判别(热力学方法：矿物饱和指数计算)
PH、CaCO3饱和浓度的相互关系，用表格或曲线图对岩溶作用方向 强度作简单定量评价，例如： 图41，不同温度和Pco2条件下水中CO2含量(ppm) 温度越低，水中溶解CO2浓度越高 图42，溶液的PH(受CO2控制)值和饱和CaCO3浓度的关系 图43，封闭系统和开放系统中CO2浓度和饱和 CaCO3浓度关系的差别 图44，温度、CO2浓度，和溶蚀CaCO3浓度 对岩溶动力系统运动方向的综合判别(Jakuss,1977)
•实验 •模型
岩溶动力系统的定义，功能 和特征，要求我们从全球 碳、水、钙循环来掌握其运行规律。
一、全球碳、水、n 地球上的水的起源和分布 年龄：同地球岩石 38亿年(据沉积岩石) 地球历史46亿年(据同期陨石推算) 46亿年－38亿年间有无水：不知道 现在地球上的水量：1408.6×106km3
图35，黄龙钙华 图36，黄龙地热泉(转花池)由深部封闭系统溢出后， 在黄龙沟沿线的水化学变化，示CO2脱气和钙华沉积 图37，土耳其Pamukale钙华 图38，Pamukale钙华台地沿线水化学变化示热水由深 部溢出后，CO2脱气，pH升高，HCO3下降，钙华沉积
(5) 人类活动对岩溶动力系统运行规律的影响
观测验证：
图14，石灰岩溶蚀速度观测安放方式 图14－1，试验场安装试片铁栅 图15，广州－伊春各观测站溶蚀速度观测成果曲线 土下溶蚀比地面溶蚀多。 CO2与水相结合才能加强溶蚀作用，成为一个汇Sink 图16，陕西甸阳鱼洞岩溶动力系统观测结果 1. 碳酸盐岩库积极参与全球碳循环 2. 土中CO2不能单独促进溶蚀作用 3. 它必需与雨水结合，才能促进溶蚀作用 图17，桂林试验场植被恢复，CO2, pH, HCO3也很快改变 雨季水中HCO3-升高 由大气回收CO2，成一个汇Sink 图18，大气CO2的“ 失踪”汇sink
一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成
1.岩溶动力系统(图1)
定义：控制岩溶形成演化、并常受控于已有岩溶形态的、 在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上，以碳、水、 钙循环为主的物质、能量传输、转换系统。它是由固相、 液相、气相三部分构成的开放系统。 功能： ①驱动岩溶形成 ②调节环境酸化 ③驱动元素迁移、形成有用矿产、影响生命 ④记录环境变化 特征：对环境变化反映灵敏，需要特殊的工作方法。 •监测: 掌握系统、界面、事件