第二章岩溶形成与碳、水、钙循环
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现代岩溶学
第二章 岩溶形成 与碳、水、钙循环
袁道先+ 西南大学 地理科学学院
大纲
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） 四、数据制图软件（origin）的应用
一、全球碳、水、钙循环概述
（一）岩溶动力系统（Karst Dynamic System，KDS）
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 0.496 0.073 0.423 0.496
2、全球水循环对岩溶作用的影响
陆地：每年 11 万 km3 的陆地降水分布很 不均匀，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。
全球年均降水量
(From H. L. Penman,“ The Water Cycle.” Copyright© September 1970 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)
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） 干旱区岩溶（美国Nevada） 地中海岩溶（土耳其） 高山岩溶（四川黄龙）
热带岩溶(桂林)
Baidu Nhomakorabea
干旱区岩溶(美国Nevada)
地中海岩溶(土耳其)
高山岩溶(四川黄龙)
海洋：
海底由于温度低，水压加大，pH值降低，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。
石灰岩溶蚀速度观测安放方式
试验场安装试片铁栅
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
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
定义：控制岩溶形成演化、并常受控于已有的岩溶形态、 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：驱动岩溶形成，调节环境酸化，驱动元素迁移、 形成有用矿产、影响生命，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 •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。
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9 CCD(Carbonate Compensation Depth)或 海底雪线(J. Murry, 1912, 英国挑战者号船)
（三）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)
(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:决定碳酸盐岩库 是否积极参与全球碳循环。
土壤圈在岩溶作用中的重要地位
观测验证：
石灰岩溶蚀速度观测安放方式 试验场安装试片铁栅 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 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 桂林试验场植被恢复，CO2、pH值、 HCO3-也很快改变 雨季水中HCO3-升高，从大气（包括土壤)中回收CO2，成 一个大气CO2的“失踪”汇
（二） 全球水循环与岩溶形成
1、全球水循环 地球上水的起源和分布 年龄： 38 亿年（据沉积岩石）， 46 亿年－ 38亿年间有无水：不知道？ 现在地球上的水量：1408.6×106km3
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
模型
全球碳循环模型，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
全球碳循环模型
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
地球系统碳循环与岩溶作用
问题：
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.
第二章 岩溶形成 与碳、水、钙循环
袁道先+ 西南大学 地理科学学院
大纲
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） 四、数据制图软件（origin）的应用
一、全球碳、水、钙循环概述
（一）岩溶动力系统（Karst Dynamic System，KDS）
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 0.496 0.073 0.423 0.496
2、全球水循环对岩溶作用的影响
陆地：每年 11 万 km3 的陆地降水分布很 不均匀，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。
全球年均降水量
(From H. L. Penman,“ The Water Cycle.” Copyright© September 1970 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)
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） 干旱区岩溶（美国Nevada） 地中海岩溶（土耳其） 高山岩溶（四川黄龙）
热带岩溶(桂林)
Baidu Nhomakorabea
干旱区岩溶(美国Nevada)
地中海岩溶(土耳其)
高山岩溶(四川黄龙)
海洋：
海底由于温度低，水压加大，pH值降低，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。
石灰岩溶蚀速度观测安放方式
试验场安装试片铁栅
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
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
定义：控制岩溶形成演化、并常受控于已有的岩溶形态、 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：驱动岩溶形成，调节环境酸化，驱动元素迁移、 形成有用矿产、影响生命，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 •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。
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9 CCD(Carbonate Compensation Depth)或 海底雪线(J. Murry, 1912, 英国挑战者号船)
（三）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)
(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:决定碳酸盐岩库 是否积极参与全球碳循环。
土壤圈在岩溶作用中的重要地位
观测验证：
石灰岩溶蚀速度观测安放方式 试验场安装试片铁栅 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 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 桂林试验场植被恢复，CO2、pH值、 HCO3-也很快改变 雨季水中HCO3-升高，从大气（包括土壤)中回收CO2，成 一个大气CO2的“失踪”汇
（二） 全球水循环与岩溶形成
1、全球水循环 地球上水的起源和分布 年龄： 38 亿年（据沉积岩石）， 46 亿年－ 38亿年间有无水：不知道？ 现在地球上的水量：1408.6×106km3
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
模型
全球碳循环模型，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
全球碳循环模型
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
地球系统碳循环与岩溶作用
问题：
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.