四川省綿陽中學(xué)（621000） 師自龍

金佛山表層巖溶泉水化學(xué)動態(tài)變化淺析

四川省綿陽中學(xué)（621000） 師自龍

為進(jìn)一步研究中國亞熱帶地區(qū)表層巖溶水的動態(tài)變化規(guī)律，了解亞熱帶巖溶作用機(jī)制，通過分析重慶金佛山表層巖溶泉——碧潭泉和水房泉的全自動觀測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：(1)長時間尺度監(jiān)測表明，海拔不同的兩個泉水之間水化學(xué)性質(zhì)有較大差異。（2）短時間尺度加密觀測表明，碧潭泉和水房泉的水化學(xué)性質(zhì)晝夜變化一致，但有區(qū)別。（3）在降雨作用下，碧潭泉和水房泉的水化學(xué)動態(tài)變化一致。（4）兩個泉水水位都比較穩(wěn)定，可以在一定程度上保證附近居民的用水，尤其可用于山頂?shù)穆糜伍_發(fā)。研究結(jié)論有助于進(jìn)一步認(rèn)識表層巖溶水的變化規(guī)律，理解亞熱帶巖溶作用的機(jī)理，并且還可以參與到全國表層巖溶對比之中，完善表層巖溶動力系統(tǒng)的分類，指導(dǎo)人們對地表水資源的利用。

金佛山 表層巖溶泉 化學(xué)動態(tài)

一、引言

巖溶動力系統(tǒng)涉及固（碳酸鹽巖）、液（H2O）、氣（CO2）三相的相互作用，水在此系統(tǒng)中的重要性不僅體現(xiàn)在它是一種溶劑，更是一種載體①。

巖溶水在這一巖溶過程中，作為系統(tǒng)輸出特性的反映，其化學(xué)性質(zhì)的變化必然反映了該系統(tǒng)的動態(tài)變化，所以，把握巖溶水的化學(xué)動態(tài)變化規(guī)律就可以幫助認(rèn)識表層巖溶帶的作用機(jī)理，進(jìn)而理解整個巖溶生態(tài)系統(tǒng)。

國土資源部巖溶動力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室以國際地質(zhì)對比計(jì)劃IGCP379“巖溶作用與碳循環(huán)”和IGCP488“全球巖溶生態(tài)對比計(jì)劃”項(xiàng)目為依托，開展了典型巖溶生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律及其全球變化的影響研究，對我國6個表層巖溶系統(tǒng)作了詳細(xì)觀測②③，但缺乏對亞高山巖溶生態(tài)系統(tǒng)的詳細(xì)研究。在亞高山巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，海拔差異造成表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)因素作用強(qiáng)度的改變，進(jìn)而影響到巖溶形態(tài)的發(fā)育、巖溶水化學(xué)性質(zhì)和巖溶作用強(qiáng)度的改變，形成其獨(dú)特的巖溶生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律①。因此開展亞高山巖溶研究，對進(jìn)一步全面深入研究巖溶生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和開展全球巖溶生態(tài)系統(tǒng)對比有著重要的意義。

二、金佛山巖溶生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的環(huán)境背景

金佛山位于重慶市南部，地理坐標(biāo)是28°50′N—29°20′N，107°3′E—107°20′E，東鄰重慶市武隆縣，南與貴州省正安、桐鋅兩縣接壤，西與重慶市萬盛區(qū)相連，北依南川市隆化鎮(zhèn)。整個金佛山由金佛、菁壩、柏枝三山108峰組成，面積1300平方千米，風(fēng)景規(guī)劃區(qū)面積441平方千米，保護(hù)區(qū)面積522平方千米。金佛山1988年被命名為全國重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，1991年被命名為國家森林公園，行政區(qū)屬重慶南川市。

金佛山位于我國四川盆地東南緣，是大婁山東段支脈的突異山峰。區(qū)內(nèi)整個山體的上部由二疊紀(jì)棲霞組灰?guī)r構(gòu)成，形成海拔2000m的較大面積緩坡和平臺，發(fā)育大型的地表、地下巖溶形態(tài)；山體中部由志留紀(jì)頁巖、粉砂巖組成，出露標(biāo)高1000m到1500m；山體下部由寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)的石灰?guī)r、白云巖構(gòu)成，發(fā)育小型、微型巖溶形態(tài)。山地海拔1400m～2251m，屬典型的喀斯特地質(zhì)地貌，最高峰風(fēng)吹嶺海拔2251．1m。它位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，云霧多、日照少、雨量充沛、濕度大。山體上部多年平均氣溫為8．2℃，平均降雨量為1434．5mm；山體下部平均氣溫為16．6℃，年均降雨量為1286．5mm，大氣降水為地下水唯一補(bǔ)給源。受垂直氣候帶的影響，土壤分布具有明顯的垂直分帶性，從山底向山頂依次為：黃壤、暗黃壤、黃棕壤、棕壤。金佛山相對高程達(dá)1300m～1500m，受巖性和垂直氣候的影響，金佛山的巖溶生態(tài)系統(tǒng)明顯分成兩大類型④。

（1）山下亞熱帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)

物質(zhì)基礎(chǔ)和水熱條件好，巖溶作用較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)在大的巖溶泉口有大量鈣華沉淀，溶洞內(nèi)外鐘乳石發(fā)育，石灰?guī)r表面的小型和微型的溶蝕形態(tài)（溶痕等）常見。

（2）高原面上溫帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)

因?yàn)楹０胃?、氣溫低，現(xiàn)代巖溶發(fā)育強(qiáng)度遠(yuǎn)低于山體下部。生物活動能力減弱，土壤CO2濃度較低，水的侵蝕能力也較弱，泉水的HC濃度也較低，小于1．5mmol/l，泉附近無鈣華沉淀現(xiàn)象。

三、觀測內(nèi)容和方法

碧潭泉出露在金佛山西坡山麓，標(biāo)高600m左右。它所在的碧潭幽谷巖溶發(fā)育，以落水洞、谷地和漏斗發(fā)育為主，為典型的亞熱帶巖溶景觀，屬山下亞熱帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)。水房泉出露在金佛山頂部，標(biāo)高2100m左右，屬高原面上溫帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)。另外，選取這兩個巖溶泉為研究對象，還因?yàn)樗鼈兪苋藶橛绊懶　?/p>

圖1 碧潭泉水化學(xué)動態(tài)變化曲線(2004/4/1－2004/8/1)

圖2 水房泉水化學(xué)動態(tài)變化曲線(2004/6/1－2004/8/1)

通過多功能自動化監(jiān)測記錄儀Greenspan（澳大利亞產(chǎn)），分別觀測泉水的指標(biāo)：pH、電導(dǎo)率、水溫、泉水堰口水位，每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。分辨率分別為0．01、0．1us/cm、0．01℃和0．001m，大氣降雨量的精度為0．5mm，觀測時間從2004/3/20到2004/12/28。

四、結(jié)果和分析

1. 碧潭泉和水房泉水化學(xué)日動態(tài)分析

對比圖1和圖2兩條曲線，可知碧潭泉和水房泉水化學(xué)日動態(tài)有以下規(guī)律。

（1）水位與降水正相關(guān)，表現(xiàn)在每一次降水過程都伴隨水位的上升，但水位的上升較降雨的形成有一定的時間滯后。原因是：降水進(jìn)入地下水系統(tǒng)需要一定的時間，泉水水位與降水的連動也體現(xiàn)了表層巖溶水與大氣降水的密切關(guān)系——大氣降水是碧潭泉的唯一補(bǔ)給來源。

（2）水溫與降水反相關(guān)，每一次降水都伴隨溫度的下降。原因如下：首先，一般情況下，降水的形成總是與大氣的降溫分不開的，考慮到碧潭泉所處的地形條件，不可能產(chǎn)生地形雨，因而促使降雨形成的大氣溫度下降，直接或間接（如大氣降溫促使地表巖石和土壤冷卻了巖溶泉水）的引起了巖溶泉水溫度的下降；其次，大氣降水可以促進(jìn)巖溶作用，而化學(xué)反應(yīng)方程式CaCO3＋CO2＋H2O＜＝＞Ca2+＋HCO3-和CaMg（CO3）2+ 2CO2＋2H2O＜＝＞Ca2+＋Mg2+＋4 HCO3-正向移動需要消耗熱量，這樣也對泉水的溫度降低有推動效果，但其貢獻(xiàn)要低一些。

（3）pH值與降水反相關(guān)，原因是：首先，大氣降水溶解較多CO2，一般為偏酸性，進(jìn)入表層巖溶水中，可以直接降低巖溶泉水的pH值；其次，大氣降水在進(jìn)入表層巖溶泉水的過程中，有可能攜帶或載運(yùn)了一些酸性物質(zhì)，如在巖溶系統(tǒng)的表層生長的植物、發(fā)育的土壤及其中土壤微生物，除了本身產(chǎn)生有機(jī)酸外，本身被分解同樣產(chǎn)生酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)進(jìn)入巖溶水導(dǎo)致了pH值下降，而且還更進(jìn)一步的促進(jìn)了巖溶作用；再次，當(dāng)降水在經(jīng)過那些有豐富CO2聚集的表層巖溶帶時，提高了氣相液相界面的CO2氣體分壓，使更多的CO2溶于水中，同樣也降低了pH值。

（4）電導(dǎo)率與降水成反相關(guān)。一般而言，大氣降水的偏酸性特征可以促進(jìn)巖溶作用，溶解更多的金屬離子，考慮到Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子濃度與電導(dǎo)率之間的線性關(guān)系⑤，這樣就促使了電導(dǎo)率升高，導(dǎo)致電導(dǎo)率與降水成正相關(guān)。可是觀測曲線與此相反，這就需要考慮降雨的稀釋作用在降低離子濃度方面的作用，綜合以上兩種作用得出的合理解釋是：雖然降水促進(jìn)巖溶作用溶解更多的金屬離子，但這些金屬離子的濃度卻因?yàn)橛杏晁南♂屪饔孟陆担瑢?dǎo)致電導(dǎo)率沒有上升反而下降。

（5）綜合各個參數(shù)來看，當(dāng)有降水產(chǎn)生時，一方面與降水相伴的氣溫下降增大了CO2在水中的溶解度；另一方面降水把空氣和土壤中的CO2溶解后，帶入表層泉。這樣就增大了巖溶泉中的CO2濃度，提高了HCO2－濃度?？紤]到pH＝4～8．4之間時巖溶泉的電中性方程[7：2［Ca2＋］+［H＋］＝［HCO3-］+2［CO32-］+［OH-］，可以簡化（誤差2%）為2［Ca2＋］＝［HCO3-］

圖3 夏季碧潭泉與水房泉水化學(xué)動態(tài)變化對比 (2004/4/1－2004/8/1)

因此，隨著HCO3-濃度的升高，Ca2＋濃度也要上升，就促使電導(dǎo)率的上升。另外，雨水的酸效應(yīng)也促進(jìn)巖溶作用，增加了水中Ca2＋和HCO3-，這樣也有助于電導(dǎo)率的升高。但以上水動力效應(yīng)卻被雨水稀釋效應(yīng)掩蓋，整體上表現(xiàn)為電導(dǎo)率下降。相比而言，海拔較高的水房泉參數(shù)變化相關(guān)性較強(qiáng)，水化學(xué)性質(zhì)變化對外界環(huán)境改變較敏感。

2. 碧潭泉與水房泉水化學(xué)季節(jié)動態(tài)對比分析

（1）夏季碧潭泉與水房泉化學(xué)動態(tài)變化對比分析

①水房泉降水量大于碧潭泉。水房泉海拔高于碧潭泉，蒸發(fā)量小，濕度大，氣溫低于碧潭泉，較容易使水汽達(dá)到過飽和，形成降水。水房泉的總體水位高于碧潭泉，水房泉水位的變化幅度大大小于碧潭泉，原因除了與降水有關(guān)，還與碧潭泉的管道性質(zhì)、水房泉的裂隙性質(zhì)有關(guān)。因?yàn)楣艿浪恼{(diào)蓄能力小，變率大；裂隙水的調(diào)蓄能力大，變率?、?。

②水房泉的水溫明顯低于碧潭泉。原因是水房泉出露海拔明顯高于碧潭泉，氣溫和地溫都低于碧潭泉，導(dǎo)致水溫明顯較低。雖然碧潭泉處的巖溶作用強(qiáng)度大，消耗的熱量也大，但該因素對泉水溫度降低的貢獻(xiàn)相較由氣溫和地溫引起的水溫降低是微不足道的。

③水房泉的pH值低于碧潭泉。水房泉處的溫度低于碧潭泉處的溫度，高溫促進(jìn)巖溶作用消耗H+，提升pH值，反之，低溫則減緩巖溶作用，造成水房泉pH低于碧潭泉。

④水房泉的電導(dǎo)率明顯低于碧潭泉，同樣反映了巖溶作用的強(qiáng)弱差別。氣溫高，有利巖溶作用，促使水中溶解較多金屬離子，引起電導(dǎo)率升高；反之，低溫環(huán)境不利于巖溶作用，也就不利于電導(dǎo)率的升高。

⑤綜合得出夏季碧潭泉的巖溶作用強(qiáng)度大于水房泉處。

（2）冬季碧潭泉與水房泉水化學(xué)動態(tài)對比分析

冬季與夏季相比，除了pH值以外，各項(xiàng)結(jié)果相同：水房泉降水量高于碧潭泉，水房泉水位高于碧潭泉，水房泉水溫低于碧潭泉，水房泉電導(dǎo)率低于碧潭泉。綜合得出冬季碧潭泉的巖溶作用強(qiáng)度也大于水房泉處。

對比兩泉冬夏季的pH動態(tài)變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，碧潭泉的pH值冬季和夏季相差不大，都在7．6左右浮動，而水房泉的pH值卻由夏季平均7．4左右迅速上升至冬季的平均8．05左右，也就是說水房泉的pH值季節(jié)間變化大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：①冬季氣溫低于夏季，引起土壤微生物的生活節(jié)奏放慢，降低了有機(jī)酸的分解和排放，不利于降低pH。②冬季常常有積雪覆蓋，融水形成的薄膜阻止了大氣中CO2的進(jìn)入，減小了土壤及巖溶水中的CO2分壓，降低了H+的濃度，提高了pH值⑥。兩種原因綜合的影響造成了水房泉pH值在冬季的跳升，超過了碧潭泉。這是冬季水房泉與夏季水房泉化學(xué)性質(zhì)的最大不同，對高海拔地區(qū)巖溶泉水化學(xué)性質(zhì)的季節(jié)變化有很好的借鑒作用。

圖4 冬季碧潭泉與水房泉化學(xué)性質(zhì)動態(tài)變化對比 (2004/4/1－2004/8/1)

五、結(jié)論

通過對碧潭泉和水房泉水化學(xué)的加密監(jiān)測和對比分析，得出以下認(rèn)識：

（1）從兩個巖溶泉的物理化學(xué)性質(zhì)動態(tài)變化來看，水位與降水正相關(guān)，水溫、電導(dǎo)、pH與降水反相關(guān)，這反映了表層巖溶水與上層環(huán)境有直接密切的關(guān)系。

（2）海拔差異導(dǎo)致的水熱條件變化，反映在碧潭泉和水房泉的水化學(xué)性質(zhì)上有差別。冬季和夏季，水房泉水位高于碧潭泉，水房泉的水溫、電導(dǎo)率低于碧潭泉；pH值冬夏有別，夏季碧潭泉的高而冬季水房泉的高。

（3）碧潭泉和水房泉水化學(xué)性質(zhì)在晝夜都有變化，碧潭泉表現(xiàn)為動態(tài)中的穩(wěn)定，水房泉有小幅的波動。

（4）兩個泉水水位都比較穩(wěn)定，可以一定程度上保證附近居民的用水，尤其是用于山頂?shù)穆糜伍_發(fā)。

①李林立等．金佛山巖溶生態(tài)系統(tǒng)的初步探討——巖溶水化學(xué)特征分析［J］．四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，26（2）：202-204．

②國土資源部．巖溶動力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室“九五”主要科研成果簡介［J］．中國巖溶，2001，20（1）：73-74．

③章程，袁道先．IGCP448：巖溶生態(tài)系統(tǒng)全球?qū)Ρ妊芯窟M(jìn)展［J］．中國巖溶，2005，24（3），83-88．

④劉成軍．國家自然保護(hù)區(qū)——金佛山［J］．生物學(xué)教學(xué)，2001，26（2）：28－29．

⑤劉再華．CaCO3-CO-H2O巖溶系統(tǒng)的平衡化學(xué)及其分析［J］．中國巖溶，2005，24（1），1-14．

⑥蔣忠誠等．我國南方表層巖溶帶及其對巖溶水的調(diào)蓄功能［J］．中國巖溶，2000，20（2），106-110．