物探方法在泥炭調(diào)查中的應(yīng)用研究

李 富, 歐陽淵, 陳敏華, 劉 洪, 張景華, 張騰蛟

(中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081)

陸地是人類生存與發(fā)展的主要場所,陸地面貌受到人類活動的影響變化很大,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分,并存在很大的不確定性。陸地碳循環(huán)已經(jīng)成為國際地圈-生物圈計(jì)劃(International Geosphere-Biosphere Program,IGBP)、世界氣候研究計(jì)劃(World Climate Research Programme,WCRP)、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)(Global Change and Terrestrial Ecosystems,GCTE)等多個核心計(jì)劃的重要內(nèi)容,通過研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)可以預(yù)測未來氣候變化[1-7]。全球泥炭沼澤面積約占陸地總面積的2.5%～3.5%,其土壤富含有機(jī)碳(12%～60%),碳儲量占全球陸地碳儲量的20%,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳匯[8-9]。由于氣候持續(xù)變暖和近年來人類干擾和破壞活動的加劇,泥炭沼澤可能轉(zhuǎn)換為CO2、CH4等溫室氣體排放的源。據(jù)報(bào)道,每年全球泥炭沼澤由于排水引起CO2排放約20×108t,占全球人為活動CO2排放總量的6%[7-9]。保護(hù)泥炭沼澤對于減緩全球氣候變化的作用,已得到了國際社會廣泛認(rèn)可,保護(hù)泥炭沼澤也是我國應(yīng)對全球氣候變化的重大舉措。

文獻(xiàn)[1]通過中國泥炭地信息查詢系統(tǒng)計(jì)算得到,我國泥炭總儲量為37.15×108t(烘干質(zhì)量),碳儲量約為9.52×108t。四川省是我國泥炭地有機(jī)碳儲量最大的省份,其有機(jī)碳儲量約為6.65×108t,占全國泥炭地碳總儲量的42.92%。四川省境內(nèi)若爾蓋高原泥炭地位于青藏高原東北部,是全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一,在全球具有典型性和代表性。20世紀(jì)80年代,原地質(zhì)礦產(chǎn)部從礦產(chǎn)資源角度在四川省開展過泥炭調(diào)查,圈出儲量大于10×104t的泥炭地;2012年啟動開展的全國濕地資源調(diào)查起調(diào)面積為8 hm2,濕地碳庫未列入調(diào)查指標(biāo),因此,四川省泥炭沼澤資源情況仍然不是十分清楚。為了實(shí)現(xiàn)新時(shí)期泥炭沼澤資源的科學(xué)合理保護(hù)與管理,支撐應(yīng)對全球氣候變化和參與國際氣候談判,非常有必要開展一次全新的四川省泥炭沼澤碳庫普查。本文在四川省林業(yè)和草原局對若爾蓋地區(qū)深度大于1.0 m泥炭斑塊面積調(diào)查結(jié)果基礎(chǔ)上,利用物探方法進(jìn)行泥炭深度的準(zhǔn)確調(diào)查,有效解決泥炭沼澤碳儲量核算的深度不確定性,提高計(jì)算泥炭地有機(jī)碳儲量的準(zhǔn)確性。

1 泥炭濕地相關(guān)研究概況

泥炭是動植物死亡殘?bào)w在多水缺氧的狀態(tài)下緩慢形成的有機(jī)堆積層,是古代沼澤環(huán)境特有的產(chǎn)物。沼澤是多水條件下形成的自然綜合體。碳庫是指在全球碳循環(huán)過程中,可以存儲碳的部分。

濕地被稱為地球之腎,泥炭沼澤是指泥炭厚度大于等于30 cm 或有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%的濕地。由于泥炭沼澤不僅可以作為一個碳匯,在自然條件下又是一個巨大的碳源,能夠向大氣中釋放大量的CH4,因此對泥炭沼澤碳儲量的準(zhǔn)確估算,對于管理和恢復(fù)泥炭沼澤以及全球的碳循環(huán)具有重要的意義。

通常采用2種方法估算泥炭地有機(jī)碳儲量。第1種方法是根據(jù)泥炭地的有機(jī)碳密度和泥炭地面積,估算泥炭地有機(jī)碳儲量;其中泥炭地有機(jī)碳密度是指單位面積有機(jī)碳儲量,是泥炭有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、泥炭容重及泥炭層厚度的乘積;這種方法通常以土壤圖和土壤剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),需要利用的指標(biāo)和數(shù)據(jù)較多,對于大尺度的估算,結(jié)果不確定性較大。第2種方法是根據(jù)泥炭地儲量和泥炭有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算泥炭地有機(jī)碳儲量,計(jì)算公式為:

Tc=TaSoa,

其中:Tc為泥炭地有機(jī)碳儲量;Ta為泥炭地儲量;So為泥炭的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù);a為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳的轉(zhuǎn)換系數(shù)[8]。

Bridgham等估算的北美濕地碳儲量潛力的不確定性超過100%,Milne和Brown估算蘇格蘭泥炭地碳儲量存在50%的不確定性;泥炭沼澤碳儲量核算不確定性的影響因素包括植被生物量、植被(或土壤)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、泥炭深度、土壤容重及泥炭沼澤面積[8-9]。由于泥炭地碳儲量核算因子的實(shí)測數(shù)據(jù)較少,精確估算全球或者區(qū)域泥炭地碳儲量存在較大難度。為了確保泥炭地碳儲量精確估計(jì),開展泥炭地碳儲量研究需要加大區(qū)域上泥炭地碳儲量核算因子的實(shí)測調(diào)查,包括植被生物量以及泥炭深度、容重和面積等全面數(shù)據(jù)。Maltby和Immirzi估算全球泥炭地土壤有機(jī)碳儲量,按平均深度1.0 m計(jì)算的儲量為2.76×1017g,按平均深度2.3 m計(jì)算的儲量為5.25×1017g[9-10]。對于泥炭地有機(jī)碳儲量計(jì)算,采用遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以提高其中泥炭沼澤面積因素的準(zhǔn)確性,物探方法可以提高其中深度參數(shù)準(zhǔn)確性。

2 若爾蓋盆地沉積充填形態(tài)研究

本文通過地質(zhì)資料綜合研究[11-13],發(fā)現(xiàn)若爾蓋盆地沉積充填形態(tài)具有“構(gòu)造控盆—盆控相—相控泥炭”的特征。在新近紀(jì)開始的喜馬拉雅運(yùn)動期,是現(xiàn)代若爾蓋構(gòu)造盆地形成的重要階段;新近紀(jì)至早更新世,在現(xiàn)代若爾蓋構(gòu)造盆地的周邊地區(qū),最先形成了一些主要的斷陷谷地;晚新近紀(jì)青藏高原大幅度隆起時(shí)期,是現(xiàn)代若爾蓋構(gòu)造盆地的全面形成期;中更新世,盆地沿周邊斷裂開始了全面的沉降;全新世以來,若爾蓋盆地仍然持續(xù)下陷,但其速度顯著變緩,出現(xiàn)相對穩(wěn)定的格局。若爾蓋盆地構(gòu)造模式如圖1所示(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)。

圖1 若爾蓋盆地構(gòu)造模式

全新世以來沉積環(huán)境發(fā)生了巨大變化,在晚更新世湖面縮小的基礎(chǔ)上發(fā)生大規(guī)模湖退,沼澤區(qū)尾隨湖退向北推進(jìn)是全新世以來的主要地質(zhì)事件,伴隨沉積環(huán)境的巨大變遷,沼澤相幾乎完全取代了湖相分布[14]。若爾蓋盆地全新世巖相古地理圖如圖2所示(據(jù)文獻(xiàn)[14]修改)。

圖2 若爾蓋盆地全新世巖相古地理圖

全新統(tǒng)若爾蓋盆地,沉積物主要受黃河和黑河2條主要水系及其分支水系控制,泥炭主要是受這2條河流發(fā)育的沉積體系控制,泥炭主要分布在河流左側(cè)的沼澤相地區(qū),并且有從河道的左岸向邊逐漸變厚再減薄的趨勢[15]。河流相泥炭形成模式如圖3所示。

圖3 河流相泥炭形成模式

3 泥炭調(diào)查中地球物理方法應(yīng)用效果

將泥炭樣品晾干進(jìn)行視電阻率(ρ)測試,泥炭層視電阻率為235～295 Ω·m,砂泥層視電阻率為300～480 Ω·m。由此可以看出,泥炭層的視電阻率低,砂泥層的視電阻率相對較高,兩者有明顯的差異,可以采用高密度電阻率法進(jìn)行探測。

3.1 高密度電阻率法在泥炭調(diào)查中應(yīng)用效果

在若爾蓋縣納洛喬濕地開展了3條(L1～L3)高密度電阻率法測線,如圖4所示。L1線布設(shè)60個測點(diǎn),點(diǎn)距1 m;L2線布設(shè)52個測點(diǎn),點(diǎn)距2 m;L3線布設(shè)32個測點(diǎn),點(diǎn)距3 m。

L1～L3線高密度電阻率法探測成果如圖5所示。

由圖5a、圖5b可知:L1線淺部泥炭層的視電阻率表現(xiàn)為低阻異常特征,其視電阻率為40～80 Ω·m;深部砂泥層的視電阻率表現(xiàn)為高阻異常特征,其視電阻率為80～200 Ω·m;L1線對應(yīng)淺鉆泥炭層厚度1.5 m,物探推測泥炭層厚度1.4 m,兩者基本吻合。

圖4 若爾蓋縣納洛喬濕地物探測線布設(shè)示意圖

圖5 若爾蓋縣納洛喬濕地高密度電阻率法L1～L3線探測成果

從圖5c、圖5d可以看出:L2線淺部泥炭層的視電阻率表現(xiàn)為低阻異常特征,其視電阻率為10～50 Ω·m;深部砂泥層的視電阻率表現(xiàn)為高阻異常特征,其視電阻率為50～120 Ω·m;推測泥炭層厚度2.4 m。從圖5e、圖5f可以看出:L3線淺部泥炭層的視電阻率表現(xiàn)為低阻異常特征,其視電阻率為25～50 Ω·m;深部砂泥層的視電阻率表現(xiàn)為高阻異常特征,其視電阻率為50～100 Ω·m;L3線對應(yīng)淺鉆泥炭層厚度6.0 m,物探推測泥炭層厚度6.2 m。L2、L3線均被水淹沒,其泥炭層、砂泥層的視電阻率值與L1線相比都低;由于L3線靠近濕地中部,含水性好,視電阻率異常值比L1、L2線低。

通過3條測線探測的不同平面位置、深度信息,結(jié)合河流相泥炭形成模式,可以推斷出若爾蓋縣納洛喬濕地泥炭層厚度變化特征(圖5g),計(jì)算出深部泥炭的橫斷面積6 375 m2(按L2線對應(yīng)點(diǎn)計(jì)算為3 600 m2,按L3線對應(yīng)點(diǎn)計(jì)算為9 600 m2),該計(jì)算結(jié)果比采用單孔的平均厚度計(jì)算結(jié)果精確。利用該計(jì)算結(jié)果與根據(jù)遙感資料圈定的該斑塊面積,可以更準(zhǔn)確地計(jì)算泥炭層的體積,為泥炭地碳庫調(diào)查提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)在泥炭調(diào)查中應(yīng)用效果

工作區(qū)位于紅原縣日干喬濕地,分別布設(shè)了高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)方法剖面各1條。紅原縣日干喬濕地水上高密度電阻率法L1線探測成果如圖6所示,地質(zhì)雷達(dá)L1線在0.08 m/ns下的探測成果如圖7所示。

圖6 紅原縣日干喬濕地水上高密度電阻率法L1線探測成果

圖7 紅原縣日干喬濕地水上地質(zhì)雷達(dá)L1線探測成果

由圖6可知:泥炭層表現(xiàn)為低阻視電阻率異常特征,其厚度約1.0～1.8 m;砂泥層表現(xiàn)為高阻視電阻率異常特征,其厚度約4.5～5.5 m;通過高密度電阻率法可以快速地確定泥炭層的起伏變化特征。

由圖7可知:泥炭層表現(xiàn)為電磁波信號較弱,其厚度約1.0～1.6 m;砂泥層表現(xiàn)為電磁波反射信號較強(qiáng),其厚度約4.5～5.5 m;通過地質(zhì)雷達(dá)方法也可快速地確定泥炭層厚度變化。

4 結(jié) 論

(1) 本文介紹了泥炭沼澤的基本概念,分析了2種估算泥炭地有機(jī)碳儲量方法,介紹泥炭沼澤碳儲量核算的5種不確定性因素,探討利用物探方法來提高深度因素的準(zhǔn)確性。

(2) 通過對若爾蓋盆地沉積充填形態(tài)的研究,提出了“構(gòu)造控盆—盆控相—相控泥炭”的觀點(diǎn)。

(3) 通過高密度電阻率法在若爾蓋縣納洛喬濕地調(diào)查成果,揭示了泥炭的電性特征。泥炭層的視電阻率表現(xiàn)為低阻異常特征,深部的砂泥層表現(xiàn)為相對高阻異常特征;泥炭層的視電阻率隨含水率的增加而降低;采用高密度電阻率法可以實(shí)現(xiàn)對泥炭層與砂泥層的精確分層。根據(jù)4條高密電阻率法精細(xì)探測結(jié)果,可精確計(jì)算泥炭層的橫斷面積,提高泥炭地有機(jī)碳儲量計(jì)算準(zhǔn)確性。

(4) 將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于紅原縣日干喬濕地泥炭層探測,結(jié)果表明,泥炭層表現(xiàn)為電磁波信號較弱,砂泥層表現(xiàn)為電磁波反射信號較強(qiáng)。因此,采用高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)方法2種物探方法均可實(shí)現(xiàn)對泥炭地的精確分層。