基于水化學和同位素特征的四川黃龍溝泉群分類研究

王海靜, 張金流, 劉再華, 臺永東

1)中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室, 貴州貴陽 550002;2)黃龍國家級風景名勝區管理局, 四川松潘 623300

基于水化學和同位素特征的四川黃龍溝泉群分類研究

王海靜1), 張金流1), 劉再華1), 臺永東2)

1)中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室, 貴州貴陽 550002;2)黃龍國家級風景名勝區管理局, 四川松潘 623300

本文采用水化學和同位素方法對四川黃龍溝沿途出露的7個泉點進行了分析。結果表明, 泉水水化學和同位素的時空變化反映了CO2逸出、鈣華沉積和蒸發效應等諸多因素的共同影響, 是由這些泉水處在四個水循環轉化段決定的。根據水化學和同位素特征可將這些泉水劃分為三種不同的類型: 深部泉、表生泉和轉化泉。這些認識將為四川黃龍溝景觀水資源的管理和鈣華景觀的保護提供科學依據。

泉水; 水化學; 同位素; 景觀水資源; 鈣華景觀保護; 四川黃龍

泉水是地下水的天然露頭, 其地球化學特征反映了泉域的地質和氣候背景條件以及地表地下水文過程。作為世界自然遺產的四川黃龍溝, 隨著資源開發和旅游環境建設的發展, 人類活動影響下的水質已發生某些變化, 如鈣華沉積減慢、砂化和變黑等問題相繼出現(劉再華等, 2009; Wang et al., 2010),因此, 自然和人為影響背景的研究需要進一步深入:一方面是區域地質與地理背景, 包括巖石、水系和氣候等方面的特征; 另一方面是監測和探明人類活動對自然環境的影響。目前, 區域內水化學和同位素的系列資料較少, 黃龍溝的水文地球化學研究工作還需進一步系統深入。本文主要研究了不同地貌背景條件下的黃龍溝泉水水化學和同位素的差異,以期揭示黃龍溝地表、地下水水化學主要是受何種因素控制和影響的, 以便為維系鈣華景觀的水資源管理提供科學依據。

1 研究區背景

黃龍溝補給區巖性總體以碳酸鹽巖為主, 約占44%, 其次為板巖, 約占 27%, 砂巖及千枚巖各占18%和 10%, 上游的石炭-二疊碳酸鹽巖層為鈣華沉積的補給源區, 形成的鈣華主要沉積在中下游三疊系和志留系的板巖、砂巖之上(盧國平等, 1992)。整個山體受垂直氣候帶的影響, 區內植被類型復雜,基本上包括了闊葉林、針葉林、灌叢、高山草甸及高寒荒漠等各種類型。土壤分布也具有明顯的垂直分帶性。該區屬于典型的高原溫帶-亞寒帶季風氣候,冬季漫長, 年平均氣溫只有 1.1℃, 晝夜溫差大, 降雨量 758.9 mm/a, 且集中在 5～9月份, 約占全年降水量的 70%。地表融雪水和泉水在沿途流動過程中進行著多次的地表地下轉換, 形成了具有不同特征的復雜的地表地下水循環系統(李前銀等, 2009)。

2 研究方法

沿黃龍溝自源頭泉口至近涪江, 選取 7個主要實驗觀測泉點(圖1)。主要采用儀器監測、現場滴定和樣品室內測試相結合的方法。儀器使用德國WTW公司生產的Multiline-P3多參數水質監測儀, 現場測量泉水的pH、水溫和電導率, 分辨率分別達到0.01 pH單位、0.1℃和1 μs/cm。儀器在測量之前進行校正, 其pH值用4和7兩種標準緩沖溶液進行校正,而儀器的電導率用1412 μs/cm標準校正液校正?，F場滴定使用德國Merck公司生產的堿度計和硬度計測定水的 HCO3-和 Ca2+濃度, 其精度分別為 6 mg/l和2 mg/l(王海靜等, 2009; Wang et al., 2010)。

用于水化學分析和同位素測定的樣品拿回中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室測定其 K+、Na+、Mg2+、 SO42-、Cl-含量, 檢出下限是0.001 ppm; 碳、氫穩定同位素的測定誤差分別小于0.15‰和0.5‰。

方解石和白云石飽和指數(SIC和SID), 以及CO2分壓(pCO2)的計算利用WATSPEC軟件進行(Wigley,1977)。

3 測試結果及其分析討論

3.1 泉水水化學的特征及其季節變化規律分析

黃龍溝7個泉點的水化學特征總結于表1, 據此可將這些泉水分為3大類: 深部泉(1號泉)、表生泉(7 號泉)和轉化泉(2～6 號泉)。

三大類泉水中表生泉的水溫和 pCO2最低, pH值最高, 最低的電導率和 Ca2+、HCO3-濃度, 因其CO2主要來源于土壤和大氣(表 1, 圖 2), 深部泉因其CO2主要來源于地球深部(劉再華等, 2000, 2009),故具有最高的pCO2、最低的pH值、最高的電導率和 Ca2+、HCO3-濃度; 而轉化泉主要是表生泉(地表融雪水)和深部泉水的混合, 故其水化學特征介于表生泉和深部泉水之間, 如表1。

圖1 黃龍溝鈣華景觀形成的平/剖面示意圖Fig. 1 Geological plan and section of Huanglong Ravine

表1 黃龍溝泉水水化學特征Table 1 Hydrochemical features of the Huanglong Springs

圖2 黃龍溝泉水的水化學季節變化Fig. 2 Seasonal hydrochemical variations of the springs at Huanglong

從圖2還可以看出深部泉的水溫常年較為穩定,表生泉由于受溫度較低的融雪水補給的影響使其水溫比其他泉水偏低, 它與轉化泉的水溫均呈現出夏季升高冬季降低的季節變化特點。表生泉的 pCO2夏季高, 表現出表生巖溶系統相似的特征, 與土壤中CO2含量的變化有關(Liu et al., 2007)。深部泉則呈現冬季升高, 夏季降低的趨勢, 可能是冬季來自于深部的 CO2較多, 受雨水稀釋作用影響小的緣故, 還與冬季氣溫低, 水中的 CO2氣體逸出速度較夏季緩慢有關。二次轉化泉受其影響為主, 也表現出相似的季節變化特點。表生泉在夏季隨著pCO2的升高, pH降低, 而深部泉的pH變化相對穩定, 在誤差范圍內。轉化泉主要受溫度的影響, 夏季 CO2逸出增加, 導致pH出現升高趨勢。受其影響轉化泉的 SIc也出現夏季升高的特點。深部泉由于較少受外界因素影響, SIc受水溫和pH值的制約也相對穩定。表生泉的方解石飽和指數則受其夏季 pCO2升高、pH降低的影響而出現降低趨勢。水中的主要陽離子 Ca2+的含量則在深部泉中為最高, 夏季受到雨水的少量稀釋, 而它在表生泉中的含量在春季時偏高應該是與土壤中 CO2含量的增加有關, 夏季降低則主要是稀釋效應影響為主(Liu et al., 2004, 2007)。由于沿途鈣華的沉積使轉化泉中 Ca2+的含量遠低于深部泉, 季節上的變化則主要受稀釋作用和較強的沉積作用而呈現出夏季降低的特點。

3.2 泉水碳和氫同位素的特征及其季節變化規律分析

由于不同碳庫的δ13C差異較大, 所以利用碳同位素能很好的示蹤泉水中碳的來源及演化(Fritz et al., 1989)。表生泉的δ13C最低, 反映出其碳來源的生物成因特征, 而其δ13C在雨季升高, 可能是因為有深部的重碳混入導致。深部泉水因CO2主要來源于深部非生物成因(劉再華等, 2000, 2009), 故其碳同位素值偏高, 且隨著深部泉水出露后 CO2逸出,向下游流動過程中鈣華大量沉積, 產生碳同位素的分餾作用, 導致下游轉化泉水的碳同位素值進一步增加(圖 3)。

雨水的δD值在春季偏高, 反映了該研究區春季降雨偏少而蒸發強烈的特點。主要受雨水補給的表生泉的δD值在夏季降低, 但比雨水滯后1～2個月,反映了表生泉水的循環速率還是較為緩慢的。轉化泉的δD和深部泉的變化規律較為相似, 但深部泉的δD較低, 反映了其補給高程可能是最大的, 轉化泉的δD較高應該主要是受蒸發作用的影響所致。

3.3 黃龍溝泉群的進一步分析

李前銀等(2009)的研究表明, 黃龍景區水循環系統由鈣華源泉巖溶地下水系統、地表水系統和地表、地下水轉化系統三部分組成。若無沿途眾多泉水的補給, 黃龍溝內溪水水化學應隨源頭泉水的距離增加單調增加或降低, 但每一循環段出露的轉化泉打破了各項地球化學指標空間上的規律性(圖 4、圖 5), 不僅構成下一循環段水量上的“源泉”, 也對溝內溪水中各種離子再次進行補充; 每一循環段鈣華的生長都隨景觀水流路徑的延長、碳酸鈣的不斷析出而減弱, 景區最為艷麗壯觀的五彩池、爭艷彩池、金沙鋪地和迎賓池都位于各循環段鄰近“源泉”的區域。隨著沉積作用的不斷進行, 水中碳酸鈣含量逐漸減少, 到黃龍溝口已與地表水相差無幾, 相應地各循環轉化段也顯示出由泉口往下鈣華沉積作用由弱至強再減弱的趨勢, 如到每個循環階段的最后一段, 鈣華沉積已非常緩慢, 且大部分出現鈣華砂化變黑等退化趨勢。

圖3 黃龍泉水碳、氫同位素的季節變化Fig. 3 Seasonal variations in carbon and hydrogen isotopic compositions of the springs at Huanglong

圖4 黃龍溝泉水的水化學空間變化(圖中1～7為泉水編號)Fig. 4 Spatial hydrochemical variations of the springs at Huanglong(1 to 7 of the fig is the number of spring)

圖5 黃龍溝泉水同位素的空間變化(圖中1～7為泉水編號)Fig. 5 Spatial variations in carbon and hydrogen isotopic compositions of the springs at Huanglong(1 to 7 of the fig is the number of spring)

下面, 根據泉水的地貌位置和泉水的地球化學特征, 探討其空間分布意義, 如表2。

黃龍景區源頭巖溶地下水(泉群I)出露地面后與地表融雪水混合形成溝內主要的景觀水源, 在流動過程中不斷沉積CaCO3形成鈣華景觀并沿途大量漏失轉化為地下水,又在一定條件下以泉的方式出露形成轉化泉, 周而復始, 在核心景區形成四個轉化段,從而構成一個特殊的水循環及景觀演化系統(圖1)。

(1)五彩池—接仙橋轉化段

1號泉群和7號泉出露后與地表融雪水混合, 一路漏失, 至馬蹄海附近完全轉入地下。漏失的水流在鈣華與下伏冰磧層接觸帶匯集, 最終形成的泉水在接仙橋一帶的溝谷兩側邊緣出露, 從而完成了景觀水的第一次轉化。代表景觀: 五彩池。隨著 1號深部泉的出露, 水流向下的流動過程中, 水中 pCO2遠大于大氣中的pCO2, 導致水中CO2大量快速逸出,CO2分壓急劇降低, 再加上地表融雪水的混入, 導致沿途水的 pH值顯著升高, 方解石飽和指數也有較大的增加, 鈣華大量沉積, 鈣和重碳酸根的含量也有顯著下降(表1, 1號泉和2號泉間的變化, 圖4)。

(2)接仙橋—爭艷池轉化段

第一階段漏失后形成的地下水在接仙橋2號泉點以下匯入 3號泉形成溝狀水流, 流至宿云橋附近分流。東側形成彩池群及鈣華灘流并沿途漏失, 部分漏失水流在爭艷彩池附近的三岔路口形成4號泉;西側水流則形成艷麗無比的爭艷彩池, 然后很快漏失, 并在彩池末端形成 5號泉, 從而完成了景觀水的第二次轉化。代表景觀: 爭艷池。第一階段漏失的水量在此又重新得到補充, 由于泉水的出現, 水中的各項地球化學指標與第一段末段相比均有明顯變化(圖 4、圖 5), 在經過地下一段距離的流動過程后, CO2得到了一定程度的補充, 在2、3號泉水出露處泉水水溫較為穩定, 與第一循環段末端的地表水流相比, 2、3號轉化泉的pCO2升高, pH值降低, 方解石飽和指數降低。

(3)爭艷池—蓮臺飛瀑轉化段

4號泉出露后與第二階段的東側剩余水流匯合,加上 5號泉, 共同沿平坦而傾斜的溝面傾瀉而下,與此同時景觀水流也在不斷漏失, 到蓮臺飛瀑時,下滲水流在蓮臺飛瀑下形成 6號泉, 從而完成了景觀水的第三次轉化。代表景觀: 金沙鋪地。此階段鈣華沉積形態以鈣華灘為主, 形成的鈣華灘流是目前世界上發現的同類地質構造中, 狀態最好、面積最大、距離最長的地表鈣華灘流。4和 5號泉是這一循環段的主要補給水源, 在繼承了兩個主要補給泉水的各項特征的基礎上, 在長約1.3 km的距離內水的地球化學特征在空間上體現出相對較為有規律性的變化: 隨著水流的向下流動, 沿途pH值呈升高趨勢, pCO2和電導率降低(圖4)。

表2 黃龍溝泉群類型的劃分及其基本特征Table 2 Classification of spring groups at Huanglong Ravine

(4)蓮臺飛瀑—黃龍溝口轉化段

6號泉與該段地表水混合后向下游流動, 在形成和養護下游鈣華景觀的同時,一路漏失。漏失的水流多數以潛流的方式流入涪江, 從而完成了景觀水的最后一次轉化。代表景觀: 迎賓池。在第三循環段的末段, 水量已大大減少, 水中的離子含量也大為降低, 鈣華的沉積能力變得微弱, 此時 6號泉水的出露及時地補充了下游的水量, 并一定程度上增加了水中的pCO2及鈣和重碳酸根的含量, 對最下游的迎賓彩池的形成和養護起到了非常重要的作用。

4 結論

黃龍溝地區泉水在地表和地下進行了多次轉換,其過程主要受地形地貌的控制。通過對溝內沿途出露的7個泉點水化學和同位素時空變化特征(反映了CO2逸出、鈣華沉積、蒸發效應等諸多因素的影響)的分析, 將泉水劃分為三種類型: 深部泉、表生泉和轉化泉, 它們受控于溝內四個水循環轉化段: 五彩池—接仙橋轉化段、接仙橋—爭艷池轉化段、爭艷池—蓮臺飛瀑轉化段和蓮臺飛瀑—黃龍溝口轉化段。

總之, 本研究通過水化學和同位素時空變化規律的分析, 對于景區地表地下水的轉換過程有了更清晰的認識, 這對于下一步可能進行的各景觀段地表水的調配和防滲工程提供了重要參考, 同時也為有效防治景觀水的污染提供了科學依據, 因為只有保持黃龍水資源量和質的相對穩定, 才能更好地保護黃龍景區的旅游資源。

李前銀, 范崇榮. 2009. 黃龍景區水循環系統與景觀演化研究[J].水文地質工程地質, (1): 108-112.

劉再華, 田友萍, 安德軍, 王海靜, 唐淑, 張金流, 孫海龍, 劉彥,張清明. 2009. 世界自然遺產——四川黃龍鈣華景觀的形成與演化[J]. 地球學報, 30(6): 841-847.

劉再華, 袁道先, 何師意, 張美良, 張加桂. 2000. 地熱 CO2-水-碳酸鹽巖系統的地球化學特征及其 CO2來源[J]. 中國科學(D輯), 30(2): 209-214.

盧國平, 李行健. 1992. 四川黃龍自然風景區冷水型鈣華地表堆積地貌研究[J]. 成都地質學院學報, 19(4): 55-64.

王海靜, 劉再華, 曾成, 劉香玲, 孫海龍, 安德軍, 唐淑, 張清明.2009. 四川黃龍溝源頭黃龍泉泉水及其下游溪水的水化學變化研究[J]. 地球化學, 38(3): 307-314.

FRITZ P, FONTES J C, FRAPE S K, LOUVAT D, MICHELOT J L,BALDERER W. 1989. The isotope geochemistry of carbon in groundwater at Stripa[J]. Geochim Cosmochim Acta, 53(8):1765-1775.

LI Qian-yin, FAN Chong-rong. 2009. A study of water circulation system and landscape evolution of Huanglong scenic spot[J].Hydrogeology and Engineering Geology, (1): 108-112(in Chinese with English abstract).

LIU Zai-hua, GROVES C, YUAN Dao-xian, MEIMAN J. 2004.South China Karst Aquifer Storm-Scale Hydrogeochemistry[J].Ground Water, 42(4): 491-499.

LIU Zai-hua, LI Qiang, SUN Hai-long, WANG Jin-liang. 2007.Seasonal, diurnal and storm-scale hydrochemical variations of typical epikarst springs in subtropical karst areas of SW China:soil CO2and dilution effects[J]. Journal of Hydrology,337(1-2): 207-223.

LIU Zai-hua, TIAN You-ping, AN De-jun, WANG Hai-jing, TANG Shu, ZHANG Jin-liu, SUN Hai-long, LIU Yan, ZHANG Qing-ming. 2009. Formation and evolution of the travertine landscape at Huanglong, Sichuan, one of the world natural heritages[J]. Acta Geoscientica Sinica, 30(6): 841-847(in Chinese with English abstract).

LIU Zai-hua, YUAN Dao-xian, HE Shi-yi, ZHANG Mei-liang,ZHANG Jia-gui. 2000. Geochemical features of the geothermal CO2-watercarbonate rock system and analysis on its CO2sources[J]. Science in China, 30(2): 209-214(in Chinese with English abstract).

LU Guo-ping, LI Xin-jian. 1992. A study on cold-water travertine surface depositional landforms in Huanglong scemic spot, Sichuan Province[J]. Journal of Chengdu College of geology,19(4): 55-64(in Chinese with English abstract).

WANG Hai-jing, LIU Zai-hua, ZENG Cheng, LIU Xiang-ling, SUN Hai-long, AN De-jun, TANG Shu, ZHANG Qing-ming. 2009.Hydrochemical variations of Huanglong Spring and the stream in Huanglong Ravine, Sichuan Province[J]. Geochimica, 38(3):307-314(in Chinese with English abstract).

WANG Hai-jing, LIU Zai-hua, ZHANG Jin-liu, SUN Hai-long, AN De-jun, FU Ru-xian, WANG Xiao-ping. 2010. Spatial and temporal hydrochemical variations of the spring-fed travertine-depositing stream in the Huanglong ravine, Sichuan,SW China[J]. Acta Carsologica, 39(2): 247-259.

WIGLEY T M L. 1977. WATSPEC: a computer program for determining equilibrium speciation of aqueous solutions[J]. British Geomorphological Research Group Technical Bulletin, 20: 1-46.

Classification of Spring Groups Based on Hydrochemical and Isotopic Features of Huanglong Ravine

WANG Hai-jing1), ZHANG Jin-liu1), LIU Zai-hua1), TAI Yong-dong2)
1)State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences,Guiyang, Guizhou550002;2)Huanglong National Scenic Spot Administration, Songpan, Sichuan623300

Hydrochemical and isotopic methods were used to analyze 7 springs issued along the Huanglong Ravine.It is found that spatial-temporal variations in hydrochemistry and isotopes of the 7 springs are related to the combined influence of CO2degassing, travertine deposition and evaporation, which are determined by four stages of water cycle. Three different spring groups were then identified based on these hydrochemical and isotopic features. These findings may provide scientific basis for the management of the landscape water resources and the protection of the travertine landscape.

spring; hydrochemistry; isotope; landscape water resource; travertine landscape protection;Huanglong Ravine in Sichuan

K928.9; P641.1; P597

A

10.3975/cagsb.2011.03.12

本文由中國科學院百人計劃項目和國家自然科學基金項目(編號: 40872168)聯合資助。

2011-02-27; 改回日期: 2011-04-05。責任編輯: 閆立娟。

王海靜, 女, 1980年生。博士研究生, 主要從事巖溶環境地球化學研究。E-mail: whj0707@sina.com。

劉再華, 男, 1963年生。研究員, 博士生導師。長期從事巖溶作用動力學與全球變化研究。通訊地址: 550002, 貴州省貴陽市觀水路46號。電話: 0851-5892338。E-mail: liuzaihua@vip.gyig.ac.cn。