岩溶关键带水文地球化学研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、特点及其水文地球化学过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的重点问题。本文基于对国内外相关研究成果的归纳整理,剖析了岩溶关键带水文地球化学内涵、岩溶关键带水动力垂向分带、岩溶关键带框架下的水文地球化学过程与机制, 探寻变化环境下岩溶关键带水文地球化学过程演变的规律与驱动机制。指出了当前研究中存在的薄弱环节:目前工作仅停留在传统岩溶地下水科学工作范畴,未从岩溶关键带框架体系的角度考虑植物冠层至岩溶含水层之间水文地球化学过程及其耦合关系,未考虑新污染物持续输入、地球大数据科学工程深入实施、全球碳排放路径逐渐改变等时代因素对岩溶水文地球化学研究的潜在影响。进一步的研究可以从以下方面开展:基于岩溶关键带框架体系的新污染物水文地球化学研究,基于大数据框架体系的岩溶水文地球化学研究,“双碳战略”下的岩溶水文地球化学研究,岩溶关键带水文地球化学驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合以及高分辨率监测、评估与模拟手段的综合应用。     

表层带岩溶作用: 以土壤为媒介的地球表层生态系统过程 — — 以桂林峰丛洼地岩溶系统为例

作者基于在桂林丫吉村岩溶试验场的长期、系统观测及有关实验研究进展,从影响岩溶作用的土壤化学因素、土壤CO2及土壤有机碳行为等方面论证了土壤对于表层带岩溶作用的媒介及驱动意义,提出岩溶地球化学过程涉及到土壤中Ca2+的移出及交换释放,土壤CO2对系统空气CO2浓度及HCO3-排释的控制,并指出土壤有机碳是岩溶作用碳转移的重要媒介.作者认为表层带岩溶系统的发育演进为石质岩溶→生物岩溶→土壤岩溶→生态系统岩溶,因而表层带岩溶作用是以土壤为媒介的表层生态系统过程.     

岩溶水文地球化学研究中pH值野外测定的必要性

岩溶水的pH值主要取决于水中碳酸体系的平衡移动。由于岩溶水文地球化学系统内部的CO2含量通常远高于大气中的CO2含量,水一旦离开原系统而与大气接触,原碳酸体系的平衡就遭到破坏,使得水的pH值迅速增高,直至与大气达到新的平衡为止。因此,根据室内测定的pH值计算的饱和指数明显高于该水样在野外测定的pH值计算的饱和指数,从而可能出现据野外pH值计算的水样是不饱和的、而根据室内pH值计算却是饱和或过饱和的相反结论。笔者通过热力学的理论分析及实例计算阐述了这些现象,并进而指出:在岩溶水文地球化学的研究中,必须在野外现场直接测定水的pH值。     

桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律

桂林岩溶水文地质试验场属于典型的峰丛洼地地区.峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO2密切相关,土壤CO2体积分数以及表层岩溶带土壤CO2溶蚀量的变化受气温和降雨影响.对不同部位不同深度的土壤CO2体积分数进行了野外监测,并利用多参数自动记录仪监测了泉水的水化学,揭示了CO2体积分数的变化规律.其变化特征表现为:①土壤CO2体积分数的季节变化在泉水水化学上和土壤CO2溶蚀量上均能反映出来;②土壤CO2体积分数的变化具有季节性;③50 cm处的CO2体积分数较20 cm处大;④土壤层对泉水水化学起到重要调蓄作用.     

华北型煤田岩溶水水文地球化学研究进展

文章总结了水文地球化学在分析浅层煤田岩溶水化学特征、建立判别矿坑突水水化学模式、研究矿坑水形成机理以及制定矿区水资源管理和环境保护对策等多方面的应用效果。根据煤田深部开采"三高一扰动"的复杂环境的采矿条件,深部水文地球化学环境表现出岩溶水三维水流系统发育、地下水储量大、水头高、补给广、径流长、水源温度高的特点,建议应用水文地球化学理论、方法研究深循环岩溶水的运动规律、深部岩层与富水性关系、煤田深部地下水水化学特征及其形成机制。     

利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流

通过暴雨中的野外观测,确认了桂林丫吉试验场S31泉岩溶水文系统中多种径流形式:表层岩溶带管道流、回归流、坡面流和壤中流。现场测量发现不同形式径流的水化学特征(pH、电导率、Ca2+、HCO3-)存在差异,Ca2+的质量浓度相差最大可以达到3倍。从CaCO3-H2O-CO2平衡体系来看,CO2分压(pCO2)对径流的水化学特征具有控制作用。在大气pCO2影响下的岩溶水矿化度较低,而土壤空气pCO2达到2.7%,是大气的近百倍,其影响的径流矿化度较高。鉴于大气中和土壤中pCO2的显著差异,从水化学特征上将径流分为2类,并且认为它们构成了系统出口洪水的2个主要来源。在此基础上利用水化学方法计算出S31岩溶泉洪水时的径流构成。结果表明,在暴雨的情形,由大气pCO2环境产生形成的岩溶水的比例占到泉水总量的70%,进一步证明了快速流在岩溶水中的重要作用。     

典型表层岩溶泉短时间尺度动态变化规律研究

本文以广西马山县弄拉岩溶动力系统监测站为例,通过人工及自动记录,分别对表层岩溶泉水的物理化学特征变化进行了研究。短时间尺度监测表明,岩溶动力系统对环境变化十分敏感,响应及时。在不同的气候条件下,水的物理化学特征多日与昼夜动态变化有不同的表现。在正常气候(无雨)条件下,水温的变化与气温变化基本一致,pH与电导率之间具有较好的负相关关系,电导率峰值区滞后最高温度约4～5h。这可能与植被从光合作用向呼吸作用转变导致大气CO2浓度产生较大的梯度变化有关。而这种梯度十分有利于岩溶作用的进行。暴雨期间,稀释作用可贯穿整个降雨过程,但降雨1～2h后,表层岩溶带的高裂隙率和渗透性开始发挥作用,水动力作用和CO2效应逐渐占主导地位,而稀释作用对弱降雨过程仅作用于降雨的开始阶段。因此有必要把水、岩、CO2气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。     

岩溶地区石生蓝藻与岩溶发育关系研究展望

探讨了国内外石生蓝藻研究的进展,以及石生蓝藻与生物岩溶的可能联系。引入水-岩-气-生物相互作用的整体概念,运用"CO2-水-碳酸盐"三相耦联开放岩溶动力系统观点,分析了光合原核生物的生命过程及其代谢产物对岩溶系统的可能驱动作用,指出以蓝藻对H2O和CO2的利用为中心环节,通过研究其在不同小生境、不同类群、不同生态因子下的HCO3-水平差异,可以为了解藻类的生理机能与生物岩溶强度之间关系提供重要信息。建议在地球生物学的研究尺度下,针对碳酸盐岩表面殖居藻类如何影响其周遍微环境CO2、水文动态进而影响岩溶的效应、蓝藻分泌的胞外有机酸的种类和强度、石生蓝藻碳酸酐酶(CA)活性与生物岩溶关系等问题展开探索。     

岩溶土壤系统对空气CO2的吸收及其对陆地碳汇的意义——以桂林丫吉村岩溶试

以桂林丫吉村岩溶实验场为例 ,对湿润亚热带岩溶土壤系统进行了土壤植被系统CO2 浓度变化、土壤有机质分解的CO2 产生等野外观测以及实验室土壤灰岩土柱系统模拟实验。实验表明在土壤地球化学条件的控制下 ,岩溶土壤系统存在着对空气CO2 的显著吸收效应 ,其值可达 2 2～ 130 g/ (m2 ·a) ,并以此为依据估算了中国岩溶土壤系统对大气的碳汇约为 4× 10 13g/a。因而揭示了岩溶土壤系统可能是十分重要的陆地碳汇 ,在讨论全球碳汇饱和问题中必须重视这一碳汇的变化。     

潞安矿区奥陶系岩溶水化学成分的成因

潞安矿区奥陶系岩溶水由于理藏深,水交替缓慢,水文地球化学条件复杂。本文在因子分析的基础上,深入分析了深部岩溶含水层中水－岩作用机理和水化学成分的成因。     

澳大利亚岩溶以及几个有关岩溶问题的思考

本文介绍了澳大利亚岩溶。同时根据澳大利亚岩溶的特征和类型,并从全球岩溶出发,作者提出了有关峰林岩溶、塔状岩溶与热带岩溶的关系、全球岩溶主要类型的划分、以及洞穴Speleothem发育与岩溶类型及气候条件的关系等方面的新见解。     

论岩溶环境系统

岩溶地区有一些特殊的环境问题,如旱涝,森林退化、地面塌陷、矿井突水突泥、地下水的污染以及旅游景物的损坏等。对其发生发展规律已作了许多探讨,对它们的治理也作了许多工作,取得了一些经验。 但是,岩溶地区有些环境问题长期治理而未能解决,有的问题解决了而又出现了另一方面的问题,或在邻近地区出现了新问题。产生这种现象的原因,在于对岩溶环境系统缺乏了解,或者缺乏以岩溶环境系统为基础的合理的环境规划、决策和有效的管理。 本文讨论了岩溶环境系统的构成、特征、及其类型划分。在一个处于自然动态平衡状态下的岩溶环境系统中,常常含有多种人类需要的资源。对各种资源的开发将会改变这种自然平衡状态,但应以该岩溶环境系统的特点以及其容量和质量为基础,并以满足人类长期的多方面的需要为目标。     

北京西山地区岩溶发育史及岩溶环境变迁

根据地壳运动所遗留的地貌形态，本区可划分为古生代和新生代二个岩溶发育期。由于本区新构造运动的特点决定了岩溶发育既具有阶段性又具有继承性。据此，新生代岩溶发育期又可可划分为三个亚期：早第三纪岩溶发育亚期、晚第三纪岩溶发育亚期、第四纪岩溶发育亚期。     

西藏高原喀斯特的性质及“ 残余峰林” 质疑

西藏高原面上碳酸盐岩分布区的各种有关地貌现象，其中之绝大部分，是在第四纪冰缘气候条件下由物理风化作用（机械剥蚀）形成的。可以鉴别出属喀斯特形态的只一小部分洞穴、溶蚀裂隙、泉钙华、洞内一些痕迹状次生碳酸钙沉积、灰岩表面的现代溶痕和流痕，以及一些喀斯特泉等。西藏地区从不具备峰林喀斯特形成的必要地质条件。以“残余峰林”的分析所得出的一些重大相关结论，目前尚没有可靠的科学依据。作者建议更替高原灰岩地貌所使     

锥状喀斯特区溶洞景观特征及其旅游资源评价

锥状喀斯特是湿热带地区重要的喀斯特地貌景观类型和高品位的旅游资源.发育在锥状喀斯特地区的溶洞既是锥状喀斯特地貌景观的重要组成部分,也是发展旅游不可替代的景观资源.本文从这一认识出发,首先揭示了锥状喀斯特及溶洞发育的四大特征:(1)溶洞成因类型多样;(2)是深、长、大洞的主要发育区;(3)不同锥状喀斯特发育阶段,洞穴类型组合不同;(4)能形成溶蚀、沉积形态丰富、造型奇特、美学价值很高的溶洞景观集群.在此基础上,进行了初步的旅游价值评价,指出在旅游开发中具有三大资源优势:(1)洞穴资源具有多功能性(科研、探险、观光旅游、生态旅游、医疗等).(2)构成独特的高品位峰林-溶洞(地面、地下)综合景观类型.(3)景观资源的高度互补性可提高旅游景观内涵的丰度和旅游经济效益.     

中国的喀斯特天坑

中国有世界上最广大的喀斯特区域,最多样化的喀斯特景观和为数极多的漏斗与洞穴.中国南部在湿热气候条件下发育的峰丛和峰林喀斯特,在全球锥状和塔状(cone and tower)喀斯特类型中,是最具代表性的典型形态.而峰丛喀斯特区则是天坑(tiankeng)的重要分布区域.近十几年来,已有近50个天坑在中国南方的峰丛喀斯特区被发现.主要分布在重庆、广西、四川和贵州境内.目前的研究表明,天坑主要发育在特定的地貌、地质和水文地质环境下,并因此区别于常态的喀斯特漏斗.     

岩溶洞穴的分形弯曲度

本文对岩溶洞穴提出了分形弯曲度的概念，并且以洛塔地区岩溶洞穴为例，计算了各岩溶洞穴的分形弯曲度，对岩溶洞穴的形状研究，具有一定的意义。     

覆盖型无充填溶洞薄顶板塌陷稳定性研究

Based on the analysis of the genesis of the caves with thin roof in the covered karst areas,this paper suggests that the stability of the ground surface overlying caves can be evaluated by the principle of the dynamic system of “covered soil-karst caves with thin rocky roof”. In addition, this paper discusses the interaction between covered soil and thin cave roof through stress and mass transmission.     

山东岩溶泉

岩溶泉是岩溶地下水的天然露头。山东省岩溶泉可以分为五种成因类型,即侵蚀—断层泉、侵蚀—接触泉、与火成岩体有关的接触泉,侵蚀泉和断层泉、而以前两类为主,已发现有308处岩溶泉,其中36处的日流量超过了10000m~3,它们主要分布于鲁中南丘陵区,特别是断陷盆地内部和泉域边缘,在这些地方岩溶泉以面状或带状成群分布,并提出了保护和合理利用岩溶地下水的若干建议。     

岩溶地区生态系统养分平衡研究

以岩溶地区生态系统中养分储存和运移为中心，综合研究了矿物分化、大气降水而引起的养分输入，淋溶流失、水土流失造成的养分输出，以及与生物导致的养分内部循环之间的相互作用和相互联系；讨论了岩溶生态系统养分的流入、保持和流失之间的平衡，并以桂林丫吉村岩溶试验场为例建立系统内各养分体系之间的反馈网络模型。