岩溶动力系统与全球变化研究进展

碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础,它记录着地球历史时期的环境变化,是地球最大的碳库,对地球大气和生命演变起到重要作用;现代全球岩溶分布面积2200万km^2,占陆地面积的15%,岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分,全球25%的人口依赖岩溶地下水资源的供给,岩溶生态系统的脆弱性制约着区域经济社会发展;本文主要针对近30年以来,岩溶学科发展进行综述,包括岩溶动力学概念、内涵与发展,驱动岩溶发育的地质-生态机制,岩溶动力系统与碳循环新进展,岩溶动力系统与水循环新进展,岩溶动力系统与钙循环新进展;岩溶动力系统与全球环境变化研究发展展望(岩溶关键带下的资源环境效应及国际大科学计划的启动)。

综合物探方法解译表层岩溶带空间结构特征研究——以广西平果市果化镇生态试验基地坡径流场为例

表层岩溶带是岩溶学研究的重要部分,其结构的解译对表层岩溶带水循环特征及岩溶水调蓄功能的研究具有重要意义。利用综合物探方法(包括高密度电阻率法、自然电位法和地质雷达法),对平果市果化镇生态试验基地坡径流场的表层岩溶带空间结构特征进行了探测解译。通过对高密度电阻率数据和自然电位数据反演,获得坡径流场若干电阻率断面和极化源的空间分布特征,解译了3处强径流带发育的空间位置;通过地质雷达影像图划分了表层岩溶带发育深度。此外,坡径流场地西北侧有深部岩溶裂隙发育,向东南地势逐渐走低,岩溶裂隙也逐渐向面上扩大。研究结果表明,自然电位法是探测岩溶含水构造的有效方法,结合高密度电阻率法,可有效解译强径流带的空间发育位置,而地质雷达法可高分辨地探测表层岩溶带的发育厚度和浅部岩溶裂隙的发育情况;地质雷达法、高密度电阻率法和自然电位法的综合应用能有效探测表层岩溶带的结构特征,是解译表层岩溶带厚度和探测强径流带空间分布的有效手段。

岩溶碳汇效应对植被的响应研究进展

植被是连接大气、水体、土壤及岩石的纽带,也是影响岩石风化碳汇效应的关键驱动因子之一。研究植被与岩石风化碳汇效应(特别是岩溶碳汇效应)的相互关系能进一步准确估算岩溶作用所产生的碳汇量并为大气CO_(2)减排研究做出重要贡献。本文阐述了植被演替对岩溶碳汇效应影响的研究进展,分析了植被对岩溶碳汇效应的控制机制,并从生物作用、土壤理化性质、气候、径流变化及岩溶地区水文地质结构等方面详细分析了植被对岩溶碳汇控制因子的影响,重点探讨岩溶作用过程中水循环响应受植被影响的情况,最后从岩溶关键带的垂向结构研究、不同降水过程中植被对流域岩溶碳库影响、结构性的小尺度与宏观尺度的水文效应耦合研究、流域尺度植被演替对岩溶碳汇的影响及对人工调控的启示4方面提出未来研究的总体趋势和方向。

雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究

为了研究雄安新区雾迷山组地层水对白云岩的溶蚀作用,文章以雾迷山组白云岩为研究对象,以井下雾迷山组地层水为实验流体,开展高温高压条件下溶蚀模拟实验。实验结果表明:(1)样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势,具有快速下降—缓慢增加—快速下降的特征,在100~140℃范围内明显增加。样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。反应溶液的Ca^(2+)、Mg^(2+)浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致;(2)孔隙、微裂隙欠发育的样品仅在样品表面发生溶蚀,使得样品表面变模糊。孔隙、微裂隙发育的样品,沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙溶蚀、扩展,最终呈一定程度连通;(3)埋藏成岩环境下,在100~140℃范围存在一个保持较高溶蚀能力的温度窗口,这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。

长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响

[研究目的]岩溶塌陷是长江经济带主要环境地质问题之一,开展长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响研究,对长江经济带立体综合交通走廊建设和新型城镇化建设地质环境安全保障具有重要意义。[研究方法]本文系统梳理了长江经济带岩溶塌陷研究成果,从岩溶环境特征、岩溶塌陷的成因类型和机制、发育及分布规律、对工程建设的影响及防控措施几个方面进行论述。[研究结果]研究结果表明,长江经济带岩溶塌陷易发区面积约25.4万km^(2),有记录的岩溶塌陷灾害2146处,矿山疏干排水、抽水、工程施工等是这一地区岩溶塌陷的主要诱发因素。长江经济带岩溶塌陷具有以下发育分布规律:一是具有区域性和地带性的分布特征;二是发育地层一般为均匀状纯碳酸盐岩,沿断裂破碎带、褶皱轴部裂隙发育带、可溶岩与非可溶岩接触地带等岩溶洞隙密集发育带分布;三是多发生在岩溶地下水强径流带、河流两岸等地下水位变化幅度大、水动力条件易发生急剧变化的地段;四是多发生在人类工程活动强烈的地区,塌陷的规模取决于人类活动的性质和强度。为了降低岩溶塌陷对工程建设和安全运营影响,本文同时提出了相关建议和对策。[结论]长江经济带岩溶塌陷分布广、危害大,高易发区内线性工程、重要城市群等规划建设应对这一环境地质问题引起重视,该研究成果可为长江经济带国土空间规划、地质灾害防治提供基础支撑和理论依据。

四川盆地北部中二叠统茅口组碳酸盐岩溶蚀模拟实验与岩溶层组特征

四川盆地北部中二叠统茅口组岩溶储层发育,是该区重要储层类型之一。基于野外露头、钻井岩心资料,采用宏观与微观结合的方法,根据薄片鉴定、扫描电镜、主微量元素等资料、辅于溶蚀模拟实验等技术方法,对四川盆地北部茅口组岩溶层组特征进行了研究。该区茅口组一段以泥质灰岩、生屑泥晶灰岩为主,酸不溶物含量较高;茅二段、茅三段以泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩为主,酸不溶物含量较低。溶蚀模拟实验结果表明,碳酸盐矿物类型、化学成分等是影响茅口组岩石可溶性的主要因素,样品溶蚀速率、溶液离子浓度及微观溶蚀变化特征均表现为生屑灰岩>泥晶灰岩>白云岩>泥质灰岩。茅口组岩溶层组类型可划分为2类3型9亚型,不同岩溶层组类型岩溶作用条件、岩溶化程度不同,缝洞型岩溶储层发育规模也存在差异。

石油类污染的岩溶地下水环境特征:以淄博市大武水源地为例

岩溶裂隙水资源是北方重要的供水水源,文中选取山东省淄博市大武岩溶裂隙水源地为例,开展石油类污染的岩溶地下水环境特征研究,不仅为岩溶地下水资源的可持续开发利用提供指导,也为岩溶裂隙水环境演化研究奠定基础。文中选取地下水水位、t、pH值、Eh、DO、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、Cl^(-)、三氯甲烷、1,2-二氯丙烷、1,2,3-三氯丙烷、四氯乙烯、三氯乙烯和ΣVOCs作为石油类有机物污染的岩溶地下水环境指标,利用同位素技术、多元统计法和图解法等分析各指标间的相互作用机制来揭示石油类污染地下水的过程及影响程度。区内地下水水动力场和环境条件有利于有机物生物降解作用的发生,有氧和厌氧呼吸同时存在,且无产甲烷过程的发生;ΣVOCs占DOC的比例较小,但仍是影响地下水环境的主要因素之一;地下水体中DIC来源于有机物生物降解的平均百分率为33.93%;综合考虑石油类污染的地下水水化学特征可更有效地解译地下水环境的影响机制。

古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护

古堆-南梁泉域位于山西省南部,是一个深循环与浅循环共存、冷水系统与热水系统循环转化、多级次排泄的复合型岩溶水系统,因长期不合理的开发利用,泉域内出现了一系列岩溶水环境地质问题。以水文地质调查工作为基础,综合采用地下水流场对比分析、水文地球化学及同位素分析、岩溶水资源评价等方法,详细论述了古堆-南梁泉域内岩溶水环境问题现状及其成因,并提出了泉源区生态修复与规划方案。结果表明:受气候变化与人类活动的叠加影响,系统内古堆泉、南梁泉、海头泉分别于1999年、1992年、2002年断流,2013-2021年区域地下水位平均下降速度达2.53 m/a;水化学、同位素分析结果指示了排泄区九原山附近松散岩类孔隙水越流补给量、三泉水库渗漏补给量对岩溶地下水的影响已不可忽略;泉域内岩溶水超Ⅲ类水水质标准样品占比由2014年的62.5%升高至2021年的81.25%;泉源区0.904 km 2范围可细分为核心保护区、水库蓄水区、一般保护区,应分区进行生态保护与修复规划。研究结果可为山西省超采区综合治理、古堆泉水生态修复与保护工作提供基础依据。

岩溶石山火龙果不同套种模式对土壤水稳性团聚体的影响

土壤水稳性团聚体是评价岩溶石山区土壤持水能力和抗蚀能力的重要指标。本研究以火龙果不同套种模式为研究对象,探究不同种植模式对岩溶石山区土壤水稳性团聚体的影响。结果表明:火龙果不同套种模式的土壤水稳性团聚体各粒径以1~2mm粒径的含量最高,<0.25mm粒径的含量最低。土壤水稳性大团聚体R0.25含量以火龙果套种赤苍藤最高;MWD、GMD和D表现出不同的种植优势。综合评价可知,不同套种模式均能提高土壤结构稳定性,其中火龙果套种树仔菜模式下土壤结构稳定性最好,持水保肥能力和抗侵蚀能力最强。

石灰土对硫酸型酸雨缓冲过程模拟及碳汇效应研究

硫酸型酸雨沉降至地表经石灰土缓冲后,参与碳酸盐岩溶蚀及对岩溶碳汇的影响尚不明确,严重制约了我国岩溶碳汇效应的准确评估。本研究通过设置不同土层厚度条件下pH4.5的硫酸型酸雨淋滤实验,以明确石灰土对硫酸型酸雨的缓冲过程及关键控制因素。结果表明:石灰土对酸雨的缓冲作用主要发生在表层(10 cm),淋出液中Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_(3)^(-)含量在淋溶初期均表现快速降低,当淋溶量(土壤水达饱和后)为1020 mL时Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCOj淋失量趋于稳定,稳定淋失量分别为20 mg·L^(-1)、6mgL、40mg·L^(-1)。淋出液中被酸雨H交换出的Ca^(2+)、Mg^(2+)仅占很小一部分,土壤水溶性Ca^(2+)、Mg^(2+)是淋出液中Ca^(2+)、Mg^(2+)的主要部分,开放系统中,大气和土壤CO_(2)溶于降雨形成H_(2)CO,不仅增加碳汇,且H,CO,解离产生的H'交换土壤中交换态Ca^(2+)、Mg^(2+),造成Ca^(2+)、Mg^(2+)的淋失量不容忽视。不同厚度.石灰土中交换性钙镁可缓冲酸雨容量均大于土壤碳酸钙矿物可缓冲容量,前者是后者的1.17-1.59倍。相同酸度、同一降雨量(土壤水达饱和后)下土壤盐基离子参与酸雨缓冲产生的碳汇量约为碳酸盐矿物风化缓冲产生碳汇量的2.1倍,不同厚度(≥10 cm)石灰土产生的碳汇量大致相等。根据本次实验及桂林市降雨数据计算,桂林市质纯石灰岩风化残积土壤区(土层厚度≥10cm),土壤盐基离子参与酸雨缓冲每年可产生0.59~0.93 mol-m^(-2)的碳汇通量。

汾河流域地表水金属元素分布特征与健康风险评价

为研究汾河流域地表水中金属污染特征及其健康危害程度,本文采集汾河流域主要支流入河口及干流断面水样39组,检测As、Cu、Pb、Zn、Hg、Ni、Mn、Fe和Co共9种金属元素含量,利用多元统计分析法、水环境健康风险评价模型分析了流域地表水中金属元素分布特征及对成人与儿童产生的健康危害.结果表明,研究区主要超标元素为Hg、Fe和Mn,污染区主要分布于汾河干流中下游和支流.汾河干流上游Fe、Mn、Zn和Co变化幅度较大,中游、下游次之;各支流金属元素含量差异较大.多元统计分析显示,Hg和As主要来源于工业污染及农业污染等;Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Fe和Mn来源于工农业生产和交通运输.健康风险评价表明,汾河流域各河段健康总风险为汾河支流>汾河下游>汾河中游>汾河上游,汾河中下游和支流健康风险危害较大,健康风险均为中等;经饮用水途径造成的健康风险儿童是成人的1.15倍,儿童更易受到金属元素的危害;As为支流浍河和昌源河的主要致癌因子;各河段优先控制金属元素为As、Co、Pb、Fe和Hg.

桂东北D/C界线沉积特征及对台盆相间演化的启示

台盆相间是桂东北泥盆纪和石炭纪沉积的重要特色,而D/C界线又是台盆相间沉积最突出的一个时段之一。文章回顾并评述了桂东北D/C界线的研究历程、相序划分、主要代表剖面,认为桂东北D/C界线可划分为碎屑岩相序和碳酸盐岩相序以及它们的过渡类型。通过对20条典型剖面的岩性组合特征对比,恢复了桂东北D/C界线海平面相对下降期的岩相古地理,结果显示桂东北在该时期主要存在柳州、桂林两大台地以及多个小型台地,台地间普遍发育快速相变的台沟、盆地沉积,石炭纪初期海水变浅,台地分布范围显著扩大,江南古陆供给增强,台盆相间格局迅速发展。为了进一步探讨桂东北D/C界线的演化过程和背后的控制因素,文章分析了广西整体的台盆相间演化的阶段性、同沉积构造作用以及海平面变化的影响,梳理了台盆相间演化过程中沉积环境分异与构造运动-海平面的关系,认为在滇黔桂裂谷盆地在持续断陷发展的前提下,桂东北D/C界线沉积分异的主要原因可能是受冈瓦纳大陆冰川形成与消融导致的海平面异常波动,以及柳江运动引发的局部同沉积断陷强度差异变动影响,且构造和沉积要素在D/C界线的耦合作用达到最强,最终促进桂东北台盆相间格局在D/C界线达到鼎盛。在此模式下,可以将台盆相间的演化划分为4个阶段,早泥盆世中期—晚期为台盆相间格局的孕育期,早泥盆世晚期—中泥盆世晚期沉积开始分异,为台盆相间格局的发展期,晩泥盆世—早石炭世台-盆出现强烈分割,海平面异常下降和柳江运动同时作用于沉积,为台盆相间格局的鼎盛期,早石炭世之后,台盆相间沉积维持了一定时期的强度,晚石炭世开始海水逐步恢复正常后台盆相间逐渐减弱,为台盆相间格局的衰退期。

桂林会仙湿地狮子岩地下河系统水循环对降水的响应

岩溶湿地是西南岩溶生态系统的重要调节器,对该地区的可持续发展有重要意义,而水循环作为维系岩溶湿地健康运转的核心因素,已经成为当前的研究热点。2020年4月15日—5月30日野外监测了桂林会仙湿地狮子岩地下河系统参数,采用水文动态分析与水均衡等方法,开展了地下河系统水循环研究。结果表明:(1)地表径流、土壤水、表层岩溶带水和岩溶地下水均对大气降雨响应敏感,但敏感程度有差异,其中岩溶地下水的敏感性最高,地表径流和表层岩溶带水的敏感性较弱,土壤水的敏感性受深度影响较大。(2)不同等级降雨中地下河系统的各类水变化量的比例有差异。本次研究中,小雨(24 h累计降雨量范围为4.2~10 mm)时系统内土壤水变化量比例最大,约为75.87%;中雨(24 h累计降雨量为17.8 mm)时土壤水变化量和岩溶地下水变化量的比例最大,分别约为43.38%和44.12%,大雨(24 h累计降雨量为24 mm)和大暴雨(24 h累计降雨量范围为110.8~128.2 mm)时岩溶地下水变化量比例最大,约为66.48%。(3)研究区调蓄系数平均值约为0.53,明显高于其他岩溶地区,表现出较强的调蓄能力,且随着降雨量的增大,调蓄系数逐渐减小。(4)地下河系统水循环概念模型包含大气降雨、地表径流、土壤水、表层岩溶带水和岩溶地下水之间的转化关系及转化量,建立概念模型可为岩溶湿地水资源开发利用和湿地保护提供理论基础。

地下水质量影响因素识别与定量评价——以广西桂林会仙湿地为例

近年来,在人类活动强烈的干扰下,湿地地下水环境日益恶化。传统的地下水质量评价方法因未区分天然高背景和人为污染的影响,评价结果不能全面、真实、可靠地表示出水质的实际状态。笔者等选取地下水主要超标指标进行因子分析,并根据各因子的得分和方差贡献率计算各采样点得分,并最终计算因子影响下的综合得分。综合评价结果表明,研究区地下水主要有3个影响因子,因子1主要为天然高背景引起的高铁(TFe),锰(Mn)和铝(Al),因子2为农业及生活污水影响导致的NH^(+)_(4)、高锰酸钾指数(COD_(Mn))和NO^(-)_(2)超标,因子3为天然与人为复合影响导致的I^(-)污染。计算得出的综合影响程度与传统的水质评价结果吻合,综合影响程度得分图不仅可以得出地下水质信息,还可根据确定的因子得出天然与人为对地下水质的影响。

山西省阳泉山底河流域煤矿“老窑水”动态特征、演化机理及对娘子关泉域的环境效应

【研究目的】煤矿“老窑水”以分布范围广、隐蔽性强、污染程度重、自然净化慢、持续时间长等特点,成为后采煤时代严重威胁中国生态文明建设的重要制约因素。【研究方法】本文以山西省阳泉市山底河流域煤矿“老窑水”为研究对象,通过长系列水质和水量系统性监测,运用统计学方法系统分析了山底河流域老窑水的水量和水质动态特征及其演化机理,评估了“老窑水”对娘子关泉域岩溶水的环境效应。【研究结果】研究表明,山底河“老窑水”总出口pH值平均为3.58,TDS平均为4744 mg/L,SO_(4)^(2-)平均为3327 mg/L;雨季地下水位上升后与采空区接触面积或体积增大和降雨量的影响滞后等是造成煤矿“老窑水”的流量与水化学特征指标电导率、SO_(4)^(2-)浓度非线性相关的主要原因;煤系地层中黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;煤矿采空积水区的一定深度为还原环境,具备开展微生物法治理的条件;山底河煤矿“老窑水”出流后进入下游碳酸盐岩河段渗漏,对娘子关泉域岩溶水的渗漏补给量达7247.08 m^(3)/d,水质差,是娘子关泉域岩溶地下水的重要污染源。【结论】山底河流域“老窑水”流量对降雨量的调蓄周期为半年;水化学特征指标与流量呈非线性相关,“老窑水”黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;“老窑水”出流后渗漏补给娘子关泉域达7247.08 m^(3)/d,SO_(4)^(2-)、Fe和Mn超标严重,对泉域岩溶水污染严重,急需开展煤矿“老窑水”的治理和废弃煤矿生态修复。

青藏高原流域岩石风化机制及其CO_(2)消耗通量:以拉萨河为例

为研究青藏高原流域岩石风化机制及其对CO_(2)消耗通量和气候变化的影响,于2019年11月至2020年10月对拉萨河流域控制断面进行一个完整水文年每月2次的监测和采样,结合水化学及δ^(13)C_(DIC)和δ^(34)S_(SO_4),探讨了流域水化学特征及其主要影响因素,基于化学计量平衡与正演模型方法定量计算了河流水体主要物质来源,并对流域岩石风化速率与大气CO_(2)消耗通量进行了估算。结果表明:拉萨河流域水体中Ca^(2+)和HCO_(3)~-为主要的阳离子和阴离子,水化学类型为HCO_(3)-Ca型,大气输入、人为输入、硅酸盐岩和碳酸盐岩风化端员对河水阳离子的年平均贡献率分别为6%、4%、21%和70%;河水化学计量学、δ^(13)C_(DIC)(-8.78‰~-1.35‰)和δ^(34)S_(SO_4)(-2.26‰~-1.10‰)变化均证明由煤系地层硫化物及矿床硫化物的氧化形成的硫酸(各占约50%)广泛参与了流域的化学侵蚀,硫酸对碳酸盐岩的风化作用旱季显著强于雨季。流域硅酸盐岩风化速率与大气CO_(2)消耗通量的年平均值分别为5.20 t·km^(-2)·a^(-1)和118×10^(3) mol·km^(-2)·a^(-1);仅考虑碳酸风化作用时,流域碳酸盐岩风化速率与大气CO_(2)消耗通量分别为22.5 t·km^(-2)·a^(-1)和202×10^(3) mol·km^(-2)·a^(-1);硫酸参与作用下,流域碳酸盐岩风化速率估算结果提高了31%(升至29.4 t·km^(-2)·a^(-1)),岩石(碳酸盐岩和硅酸盐岩)风化消耗大气CO_(2)通量则降低了35%(降至207×10^(3) mol·km^(-2)·a^(-1))。硫酸参与流域碳酸盐岩的风化改变了区域碳循环,这是全球碳循环模型应该考虑的一个重要环节。

桂林漓江风景名胜区重要旅游洞穴保护与利用探讨

通过对桂林漓江风景名胜区已开发的重要旅游洞穴(七星岩、冠岩、穿山岩、芦笛岩和莲花岩)开展景观资源保护现状调查研究,认为由于开发、游览过程中保护措施欠缺,加之洞穴自身的原因,这些洞穴都不同程度存在钟乳石脱皮掉块、砂状风化、颜色变黑变暗、灯光植物破坏等钟乳石景观老化问题,景观美学价值降低,对洞穴资源的旅游寿命构成一定威胁。为此,提出洞穴保护与利用建议,以期为旅游洞穴的保护和利用提供科学参考。

漓江流域喀斯特景观资源可持续利用关键技术研发与示范

漓江流域是桂林市重要生态安全战略区、国家重点生态功能保护区。随着全球变化加剧和人类活动干扰,景观资源退化,已严重影响到流域的生态安全和可持续发展。2018年,桂林市获批以景观资源可持续利用为主题建设国家可持续发展议程创新示范区,针对喀斯特石漠化地区生态修复和环境保护等问题,探索喀斯特景观资源可持续利用的适用技术路线和系统方案,形成可操作、可复制、可推广的有效模式,为西南部多民族、生态脆弱的喀斯特地区实现可持续发展发挥示范作用,为落实2030年可持续发展议程提供实践经验。