四川黑水卡龍溝鈣華形成影響因素

黃浩，陳林，岳芯，譚銘磊，甘杰

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四川黑水卡龍溝鈣華形成影響因素

黃浩，陳林，岳芯，譚銘磊，甘杰

（成都理工大學(xué)，成都 610059）

四川黑水卡龍溝的地貌是典型的高寒巖溶作用下形成的鈣華堆積地貌，其鈣華堆積量巨大且鈣華景觀類型豐富，享有“中國(guó)苔蘚泉華世界”之美譽(yù)。與黃龍的鈣華景觀相比，卡龍溝的鈣華景觀表面多覆蓋有大量的藻類、苔蘚等植物，形成了豐富的生物鈣華景觀。鈣華的形成通常是巖石、水、大氣、生物等多方面相互作用的結(jié)果。通過(guò)對(duì)卡龍溝鈣華體形成造成影響的因素進(jìn)行列舉并適度分析，望有關(guān)認(rèn)識(shí)能對(duì)今后卡龍溝鈣華的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

鈣華；卡龍溝；影響因素；黑水

卡龍溝位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣麥扎鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于達(dá)古冰山地質(zhì)公園的附屬園區(qū)。園區(qū)四址界線為：北以高程點(diǎn)3 637~高程點(diǎn)4 137為界；西以才蓋高程點(diǎn)3 690為界；南以伊若佐季—阿勒地雜給為界；東以黑水縣—松潘縣縣界為界，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°18′23″~103°21′57″，北緯32°22′03″~32°25′35″。卡龍溝園區(qū)總面積約18.8km2，海拔2 400～4 100m，平均海拔為3 544m。

1 氣候與地質(zhì)背景

卡龍溝園區(qū)內(nèi)屬于高原季風(fēng)氣候，日照充足，年溫差小，日溫差大，旱雨季分明，夏季降水集中，年均降水量約620.6mm。卡龍溝因園區(qū)內(nèi)高山徑流“卡龍溝”得名，其水源主要來(lái)自黑水與松潘交界的阿勒地雜給山頭，徑流時(shí)而潛流時(shí)而出露地表，并沿北西向穿過(guò)卡龍溝園區(qū)后在麥扎鄉(xiāng)才蓋村匯入麥扎河，全長(zhǎng)約6km。正因?yàn)榭垳蠋r溶水的運(yùn)移及水體中豐富的CO2、碳酸鹽等鈣華沉積物源，才造了就卡龍溝的鈣華邊石壩、鈣華長(zhǎng)坡、鈣華瀑布、鈣華灘等形態(tài)各異的鈣華景觀。

卡龍溝園區(qū)主要出露地層表

界系統(tǒng)組/地方名代號(hào)代表巖性厚度（m） 新生界第四系全新統(tǒng)化學(xué)-生物堆積Q4ch-b由厚度大、范圍廣的鈣華堆積物形成的眾多類型豐富、規(guī)模宏大的鈣華景觀 沖洪積Q4al-pal近代山前沖洪積物，由礫石、砂、亞粘土組成，零星分布于溝口地帶 上更新統(tǒng)化學(xué)堆積Q3ch-b堆積物下部為砂礫層，上部由亞砂土、粘土等組成＜50 古生界三疊系上統(tǒng)羅空松多組T3l是園區(qū)內(nèi)地質(zhì)遺跡發(fā)展成生的物質(zhì)背景，為薄-中層狀間夾厚層-塊狀的鈣質(zhì)石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖、板巖的不等厚互層800 新都橋組T3x分布于園區(qū)外圍，該地層常構(gòu)成復(fù)向斜的核部層，巖性為深灰-灰黑色薄板-葉片狀粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)板巖＞389 中統(tǒng)雜谷腦組下段T2z1出露于園區(qū)東部，是卡龍溝鈣華堆積地貌最核心的物質(zhì)來(lái)源，為灰色鈣質(zhì)石英細(xì)砂巖、深灰色粉砂質(zhì)板巖、灰黑色塊狀-薄層狀結(jié)晶灰?guī)r的不等厚互層。＞480

卡龍溝受園區(qū)東緣的熱務(wù)溝旋卷構(gòu)造制約產(chǎn)生了北西向的阿勒地雜給入字型折斷束，阿勒地雜給折斷束是卡龍溝最主要的斷裂構(gòu)造，該折斷束構(gòu)造行跡分布在卡龍溝園區(qū)東部松潘與黑水縣交界的阿勒地雜給山脊，折斷束也由此得名。該構(gòu)造由復(fù)背斜、主干斷裂、分支斷裂組成：其中復(fù)背斜走向?yàn)楸蔽?20°，全長(zhǎng)約12km；復(fù)背斜西側(cè)為主干斷裂，由阿勒地雜給以北西325°走向延伸至羅納溝一帶，全長(zhǎng)約37km；復(fù)背斜東側(cè)斷裂屬分支斷裂，走向近北西315°，與主干斷裂以10°銳角相交。卡龍溝園區(qū)內(nèi)僅出露有該復(fù)背斜構(gòu)造西翼的阿勒地雜給主斷裂北西段，其中最典型的地貌特征即雜谷腦組下段灰?guī)r擠壓碎裂后經(jīng)巖溶作用形成的峰林，而卡龍溝的阿勒地雜給斷裂帶上廣泛分布的“扎尕山灰?guī)r”正是卡龍溝鈣華最主要的物質(zhì)來(lái)源（表）。

2 鈣華的概念

1）鈣華的定義：鈣華又稱石灰華，泉、湖等巖溶水體在一定條件下沉積形成的次生CaCO3，鈣華體具有多孔海綿狀、薄層殼狀、塊狀、纖維狀、同心圓狀等結(jié)構(gòu)。

2）鈣華分類：有的學(xué)者基于鈣華的巖石、地球化學(xué)及同位素等特征，將其分為冷水鈣華（Tufa）與熱水鈣華（Travertine）（Ford等，1996）；也有學(xué)者將冷水鈣華概括為有生物構(gòu)造、多為多孔狀且較疏松的生物型鈣華，同時(shí)將熱水鈣華概括為致密、多具良好結(jié)晶形態(tài)并成層的結(jié)晶型鈣華（辜寄蓉等，2007）；還有學(xué)者按碳的來(lái)源指出，冷水鈣華是在沒(méi)有地球深部CO2來(lái)源并在大氣環(huán)境中形成的大氣成因類鈣華，又稱表生鈣華，而熱水鈣華則是有地球深部CO2來(lái)源并由于CO2大量逸出使巖溶水中CaCO3沉積所形成，又稱內(nèi)生鈣華（晏浩,劉再華等，2013）。

3）鈣華成分與顏色：鈣華體的主要礦物成份為方解石、文石，其總含在90％以上，白云石約5％，還有極少量的石英、褐鐵礦及藻類生物。鈣華體的顏色十分多樣，一般冷水鈣華顏色與環(huán)境中的生物種類、生物生長(zhǎng)情況有關(guān)，通常成黃、淡黃、乳黃色等，而熱水鈣華年層顏色的變化據(jù)推測(cè)與摻和的雜質(zhì)有關(guān)，降水量較大時(shí)水土流失會(huì)引入土壤顆粒及有機(jī)碎屑等雜質(zhì)使鈣華年層顏色較深，而降水量較小時(shí)鈣華體則更多呈現(xiàn)其本來(lái)的白、灰白或乳白色（高競(jìng)，2013）。

3 卡龍溝鈣華形成的影響因素

3.1 壓力與CO2來(lái)源

壓力泛指環(huán)境中的各類壓力，通常CO2在水中的溶解度隨壓力增大而增大，在較大壓力下溶解在水中的CO2含量較高。CO2在卡龍溝地下的高壓環(huán)境中溶于水并形成了富含CO2、CaCO3的飽和巖溶水，高CO2分壓的巖溶水沿?cái)嗔训葮?gòu)造從地下出露到地表后，由于外部氣壓較小，CO2即從巖溶水中大量逸出，推動(dòng)離子方程Ca2++2HCO3-=CaCO3（固）+H2O(液)+CO2（氣）平衡右移，進(jìn)而析出大量CaCO3沉淀，由于該反應(yīng)需要一定時(shí)間，故鈣華沉積往往在巖溶水出露泉口的中下游相對(duì)明顯。關(guān)于黃龍CO2的來(lái)源探究，曾有學(xué)者對(duì)其冷/熱成因論（周緒綸，2008/劉再華，2008）進(jìn)行過(guò)探討，本文根據(jù)卡龍溝鈣華的各項(xiàng)特征初步判斷卡龍溝的鈣華更符合冷水鈣華類型。卡龍溝巖溶水中CO2的來(lái)源主要有三個(gè)方面：其一是大氣來(lái)源，大氣中的CO2含量通常為0.589mg/L且δ13C= -8‰，大氣中的CO2可通過(guò)大氣降水、地表水下滲進(jìn)行溶解并進(jìn)入地下含水系統(tǒng)；其二來(lái)源于土壤，主要包括土壤中保存的CO2、植物根系呼吸作用產(chǎn)生的CO2以及有機(jī)物分解產(chǎn)生的CO2，這些CO2同樣通過(guò)大氣降水及地表水下滲進(jìn)行溶解并進(jìn)入地下含水系統(tǒng)；其三是地殼中巖石變質(zhì)作用產(chǎn)生的CO2，其δ13C與卡龍溝園區(qū)內(nèi)灰?guī)r的δ13C值相近，尤其是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)地殼中巖石會(huì)受到多種變質(zhì)作用形成大量CO2溶于水后進(jìn)入地下含水系統(tǒng)。CO2與壓力因素主要對(duì)卡龍溝鈣華形成起促進(jìn)作用。

3.2 生物因素

卡龍溝園區(qū)內(nèi)植被茂密，特別是水中生長(zhǎng)了大量苔蘚、藻類等植物，這些生物對(duì)鈣華形成的影響主要有三個(gè)方面：其一，參與鈣華沉積（張捷，1992），生物可以作為鈣華沉積顆粒附著的主體成為沉積核從而參與并促進(jìn)鈣華沉積；其二，阻滯、溶解鈣華，Lebron與Suarez于1996年發(fā)現(xiàn)生物釋放的溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度從0.02mmol/L增加到0.15mmol/L時(shí)，方解石晶體大小從大于100μm減少至不足2μm，而當(dāng)DOC達(dá)到0.3mmol/L時(shí)便不再有CaCO3沉積出現(xiàn)（晏浩，劉再華等，2013）。另外，如藻類植物還會(huì)分泌有機(jī)酸，其細(xì)胞壁內(nèi)也有含果膠質(zhì)，甚至其呼吸作用強(qiáng)烈時(shí)都會(huì)對(duì)鈣華沉積物造成一定的溶解，卡龍溝園區(qū)內(nèi)的松蘿彩池鈣華景觀（圖1）就附著了大量的苔蘚、藻類等植物，上述的鈣華溶解作用就使得該處鈣華體的輪廓十分模糊；其三，促進(jìn)鈣華沉積，在水流較緩的水體里由于水中CO2的逸出會(huì)受到限制，故水中生物因光合作用對(duì)CO2的消耗及O2的生產(chǎn)對(duì)水體pH值的提高就會(huì)促進(jìn)鈣華沉積。生物因素主要影響卡龍溝鈣華的微觀形態(tài)。

圖1 卡龍溝松蘿彩池鈣華景觀

圖2 卡龍溝園區(qū)部分棧道臺(tái)階的鈣華沉積

3.3 水化學(xué)因素與溫度

鈣華沉積的化學(xué)本質(zhì)是巖溶水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-及CO2發(fā)生的關(guān)于CaCO3/MgCO3溶解與結(jié)晶的可逆過(guò)程，卡龍溝巖溶水的pH值為6.5~7.5，且該巖溶水從上游至下游水體pH值有逐漸增高的趨勢(shì)。卡龍溝地表巖溶水水體中Ca2+含量為94.19~113.2mg/L、Mg2+含量為6.69~40.74mg/L、HCO3-含量為317.3~561.4mg/L、SO42-含量為1.6~3.2mg/L，同時(shí)該巖溶水的水化學(xué)成分含量有明顯的季節(jié)性特征，即地表補(bǔ)給量小時(shí)水體礦化度高，補(bǔ)給量大時(shí)反之。卡龍溝地表巖溶水的水體總硬度為262~500mg/L，可溶性固體總含量為223~445mg/L，水體中游離CO2含量為11~45mg/L，以上指標(biāo)從卡龍溝巖溶水的上游至下游均有逐漸減小的趨勢(shì)。巖溶水中CaCO3/MgCO3和CO2的溶解量一般隨溫度的升高而降低，卡龍溝的氣溫日溫差較大，雖然水溫日溫差相對(duì)較小但在陽(yáng)光直射下也可達(dá)10℃以上，只要溫度變化足夠就能夠影響巖溶水中CaCO3的析出，主要表現(xiàn)為溫度升高時(shí)水中CaCO3溶解度降低，進(jìn)而逐漸析出并沉積，同理水中CO2也由于溫度升高溶解度降低而逸出，這也促進(jìn)了CaCO3的沉積。溫度與水化學(xué)因素是卡龍溝鈣華形成的直接原因。

3.4 水動(dòng)力因素與地形

水動(dòng)力因素對(duì)鈣華沉積速率有顯著的影響，其它條件相同時(shí)，巖溶水流速越快，固液界面間的擴(kuò)散邊界層越越薄，越有利于鈣華沉積。根據(jù)伯努利方程p+1/2ρv2+ρgh=C（p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體中該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度，C為常量），即流體中某點(diǎn)流速越快，該點(diǎn)壓強(qiáng)越小，這可解釋地表巖溶水流速快的位置更容易逸出CO2從而促進(jìn)鈣華沉積，但這不能說(shuō)明流速與鈣華沉積速率的直接關(guān)系（劉再華,Dreybrodt W，1998）。目前比較主流的兩個(gè)鈣華沉積速率預(yù)報(bào)模型分別是PWP模型（Plummer，Wigley，Parkhurst，1978）與DBL模型（Dreybrodt W, Buhmann D，1991），PWP模型是表面反應(yīng)控制模型，它不考慮擴(kuò)散邊界層內(nèi)溶質(zhì)傳輸對(duì)速率的控制，而DBL模型是擴(kuò)散邊界層模型，它考慮了水動(dòng)力對(duì)方解石溶解、沉積速率以及溶液中CO2慢速轉(zhuǎn)換的控制（王海靜,巴明廷等，2014），故研究流動(dòng)系統(tǒng)中方解石的沉積DBL模型更為理想。按DBL模型所得的結(jié)論即流速越快，固液界面間的擴(kuò)散邊界層（DBL）厚度越小，鈣華沉積速率越快（周緒綸，2006）。由此可大致推測(cè)卡龍溝各類鈣華景觀的成因：如邊石壩內(nèi)部由于巖溶水流速較慢，所以鈣華沉積作用沒(méi)有其邊緣明顯，同理鈣華瀑布、鈣華長(zhǎng)坡等由于陡砍、陡坡等地形因素導(dǎo)致巖溶水在這些位置流速加快且邊界層變薄，故其鈣華沉積效果顯著。卡龍溝園區(qū)的部分棧道臺(tái)階由于巖溶水的流經(jīng)也被覆蓋了一定的鈣華沉積物，其臺(tái)階踏步立面處的鈣華沉積物明顯多于其平面處（圖2），這就可用上述理論來(lái)解釋：即由于巖溶水流至踏步立面處跌落加快了水流速度、固液界面間的擴(kuò)散邊界層變薄導(dǎo)致該處更易鈣華沉積。地形與水動(dòng)力因素主要影響卡龍溝鈣華的宏觀形態(tài)。

3.5 鈣華物源及水源

卡龍溝園區(qū)東部海拔最高的阿勒地雜給山主峰及其附近區(qū)域皆為碳酸鹽巖區(qū)，該區(qū)同時(shí)也是卡龍溝地表水、地下水的補(bǔ)給區(qū)，其水源補(bǔ)給方式主要為大氣降水。其中一部分補(bǔ)給水源在淺層松散堆積物的風(fēng)化孔隙中流向低處后在溝谷出露地表，此類孔隙潛水的礦化度、CO2含量不高，不構(gòu)成卡龍溝鈣華的主要物源。另一部分補(bǔ)給水源沿?cái)嗔蚜严断虻叵逻\(yùn)動(dòng)，此類水源由于本身含有一定量CO2，又在地下的流動(dòng)過(guò)程中不斷溶解CO2，具有很強(qiáng)的巖溶能力，大量CaCO3被溶蝕后生成Ca2+，這就構(gòu)成了卡龍溝鈣華的主要物源，該地下水沿隔水邊界斷裂上涌到達(dá)第四系堆積層后進(jìn)入淺層地表水，后在地表出露并通過(guò)北西向的斷裂進(jìn)入卡龍溝園區(qū)內(nèi)部。卡龍溝巖溶水的源頭分布有中三疊統(tǒng)厚度較大的扎尕山灰?guī)r，灰?guī)r受到阿勒地雜給主干斷裂構(gòu)造作用后成裂隙發(fā)育，故其含水性較強(qiáng)。卡龍溝巖溶水的流量變化較大，一般在1～10L/s，大氣降水補(bǔ)給充足時(shí)可達(dá)20L/s，巖溶水在流經(jīng)過(guò)程中從陡坡流入地形平緩處后往往滲到地下，隨后潛流至下一級(jí)陡坡時(shí)再溢出地表并往復(fù)進(jìn)行此過(guò)程。鈣華物源及水源因素是卡龍溝鈣華形成的根本原因。

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Influence Factors of Calc-Sinter Formation in the Kalong Valley, Heishui, Sichuan

HUANG Hao CHEN Lin YUE Xin TAN Ming-lei GAN Jie

(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

The landform of the Kalong Valley is the typical calc-sinter accumulation which was formed in karstification in alpine and cold region. The calc-sinter landscape has long been known as the “moss sinter world in China” thanks to its plenty and diverse calc-sinter accumulation. The formation of calc-sinter usually results from the interaction of such factors as water, limestone, air and so on. Compared to the calc-sinter in the Huanglong scenic spots, the calc-sinter in the Kalong scenic spots is covered with numerous algae and moss which has formed diverse biologic calc-sinter landscape.

calc-sinter; Kalong scenic spots; influence factors; Heishui, Sichuan

2017-04-10

黃浩（1992-），男，漢族，四川成都人，碩士研究生，自然地理專業(yè)，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)遺跡保護(hù)與地質(zhì)公園建設(shè)

P642.25

A

1006-0995（2017）04-0639-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.025