（环境工程专业论文）贵阳地区浅层岩溶地下水稀土元素地球化学研究.pdf

贵州人学领i 。w f 宄生学位论文 摘要 作为在世界岩溶地区具有一定代表性的贵州省贵阳市，具有独特的水文地球化学特征、 突出的地球化学敏感性和生态环境脆弱性，其地f 水系统非常复杂。因此，揭示该地区地下水 水文地球化学特征对于我们进行岩溶地下水的开发、保护等j ：作具有一定的指导意义。 本文研究了贵阳市浅层岩溶地f 水的水化学特征，特别是稀十元素含量、分布模式特征。 研究结果表明： ( i ) 贵阳地区浅层岩溶地下水中溶解态的z r e e 值犬部分在0 0 1 o 7 0 hg l ，变化范 围不大。 ( 2 )通过下降泉中的稀十元素与贵州碳酸盐岩典型风化壳剖面稀十元素相比较，a ) 球 粒陨石标准化后，地f 水稀十分布模式和风化壳的稀十分布模式有很大的相似性，都是轻稀 土富集型但有更加强烈的c e 负异常：b ) 北美页岩标准化后，地下水稀十分布模式为轻微 的重稀：t 元素富集型。相对于风化壳的稀士分布模式为轻微的轻稀士元素富集型来说，发生 了分异，而且有更加强烈的c e 负异常。 ( 3 ) 通过对3 、6 、3 5 、3 6 、4 0 、4 3 、5 4 、5 5 水样点的稀十元素的分析、枯水期和丰水 期比较、及联系微量元素特征，说明贵冈1 地区稀十元素污染主要来臼于煤矿废水，从而表明 稀土元素的示踪功能和实际指导意义。 关键词：岩溶地下水：稀土元素；水化学；碳酸盐岩：贵阳 贵卅i 大学硕上研究生学位论文 r a r ee a r t he l e m e n tg e o c h e m i s t r yo fk a r s t s h a l l o wg r o u n d w a t e ri ng u i y a n g c i t y s u m m a r y g u i y a n gc i 吼a st h er e p r e s e n t a t i v er e g i o no f t h eg l o b a lk a r s ta r e ai ng u i z h o u ，c h i n a ，b e a r s p a r t i c u l a rh y d r o g e o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i c s ，e x t r u s i v eg e o c h e m i s t r ys e n s i t i v i t y , t e n d e re n v i r o n m e n t a n dc o m p l i c a t e dg r o u n d w a t e rs y s t e m t or e v e a lt h eh y d r o g e o c h e m i s t r yo fs h a l l o wg r o u n d w a t e ri n g u i y a n gc i t yi sb e n e f i c i a lt ot h ee x p l o i t a t i o na n dp r o t e c t i o nf o rk a r s tg r o u n d w a t e r b a s e do nt h er e s e a r c ho fh y d r o g e o c h e m i s t r yo ft h es h a l l o wg r o u n d w a t e ri ng u i y a n gc i t y , p a r t i c u l a r l yr e ec o n c e n t r a t i o n sa n dd i s t r i b u t i o np a t t e r n s ，s o m ei d e r sa n dc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d a stf o l l o w s ： ( 1 ) t h er a n g eo fr e ec o n c e n t r a t i o n sw ed e t e r m i n e di sf r o m0 0 it oo 7 0ug l ，a n d c h a n g e ds m a l l y ( 2 ) o nt h ec h o n d r i t e - n o r m a l i e dp l o t s ，t h e p a r e n tw e a t h e r i n gc r u s ta r ee n r i c h e di nl r e e w i t hs i g n i f i c a n tn e g a t i v ec ea n o m a l y w h i l et h eg r o u n d w a t e r so f d r o p e ds p r i n ga r ea l s oe n r i c h e d i nl r e e tt h e yd i s p l a ym u c hs t r o n g e rn e g a t i v ec ea n o m a l y ，i n d i c a t i n gt h ef r a c t i o n a t i o no fc e d u r i n gw a t e r - - r o c ki n t e r a c t i o n ；o nt h ep a s s - n o r m a l i e dp l o t s ，t h ep a r e n tw e a t h e r i n gc r u s ta r e f e e b l ee n r i c h e di nl r e ew i t hs i g n i f i c a n tn e g m i v ec ea n o m a l y w h i l et h eg r o u n d w a t e r so f d r o p e d s p r i n ga r ea l s ow e a ke n r i c h e di nh r e e ，t h e yd i s p l a ym u c hs t r o n g e rn e g m i v ec ea n o m a l y ， i n d i c a t i n g t h e f r a c t l o n a t i o no f c ea n d r e ed u r i n g w a t e r r o c k i n t e r a c t i o n ( 3 ) b ya n s l y s i s i n gr e eo fs h a l l o wg r o u n d w a t e r , c o m p a r i n gl o ww a t e rt i m et op l e n t i f u l w a t e rt i m e ，a n dc o n t a c t i n go t h e rm i c r o e l e m e n t ，f o re x a m p l e3 、6 、3 5 、3 6 、4 0 、4 3 、5 4 、5 5 ， w ec a l lk n o wt h a tp o l l u t i o no fr e ei ng u i y a n gc i t ym o s t l yd e r i v e sf r o mw a s t e rw a t e ro fc o a l m i n ea n dr e ef u n c t i o no f t r a c e k e y w o r d s ：k a r s tg r o u n d w a t e r ；r e e ；h y d r o c h e m i s t r y ；c a r b o n a t er o c k ；g u i y a n g 责州大学硕士研究生学位论文 前言 1 地下水环境的基本特点 水是最为常见的良好溶剂，它溶解岩士组分，搬运这些组分，并在某些情况下将这些组 分从水中析出。水是地球中元素迁移、分散与富集的载体。天然水的化学成分是水与自然( 自 然地理、地貌、地质) 以及人类活动长期相互作用的产物。地下水是天然水的重要组成部分， 是自然历史与人为作用的产物。地下水相对于地表水而言，其运动、迁移、化学特征等更为 复杂。 地f 水是赋存于地面以下的岩石空隙中的水，是自然界循环中的地下径流。它的形成、 运动、演化均与大气降水、地表水有密切的联系。地下水沿流程水化学演化，易受以下因素 的影响：水体在岩层中寄宿时间和迁移速度、流程曲折度、初始水成分特征、水体间的混合 作h j 雨流经矿物的溶解作用等。因此，利用水化学方法对地下水演化、污染机制等进行研究， 具有相当的可行性。 当前，随着经济的发展和开采水平的提高，对地下水的利用越来越多，同时也导致了一 系列的环境问题，如地面沉降、水体污染等，对地下水的研究已经越来越引起人们的重视。 2 选题依据和研究意义 贵州省地处世界岩溶发育最复杂、类型最齐全、分布面积最大的东亚岩溶区域中心，地 f 水系统十分复杂，具有独特的水文地质地球化学特征、突出的地球化学敏感性和生态环境 脆弱性，在中国南方岩溶地区仍至世界亚热带岩溶地区都具有一定的代表性和典型意义。同 时，贵州岩溶地区也是我国贫困问题最为突出、贫困人口晟为集中、生态环境问题最为严重 的地k ：其中，岩溶水资源的丰富而得不到有效利用和岩溶地f 水的严重污染己成为制约贵 州岩溶地区脱贫解困的关键因素因此，系统地、正确地、全面地认识岩溶地下水水文地球 化学特征和污染敏感性对丁我们合理开发利用地下水、有效保护水资源以及对已污染地下水 进行治理等方面均具有一定的指导意义。 本课题作为导师朱立军教授国家自然基金( 4 0 4 6 3 0 0 1 ) 项目“贵州喀斯特地下水系统污 染敏感性及其矿物净化作用研究”的一个重要组成部分，着重对贵阳市浅层地下水系统中主 量元素、微量元素、稀士元素地球化学等进行研究，探讨喀斯特地区地下水水文地球化学特 征及污染机制，为污染治理提供理论依据。 贵州大学硕士研究生学位论文 3 研究概况综述 3 1地下水水化学研究概况 利用主量元素化学方法研究地下水水文地球化学特征已经比较成熟。当前，国内外对利 用水化学方法对地卜水水文地球化学已进行了很多研究( i g o rn s o l o d o v 等，1 9 9 8 ： f r e n g s t a d 等，2 0 0 1 ：e d m u n d sw m 等，2 0 0 2 ；李义连等，1 9 9 8 ：钱家忠等，2 0 0 3 等) 国内外对重金属的研究着重以对重金属污染物的研究为最全面和深入。陈静生、周家义 主编的中国水环境重金属研究一书；李韵珠等( 2 0 0 1 ) 、张蒙等( 2 0 0 1 ) 、柴琛等( 2 0 0 2 ) 、 王卫中等( 2 0 0 3 ) 均进行了地下水的重金属研究。 3 2地下水稀土元素研究概况 稀十元素( r e e ) 是指原子序数5 7 7 l ( l a l u ) 的一组元素，它们具有相似的化学性质 ( 离子半径、电价、络合行为) 而又具有系统差异的化学性质，被广泛用于许多地球科学研究 领域中的物质来源和演化过程的示踪研究，利用稀土元素在不同岩石中的含量和配分模式， 可以演绎出不同的地质过程和物质来源( b a ue ta l ，1 9 9 6 ；d u p r ee ta l ，1 9 9 6 ：g o l d s t e i n e ta l ，1 9 8 8 ；s h o l k o v i t ze ta l ，1 9 9 2 ) 。在陆地地质、海洋和河流研究中，载体的r e e 信息已被广泛应用于指示物质来源、岩石矿物的形成条件、地球化学分异作用及沉积环境变 化等。 3 2 1 天然水中稀土元素赋存状态的研究概况 稀土元素的离子半径和三价锕系元素( 如：a m “、c m ”、c f ”) 的类似，因此稀土元素可 用于预测地下水中锕系元素的行为( c h o p p i n 1 9 8 3 ；k r a u s k o p f 1 9 8 6 ) 。在高浓度的放射性 废料中- 有u 、p u 产生的放射性稀土同位素，了解天然水中稀士元素的行为对于知晓高浓度 的放射牲废料是否通过地f 水泄露是很重要的( w o o d 。1 9 9 0 ) 。 稀十元幕化学性质稳定，一般认为是不迁移的，但是稀土元素在热液作用、风化过程或 低温水岩相互作州过程中是可溶的和可迁移的( 陈炳辉等。1 9 9 8 ：b a n k s e ta l ，1 9 9 9 ：王中 刚等，1 9 8 9 ：g o u v e i ae ta l ，1 9 9 3 ) 。大陆壳经过化学和机械蚀变导致岩石和矿物分解，形 成十壤，雨水、泉水、河水等将蚀变矿物中的化学元素及大、小颗粒带走。随着i c p - m s 仪 器技术的不断发展，人们对水中微量的稀土元素进行分析成为比较方便的工作，开展了许多 对海水、湖水、河水、地下水中稀土元素的研究工作( e l d e r f i e l de ta t ，1 9 8 2 ，1 9 9 0 ： 8 h o l k o v i t z 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ：k e a s l e re ta l ，1 9 8 2 ：王中良等，2 0 0 0 a ，2 0 0 0 b ：m o n t o r o le t a l ，2 0 0 2 , y a n gs ye ta l ，2 0 0 2 ：s m e d e y ，1 9 9 1 ；b i d d a ue ta l ，2 0 0 2 ；王晓蓉等，1 9 9 4 ： 王仲武等，1 9 9 4 王立军等 1 9 9 5 ：胡勤海等，2 0 0 0 ：洪华生等，1 9 9 8 ：黄成敏等，2 0 0 2 ：韩 2 贵州大学硕士研究生学位论文 贵琳等，2 0 0 4 ) 。陈照喜( 1 9 9 6 ) 还研究了水体中稀土元素的环境化学行为及生物效应。 镧系元素中从l a 到l u ，原子半径逐渐减小，由于粘土矿物颗粒吸附阳离子，而l r e e 主 要以正电荷的形式存在，所以l r e e 优先吸附在水中的胶体、矿物颗粒悬浮物及含水层表面， 而h r e e 在溶液中由于易与络合离子形成稀土的络合物，h r e e 主要以负电荷的形式存在，因 此在水溶液中有较大的稳定性( b y r n ee ta l ，1 9 9 0 ：e r e le ta l ，1 9 9 3 ；格里姆，r ee t a l ，1 9 6 0 ；j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 7 ，2 0 0 0 ；b i d d a ue ta l ，2 0 0 2 ) 。 海水中总碳酸根离子浓度平均为2 7 0um ol k g ，而磷酸根总浓度在1um o l k g 至3u m o l k g 之间( b y r n ee ta l ，1 9 9 3 a ，1 9 9 3 b ) 。海水中稀士元素主要是和碳酸根离子发生络 合作用，从l a 到l u 随着原子序数的增大，原子半径减小，稀士与碳酸根络合能力增强， 因此相对于l r e e 而言h r e e 富集( m o r e le ta 1 1 9 9 3 ；l e ee ta l ，1 9 9 3 ；m i l l e r oe ta l ， 1 9 9 2 ) 。与碳酸根相比，磷酸根的稀七络合物不是主要的稀土元素络合物( l e ee ta l ，1 9 9 3 ) 。 碱性湖水中r e e ( c0 = t ) 2 是最主要的可溶态稀土相( j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 4 a ) 。碱性湖 水中虽然磷酸根离子浓度很高，但是它在可溶态稀士相中并不是主要的成分。如：m o n o 湖 中磷酸根离子浓度高达l o o oum o l k g ，然而自由碳酸根离子( c 瓯2 一 r ) 浓度比自由磷酸 根离子( p 0 2 r ) 浓度一般高6 个数量级，至少高4 个数量级( j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 5 b ) 。 所以稀十元素的磷酸根络台物占可溶态稀十相的总量较小。j o h a r m e s s o ne ta 1 ( 1 9 9 6 a ) 还研究了酸性湖水提出r e e s o 和r e e ”是酸性湖水中可溶态稀土的主要存在相。在富有 机物的水中，稀土与有机物的络合会在可溶态稀土相中占主要地位( b o y l ee ta l ，1 9 8 4 ) 。 研究地下水的起源和运动，识别各个地下水子系统及其相互关系常利用环境同位素氢、 氧等( 刘丹等，1 9 9 7 ：李彬等，1 9 9 4 ：满开言，1 9 9 4 ：葛晓光，1 9 9 9 ；高天发，1 9 9 5 ：庄稼， 1 9 9 7 ；顾慰祖等，2 0 0 0 ；李文鹏等，1 9 9 4 ；魏玉梅等，2 0 0 1 ) 。现在由于发现地下水中的稀 土元素( r e e ) 与它流过的岩石、土壤的性质有关，因此r e e 成为研究水岩相互作用的有效 工具( 如：s m e d l e y ，1 9 9 1 ：j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 4 b ) ，也是地下水补给源的天然地球化 学示踪剂，它和h 同位素、u 同位素等作示踪剂的结果一致( j o h a n n e s s oe ta l ，1 9 9 7 ) 。 稀十元素在地下水中的这些信息起源于它在溶液表面和溶液中的络合作用 ( j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 7 ) ，有些学者研究了无机溶液络台行为( w o o d ，1 9 9 0 ：g o s s e l i n e ta l ，1 9 9 2 ：j o h a n n e s s o ne ta l ，1 9 9 6 ) 。稀土元素在天然水中可以以悬浮态存在或以溶 解态存在。它们易于吸附到悬浮的胶体颗粒上，尤其是铁锰氢氧化物可溶态稀土以自由离 子或络合物形式存在( h a s k i ne ta l ，1 9 6 8 ：v a r s h a le ta l ，1 9 7 5 ) 。地f 水的主要离子组 成和p h 值是影晌溶液中r e e 存在方式的主要因素( w o o d ，1 9 9 0 ；s m e d l e y ，1 9 9 1 ：b i d d a ue t a l ，2 0 0 2 ) 。天然水中主要无机阴离子有c o 。”、0 h 一、f 、s o 2 、p n ，随着p h 的变化，溶液 中稀土的存在方式也是变化的。w o o d ( 1 9 9 0 ) 计算了地下水中e u 和不同阴离子配位键络合 的百分比，预测出：在p h 值2 6 5 之间时，自由金属离子e u ”和硫酸根络合物e u s o , 是可 溶态稀士中主要的存在相：当p h 值在6 5 9 52 _ n m t ，e u c o s4 是地f 水中可溶态稀土的主 贵州i 大学硕士研究生学位论文 要的络台相：当p h 值 9 5 时，_ 二碳酸根络台物 e u ( c o ：，) z 是最土要的络合相。s m e d l e y ( 1 9 9 1 ) 研究p h 值为4 3 7 2 的c a r n m e n e l l i s 花岗岩地水中，发现自由离子r e e ”是地卜 水中可溶态稀土元素的主要存在相。j o h a n n e s s o ne ta 1 ( 1 9 9 1 ) 研究p h 值为7 9 的加利 福尼弧地下水中可溶态稀土的主要存在形式，指出r e e c o 。、r e e ( c o _ ，) t 在地下水的可溶态稀 土元素中占9 0 以上。在p h 值为9 9 6 地下水中，可溶态稀十元素人部分以r e e ( c o ：) z 形式存在( j o h a n n e s s o ne ta l ，2 0 0 0 ) 。b i d d a ue ta l ( 2 0 0 2 ) 研究发现在p h 6 花岗岩地 下水中r e e ”在可溶态稀土中占主要地位。一般来说，水中的o h 、f 、c i 、p o 。3 属丁= 居 次要地位的阴离子，常常可以忽略。但是在高盐度，富c 1 的t e x a s 泉水中，r e e c l ”在可溶 态稀十中i 主要地位( g o s s e l i ne ta l ，1 9 9 2 ) 。g i m e n oe ta l ，( 2 0 0 0 ) 研究了在3 3 p h 6 时，稀t 浓度都较小：p h 6 时。稀土浓度总的来说 比高p h 值时的稀十浓度人。球粒陨石标准化后的地f 水与母岩一样显示为l r e e 寓集型，并 具有e u 负异常。 4 研究内容、方法与技术路线 4 1 研究内容及方法 本次研究利_ j i j 主耸、微耸元素、稀十元素等研究方法，重点进行以卜儿方面的研究 根据所测得的主量元素、微量元素，揭示贵阳市浅层地f 水水化学特征。 对采集水样的稀十元素进行必要的富集后，测定。 贵州大学硕士研究生学位论文 利用测得的稀十元素，并结合主量元素、微量元素数据，探讨研究区地下水的稀土 元素地球化学特征。 根据测得的贵阳市浅层地下水稀土元素，比较前人碳酸盐岩的风化壳稀土元素，从 而揭示其机理。 4 2技术路线 本次研究所采取的技术路线见图0 一l 眄习 收集国内外研究相关成果，进行文献调研 撰写开琏报告 集研究区地质、水 地质、气象资料 选择典型水文地 质单元 置稀土元素、水化学采样点 置，并进行采样、测试工作 综台分析 揭示地下水稀土元素分 布特征及影响因素 示地下水水文、稀土 素地球化学演化机制 揭示地下水污染 物迁移机制 总结、整理、编写论文 图0 1 研究技术路线图 5 论文完成的主要工作量 本论文完成了采样点的选择、采样准备工作：枯水期、丰水期一个水文年的样品采集： 样品的处理、分析和数据的接理等工作。见表o l 。 本次研究主要对贵阳地区具有代表性的天然出薅的井点、泉点、溶洞水等进行采样。其 中，枯水期采集到样品5 7 个，丰水期采集到样品5 6 个( 因g t u l 8 号采样点被淹无法采集) ， 共采集到样品3 。对样品进行相应的处理后，测定所采样品的主量、微量元素：重点是对 水样稀士元素进行适当的预富集及测定。总计测得数据3 0 0 0 余个，并对其进行了分析处理。 6 贵州人学硕l j 研究生学位论文 表0 一l ：主要工作量 时间具体【作 2 0 0 3 年1 月1 1 日至1 月2 1 日枯水期样品采集 2 0 0 3 年7 月2 2 日至7 月2 7 日丰水期样品采集 2 0 0 3 年9 月至2 0 0 4 年1 月 收集资料并测定主晕、微量元素 2 0 0 4 年3 月至2 0 0 4 年6 月 水样r e e 进行预富集、测定 2 0 0 4 年9 月至2 0 0 5 年1 月 实验数据进行数学处理和进行结果分析 2 0 0 5 年0 3 月至2 0 0 5 年0 6 月毕业论文撰写 笔者在论文完成过程中，已有一篇文章“t h eh y d r o g e o c h e m i s t r yo fk a r s ts h a l l o w g r o u n d w a t e ri ng u i y a n gc i t y ，g u i z h o u ”发表于地球化学( 英文版) 2 0 0 5 年第二期 “c h a r a c t e r i z a t i o no fp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i ai n ( a o ) 2s b rs y s t e mb yu s i n g d i f f e r e n te l e c t r o na c c e p t o r s ”被哈尔滨，i i 业大学学报( 英文版) 录用。 7 童型查堂堡主竺壅皇兰堡堕兰 一 第一章岩溶地下水特征 第一节岩溶水概述 岩溶水是赋存丁可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的地f 水，义称喀斯特水。其最明显特 点是分布极不均匀。在可溶性岩层裸露地表的补给区入渗补给有两种方式：一种为灌式 补给，在低洼处汇集一定量的降水，通过漏斗或落水洞灌入地r ，有时整条河流通过这类洞 穴满入地f ；另一种为渗入式补给，通过地面上微小的裂隙，较缓慢的渗入地f ，汇入岩溶 通道平地f 河系之中。在岩溶地区，往往在几百乃至上千平方千米之内，岩溶水可通过一个 泉或泉群集中排泄：而补给区则成为地表水缺乏，岩溶水又埋得很深的缺水地区，显现出岩 溶水空间分布极不均一的奇特现象。岩溶水水位动态变化幅度人而且变化快。岩溶泉往往雨 季流量急增，而雨后又骤减，呈现出岩溶水时间分布极不均一的奇景。岩溶水由于循环交替 快速，一般为矿化度小于l 克升的重碳酸钙镁型淡水。岩溶水同时存在于由大小悬殊的孔 隙、裂隙、洞穴和通道组成的同一含水系统中，无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存。 但总体上岩溶水以层流为主。岩溶含水系统一般水罐丰富、水质优良，常作大中型供水源。 位于岩溶水分布地区的矿坑，容易产生突然大量涌水，甚至造成淹矿事故。 第二节碳酸盐岩地区的径流和控制因素 陈文俊等( 1 9 8 1 ) 把岩溶水分为四类：隙流、管流、脉流和洞流。他指出，随着岩溶阶 段的发展，隙流、管流和脉流将发展成网流。应该指出，在不同学者的分类中，同一词( 脉 流或管流) 往往代表了岩溶水的不同发展阶段和径流特征，并且在应用中互相混用。然而国 外许多学者仅把岩溶水粗分为扩散流和管道流( h t k i n s o ne ta 1 1 9 7 7 ：e d ee ta 1 1 9 7 5 ) 。 扩散流是赋存和运动在孔隙和细小裂隙中的岩溶水，运动缓慢，遵循达柏定律，具有层流的 特征。管道流是指运动在溶蚀扩大裂隙和洞穴、管道中的岩溶水。它运动迅速，最人流速有 的在l k m d 以上，属于紊流性质。总的来说管道流由扩散流发展而成。 岩溶水径流的形式和特征受碳酸盐岩的岩性、地质构造、地貌、排泄基准面等因素的影 响。 ( 1 )岩性 碳酸盐岩是岩溶水径流发生、发展的物质基础。岩性不仅控制了径流特征，而且影响了 岩溶发育的程度和岩溶水文化学特征。 在区域地质应力作用f ，不同岩性的岩石所产生的虑变是不一样的。碳酸盐岩中含有的 泥质越多，其柔性应变性能越好越容易挠曲；含有向云t i 和方解石越多，碳酸盐岩的刚性 越强，越容易产生破碎和破裂。不同岩性的碳酸盐岩在水中的溶解度是不一样的，如方解石 8 墨! ! ! 查兰堡兰堡塞竺兰些堡兰 ( c a c 0 。) 、菱镁石( m g c 0 。) 、向云干i ( m g c a ( c 醌) ，) 在纯水中的溶解度分别为1 4 3 3 ( 2 5 c ) 、 1 0 6 和3 2 0 m g 1 ( 1 8 c ) 。但是，在正常的温度和压力卜，把碳酸镁、碳酸钙和自云石在纯水 中浸泡5 0 0 昼夜后，它们的溶解度则相应为4 2 6 9 3 、5 7 2 9 和7 42 8m g l ( 中国岩溶研究， 1 9 7 9 ) 。然而，在2 3 c 和1 个标准大气压c 仉压力下，当水中所含2 2 。g o h c o s 饱和度时，白云 岩的溶解度火大低丁纯灰岩的溶解速度( r a u c he ta l ，1 9 7 7 ) 。岩石中白云岩的含量越高， 白云石化越强，则相对抗溶能力越强。这种岩石溶度的差异造成了泥质灰岩、白云岩等难溶 岩石中的岩溶水，一般鼍扩散流；而易溶的厚层纯灰岩中以管道流为主。 ( 2 )构造 由x 诙岩组成的向斜构造，往往是良好的汇水和储水构造，并且常常沿向斜轴部发育规 模较人的岩溶管道_ 币i l 洞穴( 术林华等，1 9 8 3 ：1 9 8 4 ) 。其径流特征犹如暗管流，地表河和渠道 流。 背斜构造一般为分水和散流构造，有的形成了岩溶水的分水岭带( 陈文俊，1 9 8 1 ) 。背 斜构造的倾伏端，岩溶水的运动呈散射状。因而，理应在背斜构造的轴部以扩散流为主，然 而在岩层褶皱变形过稃中，由丁上f 岩层变形和物质流动速度和距离的差异性，在背斜核部 往往形成较大的构造空间，为管道流的发育创造了良好的条件。在许多背斜的倾斜伏端，发 育了规模大小不一呈散射状的管道流。 在产状平缓的厚层纯灰岩褶皱带，岩溶地下水系、管道和洞穴往往均很发育。岩溶水从 水系边缘的扩散流逐渐变为管道流和洞流。 断裂构造强烈地破坏了岩4 i 和褶皱构造的完整性，为岩溶水的运移开辟了道路改善了 径流条什，提高了流速。因此，沿着许多火断裂构造，往往发育着规模不等的管道流( 宋林 华尊，1 9 8 5 ) ，即使在孔隙率很高的典型扩散流含水层中也可形成通畅良好地管道流 ( a v i a s 1 9 7 2 ) 。 ( 3 )地貌 地貌对岩溶水径流的影响是比较明显的。高山峻岭的分水岭地区，岩溶发育程度差，地 表水流分散。岩溶水以扩散流为主。在地形起伏较人的碳酸盐岩地区，岩溶洼地、谷地和破 立谷发育，这里往往是岩溶地下水系的中、f 游区，地下管流十分发育。在人型盆地和破立 谷中，比较均匀分布发育的裂隙流和管道流比较发育，同时，扩散流也很发育。若岩溶地貌 序列发生了变化。则岩溶水径流类型就比较复杂。 地貌转折部位构成了地貌的裂点。这种裂点的存在离接控制着岩溶水的水力梯度和流 速。在较平缓的地方，地f 岩溶侧向发育较好有利于管道和洞穴的横向发展水流速度较 小。在裂点以f 处，水力坡度大，地下水以f 蚀作用为主。因此，管道单一并呈裂隙状，岩 溶水以流的管道流为主。在管道之间的岩体中，扩散流发育。 ( 4 ) 排泄基准面 排泄基准面的变动是构造运动和水文气候变化的反映。 9 贵州大学硕士研究生学位论文 基准面的变动引起岩溶径流特征的变化。当基准面处于稳定阶段时，岩溶作用以侧蚀为 主，裂隙和管道得以扩大，岩溶水的流速减慢，但管道流是主要的径流形式。当基准面下降 时，岩溶作用从侧蚀变为下蚀为主。下蚀作用的强度自基准面开始随水系溯源而上并逐渐减 弱。岩溶水流的坡降自上游向下游逐渐增加并且形成多处裂点( 宋林华等1 9 8 5 ) 和瀑布， 岩溶地下水系和地形的纵剖面形成均衡面或称上凸形剖面形态。在这些地区，管道流的速度 很大，但是在岩溶垂向作用未到达的地方，纵剖厩坡度和水流速度均较小，其特点与基准面 平稳区一样。管道流之间的岩溶地块，主要为扩散流。 第三节碳酸盐岩风化作用中的岩溶水 碳酸盐岩风化成土作用是碳酸盐岩分布区域占主导作用的表生地质、地球化学作用，决 定着由碳酸盐岩一土一水一大气一生物 c a 2 + c o ，2 构成的岩溶环境系统中物质和能量的迁 十十 移和转化。岩溶水实际上不但是碳酸盐i 歹孑乏乏孑z ；i ：忑- 岩风化作用中最重要溶剂和最活跃的地 c a c o ， 质营力，而且是把碳酸盐岩风化过程最 h ? h c o ， 重要的物质带入带出载体。c a 2 十c o ，2 一 。+ 掌兰竺妻竺竺兰差竺化芒凳：竺作一r 歹孑考乏；! 亳f 用中主要表现为水解作用、水化作用、 。7、 氧化作用和碳酸作用。 c 8 c o i ) 水解作用是水电离产生的h + 、一一，“乙l h o h 一离子与风化带中矿物的离子发生交 。”、。 换反应。在风化壳中广泛发育水解作用，i l l ：h c o ， 如层状硅酸盐矿物中的金属阳离子被水 c fc 2 。 中的h 离子置换反应，形成难溶解的氧歹孑乏天s 乏7 ；：；墨_ 化铁矿物域新的粘士矿物。水解作用也c a c o ， 是引起溶液酸碱度( p h 值) 发生变化的 f n ，宰茸 重要化学反应之一。溶液的p h 值决定着= = = e z 一 化学元素的迁移能力，对风化成土地球 jh c o 、。 化学有着极大的影响。 c o ，。7 2 水化作用是指把水结合到矿物晶 水 h ? h c o 、 格中的作用，水在矿物中常星n 1 2 0 的形c a 2 +c o ， 主嚣器毳篇萎鬻罢巍溶易赫最常见的水化作用现象是赤铁矿 石灰岩溶 7 、 ( f e 。0 。) 转化为水赤铁矿( f e ：o ，n h ：0 ) 、 解过程图 c a c u 1 0 贵州人学硕l ： i j f 究生学位论文 ( m n ：0 ，) 转变为水锰矿( m n z 0 3 n h z 0 ) 。水化作用是矿物表明形成吸附系统的重要作用，它可 以在矿物表面形成吸附水，也可以进入晶格形成羟基水或结晶水。 3 ) 氧化作用是通过溶解着游离氧的岩溶水所产生的氧化反应来实现。氧化作用主要发 生在地f 水面以上的氧化带内，含有变价元素的原生矿物，在溶解着游离氧的岩溶水作用下 发生分解，形成在表生条件f 更加稳定的较高价次的氧化物、含氧盐或氢氧化物。 4 ) 碳酸作用是碳酸盐岩风化过程中最有特色的作用。岩溶水的溶蚀能力主要取决于其 中的碳酸含量。即岩溶水中游离的c o z 的存在量。它与碳酸盐作用，转化为重碳酸盐，从而 极大的提高了岩溶的溶蚀能力。 碳酸盐岩风化过程中溶蚀的化学机制实质上是c o ：、水和岩f i 之间的化学反席反应过程 ( 任美锷等，1 9 8 3 ) 。原南斯拉夫学者b s g l i ( 1 9 7 8 ) 提出地反应方程和图解( 图卜1 ) 引用 晟为j “泛。柑灰岩在水中溶解成c a ”和c o ? 一离子： c a c o ：； c a “+ c o 。”( 1 ) 这种离解在纯水也可进行，其溶解度随水温增加而变化。空气中二氧化碳和水中的_ 二氧 化碳进行交换，形成水中c o ：。： c 0 2 ( 9 1 ) i ；c 0 2 。( ( 2 ) 水中6 溶于水形成碳酸碳酸又离解成h + 和h c o 。离子。水中c 0 z 。又可分为物理态 和化学态( 具有侵蚀性的) ，只有化学态的c 轨。才与水反应： c 0 2 。+ h z 0i 女h 2 c o ：i h + + h c o 。一( 3 ) 水中碳酸离解山h 1 与i 依岩溶解出的c 吖形成h c o ，： h + + c0 i 耸h c o ：；一 ( 4 ) 这过科( i ) 式反应向右进行，促使石灰岩继续溶解。以上所有反应都是可逆反应 其中涉及剑气相的c o z 与水中c o z 。的转化水中各种离子的反廊( 液相) ：以及固相石灰岩 ( 或向云岩) 的离解，所以说石灰岩的溶解式涉及同、液、气三相，多种离子参与的复杂的 水解反麻。水中的c o 。不但来源与大气中，而且也在人气降水渗经十壤层中时，吸收土壤中 的c o z 。 固、液、气三相的碳酸作用进一步发展，就形成了风化溶蚀作用。由图卜2 可知，i 界 面为气一水溶液组成的扩散层界面6 - ；i i 界面为水溶液与岩秆之间的水一岩表面反应界面 6z 。试验表面，酸度越高、温度越高，表面反应控制平! f 度越高，水动力条件越动荡，扩散 传输控制程度越高。 气 溶液 岩石 p c o ：；- c o2 - h j c o ， - - h c o ；- c o ；- i - m e c o 、，。 、 、，一 ，；， h o zi - 1 0 ，m 一 j 界面 i i 界面 图1 2c 0 2 一h 2 0 一碳酸盐岩三相界面反应 1 1 贵州大学硕士研究生学位论文 第二章研究区概况 第一节地质、地貌特征 本论文研究区域为贵阳地区，位于我国西南贵州高原中部、云贵高原的东斜坡上，在1 0 6 。3 5 5 0 ”e 1 0 6 。4 5 e 、2 6 。3 0 2 6 。4 0 n 之间，东靠龙里，西接清镇，南临惠水，北 接修文，原面积2 4 0 6 k m 2 ，是贵州省政治、经济、文化中心。贵阳地区地处黄岭山脉中段，贵州 高原的第二级台阶上，属高原中丘陵地貌，岩溶地貌占总面积地7 1 8 ：地势南北高，中间低 全市平均海拔1 2 5 0 m 。 贵日市地貌格局严格受构造条件控制。其山岭、沟谷排列、延伸方向与区域构造线相吻 合，土要为南北向及北东向。贵阳城区西部地形以南北向为主，表现为一系列南北向开阔谷 地霸i 谷地间往往分布着由低矮、浑圆山丘组成的垄岗。东部则以北东向为主，褶皱较为紧密， 抗溶蚀差异明显，地层呈条带状相间分布。往往在山岭之间形成一系列长条形或长轴方向与 构造线一致的椭圆形盆地及洼地。区内地貌类型复杂多样，其中山地占5 2 3 ，丘陵3 5 2 ， 坝地占1 1 3 峡谷占l _ 2 。 区内地层出露较齐全，从震黾系到第四系均有出露，岩石组合复杂多样，格局错综复杂。 岩石压碎压裂现象明显，为地卜水的出露创造条件。贵阳市出露主要地层岩性为二叠至三叠 2 贵州大学硕士研究生学位论文 系白云岩、灰岩及少量砂岩、页岩，岩性组合复杂。南部贵阳向斜核部主要为侏罗系砂页岩， 东部有少量奥陶系石炭系灰岩、砂岩、页岩、白云岩出露。贵阳盆地二叠系、三叠系地 层分布广泛岩性比较复杂。其中纯碳酸盐岩约占地层总厚度的6 8 。碳酸盐岩与碎屑岩在 垂向分布上具有多层性，平面展布呈条带状。区内岩溶广泛发育，其地层岩性主要以石灰岩 与白云岩为主，占研究区总面积的7 l ，8 。非碳酸盐岩主要为碎屑岩，此外碎屑岩夹灰岩也 有一定的分布( 图2 - 1 ) 。贵阳市城区附近出露地层岩性无论从平面分布面积或是垂向厚度 均以碳酸盐岩系地层为主。地下水类型以碳酸盐岩溶水为主，碎屑岩基岩裂隙水次之( 主要 赋存丁花溪中曹司向斜核部、黔灵湖二桥一带的侏罗系砂岩中) ，第四系孔隙水极 ，三) 。 第二节土壤和植被特征 贵阳市是贵州中部水稻、玉米、油菜和烤烟主要地之一。属中距热带季风气候，年降水 量1 1 9 7 r m ，年均温1 5 c ，全市土地总面积8 0 3 4 k m 2 。地貌类型复杂多样，其中山地占6 2 3 ，丘陵占3 5 2 ，坝地占1 1 3 ，峡地占1 2 。2 0 0 0 年贵阳市粮食产量6 3 4 5 万吨， 蔬菜6 3 7 5 万吨，油菜籽产量5 7 7 万吨，烤烟产量1 7 4 万吨。农林牧渔业总产值3 6