钙华沉积机制的研究现状及展望

ΞBuccino等提出沼泽钙华沉积;OrdónεezandGarcì及有机质将会发生氧化,使钙华表面出现黑色或红褐a色斑块,而CaCO3风化后呈灰白色。于1983年发展了Golubic关于河流钙华delCura貌的重要组成部分,由于其规模宏大、气势磅礴、形态D.Carhew等指出位于热带的GregoryRiver的由于钙华沉积的条件非常复杂,已有的沉积模式Ξ第25卷第1期中国岩溶Vol.25No.12006年3月CARSOLOGICASINICAMar.2006文章编号:1001-4810(2006)01-0057-06钙华沉积机制的研究现状及展望李华举1,2,廖长君1,2,姜殿强1,2,姜光辉1(1.中国地质科学院岩溶地质研究所、国土资源部岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;2.广西师范大学,广西桂林541004)摘要:通过分析大量相关文献并结合作者近年来的工作成果,总结了四种钙华沉积模式:泉水、河流障、湖泊以及沼泽钙华沉积;综合讨论了气候环境、水文地质条件、水体的物理化学性质、生物作用等因素对钙华沉积的影响。针对目前研究中存在的问题,作者认为今后的工作要从碳酸钙沉积反应的热力学、动力学和晶体生长等微观过程进行研究,从而更加全面地认识钙华沉积的机制,以便为钙华景观的科学保护提供理论基础。关键词:钙华;沉积机制;沉积模式;旅游资源保护中图分类号:P588.24文献标识码:A钙华(英文:Travertine或Tufa)又称石灰华,是为其风景主体的著名旅游胜地。近年来,由于人类活在地表由岩溶泉、河、湖水沉积形成的大孔隙次生碳动以及气候环境的变化、温室效应等的影响,有些钙酸钙,一般具有多孔隙的海绵状结构,以及薄层壳华景观(如四川黄龙、九寨沟)迅速恶化,迫切要求通状、块状构造。其成因是由于岩溶地区的地下水或地过对钙华沉积机制的研究,为钙华景区旅游资源的科表水在适宜的环境下,且往往是在植物作用影响下,学保护提供理论依据。导致碳酸钙过饱和而沉积[1]。钙华中常胶结有泥沙角砾及生物碎片,质地比较粗糙,新生钙华层中可见枯1钙华沉积机制研究现状枝残叶。有些钙华中含有晶形较好的方解石晶体及钙质石枝、石花等,杂质较少、质纯的钙华外观常为白色各国学者对钙华沉积的研究日益深入,提出了一或淡黄色,如云南中甸白水台、四川黄龙钙华。如果钙些公认的沉积模式。1969年,Golubic等基于河流和华形成后,长期暴露于空气中,其中所含的铁、锰元素湖泊环境提出了钙华沉积的第一个模式[5];1978年,[6][7]近年来,研究表明,地表广泛存在的淡水钙华蕴沉积的理论。随后,Ford和Pedley(1996)[8]又提出泉含丰富的气候环境信息,其分辨率可以达到季、月的水钙华,并详细的总结了温带和半干旱地区四种主要精度[2～4],因此,引起科学工作者(尤其是岩溶学研究沉积模式的异同。同时,由于地理位置的差异,又相继专家)的极大关注。此外,钙华景观作为世界喀斯特地报导了几种基于古钙华的形成模式[9,10]。2002年,K.[11]奇特、色彩瑰丽,而成为世人所瞩目的旅游资源,如克钙华形成与已有模式不同,因为该地区水温一直较高罗地亚(原南斯拉夫)共和国的Plitvice国家公园、我且具有较高的蒸发速度。国川西北的黄龙和九寨沟、贵州黔中高原西部边缘的黄果树、云南中甸白水台等等,都是以大型钙华景观并不能囊括所有的沉积环境,而且其环境又是不断变基金项目:国家自然科学基金项目(No.40572107)、西南岩溶地区典型地下河调查及地下水开发工程方案研究(No.20031040004304)项目第一作者简介:李华举(1981-),男,硕士研究生,无机化学专业。Email:[e-mail]。收稿日期:2005-07-0658中国岩溶2006年化的,故没有统一的模式。如较大的溪流系统中某些河段常富集大量水体,从而形成一个湖泊沉积环境[8],又可能演化为沼泽钙华沉积环境。泉华也许包高,流水钙华与湖泊、沼泽沉积又有一定的联系。具体来说,已有沉积模式大体有四种:泉水、河流障、湖泊、沼泽钙华沉积(图1)。含湖泊、沼泽和瀑布沉积等因素,此外,由于水位的涨图1钙华沉积模式[16]Fig.1ConceptualmodeloftravertineprecipitationA.泉水钙华沉积系统;B.河流沉积系统;C.湖泊环境:其中a为叠层状钙华和碎屑状沉积;D.沼泽沉积模式1.1泉华沉积碳酸盐岩为主的山区,斜坡上经常有泉水出露(图1.A),若泉水钙、重碳酸根含量比较高,随着水的流动,二氧化碳逸出,碳酸钙因过饱和而沉积,有的在泉口就有钙华出现。该种类型的钙华多沿山坡沉积,主要的沉积形态有滩华、瀑华及坝华。滩华常出现在斜坡和急滩上。其宏观形态受地形、水的能量和生物因素的控制,地形和水的能量控制其分布面积,生物控制其厚度及外观形态。最为常见的是拱形沉积滩华,其形态特征在平面上为扇形、剖面为楔状,且接近泉口的方向较厚[12]。瀑华常出现在高差较大的河流陡坎、裂点处,形态多样,如锥体状、蘑菇状、帚状等等;坝华多位于河流断裂点和河床凸起处,实际是瀑华的加积增高,阻拦水流形成湖泊,瀑华上部分就成了坝华,一般不会出现较高的钙华坝。此外,在陡坡或陡崖处会出现钟乳石状的钙华和悬挂的藻席而形成石灰华洞[13,14]。1.2河流钙华障沉积该系统包括两个主要的元素:一个或多个钙华坝,以及在坝后被钙华坝隔开的天然的蓄水池——障湖(图1.B)。由于钙华坝一般在水面以下,而被称为淡水系统中的暗礁,在沉积活跃的地方,坝的高度可达到45m[8],而在西班牙西北部发现的古钙华坝竟高达120m[10]。钙华坝的形态和形成速度受气候特别是温度控制。在暖热的半干旱地区,高的温度及蒸发速度,增加了生物作用,减少了水中碳酸钙的溶解度,从而使碳酸钙饱和指数增加而沉积,并且钙华坝垂向的生长速度大于横向,结果形成较高的坝;在温度相对温凉的地区,横向和垂向生长相差不大,形成较厚的障碍钙华坝。由钙华坝形成的障碍湖大的可达数十米深、几千米长,小的仅深几厘米、长数米,在热的半干旱地区,由于坝较高而形成较大的湖;在比较温凉的环境下,则较小[15]。1.3湖泊钙华沉积由垂直于河谷走向而发育的多条垄状钙华堤所形成的阶梯状湖泊,一般拥有一个更加完整的生物群318mmolL和7.50mmolL。PentecostA等[28]也发以及∆13C值的分析得出泉水中的CO2主要来源于深Ca+2HCO3∴CaCO3↓+CO2↑+H2O(1)CO2(g)∴CO2(aq)CO2(aq)+H2O∴H2CO3H2CO3∴H+HCO3(4)HCO3∴H+CO3(5)H2O∴H++OH-CaCO3∴Ca+CO(7)第25卷第1期李华举等:钙华沉积机制的研究现状及展望59落,尤其是边界区域,有大量含钙的绿藻、丝藻、蓝藻和硅藻等[15,16],其沉积环境包括两个区域:边界区和深水区,分别对应于叠层状钙华和碎屑状沉积(图1.C)。叠状钙华仅局限于透光性较好的边界区,可单个或大量生长,其大小从几毫米到数米不等,厚度可以作为水深和水的透明度的衡量标准[17]。1.4沼泽钙华沉积在依靠泉水补给的沼泽环境(图1.D)中,大量的植物、较深的水体及低的沉积速率形成大面积的疏松层状钙华[15],一般为碎屑沉积,通常厚度较大,有报道钙华沉积厚达30m[18],更有甚者超过60m[16]。沼泽环境中的水体流动性相对于湖泊较差,其中生存大量的软体动物、腹足动物、藻类及大型水生植物,并且在植物体上经常出现碳酸钙结壳[10]。1.5我国关于钙华沉积的研究我国对钙华成因的研究比较多[19～23],主要针对于钙华景区旅游资源的可持续开发及利用,且集中于久负盛名的四川黄龙、康定和云南中甸白水台等自然景区。刘再华等[24～26]研究发现形成黄龙、白水台钙华的泉水其钙和重碳酸根的浓度特别高,如白水台分别为4.8mmolL和11.5mmolL,相应的CO2分压高达14400Pa。据观测[27],发现土壤生物成因的CO2即使在温暖湿润的热带和亚热带地区最高不超过10000Pa,钙离子和重碳酸根含量分别不超过现由生物成因CO2溶解灰岩产生的溶解无机碳浓度很少超过10mmolL,通常在2～5mmolL。可见,仅用生物成因的CO2作为水对灰岩侵蚀溶解的动力是不够的。通过对黄龙和白水台的地质背景、气候环境部,因而认为两地的钙华为热成因钙华。2钙华沉积机制以CaCO3为主要成分的钙华沉积作用,是碳酸盐溶液体系中多个化学反应动态平衡的综合反映,在开放系统下可用下图(图2)表示,所涉及的主要化学反应如下:总反应:2+-分步反应:(2)(3)+-+2-图2CaCO3沉积与溶解过程(据刘再华,略有修改)Fig.2ProcessofCaCO3precipitationanddissolution(6)2+2-3方程(1)为可逆反应,正反应表示过饱和CaCO3结晶析出,是一个吸热反应,(2)-(6)为CO2在水中的溶解、碳酸的生成及离解平衡,这种平衡在自身和外界诸多因素的影响与作用下,不但大大提高了水对碳酸盐岩的侵蚀性,同时使平衡关系变得相当复杂,即不断地进行物质与能量的交换,成为一个随时空变化的动态平衡系统。3钙华沉积的影响因素钙华(CaCO3沉积)作为岩溶作用“侵蚀”和“堆积”的一个方面,受当地气候环境、地质背景、水化学特征、水动力条件、生物因素等方面物理和化学因素的影响。钙华的形成是由于水中的CO2分压高于周围大气的CO2分压,从而从水中逸出,使水的pH值升高,方解石饱和指数由负值很快转变为高的正值,导致碳酸钙过饱和并发生沉积。因此,CO2在钙华沉积中起重要作用:当富含重碳酸根的水流由于流体内部和环境的温度、压力的变化,而引起水中CO2的含量降低,便导致水中的CaCO3溶解度降低,过饱和的那部分CaCO3便结晶析出,沉积形成钙华。一般认为,主要是以下因素控制着钙华的形成:3.1气候环境及地质背景气候环境对钙华的形成具有重要作用[2～4],如在温暖湿润的气候环境下钙华的形成模式与半干旱地区不同,尤其是温度直接影响钙华的生成。由(1)知CaCO3结晶沉淀是吸热反应,温度升高有利于正反应的进行。此外,水中CO2的平衡浓度对CaCO3的饱和度有直接影响,CO2的溶解量随着温度的增高而降低。流水在径流过程中不断增温,水中的CaCO3溶解度不断降低,过饱和的CaCO3则析出结晶。据ABogli据伯努利理论方程:P+ΘgV+12ΘV2=C,可知速度型。据研究,DBL模型特别适用于实验室和自然界型中,溶液被分为两区,即均匀溶液区(厚度∆)和固DiffusionBoundaryLayer)区(厚度Ε),如图3所示。CaCO32H2O2CO2systemF=(DΕ)(CW-Cb)均匀溶液中的钙离子浓度;扩散边界层(DBL)厚度Ε。。60中国岩溶2006年[29],在大气CO2分压相同的条件下,在35℃时水中的CO2较0℃时低3倍。实验还表明[30],常压下温度为5℃时,CaCO3的溶解度为86mgL,当温度升高10℃时,CaCO3的溶解度为75mgL,即有11mg的CaCO3析出。此外,不同的地质背景、水文地质条件也控制着钙华的形成,如受深部岩溶动力系统(白水台)与表层岩溶动力系统(桂林长流水)控制形成的钙华就显著不同。而且,在一些含蒸发岩的碳酸盐岩(如北方中奥陶统灰岩、贵州三叠系灰岩)分布区,其泉水和地表河水中含有较高的硫酸钙,同离子效应会引起钙华的沉积。3.2水的物理化学状态3.2.1压力效应水中溶解的CO2和大气中的CO2分压有一定的平衡关系,当大气中的CO2分压降低时,水中溶解的CO2含量也将随之相应降低,有利于钙华的形成。3.2.2水动力条件钙华沉积的水动力效应,主要是水力状态(飞溅或紊流)及水的流速效应。据张英骏等[31,32]的实验研究,水中大量气泡的产生大大增加了水气界面的面积,从而促使CO2迅速逃逸,致使CaCO3沉淀。①根的增加将导致内部压力的减小,高速水流内部会出现低压区,这些低压区进一步发展则形成气泡,此为“