桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨
水_岩_气相互作用引起的水化学动态变化研究_以桂林岩溶试验场为例_刘再华
2 研究方法
图 1 桂林试验场水文地质平面图 Fig.1 Sketch hydrogeological map of the Guilin
1 试验场气候和水文地质背景
试验场位于桂林市区东南约 8km 的丫吉村附近 , 从地貌上看 , 处在峰丛洼地和峰林平原的交界地带(图 1)。 试验场 自成一 个岩溶 水文 地质系 统 , 总面 积约 2km2 , 它的补给区位于峰丛洼地区 , 有 13 个洼地 , 而它 的排泄区 , 位于桂林峰林平原东部边缘的一个常年流 水泉(S31 号泉)和 3 个季节性泉(S29 、S291 、S32 号泉) 组成(图 1)。平原面标高 150m , 而补给区内的最高峰 为 652m , 其内洼地底部标高介于 250 ～ 400m 之间 。 整 个系统发育的是上泥盆统融县组质纯块状灰岩 , 地层 约呈东南 5°～ 10°倾斜 。 在场区西部边界峰丛洼地区
包气 带 厚 度 介 于 110m (由 低 洼 地 底 部 起 算) -400m(由洼地顶部算)。 系统结构的不 均一性表现 在表层岩溶带的存在及岩溶管道和裂隙并存 。 例如 , 补给区 4 个钻孔中的 2 个(CF6 和 CF9)揭露了管道 。
3.1 试验场地下水水化学特征
表 1 显示了桂林试验场地下水的水化学特征 , 从 表中可看出试验场地下水的 Ca2 + 和 HCO3- 浓度分别
Karst Experimental Site 1 — 洼地及编号 ;2 — 山间小路 ;3 — 公路;4 — 峰丛洼地和峰林平原
岩溶地区钻孔桩施工技术的探讨与应用
浆护壁难 以形成 ， 扩孔 严重 ， 成超灌混凝 土量过大 ， 造 增加 费用 。
２个别地段 穿过 多层 溶洞 ， ） 施工钻进 中， 发现溶洞顶板岩层倾斜 ， 岩层强度不均匀 ， 成偏孔 、 钻等现象 。３ 有 的地段桩 基桩位 造 卡 ） 正好处于半溶洞 半灰岩地 层 ， 洞 内充填物 为流塑状 ， 灰岩 为 溶 且 倾斜岩层 ， 钻进 中造 成孔位 偏斜严重 超 限， 无法 进尺 。４ 溶洞尺 ） 寸较大且溶洞内充填 物为 软流塑状 时 ， 容易 出现涌浆 （ 填物 回 充 流孔 内） 现象 ， 较 困难 ， 多次清孔 ， 灌注混凝 土 时极易造 清孔 需 且
岩 溶 地 区钻 孔桩 施工 ห้องสมุดไป่ตู้ 术 的探讨 与应 用
白 建 文
摘 要： 结合工程 实例 ， 介绍 了泗水塘大桥 、 大盛桥 大桥钻孔桩施工 的工程特点 ， 穿过溶 洞时的施ｘ３ 法进行可行 性研 对 － 究， 并根据溶洞的大小和溶 洞填充物 的不 同， 采取 了一系列的技术对策， 从而保证 了成桩 的质量要求。
成 断桩 。
２ ｉ， ０ｔ 钻孔布置施工与设计误差不大于 ５ 钻完孔后 ， ｎ ０ｃ ｍ； 做注水 试验 ， 立即灌浆 ， 不应将 相临两 孔钻完后 再注浆 ， 以免窜浆 ， 增加 清孔工作量。
钻孔过程中 ， 检查 、 实溶洞发 育分 布情况 及充 填情况 。对 核
于较大裂 隙的溶洞 ， 首先 采用 灌注 中粗砂进 行填充 ， 小过水 断 缩 面增加水流阻力 ， 减少浆液损耗。
［］ ２ 左名麒 ， 刘永超 ， 孟庆 文． 基 处理 实用技 术 ［ ， 京： 国 地 Ｍ］ 北 中
桂林岩溶区大气降水的化学特征分析
研 究点 设于桂 林市 龙隐路 小学 内 ， 将其 置于 避开 局 地 污染源 的空 旷 地 。龙 隐路 小 学位 于 桂林 市 七星 区 ， 星 区 为 桂 林 市 的 主 城 区 。水 样 采 样 时 间 为 七 ２０ ０ ９年 １月至 ２ １ ０ ０年 １ ２月 ， 个月 采集 一次 ， 计 每 共 采集了 ２ ４场 降水 的水样 。
Ｃ 浓度 的 不 同 ， 们仅 在 南 方 进 行 比较 。从 表 中 ａ 我
导 率 （ ｃ 等 水 化 学 参 数进 行 现 场 测 定 ， 辨 率 分 别 Ｅ） 分 为 ０ ０ Ｈ 单 位 、 ． １／ ／ ｍ。将 采 集 的水 样带 回 ． １ｐ ００ ￣ ｃ Ｓ 实 验室先 用 ０ ４ ｍ 醋 酸纤 维 滤 膜 过 滤 ， 后 用 处 ．５ 然
理过 的聚 乙烯 瓶分装 ， 品测试前 放置 于 ４℃的 冰箱 样 中冷 藏 保 存。 阳离 子 （ Ｋ＋、 、 ａ 、 抖 和 Ｎａ Ｃ 抖 Ｍｇ ＮＨ３） 戴 安 Ｉ Ｓ ５ ０离 子 色 谱 仪 分 析 ， 离 子 ＋ 用 Ｃ １０ 阴
收稿 日期 ：０ ２ ０ —３ ２１— ３ １
２ Ｏ ９
中 国岩 溶
１ ２ 样 品 的 采 集 、 存 和 分 析 ． 保
降水 以及降 雨 量通 过 ＡＰ －Ａ 型 降水 降尘 自动 Ｓ３
采样 器收集 和监测 ， 仪器 配置 有标准雨 量筒 和降 水 自 动采 集器 ， 以 自动监测 降雨 量和采集 降水 。降 水停 可 止后 ， 即使 用 德 国 ＷＴｗ 公 司 生 产 的水 化 学 自动 立 监 测仪 （ Ｈ／ ｏ ｄ ４ ｉ 试 仪 ） 降 水 的 ｐ 值 、 Ｐ Ｃ ｎ３０ 测 对 Ｈ 电
桂林地区不同类型岩溶地下水中δ 13 C DIC 、δ 18 O的特征及意义
第42卷 第1期Vol.42, No.1, 64~722013年1月GEOCHIMICAJan., 2013收稿日期(Received): 2012-08-21; 改回日期(Revised): 2012-10-29; 接受日期(Accepted): 2012-11-26 基金项目: 中国地质调查项目(1212011087121); 中国地质科学院岩溶地质研究所所控项目(2012013)作者简介: 黄奇波(1982–), 男, 助理研究员, 主要从事岩溶水文地质科研工作。
E-mail: qbohuang0108@ * 通讯作者(Corresponding author): QIN Xiao-qun, E-mail: qxqxiaoqun@; Tel: +86-773-5837400Geochimica▌Vol. 42 ▌No. 1 ▌pp. 64~72 ▌Jan., 2013桂林地区不同类型岩溶地下水中 δ13C DIC 、δ18O 的特征及意义黄奇波1,2, 覃小群1,2*, 唐萍萍1,2, 刘朋雨1(1. 中国地质科学院 岩溶地质研究所, 广西 桂林 541004; 2. 国土资源部 广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 广西 桂林 541004)摘 要: 对桂林地区地下河水、岩溶大泉中的δ13C DIC 、δ18O 及Ca 2+、Sr 2+含量进行了测试分析。
结果表明, 地下河水的δ13C DIC 值范围为–15.99‰～–12.29‰, 平均值为(–14.03±1.15)‰; δ18O 值范围为–6.63‰～–5.78‰, 平均值为(–6.24±0.24)‰。
岩溶大泉的δ13C DIC 值范围为–15.26‰～–9.22‰, 平均值为(–12.05±1.57)‰; δ18O 值范围为–6.97‰～–3.19‰, 平均值为(–5.68±0.97)‰。
现代岩溶学Ch2第二章
即使不在瀑布部位：水流速度与岩溶作用也有密切关系(图33－ 1)。在同一水体，流速快的部位溶蚀作用或沉积作用都较快。 图33－1，扩散边界层厚度与岩溶作用的关系
3. 应用实例
(3) 雨水对土壤CO2的活塞式驱动
图34，桂林试验场CF5与孔(揭露溶洞者) 暴雨后出现pH降低，电导上升的反常现象
(4) 岩溶动力系统开放度变化对水化学特征的影响
二、岩溶动力系统运行特征的经验判别
3. 应用实例
(1) 光合作用与CO2浓度(及地形与CO2浓度)
图24，红外CO2测空气中不同高度的CO2浓度(桂林试验场) 图25a，观测结果，CO2在距地面2m高度内，逐步降低。 图25b，洼地底CO2浓度高(600－700ppm) 洼地顶部垭口低(300ppm) 图26，湖北长阳榔平钙华：pH升高，植物吸收CO2。 图26－1 榔平钙华 图27，罗马尼亚Poarta Liu Ionele洞口钙华及植被 图28，Poarta Liu Ionele洞口水化学变化 图29，向光钟乳石 图30，自来水两种不同流出方式引起的水化学变化
•实验 •模型
岩溶动力系统的定义，功能 和特征，要求我们从全球 碳、水、钙循环来掌握其运行规律。
一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成
2.
全球水循环与岩溶形成
n 地球上的水的起源和分布 年龄：同地球岩石 38亿年(据沉积岩石) 地球历史46亿年(据同期陨石推算) 46亿年－38亿年间有无水：不知道 现在地球上的水量：1408.6×106km3
观测验证：
图14，石灰岩溶蚀速度观测安放方式 图14－1，试验场安装试片铁栅 图15，广州－伊春各观测站溶蚀速度观测成果曲线 土下溶蚀比地面溶蚀多。 CO2与水相结合才能加强溶蚀作用，成为一个汇Sink 图16，陕西甸阳鱼洞岩溶动力系统观测结果 1. 碳酸盐岩库积极参与全球碳循环 2. 土中CO2不能单独促进溶蚀作用 3. 它必需与雨水结合，才能促进溶蚀作用 图17，桂林试验场植被恢复，CO2, pH, HCO3也很快改变 雨季水中HCO3-升高 由大气回收CO2，成一个汇Sink 图18，大气CO2的“ 失踪”汇sink
桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律
桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律第26卷第5期2007年9月V o1.26No.5Sep.2007桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律夏青,姜光辉,李科,申宏岗(1.中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林541004;2.桂林工学院资源与环境工程系,广西桂林541004)摘要: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CO密切相关,土壤CO体积分数以及表层岩溶带土壤C0.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CO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CO.体积分数的变化规律.其变化特征表现为:①土壤CO体积分数的季节变化在泉水水化学上和土壤COz溶蚀量上均能反映出来;②土壤CO体积分数的变化具有季节?陛;~5ocm处的CO体积分数较2Ocm处大;④土壤层对泉水水化学起到重要调蓄作用.关键词:土壤CO体积分数;岩溶作用;峰丛洼地;表层岩溶动力系统中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:1000.7849(2007)05—0079—04岩溶作用作为一种表层地质作用,其产生和运行离不开构成地球表层系统的岩石圈,大气圈,水圈和生物圈.从地球系统科学看,碳循环与CO一HO~CaCO.三相不平衡开放系统耦联,构成岩溶动力系统.岩溶作用是在岩溶动力系统中碳酸盐岩被溶蚀或沉积l[1].前人l[2.]在桂林岩溶动力系统野外监测站的研究成果中,论述了土壤,大气CO体积分数动态及其与岩溶作用的关系和岩溶水文地球化学动态等.早在2O世纪8O年代初,人们就已经注意到岩溶环境系统中土壤及其中CO的影响l[8].土壤空气中的CO为植物根系呼吸,微生物活动及大气扩散输入的混合].CO的体积分数受土壤的通气性,土壤生物化学过程的强度,气象条件及植被的影响.在不同的土壤结构,不同的植被条件下,土壤空气中的CO体积分数会有很大差别.近年来已有不少研究揭示土壤CO对岩溶作用起驱动作用川].1研究区概况研究区位于桂林市东南郊约8km的桂林岩溶水文地质试验场,观测站建于1986年.地貌上处于峰丛洼地和峰林平原的交界地带,面积约2km,属亚热带典型的岩溶石山地区,多年平均气温为18.8℃,年平均降雨量为1915mm,年平均蒸发量为1378.3mm,85以上的降雨集中在每年的4～8 月.峰林平原为地下水的排泄区,主要作为耕地.整个系统发育于上泥盆统融县组块状纯灰岩(D.r) 中,地层倾向东南,倾角5～1O..北北东向的主干断裂位于峰丛洼地西部边界,裂隙主要呈北东东向展布,它们控制了洼地的发育方向及岩溶地下水的流向.场区峰丛坡地有多处表生泉出露,并发育钙华.植被为灌丛,高度为12O～180cm,覆盖率为6O9/6～8O9/6L4].第四系主要是残坡积层,以灰褐,黄褐色砂质黏土为主,分布在西部峰林平原及峰丛洼地底部.土壤分布不均匀,厚度在O～5m间,土壤覆盖率约为3O.不同地貌部位的土壤类型及化学成分差别较大,靠近峰林平原一侧逐渐由褐色石灰土向砂质黏土过渡,而在峰丛洼地则主要分布褐色石灰土及腐殖层(图1).355305董255205一028*******II2OI400I680L/m囹1圃2圆3豳4图1试验场水文地质剖面Fig.1Hydrogeologicalsectionoftheexperimentalsite1.土壤覆盖层;2.表层岩溶泉;3.饱水带泉;4.石灰岩收稿日期:2007—01—16编辑:刘江霞基金项目:新一轮国土资源大调查项目(1212010634805)作者简介:夏青(1978一),女,现正攻读矿产普查与勘探专业硕士学位,主要从事水文地质学研究.nOamhy报情m技科耐a质eC地-cCS∞gOOeG80地质科技情报2研究方法土壤空气中CO体积分数的测量采用日本产的GASTEC8Ol抽气筒和GASTEC二氧化碳测管进行.测量前预先在土壤中的一定深度埋入CO集气管,测量时直接抽取集气管中的气体,在同一个洼地的垭口(指2个底部连接山峰之间的部位),山坡和洼地底部分别安装测量设备,且每个地点都测量2O cm和50cm两个深度的CO体积分数.在不同位置开挖土壤剖面,且在不同土壤深度(20cm和50cm)及距地面lm的空中安装石灰岩溶蚀试片,一段时间后挖出试片计算溶蚀量.使用德国产的GrensPan测量S3l泉水的水化学特征,并每月现场采用德国wTw公司生产的Multiline多参数自动监测仪测量泉水的电导,水温和pH值,用Ca抖和HCO;-试剂盒滴定水中Ca抖和HCOg的质量浓度,现场采集简分析样品.3土壤岩溶作用强度的变化研究区表层岩溶带溶蚀裂隙发育且较均匀,循环于该带的水一部分以表层岩溶泉的形式(如$25 泉,$54泉等)排泄于峰丛洼地中,并通过洼地中的落水洞进入下部包气带或饱水带(其中一部分通过蒸发返回大气);另一部分通过裂隙和管道直接与下部包气带或饱水带相连.最后,包气带或饱水带中的水主要通过峰林平原边界处的S3l泉等进行排泄(图2).图2桂林岩溶试验场水文地质平面图l_4Fig.2HydrogeologiealplanofGuilinkarstexperimentalsite[]1.洼地及其编号;2.山间小路;3.公路;4.峰丛洼地和峰林平原边界线;5.岩溶泉及其编号6.钻孔及其编号;7.断层;Q:第四系沉积物;D.r:上泥盆统融县组石灰岩3.1峰丛洼地不同部位土壤岩溶作用强度的变化碳酸盐岩溶蚀回收大气Co的关键是近地面CO的收集和水的动态监测口].据袁道先等]研究,岩溶洼地中不仅CO活动极为活跃,而且还能获得更多的降雨量.降雨强烈吸收大气COz,使岩溶水的pH值降低,进而溶蚀碳酸盐岩,活化岩石圈,回收CO.可是数据显示溶蚀量最大的为垭口5Ocm处,达到0.168rag/片,溶蚀量最小的为50cm处的洼地,为0.0044rag/片(图3).这可能是由于十几年的封山育林,使植被更加丰富,垭口地带更开阔,从而使垭口地带能获得更多的降雨量.土壤层下石灰岩试片的溶蚀量一般较空中的高,这与土壤层中生物呼吸作用产生大量COz气体(体积分数一般在3000×10一～n×10)有关,而大气中CO体积分数仅为350×10一.由此可见,由于土壤及其中大量CO的存在,极大地增强了岩溶作用的强度.不同深度溶蚀量的差异,主要与水流的溶蚀潜力和溶蚀过程有关.20cm处溶蚀量较50cm少,这是因为,虽然,在较深的部位,只有在降雨量较大时才有水流经过,发生溶蚀作用的机会相对较少;而且,大多数情况下,经过表层岩溶带的水流在渗入到下部包气带和饱水带之前往往已经接近饱和状态,溶蚀潜力较低,因此,深层溶蚀速度比表层岩溶带慢得多.但是,该研究20cm处CO浓度较50cm处低,这主要是因为表层土壤疏松,与大气连通性较好,虽然生物活动强烈,但土层密封性不佳,COz深度易向浓度低的大气扩散(图4).第5期夏青等:桂林峰丛洼地岩溶动力系统CO2特征及变化规律81 ,暑瑚】基建.r1.\目2005-11-06～2006-03-03;2oI5o2o15o2ol5o2ol5o垭口坡地洼地泉口空中土壤深度h/cm图3不同部位,不同深度,不同时间石灰岩溶蚀量变化图Fig.3Temporalchangeofthelimestonecorrosionrateindiffer entsiteanddepth—UB{掷酬萏刚苗枇i萏嚣22005.09I2005.10I2005.11I2005.12I2006.0112006.02I2006.o312~.04I2006.0sI2006. od2006—07I2006一O1日期图4不同部位,不同深度CO体积分数对比图Fig.4CO2concentrationindifferentsitesanddepths3.2峰丛洼地土壤岩溶作用强度的季节性变化已测得桂林岩溶试验场土壤COz的碳稳定同位素组成平均为(¨C)一一23%0,可见土壤C0z主要与生物作用有关.].生物作用包括植物的光合作用和呼吸作用,以及动物和微生物的分解作用等--,这些作用明显受光照,温度和湿度等的影响,其综合结果是冬季的生物作用明显弱于夏季,这便是冬季土壤CO体积分数远小于夏季的直接原因.在石灰岩试片溶蚀量最大的垭口,CO体积分数分别为4800×10以及4000×10～.土壤表层(一50cm及一2Ocm)的CO体积分数呈明显的季节性变化,7月出现体积分数高值,1月体积分数较小(图4).这主要是由于气温,湿度的季节性差异而导致生物活动性(包括植被生长)变化造成的.3.3土壤CO:体积分数与表层岩溶泉水化学特征的关系土壤CO体积分数的季节性变化明显,导致其溶蚀作用的季节性差异,这在与地表土壤密切相关的表层岩溶泉也得到反映.具体表现为溶蚀作用与COz呈明显的正相关.在$31号泉,虽然夏季有雨水的冲淡作用,但硬度仍明显高于冬季,在6～7月出现峰值,而水中pH值的变化趋势则是夏季偏低,冬季偏高,由于仪器的原因,仅在5月和12月出现异常(图5).9000}-//\\}.24ot/,75or\肆\—一一——一二二===.二图5$31泉水水化学变化Fig.5Hydrogeologicaltemporalchangeof$31随着土壤CO.体积分数的季节性变化,地下水中的Ca抖和HCo质量浓度也呈现出季节性变化.土壤CO.体积分数愈高,地下水中的Ca和HCo质量浓度也愈高.反之,土壤CO体积分数愈低,地下水中的Ca和HCO;质量浓度也愈低.这些均反映土壤中的CO对岩溶具有驱动作用.4结论(1)土壤CO体积分数的变化具有季节性,与土壤CO溶蚀量的变化具有一致性,是气候(气温, Hm∞%OL●●r卜L●rL●[rL●●[¨¨;号一巨)/(u一..f0呈\OOOOOOO∞"如加如82地质科技情报2007生降雨等)的季节性变化引起的.(2)表层岩溶动力系统受气候和土壤C0的影晌非常明显,系统的变化也具有季节性,系统运行强度的季节性变化表现为:春季,夏季活跃,秋季,冬季沉寂.系统碳转移能力的季节性变化表现为由冬季到夏季逐渐增强.(3)土壤表层(一50cm)C0体积分数呈明显的季节性变化,即6～1O月出现体积分数高值,11～12月和次年1～5月体积分数较低.这主要是因为气温,湿度的季节性差异导致生物活动性(包括植被生长)变化造成的.(4)观测结果显示C0.浓度峰值和泉水硬度峰值分别出现在8月和6月,泉水硬度峰值提前CO.浓度峰值近两个月.这一现象表明,土壤层对泉域系统的水化学理应起到调蓄作用,但是在该研究中没有得到体现,使其水化学特征不具有环境系统属陛.参考文献:?[1]袁道先.现代岩溶学和全球变化[J].地学前缘,1997,4(1-2): 17—24.[2]刘再华,袁道先.中国典型表层岩溶动力系统的地球化学动态特征及其环境意义[J].地质论评,2000,46(3):324—327.[3]曹建华,潘根兴,袁道先,等.桂林岩溶洼地生态系统中大气CO2动态及环境意义口].地质论评,1999,45(1):105—1】1. [4]袁道先,戴爱德,蔡五田,等.中国南方裸露型岩溶峰丛山区岩溶水系统及其数学模型的研究[M].南宁:广西师范大学出版社,1996.[5]何师意.徐胜友,张美良.岩溶土壤中COz体积分数,水化学观测及其与岩溶作用关系[J].中国岩溶,1997,16(4):319—323. [6]刘再华,何师意,袁道先,等.土壤中的CO2及其对岩溶作用的驱动[J].水文地质工程地质,1998,25(4):42—45.[7]刘再华,GrovesC,袁道先.水一岩一气相互作用引起的水化学动态变化研究——以桂林岩溶试验场为例[J].水文地质工程地质,2003,30(4):13—18.[8]袁道先.中国岩溶学[M].北京:地质出版社,1993.r9]FritzP.MozetoAA,ReardonEJ.Practicalconsiderationoncar—bonisotopestudiesonsoilcarbondio~de[J].ChemicalGeology: IsotopeGEOSCIENCESECTION,1985,58:89—95.[10]俞锦标,李春华,赵培道,等.贵州普定县岩溶地区土壤空气中C02含量分布及溶蚀作用的研究[J].中国岩溶.1985,4(4):325～331.[11]刘再华.桂林岩溶水文地质试验场岩溶水文地球化学的研究[J].中国岩溶,1992,11(3):209—217.[12]PanGenxing,TaoYuxiang,SunYuhua,eta1.Somefeature ofcarboncyclesinkarstsystemandtheimplicationforepikarstification[J].Chin.J.Geog.,1997,7(3):58—63.[13]李林立,高波,蒋勇军,不同土地覆被下岩溶表层系统CO2体积分数研究[J].生态环境,2004,13(3):338—341.[14]李林立,况明生,张远瞩.典型表层岩溶泉水短时间尺度动态变化规律[J].水科学进展.2006,17(2):222～226.[15]李林立,高波,蒋勇军,重庆金佛山岩溶区表层岩溶生态系统C02浓度分析[J].热带地理,2004,12(4):326—331.[】6]李林立,向颢,况明生,重庆金佛山表层岩溶生态系统土壤的CO2释放规律EJ3.地球,2006,27(4):329—334.FeaturesofCO2Epi—KarstDynamicSystemandSeasonalChangeinPeak-ClusterDepressionArea,GuilinXIAQing,JIANGGuang—hui,LIKe,SHENHong—gang(1.InstituteofKarstGeology,CAGS,GuilinGuangxi541004,China;2.DepartmentofReso urceandEnvironmentalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004,Chi na)Abstract:AfixedpositionobservationhasbeencarriedoutinGuilinexperimentalsite.Ithasb eenfoundthateDi—karstdynamicsystemisrelatedcloselywithCO2contentinsoilandthattemperatureandrainf alldominatetheseasonalchangeofCO2contentinsoil.TheobservationoftheCO2concentratio nandhydro—geologicaltemporalchangeindifferentsitesanddepthsindicates:①TheseasonalchangeinsoilCO2con—centrationcanbereflectedfromthehydrochemistryofspringandsoilwater;②TheintensityofcorrosionchangeswithsoilCO2concentration;③SoilCO2islargerin50cmthanin20cm;④Thekarstdynamicprocessesintheepi—karstzonearesensitivetoenvironmentalchanges,andhencecanprovideenvironmen—talinformationinashorttimescale.Keywords:soilCO2;karstprocess;peak—clusterdepression;epi—karstdynamicsystem。
桂林市GW10 号钻孔地下水位异常动态机理探讨
桂林市ＧＷ１０号钻孔地下水位异常动态机理探讨 施 杰 （广西地质环境监测总站，桂林市 ５４１００４） 摘要：通过对桂林市ＧＷ１０地下水水位长期监测钻孔所在区域环境地质、井孔结构、水位正常动态与异常动态特征分析，探讨了引起钻孔水位异常机理。
认为桂林岩溶地下水位对区域地震具有反映能力（前兆反应），水位异常波动变幅、异常延续时间与震级有关，利用水位异常变幅与异常延续时间可由经验公式估算地震震级，这对地震研究及地下水其它信息的获取具有一定指导意义。
关键词：地下水位；监测；异常动态信息；地震１ 引言 ＧＷ１０钻孔是广西地质环境监测总站在２０世纪８０年代在桂林市施工的地下水动态长期观测孔，安装红旗－２型自记水位仪监测地下水位，１９９３年后因故停止自记水位仪监测。
本文根据该水位仪所记录的一些水位曲线异常变化，分析其与地震的关系，旨在引起同行们对地下水位异常信息的关注。
２ 地质背景概况 ＧＷ１０号钻孔位于桂林市西部，钻孔处在向西凸出的桂林弧形构造带内，在区域地质构造上，北东向的桂林～南宁活动大断裂在距钻孔西部约１０ｋｍ一带穿过（见图１）。
ｙ）灰ＧＷ１０号钻孔深１７０．０９ｍ，上覆地层为第四系粘土，下部地层为下石炭统岩关阶（Ｃ１岩、白云岩，岩溶发育，在孔深２７．１５ｍ－２８．７８ｍ、９５．５－９７．０５ｍ分别为充水溶洞与充填溶洞，钻孔涌水量为１４．２Ｌ／ｓ，钻孔地质剖面见图２。
作者简介：施杰，男，１９６６年２月生，工程师，中国地质大学（武汉）水文与工程地质大专毕业，现从事地质环境监测工作。
通讯地址：桂林市环城南一路１２号。
３）。
此外，钻孔附近地下水开采量较大，日开采量约３０００ｍ３／ｋｍ２，单井开采量最大１０００ｍ３／ｄ，开采井一般是日间抽水，晚上停抽，受有规律的地下水开采影响，钻孔日水位过程线表现出单峰单谷形态，日水位变幅０．４ｍ左右。
自ＧＷ１０号钻孔安装自记水位仪记录水位后，每年都记录到次数不等，在短时间内水位发生突然升降或剧烈上下振荡的水位异常动态现象，其中比较明显的有１９８６年１１月１５日５时３０分至６时３０分、１９９０年７月１６日１５时４０分至１６时４０分以及１９９２年４月２３日４０分与２４日１时记录到的水位异常动态（见图５、图６与图７）。
典型表层岩溶泉水化学对暴雨响应特征研究——以广西马山弄拉兰电堂泉为例
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大量有益元素流失有关。此外 ， 农业活动中施用的化肥等也将 随着降雨进入水体造成表层岩溶泉和地下河
的 污染并产 生一 系列 的环境 问题 。
关键词 ： 表层 岩溶 带 ； 水化 学 ； 自动化监 测 ； 素流 失 ； 下水 污染 ；－ 元 地 ｇ 雨效应 ； 西省 广 中 图分 类号 ：６１１４ Ｐ４ ． Ｐ４ ．３ ；６ １３ 文献标识 码 ： Ａ 文章编 号 ：０４ ６３（０８０ —０４０ １０ －９３２０ ｝２０ １－４
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第 ２ 卷第 ２ ４ 期
２Ｏ Ｏ ８年 ３ 月
水
资
源
保
护
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第23卷 第3期 中 国 岩 溶 V o l.23 N o.3 2004年9月 CA R SOLO G I CA S I N I CA Sep.2004文章编号:1001-4810(2004)03-0169-08桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨动态和垂向变化解译Ξ刘再华,李 强,汪进良,吴孔运,孙海龙,梁永平(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)摘 要:用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的CF1钻孔(代表裂隙含水介质)和CF5钻孔(代表管道含水介质)水化学进行了暴雨动态和垂向变化的监测,通过数据的分析及对比,发现:暴雨时至少有两个重要的作用在控制着水化学的动态变化,一是雨水的稀释作用,另一个是碳酸盐岩—水—CO2气相互作用。
然而,这两个作用在管道含水介质和裂隙含水介质中的表现是不同的:对于裂隙含水介质,碳酸盐岩—水—CO2气相互作用占主导,而对于管道含水介质,雨水的稀释作用则成为主控因素。
因此,鉴于岩溶水化学是在碳酸盐岩-水-CO2气三相相互作用的开放系统中形成的,所以水化学的研究不能仅考虑水-岩相互作用,而必须重视CO2时空变化对水化学的控制,只有从三相系统全面考虑,才能正确把握岩溶水化学的时空演变规律。
此外,试验场相距不到5m的CF1和CF5钻孔水化学时空变化的显著差异,进一步证明了岩溶含水介质的非均质性特征。
关键词:钻孔水化学暴雨动态;钻孔水化学垂向变化;碳酸盐岩-水-CO2相互作用;岩溶含水介质非均质性;桂林岩溶试验场中图分类号:P641.3 文献标识码:A 桂林岩溶试验场于1986年由中国地质科学院岩溶地质研究所和法国蒙比利埃大学水文地质实验室合作建成,其目的是考察我国西南岩溶峰丛地区岩溶水文地质系统的形成机制和运行规律。
峰丛作为塔状岩溶的一种类型,其特征为在具同一基座的一群石峰间有着许多洼地。
在我国西南有约50万km2的此类峰丛岩溶石山地区。
该试验场运作过程中,通过多种工作,如航片卫片解译、地质填图、钻孔揭露、气象观测、地下水探测、示踪试验、岩溶地球化学和同位素分析、暴雨效应观测等,已经取得了许多重要的数据和认识[1～3],这些工作为流量和降雨量关系、入渗速率、系统内部结构和岩溶峰丛系统,特别是它的表层岩溶带的水文调蓄功能的认识提供了新线索。
然而,由于过去缺乏水化学自动监测设备,因而无法把握系统中的水化学变化,特别是在暴雨期间的水化学动态变化的详细情况,而暴雨期是了解系统对降雨响应和水化学变化主要过程的至关重要时段[4,5]。
此外,过去钻孔水化学测井参数单一,且样品拿回实验室测定,难以全面真实地反映野外岩溶系统的情况。
所以,有必要使用功能强大的多参数自动记录仪,来解决这一问题。
1 试验场气候和水文地质背景试验场位于桂林市区东南约8km的丫吉村附Ξ基金项目:本文由国家重大基础研究前期研究专项(2002CCA05200)、国家自然科学基金项目(40372117)、国土资源部“百人计划”项目(9806)和广西自然科学基金项目(桂科回0144010)共同资助第一作者简介:刘再华(1963-),研究员,博士生导师,水文地质、地球化学和环境地质专业,Eam il:zliu@。
收稿日期:2004-03-24近,从地貌上看,处在峰丛洼地和峰林平原的交界地带(图1)。
试验场自成一个岩溶水文地质系统,总面积约2km 2,它的补给区位于有9个洼地的峰丛山区,而它的排泄点,由位于桂林峰林平原东部边缘的一个常流泉(S 31号泉)和三个季节性泉(S 29、S 291、S 32号泉)组成(图1)。
峰林平原面标高150m ,而峰丛补给区的最高峰为652m ,洼地底部标高介于250～400m 之间。
整个系统发育上泥盆统融县组质纯块状灰岩,地层约呈东南5°～10°倾斜。
在场区西部边界峰丛洼地区有一主干断层,呈NN E 走向。
根据地表调查和航片解译结果,主要的节理和断层呈NWW 、N EE 、NN E 向,它们对洼地的形成和岩溶水运移有重要影响。
岩溶小形态如溶沟、溶痕、溶盘在洼地周围斜坡上发育良好,但是它们仅集中分布于表层岩溶带3～10m 深度内。
区内发现的最大溶洞位于S 291号泉东部山坡上,洞口标高为197.5m ,洞长100m ,宽1～20m ,高5～20m。
图1 桂林岩溶试验场水文地质平面图F ig .1H ydrogeo logical p lane m ap of the Guilin Karst Experi m ental Site1.洼地及其编号;2.公路;3.峰丛洼地和峰林平原边界线;4.岩溶泉及其编号;5.钻孔及其编号;6.断层;7.泉域边界;8.第四纪沉积物;9.上泥盆统融县组石灰岩 试验场岩溶水文系统的主要特点是:包气带巨厚,含水介质结构和输入输出极不均一(图2)。
包气带厚度介于110(由低洼地底部计)～400m (由洼地顶部算)。
系统含水介质结构的不均一性表现在表层岩溶带的存在及岩溶管道和裂隙并存。
例如,补给区四个钻孔中的两个(CF 6和CF 9)揭露出岩溶管道,而CF 7和CF 8钻孔主要揭露了岩溶裂隙含水介质;排泄区S 31号泉周围的5个钻孔同样显示了岩溶表层带、岩溶管道和裂隙并存的特点。
降水是系统的主要补给来源,桂林附近多年平均降水量为1914.3mm ,然而75.42%的降水集中于4～8月的雨季,并且,由自动记录仪器在系统不同部位记录的多场降雨数据分析可知,从平原到洼地,从较低洼地到较高洼地,月降雨量和一场暴雨事件两者都具有明显差别。
位于系统排泄区的四个泉(图1中S 29号、S 291号、S 31号、S 32号泉)的流量变化明显[3],这不仅是补给不均匀,而且也是系统含水介质结构不均一的反映。
在补给区,有很多表层岩溶泉从洼地斜坡或其底部流出,其中一些泉(如S 25号和S 26号泉,图2)是常年流水,一些泉(如S 54号泉和S 56号泉,图2)是间歇性的。
71 中国岩溶 2004年图2 试验场水文地质剖面图F ig.2H ydrogeo logical p rofile of the Guilin Karst Experi m ental Site1.土壤覆被;2.表层岩溶泉;3.饱水带泉;4.岩溶管道;5.基流低水位线2 研究方法如上所述,岩溶系统的含水介质主要包括管道和裂隙。
为了了解在这些含水介质中水化学详细的时空变化情况,在1号钻孔(图1中的CF1)安置了CTD P300多参数自动记录仪(由澳大利亚Green sp an公司生产)。
据钻孔揭露和抽水试验结果(表1),CF1代表了含水介质主要是裂隙的情况。
同样,代表含水介质主要是管道的CF5钻孔(揭露S31号泉主管道,图2)中也安装一台CTD P300多参数自动记录仪。
该型自动记录仪,对系统的5个参数(降雨量、水位、水温、pH和电导率)进行监测,数据采集间隔设定为15分钟。
为了弄清系统中其它主要离子的特征,每隔两周在试验场取水样,拿回实验室分析。
由这些分析结果,用W A T SPEC计算机软件(W igley,1977)计算了水的方解石饱和指数(S Ic)和CO2分压(P CO2)。
表1 试验场排泄区钻孔CF1和CF5抽水试验结果[3]T ab.1Pump ing test results from the bo reho le CF1andCF5in the discharge area at the Site孔号孔口标高(m)试段长度(m)抽水量(l s)降深(m)单位涌水量(l s・m)CF1154.5115.10.115331.880.0036CF53156.973.42.261018.160.1245 3CF5钻孔抽水时,CF1观测孔降深仅为0.09m。
3 结果和讨论3.1 试验场CF1和CF5钻孔水化学暴雨动态及分析3.1.1 自动记录数据用于计算水的方解石饱和指数和CO2分压运用W A T SPEC计算机软件[6]计算方解石饱和指数(S Ic)和CO2分压(P CO2),至少输入9个参数,它们是水温、pH、水中7种主要离子(Ca2+、HCO3-、K+、N a+、M g2+、C l-、SO42-)的浓度。
由于K+、N a+、M g2+、C l-和SO42-浓度很低[4,5],因此用多参数记录仪记录的数据计算方解饱和指数和CO2分压时,它们随时间的变化可忽略不计,在计算中采用这5种离子各自的平均值,计算误差估计不超过3%。
接下来,还须知道Ca2+和HCO3-的浓度才能计算得到连续的方解石饱和指数和CO2分压变化情况。
分析监测发现Ca2+和HCO3-的浓度与电导率存在以下良好的线性关系:[Ca2+]=0.23cond-6.46 Χ2=0.94[HCO3-]=0.71×cond-35.3 Χ2=0.93其中浓度的单位为m g l,cond为25℃时水的电导率,单位为Λs c m。
由于[Ca2+]和[HCO3-]的分析误差在5%左右,所以计算获得的S Ic和P CO2的总体误差应在10%以内。
3.1.2 试验场钻孔水水化学暴雨动态图3和图4分别表示了桂林岩溶试验场2003年6月26日0:00至7月3日0:00一周内的降雨和CF5、CF1钻孔的水位、水温及水化学动态。
可以看出从6月26日16:00至6月28日16:00有3段相对集中的降雨过程,分别持续13小时、10小时和12小时,降雨量分别为21mm、41mm和21mm。
对应此3场降雨,两钻孔水位形成3个滞后仅3～5小时的水位峰,无论裂隙系统或管道系统水位均呈现暴涨暴落现象,反映出试验场岩溶水文系统对降雨的快速响应特点。
对比图3和图4还发现,钻孔裂隙水的水温较171第23卷 第3期 刘再华等:桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨动态和垂向变化解译 管道水稳定,后者明显受降雨温度的影响。
如由图3可推断,是夏季较高温度的雨水造成了岩溶管道水温在雨后的总体上升。
(1)CF 5钻孔岩溶管道水水化学暴雨动态由图3可见,对应于雨量-水位峰,CF 5钻孔管道水存在明显的pH 值、电导率和方解石饱和指数低谷,这反映了降雨的影响是以稀释作用为主,电导率最大降幅约13Λs c m 。
有趣的是,对应雨量-水位峰,水的CO 2分压也呈现出明显的高值,增加可达1001a 。
这似乎与雨水的稀释效应相矛盾。
但根据作者的研究[4,5,7]得知,岩溶水化学既受稀释效应的影响,还受碳酸盐岩-水-CO 2相互作用中的CO 2的控制。
暴雨期岩溶水的CO 2分压增加可能与土壤CO 2溶于水有关,即非降雨时向大气排放的土壤CO 2在暴雨时被雨水溶解进入岩溶系统。
(2)CF 1钻孔岩溶裂隙水水化学暴雨动态由图4可见,总体上看,对应于3场降雨形成的整个水位高峰,CF 1钻孔裂隙水存在明显的pH 值和方解石饱和指数低谷,但与CF 5钻孔不同的是,CF 1仅有1个低谷,而且,对应水位高峰,CF 1不仅存在CO 2分压(较雨前升高200Pa )高峰,还存在电导率高峰,这些特征反映出岩溶裂隙水水化学主要受CO 2效应控制,而不像CF 5钻孔中的管道水那样,其水化学主要体现稀释效应(主要反映在水的电导率降低)。