四川黃龍景區(qū)“源水”成因淺析

萬新南 楊 菊 程溫瑩 羅 麗安德軍 唐 淑 臺(tái)永東

(1.成都理工大學(xué)“地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059;2.四川省黃龍管理局,四川 阿壩 624600)

1 地質(zhì)背景

黃龍北距九寨80 km,南距成都約400 km,交通方便。鈣華景區(qū)發(fā)育于雪寶頂北側(cè)一條南北向溝中,海拔高度為3.0～4.5 km,坡降可達(dá) 8%～12%,全長(zhǎng)3.5 km,其中心點(diǎn)地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°50′,北緯 32°45′。黃龍溝屬涪江水系 ,氣溫在-10～18℃之間,年降水量約為 700～800 mm。

在地質(zhì)構(gòu)造上,黃龍?zhí)幱谝匝┥綌嗔褳楸苯绲难氻旕薨櫷聘矘?gòu)造巖片區(qū)。該區(qū)主要構(gòu)造線呈東西方向展布。地層巖性較為復(fù)雜,可分為基巖與第四紀(jì)松散堆積層兩大部分?；鶐r部分：以黃龍五彩池上游高地望鄉(xiāng)臺(tái)為界,以南主要分布泥盆系、石炭系、二疊系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等可溶性巖組;以北主要分布三疊系砂巖、板巖夾灰?guī)r及志留系(雪山斷裂以北)板巖夾薄層灰?guī)r等非可溶性巖組。第四紀(jì)松散堆積層部分：同樣以望鄉(xiāng)臺(tái)為界,以南主要是黑色泥質(zhì)物(海拔高度4.0～4.5 km)與巨型角礫碎塊(海拔高度3.6～4.0 km)為主,黑色泥質(zhì)物可能由早期鈣華風(fēng)化改造而來,直經(jīng)為20～100 cm的角礫為基巖風(fēng)化破碎而來,其厚度估計(jì)在20～50 m不等;以北則是鈣華堆積物,主要堆積在非可溶巖上。

2 “源水區(qū)”水源形態(tài)與展布

2.1 “源水區(qū)”基本特征

黃龍“源水區(qū)”是指五彩池以南的溝源區(qū),海拔高度在3.55 km以上的溝源部分。其地形可分為三個(gè)臺(tái)地(圖1)：第一臺(tái)地是從轉(zhuǎn)化泉群往南上一近15°～20°的陡坡至望鄉(xiāng)臺(tái)臺(tái)面,近地表流水溝處以巨大角礫巖塊為主,兩側(cè)以深厚草叢矮灌木為主,濕度極大。從平臺(tái)中心往南行300 m翻一小坡,則進(jìn)入第二平臺(tái)。它以沼澤化的黑色土壤層與腐殖層為主,分布面積大,見三條緩坡降的溪溝匯流于此臺(tái)地,并見多個(gè)淺層“泉水”滲流進(jìn)入溝中。第三個(gè)臺(tái)地則是溝后緣至黃龍溝主分水嶺處,主要由祼露碳酸鹽巖組成,以灰?guī)r、白云巖居多,次為板巖。巖層變形強(qiáng)烈,裂隙發(fā)育;同時(shí),該臺(tái)地處高寒區(qū),寒凍風(fēng)化作用強(qiáng)烈,易于形成石灘和石海。特別是溝上游,碳酸鹽巖形成了較厚的寒凍風(fēng)化層,基巖裂隙發(fā)育,較平坦區(qū)上的高寒崩積物堆積較厚,為上游地下水儲(chǔ)積提供了較好的滲透與儲(chǔ)存條件,為下游鈣華沉積提供了較充分的物源。各臺(tái)地與臺(tái)地斜坡區(qū),廣泛發(fā)育有粗?；蚣?xì)粒砂泥及鈣華泥砂堆積物,結(jié)構(gòu)松散。在這些松散砂泥之上,灌叢草甸普遍繁茂,且腐殖層厚實(shí)。海拔高度3.55 km以上開闊平坦、坡降較小的溝谷區(qū),有利降水大面積下滲,成為下游地下水與地表水補(bǔ)給的重要來源。

圖1 黃龍景區(qū)地質(zhì)剖面與徑流分布圖Fig.1 Geologic section and runoff distribution

2.2 源水區(qū)主要水體與展布

黃龍溝主要水源有四類,即冰雪類固態(tài)水、溪溝類地表水、泉水與滲水類地下水、植被腐殖層涵養(yǎng)的生態(tài)水。

2.2.1 冰、雪類固態(tài)水

主要為每年10月下旬到次年3月份的大氣降雪及積雪壓實(shí)的冰層。黃龍地區(qū)每年11月份至次年4月份,海拔高度3 km以上均處于凍結(jié)狀態(tài);3.8 km以上地區(qū)冰雪覆蓋狀態(tài)延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),局部地段可整年積雪與冰封。此期間,黃龍溝中除以轉(zhuǎn)化泉(本稱轉(zhuǎn)花泉,當(dāng)?shù)厝烁姆Q轉(zhuǎn)化泉)為代表的上升泉群及緊鄰的五彩池有少量流動(dòng)的水外,其他地段幾乎無液態(tài)水。因此,黃龍溝中每年11月份開始地表水流急劇減少,液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)水。每年4月下旬-5月上旬天氣變暖,冰雪開始融化,融化水將直接補(bǔ)給地表溝溪或滲入地下。

2.2.2 溝溪類地表水

源區(qū)地表水主要來自轉(zhuǎn)化泉群(其周圍有6～7個(gè)小泉,故稱轉(zhuǎn)化泉群)后緣望鄉(xiāng)臺(tái)以上高山溝谷中的幾條溪流,總徑流量較大,目估流量達(dá)1～2 m3/s,豐季可適度增大,是鈣華景區(qū)水體的重要組成部分。它不僅涵養(yǎng)鈣華,還參與鈣華源泉的混合及二次循環(huán)過程。黃龍?jiān)磪^(qū)地表水來源于海拔高度4.5 km以上的上游大氣降水包括融雪融冰的補(bǔ)給。

以轉(zhuǎn)化泉為界分為上游漫流溝流區(qū)與成景集流-潛流區(qū)(圖1),前者總匯水面積遠(yuǎn)大于后者。望鄉(xiāng)臺(tái)上游有一主干溝流,連接多條小支溝與不同高程平臺(tái)上的濕地、漫流。在望鄉(xiāng)臺(tái)與轉(zhuǎn)化泉群之間形成總泄水溪溝,幾乎常年有水,并在完全轉(zhuǎn)化為漫流潛入鈣華堆積前,形成了溪溝末端黑色鈣華池壩。這些鈣華池壩有的還在生長(zhǎng),有的已完全消失。這是地表溝水直接形成鈣華池的典型實(shí)例。說明鈣華池的形成并非是惟一的“深層地下水”成因,含鈣較高的溪溝水在一定地形、氣候、生態(tài)環(huán)境下也可形成鈣華。上游表流與漫流也并非以固定模式流動(dòng),在不同地段,或不同季節(jié),將時(shí)而為表流、時(shí)而滲入地下、時(shí)而為漫流,不斷改變水流儲(chǔ)存與運(yùn)動(dòng)方式,并不斷獲取鈣離子,提高礦化度。

上游漫流、溝流區(qū)的地表滲流可以發(fā)生在整個(gè)源區(qū),集中滲流發(fā)生在望鄉(xiāng)臺(tái)后緣較平坦寬闊處。此處是獲取Ca2+與從植被層獲取CO2的有利地帶,地表水沿表層腐殖層、根系土壤層及望鄉(xiāng)臺(tái)前緣斜坡巖石-鈣華風(fēng)化堆積物孔隙進(jìn)入地下,利用略為異常的地溫加熱補(bǔ)給轉(zhuǎn)化泉群;也可能與地下低溫水混合形成7℃左右的低溫泉,有的又直接出露于地表形成冷泉(2～4℃),有的則從溝側(cè)滲入溪溝兩岸下游低地松散堆積物中轉(zhuǎn)為表層地下滲流。

2.2.3 以泉與滲流為主的地下水

源區(qū)地下水以眾所周知的轉(zhuǎn)化泉群為代表、經(jīng)不同深度的地下循環(huán)溢出地表,出露于望鄉(xiāng)臺(tái)松散鈣華堆積體下,呈東西方向線性展布(圖2)。近地表溝溪以轉(zhuǎn)化泉為中心的(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))泉特征相似,其流量最大,而高程不一、流向不一,高程低者匯流向西補(bǔ)給西邊(4號(hào)泉);而高程高者則流向東,匯入溪溝(圖2)。各泉水中Ca2+和HCO3-及游離CO2含量較高,除冷泉外,泉口在豐水期有大量的氣泡逸出;而在枯水期(12月至次年4月)基本沒有氣泡,且泉水面被一層黑色飄浮物覆蓋,不見水流外溢。

圖2 源水區(qū)徑流過程示意圖Fig.2 The process of original runoff water

轉(zhuǎn)化泉群中的特殊泉?jiǎng)t是5號(hào)冷泉,其出露海拔高度比該泉群中的其他泉略高,而溫度始終低于其他泉,受氣溫影響更大,夏季溫度為4～4.2℃,冬季為2℃左右;流量與其他泉相當(dāng)或略小。

除泉群較為固定存在外,在泉群帶還分布有大量的“濕地”、“微型池洼”與間歇性小泉,它們同樣具有較高鈣含量、礦化度與電導(dǎo)率;不同的是,它們可因季節(jié)不同,而存在位置、池洼水面面積、水深與流量的不同。它們與泉群一起共同構(gòu)成黃龍景觀的重要“水源”。

2.2.4 茂密植被儲(chǔ)存的“生態(tài)水”[1]

源區(qū)植被發(fā)育,大多為低矮灌叢、草甸,根系發(fā)達(dá),腐殖層較厚,黑色土壤疏松,形成了分布連續(xù)的生態(tài)水層,局部水量豐富區(qū)具有濕地特征。它為黃龍?jiān)此畢^(qū)的水文循環(huán)、固態(tài)水-地下水-地表水轉(zhuǎn)換及鈣質(zhì)、CO2的傳輸提供了一個(gè)非常大的暫儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換空間,是黃龍景觀存在的重要影響因素。根據(jù)森林水文學(xué)研究,原始森林區(qū)對(duì)降水的截留可達(dá)降水的30%左右,因而生態(tài)水層提供的水量是黃龍景觀存在的一個(gè)重要支撐。

3 “源水區(qū)”地溫場(chǎng)與化學(xué)場(chǎng)特征

3.1 源水區(qū)地溫場(chǎng)

源水區(qū)地溫場(chǎng)較為特殊,以轉(zhuǎn)化泉為中心,形成了一個(gè)局部地溫異常帶,其范圍是以1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)泉為中心(圖2),組成長(zhǎng)條形帶狀區(qū)。在冬季降雪時(shí)段,該地段積雪時(shí)間短,而融雪最快,該地段地溫保持在6～7.5℃左右。而在離4號(hào)泉南西300 m高地出露的5號(hào)泉?jiǎng)t顯示淺表水特征,其水溫在2～4℃左右,冬季多次測(cè)定為2～3.2℃,夏季為 4～4.2℃,與地表水溫度相當(dāng)(地表水測(cè)溫為4℃)。不管哪個(gè)溫度區(qū),其水溫都會(huì)受降水與氣溫影響[2]。

根據(jù)區(qū)域地溫梯度(如地?zé)嵩鰷貫?.1℃/km,或異常地?zé)嵩鰷?.3℃/km)來推斷泉水循環(huán)深度,所得結(jié)論只能是100 m或200 m左右,這需要設(shè)定當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)地溫為0～5℃。據(jù)常規(guī)統(tǒng)計(jì),天然泉水溫度一般在10～16℃之間,均屬淺表性地下水范疇;溫度達(dá)20～50℃者進(jìn)入地溫異常區(qū)。而黃龍泉水常年維持在6℃左右,明顯低于常規(guī)地下水;個(gè)別低達(dá)2℃：顯然,作為深源地下水處理值得商榷,用深層高溫水與淺表低溫水混合成因來解釋也難以自圓其說。

3.2 景區(qū)內(nèi)“源水”化學(xué)場(chǎng)

源水區(qū)水溫場(chǎng)直接與化學(xué)場(chǎng)密切相關(guān),溫度高者電導(dǎo)率高,Ca2+,Mg2+,HCO3-和游離CO2等指標(biāo)也相應(yīng)較高。如1～3號(hào)泉礦化度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.0‰～1.2‰,4～6號(hào)泉礦化度隨溫度降低,分別為0.996‰,0.793‰,0.615‰;特別是5號(hào)低溫泉礦化度已接近地表溪水0.5‰。

源水區(qū)水化學(xué)場(chǎng)分三部分,一部分是降雨降雪為主的降水,其礦化度十分低,為0.03‰～0.20‰;二是以地表溝溪水為主的水化學(xué)場(chǎng),礦化度為0.4‰～0.6‰;三是以地下水(轉(zhuǎn)化泉群)為主體的地下水化學(xué)場(chǎng),其礦化度為0.7‰～1.2‰。不同水體的電導(dǎo)率,pH值、鈣含量都表現(xiàn)出相同數(shù)量級(jí)的變化規(guī)律,反映了三者之間的內(nèi)在轉(zhuǎn)化過程。

根據(jù)對(duì)不同水體(降水、地表水、地下水)在同一環(huán)境(氣候、溫度、地點(diǎn)基本相同)下分別采樣,發(fā)現(xiàn)降水在經(jīng)過滲流后礦化度與含鈣量明顯增高,特別是雨季或融雪季節(jié)望鄉(xiāng)臺(tái)上游地表水礦化度與鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在0.40‰～0.55‰的水平;轉(zhuǎn)化泉群附近下游,降雨后出現(xiàn)的滲水積水塘礦化度也可達(dá)0.5‰～0.6‰?？梢娞烊唤邓谳^短的時(shí)間段中也能提高自身的礦化度。

4 “源水區(qū)”水文循環(huán)與動(dòng)態(tài)分析

4.1 水文循環(huán)特征

黃龍水文循環(huán)非常特殊,很難根據(jù)地表工作確定其水文循環(huán)過程。早期一些研究大多認(rèn)為黃龍水文循環(huán)是轉(zhuǎn)化泉處的深大斷裂導(dǎo)水而致[4]。轉(zhuǎn)化泉群位于斷層附近。似乎較為合理地解釋了黃龍的特殊性。“深部循環(huán)說”主要支撐是根據(jù)泉水中13C測(cè)定及地質(zhì)構(gòu)造的推測(cè),具有一定的科學(xué)基礎(chǔ)[4],但不能解釋泉水溫度對(duì)氣溫的敏感性、流量對(duì)降水的敏感性及下游流量對(duì)融雪的敏感性。

以轉(zhuǎn)化泉為代表的上游鈣華源泉水群包括8個(gè)泉,出露的海拔高度為3.56 km左右。鈣華泉流量隨季節(jié)變化較明顯,一般每年5～10月份流量較大,11月份至次年4月份流量較小,其中7～8月份(個(gè)別10月份)流量最大,2～3月份流量最小(圖3),受降雨融雪影響較大。

圖3 1987年源泉月平均及總流量變化曲線圖Fig.3 The transformation curve of the month average and total flow in 1987

圖4 鈣華源泉5～10月平均流量多年變化曲線圖Fig.4 The transformation curve of month average flow of calc-sinter original water from May to October

從鈣華源泉流量多年動(dòng)態(tài)變化曲線圖(圖4)可以看出,鈣華源泉流量10多年來枯季流量基本穩(wěn)定(但1993年至2001年略有減少的趨勢(shì),2002年又有所升高)。在枯季主要鈣華泉已無水外溢,成為漂浮一層腐爛枯葉膜的“積水池”。松散鈣華層中的地下潛流足夠維持五彩池常年溢水需求。實(shí)際上本地區(qū)即使存在深大斷裂,也無法溝通其他水源,目前也無證據(jù)存在遠(yuǎn)源地下水源。以上分析更可能說明的是上游鈣華層中的潛流才是真正穩(wěn)定的補(bǔ)給源。

黃龍水文循環(huán)雖然復(fù)雜,但源水區(qū)的水文循環(huán)又相對(duì)簡(jiǎn)單。從以上水溫場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)與地表水、地下水動(dòng)態(tài)變化分析判斷,實(shí)際上望鄉(xiāng)臺(tái)最高臺(tái)地是以地表水漫流為主,第二臺(tái)地基本是松散堆積物,有角礫、鈣華泥、矮權(quán)叢、草甸,更有黑色厚層腐殖土,具有飽水、滲水與儲(chǔ)水功能。對(duì)表層松散土取樣分析,其成分以鈣鎂為主,含水率高達(dá)60%～80%,其生態(tài)水、地下水十分豐富。推斷該松散堆積物應(yīng)屬地質(zhì)歷史上的鈣華沉積物演化而來,使其成為了整個(gè)黃龍溝的“地下水補(bǔ)給庫(kù)”與地下水獲取“鈣離子、重碳酸根離子”的“制造地”。而最低的一個(gè)臺(tái)地,草甸、矮權(quán)叢更為發(fā)育,腐殖層更厚,成為地下水的“儲(chǔ)存庫(kù)”,并進(jìn)步獲取“鈣離子”與游離CO2。為證實(shí)以上推斷,對(duì)從上游地表水與泉水C和O同位素采樣分析,表明上游地表水與地下水不但同源,而且同齡,因?yàn)槠銫和O同位素測(cè)量值幾乎相同[3]。

4.2 “源水”動(dòng)態(tài)分析及對(duì)景觀的影響

黃龍?jiān)?0世紀(jì)80年代水量豐富,幾乎常年全溝段流水潺潺,池水充盈。近年來,黃龍水量急劇減少,即使是夏季豐水季節(jié),可觀賞的也只有幾個(gè)景點(diǎn),如流芳池、蓮臺(tái)瀑布、金沙鋪地、五彩池等,前三者受季節(jié)影響極大,后者較穩(wěn)定。2003年氣候條件大為改善,降水頗豐,但景觀還是不容樂觀,大量的鈣華景觀出現(xiàn)了邊石壩坍塌衰退現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)與黃龍景區(qū)內(nèi)水源區(qū)水量變化關(guān)系不大,但與其水質(zhì)與地下水運(yùn)移途徑的變化有著密不可分的關(guān)系。

雖然黃龍“源水區(qū)”流態(tài)與流量均較為穩(wěn)定,常年呈漫流狀態(tài)進(jìn)入五彩池,保持五彩池穩(wěn)定的供水與鈣華邊石壩的溶蝕-堆積的平衡;但地表水在五彩池溢流后迅速轉(zhuǎn)入地下,經(jīng)過后寺至中寺約1.5 km的鈣華層地下潛流,只有部分再返回地表。這表明黃龍的五彩池下游段流態(tài)發(fā)生了強(qiáng)烈變化,即早期的漫狀水流由片狀緩流轉(zhuǎn)變成為束狀急流,對(duì)鈣華體產(chǎn)生機(jī)械沖刷侵蝕,支離早期形成的透水性較差的鈣華體,形成較強(qiáng)的地下管流,對(duì)景觀有著極強(qiáng)的破壞性。正因?yàn)槿绱?使得部分彩池在平水季節(jié)早早干枯;即使降水量很大,迎賓池昔日景觀也很難恢復(fù)如初。因而黃龍景區(qū)的保護(hù)與退化景觀的修復(fù)還必須從源頭開始。

5 結(jié)論

黃龍景觀“源水區(qū)”水量、水質(zhì)與水溫受降水與季節(jié)影響較大,其變化波幅直接反映降雨或融雪特征?？梢酝茢嗳旱牡叵滤a(bǔ)給源并非遠(yuǎn)源補(bǔ)給,其循環(huán)深度也非常有限。導(dǎo)致鈣華泉中的含量較高因素除能直接從上游鈣華體與植被根系中獲取外,另一重要因素是局部地溫異常。這里不排除局部深源的存在,有深源不等于“深源地下水”補(bǔ)給。

[1]萬新南,楊武年,吳炳方,等.“生態(tài)水層與生態(tài)水”的概念及研究意義[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(增刊)：117-121.

[2]萬新南,李云貴,楊俊義,等.九寨溝-黃龍景觀及地質(zhì)環(huán)境演化趨勢(shì)研究[R].成都：四川省國(guó)土資源廳,2003：32-54.

[3]楊俊義,萬新南.九寨溝-黃龍世界自然遺產(chǎn)區(qū)地質(zhì)及水循環(huán)系統(tǒng)[R].成都：四川地勘局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì),2001：41.

[4]劉再華,袁道先,何師意,等.四川黃龍溝景區(qū)鈣華的起源和形成機(jī)理研究[J].中國(guó)巖溶,1993,13(1)：185-191.