貢嘎山東北坡地表水地球化學(xué)特征及影響因素

陳 洋，白景文，楊 靖，劉美玉

（中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

高山地區(qū)是全球物質(zhì)循環(huán)的起點(diǎn)，該區(qū)域礦物風(fēng)化釋放的元素對(duì)全球物質(zhì)和能量循環(huán)以及下游地區(qū)生態(tài)安全具有重要意義，如青藏高原向海洋輸入的物質(zhì)占全球總輸入量的20%[1]。水是高山地區(qū)向下游傳輸物質(zhì)和能量的主要載體，闡明高山地區(qū)地表水的地球化學(xué)特征及其影響因素不僅是正確認(rèn)識(shí)高山地區(qū)元素地球化學(xué)循環(huán)和遷移的基礎(chǔ)，而且有利于評(píng)估其對(duì)下游地區(qū)生態(tài)和環(huán)境的影響。針對(duì)我國(guó)主要大型河流水化學(xué)特征的研究已取得一系列有益的研究成果[2-6]，對(duì)認(rèn)識(shí)大空間尺度上的元素地球化學(xué)過(guò)程具有重要的作用。然而，目前針對(duì)大型水系源區(qū)高山小流域水化學(xué)的研究還少見(jiàn)報(bào)道。此外，由于大型河流沿岸通常是人口和工業(yè)集中區(qū)，其水化學(xué)特征受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，較難通過(guò)大型河流的水化學(xué)參數(shù)分析其源區(qū)水體的地球化學(xué)特征，因此，有必要對(duì)江河源區(qū)水體地球化學(xué)特征進(jìn)行研究。

自然界水體水化學(xué)受河流流經(jīng)區(qū)巖性、 氣候、地形、土壤、植被和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響。有研究認(rèn)為，大部分情況下自然水體的水化學(xué)性質(zhì)主要受地質(zhì)條件的影響，其它因素的影響較小[7]。因此，通過(guò)研究自然水體的水化學(xué)性質(zhì)，一方面可認(rèn)清各種自然因素對(duì)水體地球化學(xué)特征的影響，另一方面也有助于對(duì)比分析人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然河流的影響程度。貢嘎山位于四川盆地與青藏高原的過(guò)渡地帶，人類(lèi)活動(dòng)較少，是研究自然狀態(tài)下江河源區(qū)小流域水體地球化學(xué)特征的理想?yún)^(qū)域。該區(qū)域冰川運(yùn)動(dòng)劇烈，降水量較大，凍融交替過(guò)程明顯，可能導(dǎo)致巖石風(fēng)化作用較強(qiáng)；但年均溫較低，不利于水-巖的地球化學(xué)過(guò)程。這些地質(zhì)和氣候因素如何影響該區(qū)域水體的地球化學(xué)特征，尚需開(kāi)展深入研究工作。因此，本研究選取貢嘎山東北坡燕子溝和雅家埂流域，測(cè)定其水化學(xué)主要離子組成，分析控制該區(qū)域地表水水化學(xué)特征的主要因素，為理解自然狀態(tài)下江河源區(qū)水體地球化學(xué)特征及其主控因素提供案例。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

貢嘎系橫斷山的主峰，海拔達(dá)7 556 m，區(qū)內(nèi)現(xiàn)代冰川發(fā)育。貢嘎山東坡主要由海螺溝、磨子溝、燕子溝、南門(mén)關(guān)溝和雅家埂等小流域組成，其中，燕子溝和雅家埂位于東北部（29°39′22″N～29°54′26″N，102°6′43″E ～101°57′36″E）（圖 1）。貢嘎山東坡主要受東亞季風(fēng)的影響，降水主要集中在夏季，氣溫日較差較大。研究區(qū)燕子溝流域在大地構(gòu)造上，位于川滇南北向構(gòu)造帶北段西緣與青藏高原地塊的過(guò)渡帶上，自溝內(nèi)小南門(mén)關(guān)溝口以下，左岸谷坡及右岸全部為二疊系下統(tǒng)的各種深變質(zhì)片巖、石英巖和大理巖，流域內(nèi)其余絕大部分幾乎為燕山期黑云母花崗巖，僅在西南角貢嘎主峰一帶分布燕山二期花崗巖[8]。雅家埂流域內(nèi)以北西向?yàn)榭刂菩詷?gòu)造，由一系列壓扭性斷裂和復(fù)式褶皺組成， 形成于印支期，并在燕山期發(fā)展強(qiáng)化，第四紀(jì)以來(lái)新構(gòu)造活動(dòng)以強(qiáng)烈的地震活動(dòng)和水熱活動(dòng)為主。雅家埂流域內(nèi)出露地層較多，巖石類(lèi)型多樣，主要為綠片巖、石英巖、夾板巖、大理巖、斜長(zhǎng)花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖等[9]。貢嘎山東坡發(fā)育了完整的土壤和植被垂直帶譜[10]。中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所在海螺溝建有兩個(gè)長(zhǎng)期氣象觀測(cè)站（海拔分別為1 600 m和3 000 m）。針對(duì)貢嘎山的研究也多基于海螺溝展開(kāi)，對(duì)海螺溝的氣候、地質(zhì)、水文、土壤、植物和自然災(zāi)害等各個(gè)方面都開(kāi)展了詳盡的研究[11]，而針對(duì)貢嘎山東北坡的研究較為少見(jiàn)。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖Figure 1 The location of Mt.Gongga and sampling sites

1.2 樣品采集與方法

根據(jù)研究區(qū)水系特點(diǎn)分源頭區(qū)和干流區(qū)進(jìn)行采樣，并在雅家埂的最高點(diǎn)采集積雪樣品（圖1）。研究區(qū)為典型的東亞季風(fēng)控制區(qū)， 降雨多集中在6—10 月初，該時(shí)期也是積雪融化的主要時(shí)期，因此將采樣時(shí)間設(shè)定為2014年9 月下旬， 以獲取具有代表性的水體樣品。使用YSI 6600 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體pH值。采集的樣品使用干凈的PVC 瓶保存于0～4 ℃的保溫箱中。采集樣品后的24 h 內(nèi)，先采用0.45 μm的醋酸纖維濾膜過(guò)濾，后使用離子色譜儀（ICS-90）測(cè)定 Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-和 SO42-的濃度，CO32-、HCO3-采用滴定法測(cè)定，Si 濃度采用 ICP-OES（optima 8300）測(cè)定，總?cè)芙夤腆w（TDS）為各離子濃度之和。樣品測(cè)定過(guò)程中設(shè)置空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品，并測(cè)定平行樣，測(cè)試精度±5%。水體主要離子來(lái)源采用Gibbs 圖進(jìn)行分析，采用IBM SPSS22 軟件進(jìn)行主成分分析；采用Origin?8.0 繪制所有圖件。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水和地表水主要離子濃度

對(duì)所有采集的水樣和積雪樣進(jìn)行離子成分及濃度，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 貢嘎山東北坡水體主要離子濃度Table 1 Concentrations of major ions in waters in the northeast slope of Gongga Mt.mg·L-1

結(jié)果表明貢嘎山東北坡地表水總體呈中性偏弱堿性，pH 平均值為7.33。雅家埂分水嶺的積雪樣品pH 比地表水更低， 平均值為6.15。積雪樣品的TDS 平均濃度為 3.71 mg/L，僅有 HCO3-和 SO42-被檢測(cè)到，其余離子濃度均低于檢測(cè)限。由于積雪和冰川融水是該區(qū)域地表水的重要補(bǔ)給來(lái)源[12]，通過(guò)雅家梗源頭區(qū)地表水較高的pH 值和TDS 含量可以看出，弱堿性及低TDS 含量的融水通過(guò)與巖石發(fā)生較強(qiáng)烈的水-巖交互作用， 對(duì)地表水的地球化學(xué)特征產(chǎn)生重要影響。

源頭區(qū)地表水TDS 濃度范圍為15.60～33.66 mg/L，平均值為22.19 mg/L， 顯著低于干流區(qū)的平均值84.71 mg/L（P＜0.05）。整個(gè)研究區(qū)水體 TDS 濃度平均值為 50.2 mg/L，低于其南邊的海螺溝（128 mg/L）[13]，也低于大渡河瀘定段（185 mg/L）[14]和長(zhǎng)江水系主要干支流（248 mg/L）[15]TDS 濃度的均值。研究結(jié)果表明該區(qū)域的風(fēng)化程度總體上較低。

研究區(qū)內(nèi)絕大部分水樣的陽(yáng)離子含量為：Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+，Ca2+始終是陽(yáng)離子的最大組分。所有水樣的陰離子含量順序?yàn)椋篐CO3-＞SO42-＞Cl-＞CO32-。

2.2 Gibbs和陰陽(yáng)離子三角圖

貢嘎山東北坡大多數(shù)地表水樣的地球化學(xué)組成均位于Gibbs 圖的巖石控制區(qū)內(nèi)，但高海拔地區(qū)樣品的地球化學(xué)特征有接近于大氣降水控制區(qū)的趨勢(shì)（圖2）。由圖3 可知，該區(qū)域地表水陽(yáng)離子主要位于陽(yáng)離子三角圖的Ca2+一端，部分樣點(diǎn)有向（K++Na+）端靠近的趨勢(shì)，陰離子則主要偏向HCO3-一端。

3 討論與結(jié)論

3.1 水體主要離子來(lái)源

Gibbs 圖是一種半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖， 可直觀地將河水組分分為大氣降水控制類(lèi)型、巖石風(fēng)化控制類(lèi)型和蒸發(fā)—結(jié)晶型，是定性地判斷水體中離子來(lái)源的有效工具[16]。由圖2 可知，貢嘎山東北坡地表水水化學(xué)組成主要位于Gibbs 分布圖的巖石控制區(qū)內(nèi)（圖2）， 一方面表明該區(qū)域水體中主離子主要來(lái)自于巖石的風(fēng)化，另一方面也表明貢嘎山東北坡地表水目前受人類(lèi)影響較小。盡管所有樣點(diǎn)的水化學(xué)組成均在巖石風(fēng)化區(qū)內(nèi)，但源頭區(qū)的水樣比干流區(qū)的更接近于大氣降水控制區(qū)，這說(shuō)明貢嘎山東北坡高海拔地區(qū)地表水水化學(xué)組成除受巖石風(fēng)化外，還受大氣降水較大的影響。

3.2 水體地球化學(xué)特征影響因素

圖2 貢嘎山東北坡地表水Gibbs 圖Figure 2 The Gibbs figure of hydrochemistry in the northeast slope of Gongga Mt.

圖3 貢嘎山東北坡地表水陽(yáng)離子（左）和陰離子（右）三角圖Figure 3 Triangular diagrams of anions and cations in water of of northeast slope of Gongga Mt

在通過(guò)Gibbs 圖判定水體主離子的來(lái)源為巖石風(fēng)化基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步通過(guò)陰、陽(yáng)離子三角圖來(lái)判別水體中的離子主要來(lái)自于哪類(lèi)巖石的風(fēng)化。在三角圖中， 若水體主離子主要受蒸發(fā)鹽巖的影響，陰離子多位于SO42--Cl-線上，陽(yáng)離子則偏向（K++Na+）端；若主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響，陰、陽(yáng)離子則分別偏向HCO3-和Ca2+一端[7]。本區(qū)域地表水陽(yáng)離子靠近Ca2+一端、 陰離子主要偏向HCO3-一端的特征表明該區(qū)域水體主離子組成主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響。貢嘎山東北坡巖石以硅酸鹽為主，但水體呈現(xiàn)出受碳酸鹽巖風(fēng)化主導(dǎo)的特征。這主要由該地區(qū)的氣候和巖性特征決定的。區(qū)域內(nèi)海拔較高、溫度較低，硅酸鹽巖很難被風(fēng)化，因而，含量極少的碳酸鹽巖就首先被風(fēng)化溶解。

水體Mg/Na-Ca/Na 散點(diǎn)圖是另一個(gè)定性判斷水體中離子來(lái)源的有效指標(biāo)[17]。如圖4 所示，貢嘎山東北坡地表水Mg/Na-Ca/Na 散點(diǎn)主要位于碳酸鹽巖與花崗巖之間，但更靠近碳酸鹽巖。結(jié)果表明，盡管花崗巖對(duì)該地區(qū)水體離子有一定的貢獻(xiàn)，但碳酸鹽巖風(fēng)化才是最主要的貢獻(xiàn)者。

圖4 貢嘎山東北坡地表水Na+的標(biāo)準(zhǔn)化比值混合圖解Figure 4 The scatter diagram of normalized Na+and other ion in waters of northeast slope of Gongga Mt.

硅酸鹽巖風(fēng)化對(duì)水體陽(yáng)離子總量（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）的貢獻(xiàn)率（（Na*+K+）/ TZ+）是一個(gè)半定量判斷硅酸鹽風(fēng)化貢獻(xiàn)程度的指標(biāo)[18]。水體中的Na+有2 個(gè)主要來(lái)源：硅酸鹽巖風(fēng)化和石鹽的溶解。為消除石鹽溶解對(duì)Na+的貢獻(xiàn)，通常用Na+濃度減去Cl-的濃度（Na*=Na+-Cl-）來(lái)代表硅酸鹽對(duì) Na+的貢獻(xiàn)[18]。貢嘎山東北坡（Na*+K+）/TZ+的平均值為 0.057±0.028，最高值為0.154（圖5），表明硅酸鹽對(duì)該地區(qū)水體主離子的貢獻(xiàn)較低，這也從另一個(gè)角度表明碳酸鹽巖風(fēng)化的主導(dǎo)作用。該結(jié)論與蔣浩等對(duì)貢嘎山流域巖石風(fēng)化速率的研究結(jié)果相似，他也發(fā)現(xiàn)硅酸鹽為主要基巖類(lèi)型的高原自然流域，碳酸鹽巖的風(fēng)化對(duì)水體主離子的貢獻(xiàn)達(dá)74%～90%[19]。

對(duì)主要離子進(jìn)行主成分分析可進(jìn)一步明確不同巖石類(lèi)型對(duì)水化學(xué)的影響程度。如表2 所示，主成分分析提取的前3 個(gè)因子可代表8 個(gè)變量原始信息的89.56%。其中，第1 因子、第2 因子和第3 因子分別代表原始信息的60.0%、20.9%和8.6%。第1因子與 Ca2+、Mg2+、HCO3-和 SO42-的相關(guān)性最好，可代表碳酸鹽類(lèi)礦物的風(fēng)化。第2 因子與Si、Cl-和Na+的相關(guān)性較好，可代表硅酸鹽巖風(fēng)化和大氣降水的貢獻(xiàn)。第3 因子則只與Cl-的相關(guān)性較好，表明了大氣降水的影響。

上述幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)均表明，盡管貢嘎山東北坡的雅家埂和燕子溝母巖類(lèi)型以硅酸鹽巖為主，但是，目前該地區(qū)地表水主要離子組成受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響，硅酸鹽巖風(fēng)化的影響較小。在貢嘎山東坡海螺溝流域[12]、喜馬拉雅山[20]、瑞士阿爾卑斯山[21]的研究中也發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似結(jié)果。

圖5 貢嘎山東北坡不同海拔硅酸鹽巖分化對(duì)水體總離子的貢獻(xiàn)率Figure 5 The contribution rate of silicate weathering to total ions in water at different altitude in the northeast slope of gongga Mt.

表2 貢嘎山東北坡地表水離子主成分分析載荷Table 2 Component loading of major ions in surface waters in the Northeast slope of Gongga Mt.

3.3 結(jié)論

貢嘎山東北坡地表水主要離子組成中陰陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度分別為：HCO3-＞SO42-＞Cl-＞CO32-；Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+。TDS 的濃度為 15.60～33.66 mg/L，平均值為22.19 mg/L，低于其下游的TDS 濃度，表明該地區(qū)風(fēng)化程度較弱。

盡管燕子溝和雅家埂流域水體離子組成一定程度上受到大氣降水的影響，但地表水化學(xué)主要受巖石風(fēng)化的影響。雖然硅酸鹽巖是該區(qū)巖石的最主要類(lèi)型，但通過(guò)Gibbs 圖、水體陰陽(yáng)離子三角圖以及水體主要離子主成分分析，結(jié)果均表明該區(qū)域的巖石風(fēng)化以碳酸鹽巖風(fēng)化為主。地表水的水化學(xué)類(lèi)型為Ca2+-HCO3-。