郭靜蕓,畢鑫濤,方然可,李守定
(1.中國科學院地質與地球物理研究所,北京 100029;2.中國科學院地球科學研究院,北京 100029;3.中國科學院大學地球與行星科學學院,北京 100049;4.中國地質大學(北京)工程技術學院土木工程系,北京 100083;5.華北水利水電大學地球科學與工程學院,河南 鄭州 450046)
水對可溶巖進行化學溶蝕,不斷擴大巖石中的孔隙,形成溶隙、管道,而攜帶泥沙的急速水流不斷沖蝕拓寬管道形成洞穴,部分管道和洞穴因為沖蝕作用而導致崩塌,有時直達地表。上述一系列地質作用及其所產生的現(xiàn)象統(tǒng)稱為巖溶[1]。巖溶在世界范圍內廣泛分布,大面積的無冰區(qū)存在碳酸鹽巖發(fā)育的巖溶地貌,全球20%~25%的人生活在碳酸鹽巖地區(qū)。我國西南巖溶山區(qū)祼露型巖溶面積達6.2×105km2。而且由于中國巖溶發(fā)育完好、類型多樣,從而成為國際研究的范例[1-4]。
國內外的科學家針對巖溶問題展開了大量的研究。在巖溶學基本理論的指導下,學者們通過國際合作對可溶巖地區(qū)的地面塌陷、洪澇災害、山體崩滑等地質災害進行了系統(tǒng)研究[5-11],研究群體在可溶巖化學溶蝕對巖溶地質災害形成方面獲得了大量的新認識,得出了化學溶蝕對巖溶地質災害發(fā)生的重要作用。大量學者在全球不同的國家和地區(qū)對可溶巖進行了詳細的調查,取得了數(shù)以萬計的可溶巖樣品,在對樣品成分詳細研究的基礎上,采用不同的室內外溶蝕試驗方法估算了可溶巖的溶蝕速率。這些試驗方法涉及CO2溶液流動法[12]、旋轉碟片法[13]、標準溶蝕試片法[14-15]、水化學徑流法[12,16]、微侵蝕計法以及灰?guī)r基座法等[12,17-19]。由于每個試驗方法的原理和適用條件均不同,針對同一種可溶巖,不同的試驗方法得出的結果也有差異。而大多學者均采用單一的試驗方法進行研究,那么難免由于試驗方法本身的缺陷而造成試驗結果的不準確??扇軒r化學溶蝕是地質條件、氣候條件、水文條件、生物條件綜合作用的過程。針對可溶巖化學溶蝕發(fā)生的四個基本條件,學者們研究了巖性[20-21]、構造[22]、溫度[22]、氣候[23-25]、植被[26]、微生物[26]等對溶蝕過程和溶蝕結果的影響。這對指導今后可溶巖化學溶蝕試驗的實施提供了條件。另外更多的學者分別從不同角度對巖溶展開了研究,極大地豐富了全球研究的內容[27-30]。
縱觀以上針對巖溶問題進行的大量研究,可見巖溶作用是以化學溶蝕為主的過程。前人采用一系列方法對巖溶的溶蝕進行了定量計算和定性評價。本文在此基礎上,對可溶巖化學溶蝕的試驗方法進行總結和展望,這將有助于更好地理解巖溶區(qū)地貌演化的過程,在一定程度上確定巖溶發(fā)育的年代,并且對預測巖溶的未來發(fā)展趨勢具有重要的意義。
可溶巖包含碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和鹵化物巖類,其中碳酸鹽巖在世界范圍內分布最多、最廣。碳酸鹽巖主要包含石灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖以及其間的過渡性巖石??扇軒r的化學溶蝕過程和巖溶作用過程是密不可分的。為了深度了解可溶巖的化學溶蝕過程,很有必要對巖溶的作用過程有個清楚的認識。研究表明[4]:巖溶作用過程主要分為三個階段:(1)以化學溶蝕作用為主的初始階段,這一階段侵蝕性的水沿著可溶性巖石的初始孔隙、裂隙流動;(2)通過溶蝕作用,并在水流的機械沖蝕的協(xié)助下,水流通道不斷擴展,從而形成溶隙-管道;(3)在水流的機械侵蝕、崩塌、坍塌等物理作用下,形成高度管道化-通道化??v觀巖溶發(fā)展的全過程,化學溶蝕作用是巖溶的起因,并且貫穿在巖溶發(fā)展的整個過程中。
圖1 碳酸鹽巖的化學溶蝕過程[4]Fig.1 Chemical dissolution process of carbonate rocks[4]
通過測定可溶巖溶蝕量和溶蝕速率可以獲得當前氣候條件下可溶巖的溶解情況。可以比較不同條件下的侵蝕速率,更好地理解巖溶地貌的發(fā)展演化過程。Weyl[31]于1985年發(fā)現(xiàn)方解石的溶解速率與CO2水溶液的噴淋速率有關。Nancollas等[32]使用方解石對碳酸鹽巖的溶解與沉淀的過程進行了系統(tǒng)研究。Berner等[33]對富含CaCO3的深海沉積物進行溶解動力學實驗,探索了溶解反應中CaCO3表面反應機理。Plummer等[34]研究了在一定條件下方解石在飽和CO2水溶液中表面溶解的現(xiàn)象和規(guī)律。Plummer等[35]總結了碳酸鹽巖溶解的動力學原理,對碳酸鹽巖的溶解原理有了更深的認識,得出了聞名的PWP方程。Ford[12]研究了外源水補給量與碳酸鹽巖溶蝕量之間的關系。何宇彬等[22]探究了溫度對碳酸鹽巖溶蝕的影響。王洪濤等[36]通過碳酸鹽巖模擬實驗,為碳酸鹽巖的溶蝕定量研究提供了一個新思路。劉再華等[37]研究了不同CO2分壓下白云石的溶解速率及其溶解機理。閆志為等[38]對方解石、白云石分別在無CO2和大氣CO2條件下NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液中的溶解度進行了模擬計算。邵東梅[39]通過對室內碳酸鹽巖的溶蝕實驗,發(fā)現(xiàn)了在地下水的補給區(qū)和排泄區(qū),溫度對溶蝕速度的影響相對較小。另外邵東梅[40]也研究了在不同流速下溫度對碳酸鹽巖的溶蝕速率的影響。徐飛高等[41]、陳衛(wèi)昌等[42]通過分析酸雨淋蝕對碳酸鹽巖的溶蝕作用,研究了其對力學性質和形態(tài)變化的影響。蘇悅[43]通過在野外對外源水與巖溶水對碳酸鹽巖溶蝕速率的研究,揭示了外源水對碳酸鹽巖溶蝕的促進作用大大高于巖溶水。陳曉鵬等[21]通過純凈水模擬降雨沖刷桂林鮞?;?guī)r試塊,測試了試塊在淋雨中的表面形態(tài)變化、質量損失、彈性波傳播速度變化,分析了在淋雨中碳酸鹽巖的表面與內部溶蝕變化。
通過梳理國內外的研究成果,總結出測定可溶巖溶蝕的試驗方法主要分為室內溶蝕試驗和室外溶蝕試驗。
國內外科學家針對方解石和冰洲石等可溶巖進行了大量室內溶蝕試驗研究。前面論述中提到,巖溶形成的因素需要可溶巖,以及有侵蝕性的流動的水,也就是說溶液和巖石需要處于動力變化的環(huán)境中。以往大部分的研究采用的是CO2溶液流動法。該方法是指將碳酸鹽巖置于流動的CO2水溶液中,通過測定溶液出口Ca2+的濃度計算溶蝕量。實驗中可以根據(jù)試驗需要設定不同的CO2濃度,實驗裝置基本如圖2所示。試驗裝置大都由水氣混合裝置和溶蝕裝置兩部分組成。水氣混合裝置是將壓縮的CO2氣瓶與純水的裝置連接,通過CO2和水的混合產生碳酸水溶液,并且該裝置通常還連有氣泵、恒溫水浴等裝置促進其溶解,同時pH計可以監(jiān)測溶液的pH值。溶蝕裝置通常由恒溫水浴裝置和反應室組成。碳酸水溶液流入到反應室并被均分淋濾在各個樣品上。為了加速溶蝕的進行,可以同時讓巖樣進行旋轉,即旋轉碟片法,使巖盤在酸性溶液中旋轉,旋轉可以加速可溶巖的溶解,同樣通過測定溶液出口的Ca2+的濃度計算溶蝕量。
圖2 直接溶蝕試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of the direct dissolution test
表1 pH和飽和CaCO3濃度關系(據(jù)文獻[1]修改)
可溶巖室外溶蝕試驗可以在不同時間尺度下,獲得降水量、氣候、植被、地下水位、酸堿度等環(huán)境因子對溶蝕的影響。在真實的水-巖-氣相互作用下,得到可溶巖溶蝕的空間分布和速率。
圖3 不同溫度和CO2分壓條件下水中CO2含量(據(jù)文獻[1]修改)Fig.3 CO2 content in water under different temperatures and partial pressures (modified by reference[1])
2.2.1水化學徑流法
水化學徑流法的原理是通過測量流域出口(如泉口或地下河出口)的流量(Q) 及水中所攜帶的溶質量(濃度T),計算巖溶流域的總溶出量:
X=Q·T
(1)
即從徑流中所含溶質濃度測算一個區(qū)域的總溶出量, 進而間接推算該區(qū)域的平均溶蝕強度[44]。
水化學徑流法最早由Corbel于1959年提出,即著名的Corbel公式[45~47]:
(2)
式中:X——碳酸鹽巖的溶解速率值/(mm·ka-1);
E——徑流量/dm;
T——水中碳酸鈣的平均含量/(mg·L-1)。
后人針對Corbel公式的缺陷,進行了一些修正,但是進步很小。例如,Williams[48]指出Corbel 公式有一定的局限性,因為它假定所有碳酸鹽巖的密度都是2.5 g/cm3,但是純石灰?guī)r的密度是2.72 g/cm3,而且此公式只計入了碳酸鈣的含量,而忽視了其他碳酸鹽的存在。鑒于此,Williams對Corbel 公式進行了修正,在修正的公式(3)中將分別計算碳酸鈣和碳酸鎂的含量,而且灰?guī)r和白云巖的密度計入確切數(shù)值。
(3)
式中:X——碳酸鹽巖的溶解速率值/(mm·ka-1);
E——徑流量/dm;
Tc——水中碳酸鈣的平均含量/(mg·L-1);
Tm——水中碳酸鎂的平均含量/(mg·L-1);
S——石灰石或者白云石的密度/(g·cm-3)。
如果流域僅有1/n被可溶巖覆蓋,那么式(3)則變?yōu)椋?/p>
(4)
式(3)和式(4)雖然在Corbel 公式的基礎上做了修訂,但本質上沒有改變。
曾成等[49]以改進的公式(5)對陳旗巖溶泉的碳匯強度進行了計算。
(5)
式中:CSF——碳酸鹽巖巖溶作用碳匯強度/(g·m-2·a-1);
Q——巖溶水系統(tǒng)徑流排泄量/(L·a-1);
MCO2——CO2的分子量/(g·mol-1);
A——巖溶水系統(tǒng)的匯水面積/m2;
M——巖溶水系統(tǒng)的徑流模數(shù)/(m·ka-1)。
由以上研究可見,水化學徑流法只能用于碳酸鹽巖的溶蝕研究。要計算某地區(qū)碳酸鹽巖的溶蝕速率,必須準確得知該地區(qū)的流域面積、徑流的流量和徑流水中的CaCO3或者MgCO3含量。然而對于巖溶發(fā)育的地區(qū),流域面積和徑流流量需要進行大量且重復的觀測與試驗才能得到盡可能精確的數(shù)值。對于水中CaCO3或MgCO3的含量來說,其值并不是一成不變的,在同一地方隨時間會有一定的變化;在同一時間不同的地方其含量也不會完全相同,因此要得到盡量精確的徑流水中的CaCO3或MgCO3含量,需要的時間跨度相對較長,需要大量人力物力監(jiān)測,或者使用相關的自動監(jiān)測儀器。自動化設備目前可以得到瞬時溶質濃度和流量數(shù)據(jù),因此溶質的年變化量可以通過歸納一個自然年的數(shù)據(jù)得出,但是為了降低潛在的誤差,需要監(jiān)測整個自然流域的數(shù)據(jù)。
由于水化學徑流法計算出的是碳酸鹽巖溶蝕量的估算值,而不是實際的溶蝕量,同時由于地下與地表集水區(qū)域不完全一致,公式中各參數(shù)難以準確確定。故水化學徑流法只能反映溶蝕的總體趨勢,也有異常數(shù)據(jù)存在的可能性。
2.2.2標準溶蝕試片法
標準溶蝕試片法由Gams[14]于1959年首先提出,然后由袁道先等在20世紀80年代末引入國內。標準溶蝕試片法是指通過測定標準尺寸和標準巖性的溶蝕試片在野外放置一定時間之后的重量損失來評估灰?guī)r的剝蝕速率:
(6)
式中:ER——試片每年單位面積溶蝕量/(mg·cm-2·a-1);
W1——試片初始質量/mg;
W2——試片取回后烘干質量/mg;
T——埋放時間/d;
S——試片表面積/cm2。
溶蝕試片的野外布置基本如圖4所示,分別將不同類型的溶蝕試片和標準溶蝕試片放置在空中、地面以及地下不同深度處,以此來測定以下溶蝕內容:(1)懸掛在空中的可溶巖試片,可以測定不同氣候條件對溶蝕的影響作用;(2)放置于巖石或者草上的可溶巖試片可以測定裸露可溶巖試片的溶蝕速率;(3)將可溶巖試片埋入不同深度的土中,測定可溶巖在土中的溶蝕速率;(4)將可溶巖試片放置于同一區(qū)域的不同地方,測定同一個巖溶地區(qū)的剝蝕變化。
圖4 標準溶蝕試片法野外布置(據(jù)文獻[50]修改)Fig.4 Deployment of the carbonate rock tablets in field test sites (modified by reference[50])
目前有多達上萬個灰?guī)r片被放置于全球各地。其中Gams[13]發(fā)表了9個國家調查的結果;Day[19]發(fā)表了關于美國威斯康星州5 a內數(shù)據(jù)的詳細分析;Urushibara-Yoshino等[51]發(fā)表了日本不同地點、不同時間暴露之后的重量損失;Plan[20]通過將70個標準試片放在奧地利阿爾卑斯山地區(qū)的13個試驗場地1 a,得出了控制灰?guī)r溶蝕的影響因素。很多學者自20世紀80年代開始,在中國的多個區(qū)域進行了野外溶蝕試片測試,所得結果如表2所示。通過分析得到的試驗數(shù)據(jù)得出:(1)降水量是造成試片溶蝕的最直接和最活躍的因素,降水量大的地區(qū)溶蝕速率較快,以800 mm年降水線為界,南方地區(qū)溶蝕速率明顯大于北方。(2)很難看出溫度對溶蝕速率明顯的規(guī)律性影響,這是因為溫度升高可以加快溶蝕作用的同時也會降低水中CO2的溶解度;另外氣溫主要是通過植被、土壤來影響溶蝕作用的。(3)南方碳酸鹽巖的地下溶蝕速率大于地表溶蝕速率,華北地區(qū)則相反。因為南方氣候濕潤,降水與地下濃度較高的CO2結合生成碳酸,故對試片的溶蝕很強烈,而北方地區(qū)相對干燥,降水難以向地下滲透,無法形成碳酸。(4)部分地區(qū)的溶蝕速率出現(xiàn)了負值,這應該和土壤中碳酸鹽的存在有關。因為雨水進入土壤,首先會與試片上部的碳酸鹽反應,到達試片位置時,溶蝕能力已經很弱,如果過飽和則會導致碳酸鈣析出,所以產生負值。
表2 中國各地碳酸鹽巖溶蝕速率
一般情況下,由于試驗地巖石與標準溶蝕試片中的碳酸鹽巖的含量有一定的差異,得到的溶蝕速率與當?shù)卣鎸嵉娜芪g速率有一定的差異,使得直接采用標準溶蝕試片會造成得出的結果不準確,因此在實際中我們可以用當?shù)氐貙拥膸r石樣品制作溶蝕試片,得到更加準確的數(shù)據(jù)。但對于埋放地地層巖性種類多的地區(qū),使用當?shù)貛r溶溶蝕試片操作起來會變得繁瑣復雜。不過溶蝕試片法由于簡單易行而被廣泛使用,使用過程中應當避開土壤中含有碳酸鹽的地區(qū),并在大范圍尺度內埋放大量試片來減少誤差。
2.2.3通過灰?guī)r基座來推測溶蝕速率
在有些地區(qū),非碳酸鹽巖礫石蓋層保護著其下的灰?guī)r基座,從而使其不受侵蝕(圖5),裸露巖石表面的溶蝕速率可以利用灰?guī)r基座來推測計算(式7),此方法同樣可以用于灰?guī)r表面由于溶蝕差異而出露石英脈和硅質結核的情況。
(7)
式中:v——溶蝕速率/(mm·a-1);
h——平均基座高度/mm;
t——距冰期時間/a。
圖5 灰?guī)r基座示意圖Fig.5 Schematic diagram of limestone pedestal
此種方法需要知道確切的距離冰期的時間,所以多用于高寒地區(qū)灰?guī)r溶蝕速率的計算。例如B?gli[55]采用這種方法估計了瑞士阿爾卑斯山地區(qū)的溶蝕速率為1.51 cm/ka(誤差為10%)。Peterson[56]通過測定得出伊朗西部基礎高程為4 300 m的雪山的溶蝕速率幾乎是阿爾卑斯山的2倍。通過灰?guī)r基座來推測溶蝕速率需假定灰?guī)r基座不受侵蝕,實際情況則不是如此,從而導致將灰?guī)r底座的平均高度擴大,造成計算結果低于實際的溶蝕速率。
2.2.4微侵蝕計(MEM)測定法
微侵蝕計是用來測定地殼表面巖石侵蝕速率的裝置。它由一個等邊三角形鋼基座、三條位于三角形頂點的基架和位于三角形中心的千分表組成。這個裝置包含與千分表相連的探針,通過將其固定在耐腐蝕不銹鋼螺桿上,置于巖石內部,從而來測定巖石表面測試點的沉降即溶蝕量(圖6)。它的測量精度可達10-4mm。微侵蝕計最初由Hanna[57]于1966年發(fā)明,用來測量灰?guī)r洞穴的溶蝕量。后來大量學者利用微侵蝕計對巖石表面的侵蝕量進行量測[58-62]。
圖6 測試現(xiàn)場的微侵蝕儀Fig.6 Microerosion meter at the test site
微侵蝕計可以用于任何水平出露基巖溶蝕量的測定,并且可以在短時間內獲得溶蝕量數(shù)值[63]。但是已有的研究表明以下幾個方面會影響微侵蝕計的測量精度,在使用過程中要特別注意:(1)隨著溫度升高,巖石會產生膨脹,導致巖石表面產生明顯的降低;(2)儀器在使用過程中會產生磨損,所以要對結果進行相應修正;(3)不同儀器的溫度修正系數(shù)存在差異。隨著激光掃描技術的發(fā)展,可以在大范圍尺度內對巖石的侵蝕進行測量,但卻達不到微侵蝕計的測量精度。在今后的研究工作中,可以將微侵蝕計、激光掃描、攝影測量融合來進行溶蝕量的測量。
上文詳細闡述了可溶巖化學溶蝕研究的方法,現(xiàn)有的方法可以很好地得到巖溶的溶蝕量等數(shù)據(jù)和特征,但是作為正在發(fā)展中的一項科學研究,可溶巖溶蝕還存在很多科學問題有待探索。
可溶巖溶蝕室內試驗由于其容易開展而被學者大量采用。但是現(xiàn)有的室內試驗方法存在一些瑕疵:(1)現(xiàn)有的可溶巖室內溶蝕研究大多針對的是純粹完整的方解石和冰洲石,而不是化學成分復雜的巖石,那么這樣得出的結果會有一定的差異。野外的巖溶條件復雜,巖石的結構和物理力學性質都會影響巖溶的發(fā)育[64]。(2)為了加快室內溶蝕試驗的進程,所采用的樣品尺寸普遍較小,有的甚至為小顆粒和粉末,這樣得出的溶蝕結論和真實的巖溶溶蝕存在一定差異,不能正確表征可溶巖溶蝕量的實際數(shù)值。(3)可溶巖的野外存在形式復雜,其中可溶巖和水溶液的作用方式多變。但是目前室內試驗主要采用溶液連續(xù)流過試樣的方法或者旋轉碟片法,顯然不能對野外復雜的巖溶組合形態(tài)統(tǒng)一進行研究。
作者認為,針對巖溶溶蝕室內研究下一步的發(fā)展方向為:(1)采用野外采集回來的可溶巖替代純粹的方解石和冰洲石展開室內溶蝕試驗研究,亟需解決的問題是要有效控制酸不溶物對試驗結果的影響。(2)開展大尺寸的可溶巖室內溶蝕試驗研究,將孔隙度、力學強度、礦物成分等因素考慮進去,從尺度上更接近野外真實的巖溶狀態(tài)。(3)由于物理溶解CO2轉變?yōu)榫哂星治g性的碳酸的過程是緩慢的,未來可以考慮用有效的其他酸溶液代替碳酸來加快試驗過程。(4)建立模型試驗系統(tǒng)真實模擬野外可溶巖的溶蝕過程,例如為了模擬三峽庫區(qū)可溶巖與庫水的作用過程,可以建立水位波動條件下的可溶巖溶蝕試驗系統(tǒng)進行室內試驗研究。(5)進一步開展巖溶巖石微觀溶蝕機理的研究,未來結合SEM、微米CT等室內試驗手段從微觀角度刻畫可溶巖的溶蝕過程。
一般認為野外巖溶溶蝕研究更接近于實際狀態(tài),從而可以得出相對有意義的結論。但是目前的巖溶溶蝕野外研究方法,還是存在一定的不足:(1)Corbel公式法中假定所有的碳酸鹽巖密度為2.5 g/cm3,這顯然是不對的;另外忽略了碳酸鎂和大氣降水增加的溶質;忽略了硫酸鹽巖可能對鈣離子濃度做出貢獻;以平均值歸納碳酸鹽的硬度,忽略了徑流量的變化。(2)標準溶蝕試片法由于試片的體積較小,容易受外界環(huán)境的影響。一些學者發(fā)現(xiàn)標準溶蝕試片法得出的結果要比從水的硬度和徑流數(shù)據(jù)得出的結果小2個數(shù)量級,所以標準試片法的數(shù)據(jù)需要謹慎解譯。(3)微侵蝕計的使用過程中會存在一定的誤差。(4)因為不是每個巖溶地區(qū)都存在灰?guī)r基座,所以灰?guī)r基座方法的使用存在一定的地域限制。
針對以上不足,下一步的研究重點為:(1)綜合運用多種野外試驗方法開展研究,避免或降低單一試驗方法可能帶來的較大誤差。(2)建立野外溶蝕試驗和室內溶蝕試驗的關聯(lián),以期通過室內短期的試驗研究推測野外大時間尺度下的溶蝕狀態(tài)。
可溶巖化學溶蝕的測定可以獲得當前氣候條件下可溶巖的溶解情況和比較不同條件下的溶蝕速率,從而更好地理解巖溶地貌的發(fā)展演化過程,進一步預測巖溶未來的發(fā)展趨勢。本文在分類總結可溶性巖石化學溶蝕試驗方法的基礎上,得出如下結論和建議:
(1)可溶巖化學溶蝕試驗方法可以歸納為兩大類:室內溶蝕試驗方法(CO2溶液流動法或旋轉碟片法)和室外溶蝕試驗方法(水化學徑流法、標準溶蝕試片法、灰?guī)r基座法、微侵蝕計測定法等)。
(2)可溶巖化學溶蝕試驗方法的原理和適用條件存在差別,所以對可溶巖化學溶蝕的研究可將不同試驗方法相結合,以便優(yōu)勢互補,綜合測定可溶巖的溶蝕程度。
(3)加強室外溶蝕試驗和室內溶蝕試驗的關聯(lián)研究,以期通過室內短期的試驗研究推測野外大時間尺度下可溶巖的溶蝕狀態(tài)。
(4)開發(fā)可溶巖溶蝕大型模型試驗系統(tǒng),綜合考慮巖溶水的運動方式、滲透介質性質等方面,真實模擬可溶巖溶蝕的發(fā)展過程。