自然资源部岩岩溶动力学重点实验室

IGCP/SIDA 598项目2011年度工作报告

2012-06-06KDL 6832

IGCP/SIDA 598项目2011年度工作报告

"环境变化与岩溶系统可持续性" (20112014)

 

章  程

 

(中国地质科学院岩溶地质研究所/联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 桂林 541004)

 

  1. 主要学术进展

根据项目主要目标,IGCP/SIDA 598 第一年的主要成果概括如下:

(1) 岩溶碳汇潜力与气候变化关注于人类活动,如土地利用,尤其是植被(包括水生植物)变化对岩溶碳汇的影响。V. de Montety等(美国)研究了佛罗里达由岩溶大泉补给的Ichetucknee河昼夜生物地球化学循环及其对碳酸盐平衡的影响。 通过水化学和溶解有机碳 δ13C动态变化测试与分析,证实水温变化、光合作用和呼吸作用可导致水体pH、溶解CO2浓度的昼夜变化,沿流程在发生溶解无机碳(DIC)的丢失,说明岩溶区富含水生植物的地表河流扮演者自然碳汇的角色。来自中国西南岩溶区的成果表明,外源水和土地利用的变化可对岩溶作用碳汇产生显著影响,植被的演替十分有利于岩溶作用进行,从而增加碳汇(章程, 2011)。该成果说明岩溶过程是一种短时间尺度的特殊地质作用,对现今气候变化与碳减排有积极意义。地壳脱气是全球碳循环的重要组成部分,来自中国西藏2个地热点的监测数据表明CO2释放通量为3.3~3.6×106kg/km2·a(沈立成, 2011)。

(2) 岩溶含水层系统与水资源过程。水化学和硫同位素研究表明(Augusto Auler, 2011),巴西东北部半干旱岩溶区地下水高盐度主要与蒸发作用有关,洞穴与沉积物的形成主要与硫氧化过程密切相关。密西西比高原猛玛洞地区Crump等洞穴的典型研究表明(Chris Groves et al,2011),洞穴滴水的监测在表层岩溶带的研究中越来越重要。通过高精度自动化仪器连续监测或高密度取样及示踪试验获取洞穴滴水的地球化学指标,如pH、电导率、水量、碳氧同位素。一方面有助于了解表层带的发育特征、储存和渗流及其季节差异,同时也有助于了解土地利用、降雨条件等变化产生的污染物的运移过程。另外,单位面积基流值的监测表明,表层岩溶带的储存作用甚至可以超过局地含水层。由于岩溶介质的高度不均一性,尤其是小孔洞裂隙含水介质,掌握含水层局部水流特征十分困难,只能依靠露头或钻孔。自然水头条件下的单孔稀释示踪试验(SBDTs)技术为示踪岩溶裂隙孔洞含水层垂向和平面水流特征创造了条件。在高山岩溶区,或有长时间尺度储存能力的低孔隙度含水层(如大理岩)补给源存在时,泉水稳定同位素(δD和δ18O)可用于确定补给水源高程:高海拔的外源水和低海拔的内源水(Benjamin Tobin et al. 2011)。Ute Bellmann等报道了一种阿尔卑斯高山型岩溶含水层及其地质结构特征。受特殊地质条件控制(如褶皱、推覆构造等),既有快速流(~100 m/h),也有慢速流(~10 m/h),前者往往形成收敛性集中排泄岩溶大泉,后者则形成散发型岩溶泉群。

(3) 岩溶水系统可持续利用保护。岩溶农业区地下水对有机质(来自土壤改良)和杀虫剂等污染物极其敏感,很容易受到污染。Sean M. Vanderhoff等通过示踪试验和洞穴滴水的高密度取样(每4小时)分析,pH、电导率、细菌计数等地球化学指标可指示降雨事件不仅影响表层岩溶带的储存特性,也导致污染物快速运移通过表层带进入含水层系统。来自佛罗里达岩溶区的研究成果表明(Bryan Booth,2011),地质多样性可对生物多样性产生积极影响,也就是说,岩溶区丰富的地貌类型、岩性和水文地质特征有利于生物的适生性扩张。岩溶系统包含独特但脆弱的环境资源,因而极易受到人类活动的影响。如何从众多的的岩溶环境属性中提取能反映人类活动的信息变得十分重要。岩溶扰动指数法(KDI)为实现这一目标创造了条件。佛罗里达州、波多黎各及意大利岩溶区的典型研究表明该方法能较好地指示人类活动对岩溶环境的影响程度(Jason S. Polk et al. 2011)。基于对含水层全面调查和科学认识的管理策略的制定对岩溶地下水资源的保护和可持续利用十分重要。岩溶含水层的有效管理取决于通过长时间尺度监测获得的可利用水量的精确把握。如美国德克萨斯州埃德华含水层,含水层中部一些岩溶大泉的监测历史最长的已超过150年,同时,降雨量、地表径流、泉流量的同步监测,也为进一步分析泉流量与气候变化、人类活动的关系奠定了基础。Leslie A. North等通过对典型旅游洞穴游客及导游词的调查统计表明,90%以上的游客没有获得岩溶景点的科普教育。因此,增加导游词内岩溶知识的内容对于大众更多地了解岩溶显得十分重要,而且可以收到事半功倍的效果。

 (4) 岩溶系统中的环境变化记录美国亚利桑那州干旱地区洞穴石笋氧同位素组成是指示降雨量及其季节变化的重要指标。Sarah A. Truebe等在月监测的基础上建立了洞穴滴水与石笋氧同位素之间的关系:一个简单的洞穴滴水模型。该模型包含上部"土壤层"模型和下部"岩石层"。研究表明石笋氧同位素信息不完全反映气候信息,部分信息可能来自表层带储存水及其与雨水的混合。因而,多点监测及局地过程的监测对区分气候与非气候信号就显得十分重要。在高山岩溶区,或有长时间尺度储存能力的低孔隙度含水层(如大理岩)补给源存在时,泉水稳定同位素(δD和δ18O)可用于确定补给水源高程,即是高海拔的外源水和还是低海拔的内源水。

Arthur Palmer等强调了基于岩类学填图的岩溶作用解析建模的重要性。微观技术常常因耗时被忽视,利用X射线衍射技术,了解了矿物序列及其相互关系,就很容易重建该地区的地球化学历史(化学平衡与动力学过程)。通过把握溶质浓度、矿物密度与量、时间及流量之间的关系,进而了解矿物组合和同位素信息。如发现石膏置换碳酸盐岩、硬石膏条纹、黄铁矿氧化产物、铁氧化细菌化石暗纹等,即表明有硫酸作用过程发生。然而,由于这一方法耗时,所以发展前景不被看好。

R Casteel 等报道了美国德克萨斯一基于12年洞穴监测的石笋古气候记录,结果显示Mg/Ca与Sr/Ca比值的变化规律可揭示沉积时滴水的化学组成。F McDermott 等分析了全新世横跨欧洲石笋δ18O梯度特征及其产生的原因,总体上数据显示大西洋水气源和纬向流动是产生梯度的主要原因。

  1. 会议与考察活动

 (1) 学术会议.  2011年6月8日-10日 "岩溶水文地质与生态系统 "国际会议和2011年6月27日-30日"气候变化——岩溶记录"国际会议召开之际,IGCP/SIDA598项目组分别在美国肯塔基州鲍林格林和英国伯明翰召开了国际工作会议。

2011年6月8—10日"岩溶水文地质与生态系统"国际会议暨IGCP598项目国际工作组会议在美国西肯塔基大学召开。来自美国、中国、加拿大、牙买加、斯洛文尼亚、巴西、印度尼西亚、荷兰、匈牙利、乌克兰、德国、英国等12个国家的60余位代表参加了会议。会上33人做了分组学术报告,展出了11个展板。会议期间还召开了国际洞穴联合会(UIS)、IAH岩溶专业委员会年会及IGCP/SIDA 598项目2011年度国际工作组会议。来自澳大利亚、奥地利、中国、克罗地亚、法国、德国、希腊、爱尔兰意大利、墨西哥、日本、马来西亚、西班牙、英国和美国等28个国家的130位代表参加了英国会议,交流论文33篇,100个展板。

包括岩溶碳汇潜力与气候变化,岩溶含水层系统与水资源过程,岩溶流域可持续保护和环境变化的记录等项目4个研究主题的新进展通过会议报告和展板的形式进行了学术交流。会议讨论主要集中在IGCP513项目各国合作者在2010年4月西班牙马拉加会议以后所取得新进展方面。

 (2) 工作组会议. 2011年6月10日在美国鲍林格林举行了IGCP/SIDA598项目组工作会议。项目负责人介绍了项目的背景,目标,工作部署,并与参会者讨论了项目第一年所取得的新进展。项目不同参与国同行也交流了研究进展。工作会议也讨论了项目第二年的工作安排。2012年两次会议将在澳大利亚布里斯班第34届国际地质大会和加拿大尼亚加拉第40届国际水文地质学家大会召开期间举行。第34届国际地质大会专门设置了IGCP/SIDA598项目分会场(Theme 36.4).

鲍林格林工作会议也是同重要的国际岩溶研究组织,包括IAH岩溶委员会,UIS岩溶水文地质与洞穴委员会等举办的联席会议。在联席会议上,与会代表讨论了下一个五年岩溶研究的新方向和优先领域以及IGCP和两个岩溶研究国际学术组织进一步加强合作的问题。

 

 (3) 野外考察. 项目第一年主要有两次野外考察。一次是在美国肯塔基州猛犸洞国家公园地区,另一次是在英国德贝郡巴克斯顿皮克山区(Peak District)。美国肯塔基州中南部岩溶区以猛犸洞而闻名于世。该区也是世界典型的岩溶发育强烈的平原地区。该区域从1800年开始就进行了科学调查,积累了大量的文献资料。本次考察主要关注Turnhole流域 (Pennyroyal高原地表岩溶)和猛犸洞的历史遗迹。

皮克山区是英国的经典岩溶区之一。本次考察主要关注它与上覆碎屑沉积物的边界问题和前几个世纪烧石灰留下的遗址。同时也考察了作为研究胶体运移过程的典型洞穴——皮克山区Poole洞。

来自7个国家的25位同行参加了美国猛犸洞的地区的野外考察。来自15个国际的50位同行参加了英国德贝郡地区的野外考察。猛犸洞国家公园考察包括5部分:Turnhole流域,猛犸洞历史遗迹,Crump 洞,Cedar伏流入口和Green河及Echo河泉。猛犸洞洞穴系统已调查长度长度超过560km,是世界最长的洞穴。本次野外重点调查的Turnhole泉是最大的泉之一。它位于河流的蛇曲部位,也是Green河下游最大的补给泉。在Crump洞考察期间,考察了用于来自于表层带内源补给水流特征和水化学行为监测研究的观测站和设备。包括数据记录,每周的数据收集,设备维护、校准和暴雨监测等工作在内的监测工作主要是为了揭示内源补给水体的运动过程和生物地球化学行为。

巴克斯顿考察包括两部分:Poole洞穴及其上的地表水渗漏问题。Poole洞的开放部分有重要的考古遗迹和独特的超碱性水沉积的石笋,生长速度达到1cm每年,也调查了Poole洞上部的地表水渗漏和泉群问题,以及一个世纪以来沉积的独特的填满了整个小山谷的钙华池。

  1. 2012年工作计划

岩溶水资源的可持续利用需要了解水文地质和水资源过程(地下水流域及表层带水循环与调蓄能力)如何响应不同的气候与水文地质条件,尤其是面对极端气候事件频发的全球变化大背景。研讨会与培训班将交流环境变化对岩溶系统的影响与岩溶系统的可持续性。

2012年两次会议将在澳大利亚布里斯班第34届国际地质大会和加拿大尼亚加拉第40届国际水文地质学家大会召开期间举行。第34届国际地质大会专门设置了IGCP/SIDA598项目分会场(Theme 36.4).

 (1) 布里斯班,澳大利亚,8月5-10日, 2012

专题会(36.4)已列入34届国际地质大会(IGC)二号通知。

Website: http://www.34igc.org.

36.4 环境变化与岩溶系统可持续性:与气候变化和人类活动的关系 (2011-2014) [IGCP Project 598]

(2) 尼亚加拉,加拿大,9月16-23日,2012

面对全球变化-39届IAH大会。The website: http://www.iah2012.org.

(3) 桂林,中国,11月19-30, 2012

2012年国际岩溶研究中心(IRCK)岩溶水文地质国际培训班,计划招收20名发展中国家年轻岩溶工作者,IGCP/SIDA 598将资助部分学员。

(4) 肯塔基,美国,6月,2012      

岩溶野外研究计划:由西肯塔基大学和猛犸洞国家公园联合举办。设置与岩溶资源相关的5个课程,约50人参加。

  1. 主要出版物

 

  1. Montety V de, Martin J B, Cohen M J, et al. Influence of diel biogeochemical cycles on carbonate equilibrium in a karst river. Chemical Geology. 2011, 283: 31-43.
  2. Zhang Z C, Lian B, Hou W G, et al. Bacillus mucilaginosus can capture atmospheric CO2 by carbonic anhydrase. Afr J Microbiol Res. 2011, 5: 106-112.
  3. Lian Bin, Yuan Daoxian, Liu Zaihua. Effect of microbes on karstification in karst ecosystems. Chinese Science Bulletin. 2011, 56(35): 3743-3747.
  4. Zhang Cheng. Carbonate rock dissolution rates in different landuses and their carbon sink effect. Chinese Science Bulletin. 2011, 56(35): 3759-3765
  5. Shen Licheng, Wu Kunyu, Xiao Qiong, Yuan Daoxian. Carbon dioxide degassing flux from two geothermal fields in Tibet, China. Chinese Science Bulletin. 2011, 56(35): 3783-3793.
  6. Cao Jianhua, Yang Hui, Kang Zhiqiang. Preliminary regional estimation of carbon sink flux by carbonate rock corrosion: A case study of the Pearl River Basin. Chinese Science Bulletin. 2011, 56(35): 3766-3773.
  7. J. A. Barbera, B. Andreo. Functioning of a karst aquifer from S Spain under highly variable climate conditions, deduced from hydrochemical records. Environmental Earth Science. DOI 10.1007/s12665-011-1382-4. Published online:13 October 2011-12-13
  8. David A. Nimick, Christopher H. Gammons, Stephen R. Parker. Diel biogeochemical processes and their effect on the aqueous chemistry of stream: A review. Chemical Geology. 2011, 283: 3-17
  9. Grant Harley, J.S. Polk, L. North, P.P. Reeder. Application of a cave inventory system to stimulate development of management strategies: The case of west-central Florida, USA. Journal of Environmental Management. 2011. 92: 2547-57.
  10. Melissa Hendrickson, C. Groves. From sink to resurgence: the buffering capacity of a cave system in the Tongass national forest, USA. Acta Carsological. 40: 391-396.