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断裂及岩浆活动对幔源CO_2气成藏的作用——以济阳坳陷
为例
林松辉
【期刊名称】《地球科学：中国地质大学学报》
【年(卷),期】2005(30)4
【摘要】尽管CO2气在地壳浅层运聚成藏与常规的烃气相似,都要求有丰富的源、储层、圈闭、输导系统和盖层,但在成因或来源上与烃气有天壤之别.通过对与CO2气田(藏)有关的深大断裂、火成岩进行综合研究认为,岩浆是CO2运移的载体,火成岩的发育则是断裂时空同步活动的重要标志,幔源CO2气的成藏要素最为重要的是“运”,即要有直接或间接与地幔相连的深大断裂,而且,作为一条断裂通道的活动要时空同步.故而CO2气田(藏)的形成,同断裂活动和岩浆活动有着密切的关系.断裂对CO2气田(藏)形成的控制作用表现为:(1)深大断裂控制CO2成藏带;(2)边界断裂及其派生的不同方向、不同级别的断裂控制了盆地内CO2气田(藏)的形成与分布.【总页数】7页(P473-479)
【关键词】幔源CO2气;岩浆活动;断裂活动;深大断裂;济阳坳陷
【作者】林松辉
【作者单位】中国科学院广州地球化学研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P618.13
【相关文献】
1.断裂带中层天然气成藏特征--以济阳坳陷东营北部断裂带为例 [J], 李军亮;唐再君;高飞;陈丽
2.济阳坳陷断裂活动与CO2气成藏的关系 [J], 郭栋;夏斌;王兴谋;张树林
3.断层与幔源二氧化碳气藏的形成和分布——以渤海湾盆地济阳坳陷为例 [J], 李理;钟大赉;杨长春;赵利
4.济阳坳陷断裂发育特征及其对油气成藏的控制作用 [J], 蔡佑星
5.济阳坳陷断裂活动和CO_2气藏的关系研究 [J], 邱隆伟;王兴谋
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CO 2地质埋存的影响编译:赵轩(中国石油大学(北京))审校:张超(胜利测井公司资料解释研究中心) 摘要 本文以京都议定书所规定的排放量作为底线,研究了技术风险、法规问题以及在美国实施CO 2地质封存的经济负担;同时还评价了京都议定书中有关埋存所有多余的CO 2对气候变化的潜在影响。
阻碍实施CO 2地质封存这一举措的主要因素是缺乏一套完整的规定体系。
然而,所有法规问题都要受注入过程本身的客观条件和经济能力所支配。
本文分析了将CO 2注入废弃油气藏、含盐水层以及不可采煤层的不确定性和风险。
研究表明,在没有明确CO 2地下埋存的潜在性技术、风险与花费对经济发展和能源利用的影响时,不可能制定出任何完善的相关法规。
据估计,在美国按京都议定书的规定实施CO 2封存每年将会花费超过1万亿美元。
即使在过去100年内全球温度所上升的0 7 全由人为释放的CO 2所致,但通过埋存超过1990年CO 2水平的95%而改善的全球温度情况却微乎其微。
地球上变化莫测的气候令实施该举措的效果变得难以确定。
本文就具有商业规模的CO 2地质封存措施对于经济、环境以及全球气候变化的潜在影响进行了客观实际的研究和分析。
该分析成果可用于CO 2地质封存工程的风险性评价。
关键词 CO 2地质封存 技术风险 封存政策 风险性评价DOI:10 3969/j.issn.1002-641X 2010 9 0171 引言由于全球对能源需求的不断增加,不管具有 碳的零排放!的可再生能源发展得多么好,以碳元素为主的化石燃料在近几十年的能源消耗中仍然占据主导地位。
地质封存以其巨大的地下容量以及相对成熟的技术是碳储存的首选方案。
燃煤电厂的CO 2排放量占需要埋存的CO 2总量的40%。
但在全球范围内向地下储层中注入CO 2的规模要取决于各国的排放上限、气候变化情况、政策以及经济支付能力。
图1展示了对美国和全球从1990年到2030年间燃烧化石能源所造成CO 2释放量的计量和预测情况。
碳酸盐岩成岩与岩溶特征碳酸盐岩是一种特殊的岩石，它主要由碳酸钙（CaCO3）以及其他辅助矿物组成。
碳酸盐岩在地质演化过程中经历了成岩和岩溶两个主要过程。
本文将探讨碳酸盐岩的成岩和岩溶特征，以及这些过程对地质环境的影响。
碳酸盐岩成岩是指碳酸盐岩在深部地壳发生的物理、化学和生物学变化过程。
成岩的主要过程包括压实作用、胶结作用和化学风化作用等。
首先，碳酸盐岩在地表或岩层之间的堆积压力下，发生了压实作用，使岩石的孔隙度减小，颗粒间接触面增加。
同时，岩石中的碳酸盐矿物开始溶解和再沉淀，形成胶结物，提高了岩石的强度和可溶性。
其次，碳酸盐岩受到周围环境中的水和气体的化学侵蚀作用，发生了化学风化作用。
化学风化作用使碳酸盐岩的矿物发生变化，产生新的矿物，如黄铁矾和铁锈等。
碳酸盐岩岩溶是指碳酸盐岩由于溶蚀作用而形成的地貌和地下溶洞。
碳酸盐岩是一种溶解性岩石，其主要成分碳酸钙可以与水中的二氧化碳反应生成溶解性的碳酸氢钙，从而发生岩溶作用。
岩溶作用主要有溶洞发育和地表溶蚀两种类型。
溶洞发育是指地下水沿着碳酸盐岩中的裂缝、节理或溶洞洞室流动，溶蚀矿物，形成洞穴和地下河道等地下空间。
地表溶蚀是指碳酸盐岩在地表受到地表水的侵蚀和溶解作用，形成了众多的溶蚀地貌，如喀斯特坑、溶蚀山和溶蚀平原等。
碳酸盐岩成岩和岩溶特征同时受到了地质构造、地貌和气候等因素的影响。
首先，地质构造对碳酸盐岩成岩和岩溶的发育起到了关键作用。
碳酸盐岩的裂缝、节理和岩层的倾角等地质构造特征，决定了地下水流动的路径和速度，进而影响了岩溶地貌的形成。
其次，地貌条件也对碳酸盐岩的成岩和岩溶产生了重要影响。
例如，山地地貌比平原地貌更容易形成岩溶地貌，因为山地地形更加陡峭，地表水更容易流入地下，促进了地下水的流动和溶蚀作用。
最后，气候是影响碳酸盐岩成岩和岩溶的另一个重要因素。
在干旱的气候条件下，地表水很少，地下水流动缓慢，岩溶作用相对较弱。
而在湿润的气候条件下，水的溶蚀作用更为显著，容易形成岩溶地貌。
碳酸盐岩地区的地貌演变碳酸盐岩地区是指由碳酸盐类岩石主导的地形，包括石灰石、大理石等。
这些岩石在地壳运动和气候作用下，经历了漫长的地质过程，形成了独特而壮丽的地貌景观。
本文将探讨碳酸盐岩地区地貌演变的主要过程及其影响。
一、溶蚀作用碳酸盐岩在地表水作用下容易被溶蚀，形成了许多独特的地貌景观，例如喀斯特地貌。
在溶蚀过程中，地下水中的二氧化碳与岩石中的碳酸钙反应，形成溶解的碳酸盐溶液。
这些溶液随着地下水的流动，侵蚀了碳酸盐岩层，进而形成了各种地下洞穴、地下河流以及地下水库。
二、岩溶构造塌陷在碳酸盐岩地区，岩溶作用还会造成地表塌陷的现象。
由于岩石的溶解，岩石层的强度会减弱，导致地表出现塌陷陷落的现象。
这些塌陷地形常常形成了坑穴和洼地，给地表景观带来了独特的特点。
三、峡谷和峡谷塑造碳酸盐岩地区经历了长期的溶蚀过程后，地表出现了各种各样的岩溶峡谷。
在地壳运动的作用下，这些峡谷进一步受到剪切和拉伸力的影响，形成了狭长的峡谷地貌。
崖壁陡峭、溪流纵横的地貌特点赋予了峡谷以壮丽的景色，吸引了众多游客的关注。
四、喀斯特地貌喀斯特地貌是碳酸盐岩地貌演变的典型代表，也是最广为人知的碳酸盐岩地貌类型之一。
它包括凹陷、岩溶塌陷、峰林、天坑、岩柱等多种地貌形态。
这些地貌形态的形成，源于碳酸盐岩的特殊性质和长期的溶蚀作用。
五、沉积和堆积除了溶蚀作用，沉积和堆积也是碳酸盐岩地貌演变的重要过程。
在岩溶过程中，岩溶产生的溶液中含有丰富的碳酸钙，当溶液到达开放空间时，就会发生沉积和堆积，形成流石、石钟乳等地表堆积物。
六、气候变化的影响气候变化对碳酸盐岩地貌演变也有重要影响。
气候变暖和降水增加会加速溶蚀作用，形成更多的喀斯特地貌；而气候干燥则会抑制溶蚀作用，使地貌演变相对缓慢。
因此，气候变化是碳酸盐岩地貌演变的重要控制因素之一。
总结起来，碳酸盐岩地区的地貌演变是一个非常复杂的过程，涉及到溶蚀、岩溶构造塌陷、峡谷和峡谷塑造、喀斯特地貌、沉积和堆积以及气候变化等多个因素。
岩溶碳酸盐岩水化学特征及其环境影响探索岩溶碳酸盐岩是一种由碳酸盐矿物组成的岩石，在地质学上具有重要的意义。
研究岩溶碳酸盐岩的水化学特征及其对环境的影响，对于理解地下水的循环和保护水资源具有重要的意义。
本文将深入探讨岩溶碳酸盐岩的水化学特征及其可能的环境影响。
首先，岩溶碳酸盐岩的水化学特征是指水与岩石发生反应产生的溶解产物及其浓度。
碳酸盐岩经历了长期的风化和溶解作用，其中包括化学溶蚀和物理侵蚀过程。
在这个过程中，碳酸盐岩中的碳酸盐矿物会溶解，并释放出对水质起着重要作用的离子。
水化学特征研究的一项重要内容是对溶解离子的分析。
在岩溶碳酸盐岩中，主要的溶解离子包括钙、镁、碳酸根离子等。
通过测量这些离子的浓度和组成，可以判断出水体的硬度、酸碱性等特征，进而评估水质的优劣和适用性。
此外，岩溶碳酸盐岩的水化学特征还包括溶解触媒和溶解速率的研究。
溶解触媒是指加速岩石溶解的化学物质，常见的包括有机物和微生物。
这些物质能够与岩石发生化学反应，促进溶解过程。
而溶解速率则是指溶解反应进行的速度，与溶解触媒、溶液浓度和温度等因素密切相关。
了解溶解触媒和溶解速率对于预测地下水中溶解物质的来源和水化学演化具有重要的意义。
岩溶碳酸盐岩的水化学特征对环境有着重要的影响。
首先，碳酸岩的溶解会释放出大量的二氧化碳气体，对全球碳循环产生影响。
这些二氧化碳气体可以通过地下水进入地下水系统，进而释放到大气中，加剧温室效应。
因此，研究岩溶碳酸盐岩的水化学特征有助于评估地下水系统对全球碳循环的贡献。
另外，岩溶碳酸盐岩的水化学特征还与地下水污染相关。
在地下水中，溶解离子的浓度和组成会直接影响水质的优劣。
例如，钙、镁等离子的浓度高会增加水的硬度，从而对供水系统和农作物灌溉造成影响。
此外，溶解触媒和溶解速率的研究也有助于评估地下水中污染物的传输和迁移规律，为地下水污染防治提供科学依据。
综上所述，岩溶碳酸盐岩的水化学特征及其对环境的影响具有重要的研究价值。
覆盖型碳酸盐岩地区岩溶地面塌陷机理分析碳酸盐岩地区岩溶地面塌陷是指在碳酸盐岩地层中由于地下溶蚀作用而引起的地面沉降、塌陷等地质灾害。
碳酸盐岩主要由碳酸钙和少量的镁、铁元素组成，具有溶解性强、易溶的特点，因此在含碳酸盐岩的地区，常常发生岩溶地面塌陷。
本文将对岩溶地面塌陷机理进行详细分析。
首先，岩溶地面塌陷的机理主要与碳酸盐岩地层中的溶洞和溶蚀作用有关。
在碳酸盐岩地层中，地下水、地下水流以及溶解的化学物质会不断侵蚀岩石，形成溶洞和溶蚀孔隙。
当岩石内部的溶蚀作用持续加剧，溶洞和孔隙的数量和规模不断增加，岩石的强度和稳定性会逐渐减弱。
其次，地下溶洞的扩展将导致地面塌陷。
当地下溶洞规模较大时，地表的上覆岩层将随着岩溶蚀洞的扩大而逐渐塌陷，形成地表坑洞。
而在地下溶洞形成的过程中，地下水的侵蚀作用不断加强，会引起上覆岩层的松散和破裂，从而加速地表坑洞的形成。
此外，长时间的地负荷作用也是岩溶地面塌陷的重要因素之一、在碳酸盐岩地层中，地负荷通过让岩石处于压应力状态，抵抗了溶洞的扩展。
当岩石内部的压应力减小或消失时，地下溶洞将有可能进一步扩展，导致地面塌陷。
最后，人类活动也可能加剧岩溶地面塌陷的风险。
例如，碳酸盐岩地区的地下采矿活动会造成地下洞穴的形成和扩展，进而引发地表塌陷。
此外，过度开采地下水资源也会造成地下水位下降，使得地下溶洞扩展的速度加快，进一步增加地面塌陷的风险。
综上所述，岩溶地面塌陷的机理主要包括溶洞和溶蚀作用、地下溶洞扩展、地负荷作用以及人类活动等因素。
为了有效防止和减轻岩溶地面塌陷的灾害，应加强对碳酸盐岩地区的地质勘察和监测工作，及时发现并处理地下洞穴的存在。
并在地质条件复杂的地区，合理规划人类活动，有效减少碳酸盐岩地区岩溶地面塌陷的发生。
碳酸盐岩的成岩作用与岩石物性研究碳酸盐岩是一种由碳酸盐矿物组成的岩石，常见的有石灰岩、大理石等。
这些岩石在地壳中广泛分布，并且在地质学中具有重要的地位。
在地质演化过程中，碳酸盐岩经历了成岩作用，同时其物性也受到了成岩作用的影响。
本文将探讨碳酸盐岩的成岩作用与岩石物性的研究进展。
一、碳酸盐岩的成岩作用成岩作用是指岩石在地壳中受到变质、变成、溶蚀等作用的过程。
对于碳酸盐岩来说，其主要的成岩作用包括压实作用、溶蚀作用、溶解作用和结晶作用等。
1. 压实作用碳酸盐岩在沉积过程中会受到来自上方沉积物的压力，这种压力会使岩石内部的空隙逐渐减小，粒间接触增强，致使岩石的密实度增加。
压实作用既可以使碳酸盐岩变得更坚硬，又可以改善岩石的物性。
2. 溶蚀作用碳酸盐岩中存在易溶性的碳酸钙矿物，当岩石受到地下水和地下水溶液的侵蚀作用时，其中的碳酸钙会溶解掉，从而形成溶蚀孔洞。
这种溶蚀作用是碳酸盐岩地貌发育的重要原因之一。
3. 溶解作用碳酸盐岩在地壳中容易发生溶解作用，当地下水和地下水溶液中的二氧化碳与碳酸盐岩发生反应时，会使碳酸岩石中的碳酸钙溶解并从岩石中流失。
这种溶解作用不仅改变了碳酸盐岩的化学组成，还进一步影响了岩石的物性。
4. 结晶作用在碳酸盐岩中，当溶液中的溶解物质浓度过高时，其中的碳酸钙会通过结晶作用重新沉积，形成胶结物，并填塞岩石的空隙。
结晶作用不仅改变了碳酸盐岩的成分，还使岩石的物理结构产生变化。
二、碳酸盐岩的岩石物性研究岩石物性是指岩石在力学、物理等方面的特性，包括密度、孔隙度、抗压强度、磁性等。
对于碳酸盐岩来说，其物性受到成岩作用的影响，同时也受到岩石化学组成和结构性质的制约。
1. 密度碳酸盐岩的密度因碳酸钙的含量、压实程度和孔隙度等因素而异。
密度的测定可以为碳酸盐岩的成分分析和岩石性质研究提供重要依据。
2. 孔隙度碳酸盐岩常常含有不同程度的孔隙，这些孔隙直接影响岩石的渗透性和孔隙度。
通过岩心分析、岩石薄片观察和气体测井等方法可以对碳酸盐岩的孔隙度进行研究。
碳酸盐岩地质碳酸盐岩地质是地球地壳中重要的地质类型之一，它由碳酸盐矿物构成，包括方解石、白云石、菱苦土石等。
碳酸盐岩地质具有广泛的分布和重要的地球科学意义，不仅是制约石油、天然气等资源的重要载体，还是重要的工程材料和旅游资源。
在本文中，我们将详细介绍碳酸盐岩地质的形成过程、特征、分类以及相关的地质现象。
碳酸盐岩地质的形成过程主要有两种：沉积和变质。
沉积是指碳酸盐岩在地壳表面或地下盆地中通过生物和物理化学作用在长时间内沉积积聚形成的过程。
变质是指碳酸盐岩在地壳深部因高温、高压等条件发生变质作用，形成大理岩、大理岩麋状岩等。
碳酸盐岩地质一般形成在大洋盆、古海湖盆以及海洋沉积物沉积区等地，这些地区通常富含钙离子和碳酸盐离子，有利于碳酸盐岩的形成。
碳酸盐岩地质具有独特的特征，其最显著的特点是岩石中含有大量的碳酸盐矿物，具有相对较高的硬度和密度，并且容易溶解。
由于碳酸盐矿物的溶解性质，碳酸盐岩地质在地下水和包括酸雨在内的大气降水的作用下，容易发生溶蚀作用，形成各种地下溶洞、地下溶蚀河道和喀斯特地貌等。
此外，碳酸盐岩地质还具有脆性强、可塑性差等特点，容易发生断裂和折叠等构造变形。
根据碳酸盐岩的物质组成和形成过程，可以将其细分为多种类型，常见的有石灰岩、白垩纪石灰岩、多石级石灰岩和大理岩等。
石灰岩是由方解石或白云石主要组成的碳酸盐岩地质，广泛分布在地球各个地区。
白垩纪石灰岩是白垩纪时期沉积的石灰岩，常见于地球上许多地区的山脉和高原上。
多石级石灰岩是由多种碳酸盐矿物和其他沉淀物组成的碳酸盐岩地质，广泛分布在包括中国在内的许多国家和地区。
大理岩是由大理石经过变质作用形成的碳酸盐岩地质，常见于地壳深部，是中高温和高压下的产物。
与碳酸盐岩地质相关的地质现象有很多，其中最重要的是喀斯特地貌。
喀斯特地貌是碳酸盐岩地区地表和地下发育的特殊地形，包括天坑、溶洞、地下河等。
喀斯特地貌的形成与碳酸盐岩的溶蚀作用密切相关，地表水和地下水对碳酸盐岩的溶蚀作用形成了独特的地下溶蚀通道。
第19卷 第4期 中 国 岩 溶 V o l.19 N o.4 2000年12月 CA R SOLO G I CA S I N I CA D ec.2000文章编号:1001-4810(2000)04-0293-08碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献α刘再华(中国地质科学院岩溶地质研究所、国土资源部岩溶动力学开放研究实验室,桂林541004)摘 要:精确预测大气CO2的未来变化对于预测全球气候变化是至关重要的。
为此,需要确定大气CO2的源和汇及其随时间的变化。
本文作者利用已发表和未发表的资料对一些实例进行了分析:首先讨论了碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)对土壤CO2和径流变化的敏感性;接着利用水化学-流量方法和碳酸盐岩石片试验方法得出了我国和世界碳酸盐岩地区因碳酸盐岩岩溶作用从大气中吸收的净CO2总量,即碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献。
它们分别是:中国每年1800万tC,整个世界岩溶地区1.1亿tC;最后,文章据DBL理论模型计算得出世界碳酸盐岩地区碳酸盐岩溶解吸收CO2一项产生的大气CO2沉降量为每年4.1亿tC,继而得出全世界碳酸盐岩地区因碳酸盐再沉积而释放CO2产生的大气CO2源项为每年3亿tC。
关键词:碳酸盐岩岩溶; 土壤CO2; 大气CO2沉降中图分类号:X141;P642.25 文献标识码:A0 引 言据有关研究[1,2]可知,化石燃料燃烧每年向大气释放CO2达54亿tC。
此外,森林退化对大气CO2的贡献达每年16亿tC。
这样,人类活动产生的总的CO2输入(源)大约在每年70亿tC。
然而,每年大气中累积的CO2只有34亿tC,这意味着每年存在约36亿tC的大气CO2沉降(汇)。
精确预测大气CO2的未来变化对于预测全球气候变化是至关重要的。
为此,需要确定大气CO2的源和汇及其随时间的变化。
尽管在这方面已作了巨大的努力,并发表了许多研究成果[3～14],但一些结果仍难令人满意。
业已得知[15],最大的天然碳交换通量存在于大气圈 陆地生物圈和大气圈 海洋两界面,但岩石圈的作用特别是其岩溶作用的影响还研究得相当不够,虽然T rabalk已注意到陆地岩溶作用会影响地质碳循环,而Sar m inen to和Sundqu ist[9]将河流碳向海洋的输入看成是全球空气 海洋通量的一部分。
此外B erner等[3],M eybeck[16]和α基金项目:国家自然科学基金项目(编号:49632100、49703047和40073026)和国土资源部项目(编号:9501104和9806)资助作者简介:刘再华(1963-),男,现为德国不来梅大学实验物理研究所博士后、岩溶地质研究所研究员。
1996年、1997年毕业于德国不来梅大学和中国地质大学,并分别获得自然科学博士学位和工学博士学位。
收稿日期:2000-06-09P rob st [17]得出通过陆地侵蚀作用,每年约有7亿tC 自土壤 生物圈库向海洋转运,其中4亿t 是经由河流至海洋的粒状和溶解有机炭,而3亿t 是陆地岩石化学风化作用产生的,它们以HCO -3的形式转运至海洋。
但后者中未区分碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)的贡献,更没有探讨碳酸盐岩溶解和碳酸盐再沉积各自产生的大气CO 2汇和源通量。
这即是本文将要回答的问题。
作为世界上最大的碳库,碳酸盐岩含有大约6.1×108亿tC ,这分别是海洋和世界植被碳库的1694倍和1.1×105倍[15]。
碳酸盐岩在世界上的分布面积达到2200万km 2[14],其岩溶作用可用下述化学反应简单表示为:对于石灰岩有:CaCO 3+CO 2+H 2O ΩCa 2++2HCO -3(1)对于白云岩有:Ca M g (CO 3)2+2CO 2+2H 2O ΩCa 2++M g 2++4HCO -3(2)其中CO 2在裸露碳酸盐岩地区直接来源于大气,而在覆盖和埋藏型岩溶区则主要来源于土壤。
由上述反应不难看出,碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降(或称汇)可能是有贡献的(值得注意的是,岩溶作用对土壤CO 2的消耗降低了土壤CO 2向大气的释放,因此也应是对大气CO 2沉降的贡献)。
对于灰岩,溶解1m o l 碳酸钙将从大气中吸收1m o lCO 2;而对于白云岩,溶解1m o lCa M g (CO 3)2则自大气吸收2m o lCO 2。
从反应式(1)、(2)同样也可得知,溶液中的碳一半是来自大气。
另一方面,反应式(1)(2)的可逆反应,即碳酸盐的再沉积则向大气释放CO 2,成为其源。
通常很难分别计算出上述正逆反应对大气产生的CO 2源汇通量。
例如,土壤中灰岩石片的侵蚀速率只能说明土壤中CO 2的净消耗,因为试验期间也可能出现碳酸盐的再沉积。
另外,给定流域内净CO 2的消耗量相当于流域内碳酸盐岩净溶解并经由地下 地表水带出的量。
因此,碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降的贡献可用碳酸盐岩石片侵蚀试验或水化学方法来评价。
下文利用已发表[13、14,18～23]和未发表的资料对一些典型实例进行分析。
首先讨论了碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)对土壤CO 2和径流变化的敏感性;接着利用水化学-流量方法和碳酸盐岩石片试验方法对我国和世界碳酸盐岩地区因碳酸盐岩岩溶作用从大气中吸收的净CO 2总量,即碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降的贡献进行了计算;最后,文章据DBL 理论模型对世界碳酸盐岩地区碳酸盐岩溶解吸收CO 2一项产生的大气CO 2沉降量及因碳酸盐再沉积释放CO 2产生的大气CO 2源项进行了分析计算。
1 研究方法(1)按月用GA ST EC -CO 2测定仪测定土壤50c m 深处的CO 2分压(P CO 2),以了解其随时间的变化[13,20];(2)按月用便携式精密pH 计和硬度计现场测定水的温度、pH 值、[Ca 2+]和[HCO -3][20]。
水的CO 2分压则据这些现场数据由W A T SPEC 程序计算获得[24]。
这些资料被用于检验碳酸盐岩岩溶作用对土壤CO 2变化的敏感性[21],及用流量资料评价其对大气CO 2沉降的贡献[13,14,20](水化学-流量方法,见后);(3)为了对比水化学-流量方法得到的结果,使用了灰岩侵蚀石片试验的成果(碳酸盐岩石片试验方法,见后)[14];(4)利用DBL 模型[25]计算碳酸盐岩溶解对大气CO 2沉降的贡献,进而结合水化学流量492 中国岩溶 2000年方法和碳酸盐岩石片试验方法获得的净大气CO 2沉降量估算出碳酸盐再沉积对大气CO 2源的贡献。
2 碳酸盐岩岩溶作用对环境变化的敏感性2.1 对土壤CO 2变化的敏感性以下给出两个典型的例子。
鱼洞地下河位于陕西镇安县境内,处在我国南北气候过渡地带。
这里年均气温11℃,年均降水量850mm 。
可溶化岩层为石炭-二叠系灰岩,上有红壤土和黄土零星分布。
地下河主要由峰丛洼地中的落水洞补给,总长度约30km ,流域面积85km 2,洪峰流量可达10m 3 s 。
图1a 是鱼洞地下河观测站获得的地下水[Ca 2+]、[HCO -3]和CO 2分压及土壤CO 2分压月变化曲线。
由此可见,土壤CO 2分压在一年内有明显的变化,即在夏天的生长季节最高,而在寒冷的冬季最低。
与此相关,地下水的[Ca 2+]、[HCO -3]和P CO 2也表现出相应的变化,显示出碳酸盐岩岩溶作用对土壤CO 2变化的敏感性(参见反应(1))。
桂林岩溶试验场位于桂林市东南约8km 的丫吉村附近,处在峰丛洼地与峰林平原的交界地带。
其汇水面积约1.1km 2,出露地层为上泥盆统质纯灰岩,上有红壤土层零星覆盖,植被主要为灌木丛。
场区年均气温19℃,年均降水量1900mm ,后者为系统地下水的唯一补给来源[20]。
图1b 是试验场观测站获得的地下水[Ca 2+]、[HCO -3]和CO 2分压及土壤CO 2分压月变化曲线。
据此,同样可得出与鱼洞河观测站相似的结论。
此外,图1b 还显示出土壤CO 2分压有多年递增的趋势。
这可能归于两方面的因素,首先是自1993年以来的封山育林,其次可能与全球大气CO 2含量增加有关[26]。
土壤CO 2的增加进一步加强了碳酸盐岩的溶解,从而导致地下水的[Ca 2+]和[HCO -3]也呈现多年递增趋势(图1b )。
在试验场所进行的灰岩石片侵蚀试验表明,自1993年至1995年侵蚀速率逐年增加(表1)。
这提供了另一方面的证据。
图1 水化学的季节变化和多年变化及其对土壤CO 2分压变化的敏感性F ig .1 T he seasonal and m ulti 2year change of hydrochem istry and its sensitivityto the change of so il CO 2partial p ressurea -鱼洞地下河观测站;b -桂林岩溶试验场592第19卷 第4期 刘再华:碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降的贡献 表1 桂林岩溶试验场1993年至1995年石灰岩石片侵蚀通量的变化(单位:m g c m 2・a )T ab .1 T he change of the co rro si on flux of li m estone tablets in the Guilin KarstExperi m ental Site from 1993to 1995样品位置1993年1994年1995年空中3.88-4.69地面4.295.045.11土下20c m3.797.6910.22土下50c m4.719.1911.45 表中“-”表示样品丢失2.2 对径流变化的敏感性碳酸盐岩岩溶作用对径流变化的敏感性可从碳酸盐岩的剥蚀速率与径流的相关性反映出来。
所谓剥蚀速率是指单位时间单位面积内碳酸盐岩被剥蚀的量,其单位常表示为m 3 km 2・a ,这一单位与mm ka 相当。
图2总结了曾发表过的一些碳酸盐岩剥蚀速率与径流(P -E )的关系[13,27],它们可近似地用线性关系式表示为:D R =0.0544(P -E )-0.0215 相关系数r =0.98这表明碳酸盐岩岩溶作用对径流具有显著的相关性,即径流愈强,岩溶作用愈明显。
我国南北岩溶作用的巨大差异可能主要与此有关。
这也解释了以下将要得出的结论:我国碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降的贡献中,南方远大于北方。
图2 碳酸盐岩侵蚀速率与径流的相关性F ig .2 T he relati onsh i p betw een denudati on rate of carbonate rock s and runoff3 碳酸盐岩岩溶作用对大气CO 2沉降的贡献估算3.1 水化学-径流方法由水化学和径流资料,碳酸盐岩岩溶作用中消耗的大气CO 2通量F 可表示为:F =12×[HCO -3]×Q ×M CO 2M HCO 3(3)692 中国岩溶 2000年其中[HCO -3]是径流中所含HCO -3的浓度(g l );12指径流中一半碳来自大气(参见反应(1)和(2));Q 是流域径流量(l s ),其值为流域面积与径流模数之积;M CO 2和M HCO 3分别是CO 2和HCO -3的摩尔分子量。
