河流水化学与化学风化-吴卫华.pdf

第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 85 第五章第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的长江源水 通天河与金沙江河水的 主量离子特征和化学风化主量离子特征和化学风化 岩石风化及随后通过流水将剥蚀物质搬运到海洋是控制地球表面形态最重要的 现象之一 起源于青藏高原的大河是从高原向海洋搬运剥蚀物质的主要途径 这些 河流中的主要元素成份隐藏着大量天然及人类过程的信息 此外 很多学者认为 正是由于新生代以来青藏高原的抬升增加了硅酸盐的化学风化 消耗了大气 CO2从 而导致全球气候变冷 1 2 为验证此 构造隆升驱动气候变化 假说 流经青藏高原 的河流受到了广泛的关注 3 21 源于青藏高原东部的长江河长约 6 300 km 居世界第三 多年平均径流量约 900 km3 位居世界第四 在青藏高原区域的河流中 长江的流量和流域面积均是最大 的 从而对海洋中物质的地球化学循环有着重要的影响 至今为止 对长江的地球 化学研究还主要集中于它的中下游 22 27 长江源水 通天河及金沙江流经青藏高原 东部的高海拔地区 承载着一个世界上最强烈剥蚀区的重要信息 大部分流域远离 人类活动的影响 污染 筑坝等 能够真正反映流域中的原始地球化学背景及实际 风化强度 我们通过对源于青藏高原的长江源水 通天河及金沙江进行综合分析 测定主量离子含量 分析它们的时空变化特征及通量 估计不同源对河水中溶解质 的贡献 对大气输入及人类活动校正后 计算硅酸盐风化速率和大气 CO2消耗 1 研究区域概况研究区域概况 1 1 地理和水文地理和水文 长江由三部分组成 1 源水 正源沱沱河 南源当曲 北源楚玛尔河 与通 天河 2 金沙江 直门达至宜宾 3 宜宾至入海口 本文称为长江中下游 图 5 1 源水位于东经 90 33 95 20 北纬 32 26 35 45 面积约 103 103 km2 正源沱沱河长 358 km 发源于唐古拉山主峰海拔 6 621 m 的各拉丹东雪山 江源地 区深居内陆 气候干寒 蒸发强烈 年平均气温低于 4 C 年降水为 200 500 mm 左右 通天河河长 828 km 气候寒冷 降水量较少 青海省玉树直门达水文站多年 年平均流量为 377 m3 s 1 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 86 图 5 1 长江源水 通天河及金沙江流域和采样点图 黑色圆圈 金沙江全长 2 290 km 流域面积约 362 103 km2 石鼓以下 河流落差近 3 300 m 平均坡降 1 45 石鼓以上至巴塘河口为金沙江的上游 河长 970 km 落差 1 720 m 平均坡降 1 78 本段金沙江山高谷深 峡谷险峻 除在支流河口处因分布着 洪积冲积锥 河谷稍宽外 大部分谷坡陡峻 坡度一般在 35 45 不少河段为悬 崖峭壁 坡度达 60 70 以上 邓柯至奔子栏间近 600 km 深谷河段的岭谷高差可 达 1 500 2 000 m 中游段石鼓至新市镇河长 1 219 km 江水奔流在四川 云南两 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 87 省之间 金沙江过石鼓后 流向由原来的东南向 急转成东北向 形成奇特的 U 型大弯道 在金江街 三堆子 巧家等地有开敞河谷 其余河段多为峡谷 下游段 新市镇至宜宾河长 108 km 两岸海拔多在 500 m 以下 仅向家坝附近山岭海拔超过 500 m 属低山和丘陵 本段河流沉积作用显著 河床多砾石 沿岸有较宽阔的阶 地分布 高出江面约 30 m 流域内多年平均降水量 741 mm 径流深 347 mm 下游径流大于上游 山地大 于河谷 上游段直门达至石鼓区间径流占全江的 19 3 至中游段雅砻江汇入 流 量猛增 是径流主要产区 下游段屏山至宜宾区间径流仅占全江的 2 9 年内降 雨与径流皆集中于 6 10 月 占全年 75 洪水成因以暴雨为主 一般发生于 7 9 月 图 5 2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 123456789101112 月份 流量 月份 流量 m 3 s 1 石鼓 攀枝花 华弹 屏山 图 5 2 流域中几个主要站点的全年流量变化 最大流量主要集中在 7 9 月 雅砻江在攀枝花 汇入金沙江 使干流流量增加 1 倍左右 流量数据来自中国水文水资源科学数据共享网 Data sharing Network of China Hydrology 金沙江流域包括青藏高原东部和横断山脉区 向南至滇北高原 向东至四川盆 地西南边缘的广阔地区 南北跨纬度 9 以上 地形极为复杂 众多高山深谷相间并 列 峰谷高差可达 1 000 3 000 m 因此 流域内气候不仅时空变化大 而且垂直 差异十分显著 流域大气环流形势 冬半年主要受西风带气流影响 被青藏高原分 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 88 成南北两支的西风急流 其南支经过云贵高原 带来大陆性的晴朗干燥天气 而流 域东北部受昆明静止锋和西南气流影响 阴湿多雨 夏半年西风带北撤 则受海洋 性西南季风和东南季风的影响 带来丰沛的降水 并由流域东南向流域西北逐趋减 少 长江水利网 http www cjw 流域植被类型丰富多样 针叶林 阔叶林 竹林及灌木林均有分布 但在人口 集中的金沙江下游和江边河谷地区 森林植被破坏相当严重 使残存不多的森林植 被分布也很不均衡 1 2 构造和地质背景构造和地质背景 江源地区属青藏高原的腹地 北靠昆仑山脉 南界唐古拉山脉 西邻可可西里 乌兰乌拉 祖尔肯乌拉诸山 东至楚玛尔河口 平均海拔达 4 500 m 地势西高东 低 是一个比较平缓 向东倾斜的波状高平原 金沙江水系地处青藏高原和滇北高原 属新构造运动强烈上升或较强烈上升 区 地壳活动剧烈 在此期间地壳持续抬升 山峰升高 河流下切强烈 结果形成 长约 2 000 km 的金沙江峡谷河段 在青藏高原抬升的同时 原来自北向南流的河流 受滇北高原的阻挡 构造控制或河流袭夺等影响 改变流向 相互归并 沟通 顺 地势的倾斜折向东流 而四川盆地西缘的水流受高原抬升的影响 也加强了向西的 溯源侵蚀 袭夺了从高原上东来的水流 终于使金沙江与四川盆地水系相贯通 金沙江水系地跨几个不同的构造单元 地质构造十分复杂 攀枝花市以上的河 段 穿过青藏滇 歹 字型构造 攀枝花市至新市镇的河段 横跨川滇间的南北向 构造 新市镇以下则进入四川盆地边缘 上述构造区内 断裂和褶皱十分发育 断 裂带主要有 金沙江 甘孜 理塘 曲麻莱 康定等巨大断裂带 义敦 中甸 程海 宾川 康定 元谋 安宁河 雅安 东川等经向褶皱带 以及鹤庆 攀枝花 东川纬向 褶皱带 复杂的地质构造和巨大的断裂褶皱 对金沙江干支流水系的形成发育和河 流走向具有重要的控制作用 沱沱河 楚玛尔河 尕尔曲等金沙江的源水 主要流经第四纪沉积物 中生代 碎屑岩 碳酸盐岩夹蒸发岩 火山岩等 在沱沱河源的各拉丹东雪山 有晚第三纪 的花岗岩出露 通天河段主要是三叠纪砂板岩夹碎屑岩 火山岩等 玉树附近有辉 长岩 蛇绿混杂岩分布 石鼓 玉树河段为金沙江的上游 主要出露三叠纪砂板岩及 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 89 古生代碳酸盐岩 碎屑岩等 在金沙江缝合带 花岗岩类 火山岩及蛇绿混杂岩分 布较广 石鼓附近有新元古代变火山岩 结晶灰岩出露 石鼓 攀枝花流域段二叠纪 碎屑岩 陆相玄武岩 三叠纪碳酸盐岩及第四纪沉积物广泛出露 攀枝花附近分布 有前寒武纪的花岗岩类和高级变质岩 攀枝花下游主要流经元古代变质岩和碳酸盐 岩 古生代碳酸盐岩和玄武岩等 宜宾附近主要为中生代碎屑岩 图 5 3 28 图 5 3 长江源水 通天河及金沙江流域地质图 1 碎屑岩 2 第四纪沉积物 3 碳酸盐岩 4 低级变质岩 5 高级变质岩 6 蛇绿混杂岩 7 花岗岩类 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 90 2 采样与分析采样与分析 我们分别于 2005 年 6 月和 12 月 2006 年 7 月与 2007 年 7 月系统采集了源水 通天河及金沙江干 支流的河水及河床沉积物样品 图 5 1 所有样品均在河岸边 收集 用预先酸洗并清洁的聚乙烯桶 袋 装满水样和沉积物样并密封 邮寄回实 验室进行化学分析 水样使用 0 45 m 的微孔聚碳酸酯滤膜进行过滤 一份过滤后 的水样用优级纯 1 1 的 HNO3酸化到 pH 为 2 左右 Ca Mg 及 Si 在南京大学现代分 析中心使用 Jarrell Ash 1100 电感耦合等离子直读光谱仪在过滤并酸化的水样中进 行测定 Na 和 K 则使用 AA240FS 原子吸收分光光度计测定 过滤未酸化的水样在 四川大学分析测试中心使用 SY 221 离子色谱测定阴离子 Cl NO3和 SO4 通过 重复测试样品和标样 阳离子的测试误差为 2 阴离子为 5 HCO3通过 HCl 滴定得出 2005 年 6 月的取样过程中 我们在甘孜采集了一个雨水样品 采用和河水样品 一样的分析方法进行阴 阳离子的分析 海拔通过 GPSMAP 60CS 测出 误差在 10 m 之内 pH 值在实验室使用 PHS 2F 数字 pH 计测出 测试的不确定性约 0 1 单位 测试之前 仪器用现制的 pH 值为 4 0 和 6 86 的缓冲溶液进行校核 河床沉积物样品在室内进行自然干燥 并研磨到 160 目 然后用 HCl HNO3 HClO4 H2O2溶液进行消解 样品溶液使用 Jarrell Ash 1100 电感耦合等离子直读光 谱仪 ICP AES 分析常量元素含量 3 结果和讨论结果和讨论 长江源水 通天河与金沙江水中的主量离子 Si 浓度及固溶物总量 TDS 列 于表 5 1 中 此外 国家七五攻关项目 长江水系水环境背景值调查研究 子课 题 金沙江部分 课题组于 1987 年 9 月测出的数据也在此一并列出以作比较 表 5 2 3 1 河水中河水中 TDS 的特征的特征 长江源水 通天河与金沙江水略具碱性 pH 值 7 52 8 09 冬季较夏季更偏碱 性 源水中 沱沱河与楚玛尔河展现了极高的固溶物总量 TDS Na K Ca Mg HCO3 Cl NO3 SO4 SiO2 分别为 1 204 mg l 1和 1 048 mg l 1 同时 Na 和 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 91 表 5 1 长江源水 通天河及金沙江水中的化学成分和水文信息 Ca Mg Na K SiCl HCO3NO3SO4 样品号 流域 地点 流域面积 106km2 流量 m3 s 1 海拔 m pH TDS mg l 1 mol l 1 NICBb 源水 S17 楚玛尔河公路桥 0 0094 7 7 45287 85 1048 1285 967 9217 110 79 12286316529 0 1354 0 14 S20 沱沱河 公路桥 0 016 42 445328 06 1204 1285 1275 10609 278 143 12857461430 6 1354 0 12 S21 尕尔曲 公路桥 45718 01 421 1178 421 2226 61 3 86 1331 347029 0 495 0 03 S22 布曲 公路桥 46607 91 369 1533 617 497 47 7 83 166 300313 7 914 0 02 通天河 S23 通天河 直门达 0 138 106135308 08 590 1408 883 3483 103 103 2286 4903 18 7 470 0 00 金沙江干流 S24 金沙江 岗托 0 16 125030357 94 456 1253 733 3743 77 9 99 2069 3117 20 5 339 0 14 S25 金沙江 奔子栏 0 215 214121087 89 393 1118 554 2535 56 7 104 1434 3205 11 6 266 0 07 23757 79 379 1100 533 2391 58 5 105 1269 2942 8 9 388 0 07 S26a 金沙江 石鼓 0 233 530 1817 7 92 349 1235 646 1026 35 4 164 726 3317 bdl279 0 02 S44 金沙江 树底桥 13457 78 369 1093 521 2261 47 4 125 1543 3117 7 4 108 0 06 45537 74 360 1000 475 1639 43 6 108 743 3030 5 6 573 0 03 S45a 金沙江 攀枝花 0 414 1447 977 8 05 278 1033 529 504 27 2 143 263 2974 14 5 161 0 01 S46 金沙江 华弹 0 451 47706447 70 406 1123 521 1330 59 2 119 2017 3450 12 1 323 0 13 S47 金沙江 会议 0 485 53203067 68 412 1095 525 1252 41 3 119 2286 3397 34 7 340 0 17 金沙江支流 S52 巴塘河 玉树 0 0023 43 635947 52 195 808 313 142 20 9 88 15 2276 9 8 93 0 02 S53 色曲 岗托 30407 88 207 863 454 125 17 2 96 8 3 2399 8 7 82 0 04 S54 定曲 奔子栏 21187 93 196 670 239 172 18 2 123 7 1 2014 6 6 333 0 15 16587 71 253 815 425 214 29 7 121 22 2960 bdl192 0 10 S48a 雅砻江 攀枝花 0 129 527 987 8 09 244 890 463 239 22 8 136 35 2888 15 5 100 0 04 S55 黑水河 华弹 0 0031 70 96527 70 293 1043 646 187 27 2 105 28 3222 25 6 297 0 04 a 流域面积和流量数据来自中国水文数据共享网 上行为 6 月份样品数据 下行为 12 月样品数据 b NICB 标准无机离子平衡 NICB TZ TZ TZ TZ bdl 低于检测线 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 92 表 5 2 1987 年 9 月金沙江水中的化学成分 CaMgNaKSiClHCO3NO3SO4 金沙江邓柯 8 304981031193771297473nd24803780nd453 金沙江岗托 8 2045489 51370683238366nd19513639nd369 金沙江奔子栏 8 002868 6101350092231 5nd6802751nd199 金沙江石鼓 8 0027049 598547183032 6nd6112690nd141 金沙江树底桥 7 9026323090040658327 9nd3712939nd106 金沙江攀枝花 7 8023119590344242027 7nd2432570nd81 金沙江华弹 7 7025315394047541236 4nd2132870nd110 金沙江会议 8 0023438397348838328 7nd1972500nd148 流域地点 mol l 1 pH TDS mg l 1 TSS mg l 1 nd 未测 Cl的含量高达10 000 mol l 1左右 这与傅德黔等 1998 赵继昌等 2003 2007 对长江源水的测定结果较为一致 29 31 主要归因于 1 河源区的蒸发量明显大于 降水量 且降水自东南往西北递减 因此蒸发作用更强烈 29 32 35 2 楚玛尔河与 沱沱河均流过多个盐湖 同时明显受到地下热泉的影响 36 除了源区的沱沱河与楚玛尔河两样品 其它金沙江干流的 TDS 位于 590 360 mg l 1 呈现出自源区向下游递减的趋势 攀枝花下游的两个样品 华弹与会议 的 TDS 又开始上升 主要表现在 Cl 出现了异常的高值 雅砻江和黑水河水样中具 有支流中最高的 TDS 以上 TDS 数值均高于整个长江流域平均值 205 9 mg l 1 23 同时也高于全球河流平均值 65 mg l 1多倍 37 表5 1显示了金沙江干流石鼓和攀枝花两个站点TDS的季节变化 冬季样品的 TDS和主量离子浓度要低于6月的值 这似乎违反常态 因为枯水期的流量远小于6 月 正常情况下 河水中溶解质浓度应该会浓缩 11 14 17 18 我们看到 12月的金沙 江干流河水中Na Cl和SO4浓度相比6月的值下降了一半左右 可能是由于源区冬季 气候干寒 导致连接盐湖与长江源水的小支流干涸 此外 丰水期与枯水期的Ca Mg与HCO3等波动极小 Chen等 2002 认为 一是流域中下游广泛分布的石灰岩 在夏季高温多雨条件下加大了溶解作用 二是丰水期随侵蚀作用进入河流的大量悬 浮颗粒物 比枯水期大数十倍 中的碎屑方解石也加大了溶解作用 23 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 93 3 2 主量离子成份主量离子成份 大部分样品中阳离子总量 TZ 2Ca 2Mg Na K 和阴离子总量 TZ HCO3 Cl NO3 2SO4 近似平衡 TZ 和 TZ 的回归分析产生的 r2 0 94 无机 离子平衡 NICB TZ TZ TZ TZ 主要用来衡量总体的分析不确定性 理想 情况下应该在 0 左右 我们的 NICB 表 5 1 大多数位于 10 之内 阳离子中 由于受到源水的影响 所有金沙江干流的 Na 浓度均超过了 Ca 浓度 其次是 Mg 和 K 但 Na 在 TZ 中的比例从源区的 66 Eq 下降到下游会议镇的 28 Eq 相应的 Ca Mg 从 32 Eq 增加到 71 Eq 从阳离子三角图解中也可以看 到 源区的样品点靠近 Na K 顶点 往下游逐渐靠近 Ca 顶点 图 5 4a 在攀枝花 随着最大支流雅砻江的加入流量急增 但 Ca 及 Mg 浓度却略有上升 反映了下游灰 岩溶解的加强 在支流中 主要阳离子按以下顺序下降 Ca Mg Na K 表明 金沙江干流中的 Na 主要受源区的蒸发岩和 或盐湖 热泉所控制 a b 图 5 4 a 阳离子三角图解 b 阴离子三角图解 实心圆为 6 月样品 空心圆为 12 月样品 在除源区外的其它样品点 HCO3是最丰富的阴离子 HCO3在 TZ 的比例为 53 Eq 93 Eq 反映了流域中碳酸盐的控制作用 在源区的沱沱河与楚玛尔河 Cl 浓度超过了 HCO3 占据了 TZ 的 64 Eq 与 68 Eq 在源水的影响下 金沙江干流 的 Cl 也高达 2 286 mol l 1 263 mol l 1 并自上游单调下降 然而 在华弹和会议 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 94 样品点 Cl 浓度均超了 2 000 mol l 1 而 Na 的浓度几乎不变 表明异常高的 Cl 并不是由蒸发岩溶解所引起 我们认为下游站点的高 Cl 浓度可能是由于人类活动所 造成的 可能的来源有 农业活动的输入 肥料 生活污水的输入 工业废水或矿 业污染 青藏高原东部的人口密度是每平方公里 1 25 人 而金沙江流域的东南部则 为 100 人 平方公里 四川盆地是一个大的稻米中心 攀枝花则是一个重要的工 业和矿业城市 长江水利网 SO4浓度在源区达到 1 354 mol l 1 反映了蒸发岩的贡献 在攀枝花样品点 SO4浓度较高 达到 573 mol l 1 是除 源区楚玛尔河与沱沱河外的最高值 且没有蒸发岩和热泉的贡献 此外 我们也没 看到黄铁矿氧化所通常伴随着的低HCO3与高SiO2 38 因此黄铁矿的氧化也不是SO4 的主要来源 Chen 等 2002 做了长江寸滩水文站 1960 1990 年来 SO4与煤燃烧之 间的关系图解 两者之间具有极好的相关性 23 因此 煤燃烧引起的酸雨应该是高 SO4的一个重要影响因素 这与 2005 年全国酸雨分布特征相一致 39 近年来攀枝花 与宜宾的一些雨水数据表明 攀枝花雨水的 pH 为 5 0 左右 属于微酸性降雨 宜宾 雨水的 pH 4 5 已经属于强酸性降雨范围 这些结果表明攀枝花至宜宾的金沙江流 域已经受到了酸雨的影响 40 42 在阴离子三角图解中 图 5 4b 所有阴离子都位 于 Alk Cl SO4 连线上 除源区的两个样品靠近 Cl SO4顶点外 其它大多更接近 Alk 顶点 这表明在金沙江源区蒸发岩溶解是河水中溶解质的主要来源 而金沙江 干流及支流则主要受碳酸盐所控制 3 3 主量离子的来源主量离子的来源 人类活动 大气降水及流域中不同岩性的化学风化都向河水中供给主量离子 通过适当的假设 可以计算出不同来源对长江源水 通天河及金沙江河水中主量离 子的贡献 3 3 1 人类活动的贡献人类活动的贡献 近年来 石鼓以下的金沙江流域工农业活动逐渐增加 对河水中的溶解物质尤 其是 SO4 Cl NO3等的贡献加大 人类活动的影响已不容忽视 从表 5 1 中可看 到 石鼓下游的几个站点 SO4 Cl NO3等均出现了异常高值 由于此段流域中并 没有蒸发岩大量出露 也没有热泉影响的相关报道 那么这些异常值极有可能来源 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 95 于人类活动 必须要对人类活动的贡献进行校正 对于石鼓上游的金沙江流域 人 口稀少 交通不便 人类活动的影响较小 干流中的 SO4与 Cl 主要受源区蒸发岩溶 解所控制 流量与 SO4 Cl 之间具有很好的负相关 表明随着流量加大 源区蒸发 岩的贡献逐步减弱 因此我们可以使用此相关关系来外推石鼓下游蒸发岩溶解所供 给的 SO4和 Cl 计算结果显示 石鼓下游金沙江干流中由蒸发岩溶解所供给的 Cl 占总量的 27 96 SO4占 11 41 相应的人类活动供给的 Cl 和 SO4分别 达到 4 73 和 59 89 3 3 2 大气输入大气输入 大气输入对河水中溶解质的影响可通过流域中雨水或雪水的化学成份来评价 通常海盐气溶胶和大气粉尘是雨水和雪水中主量离子的主要来源 7 本文中 长江 源水 通天河与金沙江流域中的几个雨水数据被使用 表 5 3 42 44 表 5 3 流域中雨水化学成分 CaMgNaK Si Cl HCO3 NO3 SO4 地点 日期 pH mol l 1 安多 当 雄 定日 a 1998 2000 7 64 8 7846 6 5 1812 1 10 3 nd 2 85 137 1 69 3 01 甘孜 b 2005 6 6 97 249 21 7 24 8 10 3 21 1 19 7 540 bdl 13 8 丽江 c 1987 1989 5 00 2 30 90 91 6nd 3 6nd 2 4 4 65 宜宾 d 1982 4 93 1 00 2 540 448 5nd 28 3 nd 17 7 50 a三地的加权平均值 44 b本次工作 c刘嘉麒和洪峪森 1996 43 d梅自良等 2005 42 我们将流域中具有最低 Cl 浓度值的支流定曲 Clmin 7 1 mol l 1 视作完全由 雨水供给 当雨水中 Cl 浓度低于 Clmin时 直接减去雨水中其它离子浓度 Xrain 以做校正 Xr Xr Xrain 5 1 此处 Xr指的是河水中 X 元素的浓度 Xr 为修正后的浓度 当雨水中 Cl 浓度 Clrain 高于 Clmin时 以 Xrain乘以 Clmin Clrain来得出雨水供 给的其它元素浓度 X rain 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 96 X rain Xrain Clmin Clrain 5 2 Xr Xr X rain i 5 3 计算表明 大气降水供给的阳离子占河水中总阳离子数的比例 支流为 0 9 10 4 而金沙江干流中由于有着很高的 Na 此比例仅为 0 2 3 5 3 3 3 硅酸盐风化硅酸盐风化 经过雨水校正后的 Cl Clr 主要来自蒸发岩 一般来说 Na 主要来源于硅酸 盐和蒸发岩 以 Clr 作为蒸发岩贡献的指标 则硅酸盐来源的 Na Nasil Nar Clr 对于直门达以下的金沙江支流 Na 和 Cl 的浓度均很低 且流域中蒸发岩也较少出 露 可以使用 Nasil Nasil Nar Clr 来代表硅酸盐来源的 Na 然而 这种方法并不 适用于金沙江干流 因为青藏高原的盐湖中 石盐 芒硝 钾盐 硼酸盐等大量存 在 45 如果仅使用石盐进行蒸发岩的校正 则 Nasil 将被极大高估 一个替代方法将 被使用 由于支流的取样地点距离金沙江干流的取样点不超过 10 km 且支流与此 段干流流经的岩性相似 硅酸盐风化对河流中溶解质的贡献也应该接近 那么对于 金沙江干流中硅酸盐来源的 Na 我们以其邻近的支流中的 Na sil Si 来近似计算 Nasil main Nasil trib Sitrib Simain 5 4 此处 Nasil main和 Nasil trib分别为金沙江干流和支流中硅酸盐来源的 Na Simain 和 Sitrib代表干流和支流中 Si 的含量 雨水校正后的 K Kr 被认为完全是硅酸盐来源 因为蒸发盐和碳酸盐中只含 有少量的 K 则 Ksil Kriv 这个假定对于源区来说 由于可能存在钾盐 Ksil会被 高估 定量区分蒸发岩和硅酸盐来源的 K 是很困难的 但 K 的含量在阳离子总数中 占的比例极低 因此这一假设对计算结果的影响将非常小 理想情况下 硅酸盐供给的 Ca 和 Mg 可通过流经单岩性河流的数据估计出来 由于缺少合适样品 其他学者编译的一些我们的研究区域中硅酸盐岩数据被使用 Ca Na sol 0 42 0 84 和 Mg Na sol 0 18 0 43 46 51 那么 Casil 和 Mgsil 可表达为 Casil Ca Na sol Nasil 5 5 Mgsil Mg Na sol Nasil 5 6 根据以上关系式 我们就可得到硅酸盐供给的阳离子数 TZ sil 2 Casil 2 Mgsil Nasil Ksil 它们占河水中阳离子总数的比例 Cat sil TZ sil TZ 计算 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 97 得到的 Cat sil从 3 2 到 25 1 考虑 50 的不确定性 7 9 11 14 18 19 此范围将为 2 5 33 2 源区主要受蒸发岩所控制 硅酸盐的贡献仅为 3 2 到 8 2 金沙 江干流中 攀枝花站点的 Cat sil最高 为 12 5 夏季 和 19 8 冬季 这与 攀枝花附近大量出露的新生代花岗岩和前寒武纪高级变质岩相一致 支流的 Cat sil为 10 8 到 25 1 3 3 4 碳酸盐风化碳酸盐风化 河水中的 Ca 和 Mg 除去硅酸盐风化来源外 还将通过碳酸盐风化和蒸发岩溶解 所供给 假设流域中所有 SO4经过大气输入校正后都来源于蒸发岩 那么碳酸盐风 化所供给的 Ca Mg 可表达为 TZ carb 2 Cariv Casil Caev 2 Mgriv Mgsil 5 7 此处 Caev 指的是蒸发岩溶解对河水中 Ca 的贡献 Caev SO4 TZ carb 占河水 中阳离子总数的比例 Cat carb TZ carb TZ 计算得到的 TZ carb 为 13 7 到 74 考虑考虑 50 的不确定性 7 9 11 14 18 19 将达到 13 2 78 1 相应蒸发岩对河 水中主量离子的贡献为 5 6 到 82 8 楚玛尔河与沱沱河分别为 79 7 和 82 8 源区蒸发岩对下游干流的影响随着距离的增加而逐渐下降 3 4 流域的化学剥蚀速率与流域的化学剥蚀速率与 CO2消耗通量消耗通量 河流中硅酸盐和碳酸盐矿物风化所供给的阳离子组分 溶解 Si 再结合流域面 积和流量数据 就可计算此区域当前的硅酸盐和碳酸盐风化速率 硅酸盐化学风化速率 SWR SWR Casil Mgsil Nasil Ksil 流量 流域面积 5 8 碳酸盐化学风化速率 CWR CWR Cacarb Mgcarb 流量 流域面积 5 9 计算的 SWR 和 CWR 列于表 5 4 中 源水展现了非常低的 SWR 和 CWR 为 0 004 1 19 t km 2a 1 表明这些流域蒸发岩溶解强烈 这些流域同时还有着非常高 的 Na Cl 和 SO4含量 金沙江干流中 SWR 为 1 72 3 70 t km 2a 1 CWR 为 1 07 6 43t km 2a 1 高的 SWR 位于金沙江缝合带和攀枝花 那儿花岗岩类和高级变质岩 广泛出露 支流雅砻江具有流域中最高的 SWR 达到 5 67 t km 2a 1 它进一步升 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 98 表 5 4 硅酸盐 碳酸盐风化速率和 CO2消耗通量 SWR t km 2 a 1 SWR mm ka 1 CO2sil 105mol km 2a 1 CO2sil 109mol a 1 CWR t km 2 a 1 CWR mm ka 1 CO2carb 105mol km 2a 1 CO2carb 109mol a 1 S17 楚玛尔河公路桥 0 1800 0700 0800 1000 3800 1580 3170 300 S20 沱沱河公路桥 1 190 4390 4580 7301 610 6731 352 14 S23 通天河直门达 1 670 6190 73010 16 462 694 0956 4 S24 金沙江岗托 1 720 6370 77612 46 732 804 1766 6 S25 金沙江奔子栏 2 010 7430 93820 16 922 884 1889 8 S26 金沙江石鼓 2 841 051 3330 98 523 555 19121 S45 金沙江攀枝花 3 701 371 8375 86 882 874 45184 S46 金沙江华弹 3 311 231 4866 612 95 377 69347 S47 金沙江会议 3 321 231 5374 213 35 537 98387 1 37 2 2124 0 27 9 S52 巴塘河玉树 2 731 011 350 3009 664 025 561 28 S48 雅砻江攀枝花 5 672 102 8937 412 65 267 5097 0 兰州 2 525 39 上游 6 30 上游 0 5 2 53 99 14 1 西藏 1 3 东部构造结 34 2 东部构造结 38 0 中下游 10 7 22 0 河口 7 9123 2 河口 1 757 21 河口 2 1611 1 河口 2 275 46 河口 1 7116 1 河口 0 841 68 碳酸盐 亚马逊河f 奥里诺科河f 金沙江支流 源水 通天河 金沙江干流 金沙江支流 源水 通天河 金沙江干流 布拉马普特拉河d 布拉马普特拉河e 黄河c 流域 布拉马普特拉河d 流经其它造山带的河流流经其它造山带的河流 地点 硅酸盐 长江中下游a 黄河b 刚果河f 布拉马普特拉河e 恒河f 印度河f 密西西比河f 布拉马普特拉河e 样品号 a 根据 Wang 等 2007 计算得到 27 b Wu 等 2005 16 c Moon 等 2007 18 d Hren 等 2007 19 e Singh 等 2005 14 f Gaillardet 等 1999 6 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 99 高了攀枝花下游金沙江流域中的 SWR 因为雅砻江是金沙江最大的支流 平均流 量约 57 km3 a 1 攀枝花至宜宾的金沙江流域碳酸盐岩非常丰富 从而 CWR 较高 使用 Wang 等 2007 的数据 27 我们近似计算了长江中下游的 SWR 和 CWR 在 图 5 5 中给出了整个长江流域的 SWR 和 CWR 分布图 SWR 在金沙江 上游 较 高 从宜宾至宜昌 中游 由于碳酸盐岩的广泛分布 SWR 逐步下降 从宜昌至河 口 SWR 又开始升高 因为硅酸盐岩在流域中大量出露 22 23 27 此外 青藏高原 及世界其它一些区域的风化率也列于表 5 4 中以作比较 我们可以看到 青藏高原 边缘地带由于河流坡度陡 径流量大 硅酸盐化学风化明显强于世界其他地区 在 喜马拉雅造山带的东部衔接带 布拉马普特拉河在南伽巴瓦峰附近有着极深的峡 谷 河流坡降约 30m km 流域年平均降水高达 1 000 5 000 mm 物理剥蚀非常强 烈 而化学风化率也远远高于其他流域 8 14 19 在金沙江缝合带 虽然河流也强烈 下切 但由于直门达至石鼓的流域属于金沙江纵向河谷少雨区 年平均降水量在 600 mm 以下 从而致使物理风化速率和化学风化率均远远低于布拉马普特拉河 图 5 5 整个长江流域 SWR 和 CWR 投点图 SWR 在金沙江 上游 较高 宜宾向宜昌 中 游 碳酸盐岩特别丰富 因此 SWR 逐渐下降 从宜昌到河口 下游 由于硅酸盐岩的广泛出 露 SWR 又升高 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 100 为了理解青藏高原地区化学风化与大气 CO2之间的关系 我们需要计算出流域 中硅酸盐风化引起的大气 CO2消耗 经典的硅酸盐矿物水解反应如下 52 2NaAlSi3O8 2CO2 11H2O Al2Si2O5 OH 4 2HCO3 2Na 4H4SiO4 5 10 钠长石风化为高岭石 生成每摩尔的 Na 消耗 1 摩尔的 CO2 2KAlSi3O8 2CO2 6H2O Al2Si4O10 OH 2 2HCO3 2K 2H4SiO4 5 11 钾长石风化为蒙脱石 生成每摩尔的 K 消耗 1 摩尔的 CO2 CaAl2Si2O8 2CO2 3H2O Al2Si2O5 OH 4 2HCO3 Ca2 5 12 钙长石风化为高岭石 生成每摩尔的 Ca2 消耗 2 摩尔的 CO2 Mg2SiO4 4CO2 4H2O 4HCO3 2Mg2 H4SiO4 5 13 橄榄石风化 生成每摩尔的 Mg2 消耗 2 摩尔的 CO2 根据上述反应 硅酸盐风化消耗的大气 CO2可由正式计算得到 CO2 sil TZ sil 2Casil 2Mgsil Nasil Ksil 流量 5 14 支流雅砻江由于流域内广泛出露的花岗岩类和高级变质岩及丰沛的降雨 显示 了最高的 CO2 sil为 2 89 109 mol a 1 金沙江干流为 0 776 1 83 105 mol km 2 a 1 考虑 50 的不确定性 为 0 554 2 41 105 mol km 2 a 1 使用 Wang 等的数据 27 我们近似计算出长江中下游的 CO2 sil为 0 48 0 8 105 mol km 2 a 1 在长江的泛 滥平原或近河口处 CO2 sil为 0 59 0 72 105 mol km 2 a 1 6 15 这些数据表明在 长江的中下游 硅酸盐风化所引起的 CO2消耗速率只有金沙江干流的一半左右 反 映了长江中下游的碳酸盐控制作用 3 5 物理风化与化学风化物理风化与化学风化 大陆风化分为化学风化和物理剥蚀 后者存在于通过风力和水力从土壤和岩石 中搬运出的固体相中 一般用河水中的悬浮物来代表硅酸盐岩风化的残留部分 大 量研究表明 快速的岩石抬升和强烈的季风降雨引起了物理剥蚀的加强 并导致了 高化学风化率 两者之间有着非常好的正相关 6 8 14 17 19 53 本次研究未对河水中 的悬浮物进行称重 因此不能直接得出相关的物理剥蚀速率 但 金沙江水系水环 境背景值调查研究 课题组 1987 年的数据可用来评估金沙江流域化学风化与物理 剥蚀之间的关系 表 5 2 使用现在的流量数据 近似计算得到的金沙江流域硅 酸盐化学风化速率 SWR 与物理剥蚀速率 PER 之间有着很好的正相关 r2 0 89 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 101 图 5 6 表明随着物理剥蚀的加强 不断创造出新的矿物表面 从而使化学风化 更快进行 长江源水深处青藏高原内陆 气候干寒 蒸发强烈 径流量小以及河流 坡度平缓 物理剥蚀率非常低 0 013 mm a 1 54 硅酸盐化学风化速率也很低 在金沙江缝合带 河流急剧下切 径流量增加 物理风化率与化学风化率均明显加 强 尽管攀枝花至宜宾流域河流坡度减缓 但物理风化率与化学风化率为流域中最 高 这被归因于此段流域更高的径流量 对青藏高原区域其他河流的研究均表明 径流量可能是影响剥蚀的首要因素 8 14 19 r 2 0 89 1 10 1101001000 PER t km 2 a 1 SWR t km 2 a 1 图 5 6 硅酸盐化学风化率与物理风化率关系图解 显示了一个较好的正相关 3 6 长江流域河水化学成分的时空变化长江流域河水化学成分的时空变化 在国家重点项目 长江水系水环境背景值调查研究 子项目 金沙江部分 的数据中 TDS 为 231 498 mg l 1 并且几乎所有的主量离子都低于我们的值 表 5 1 表 5 2 为避免水文条件对绝对浓度的影响 我们采用元素的摩尔标准比值 在河水中 Ca 和 HCO3展现了最小的变化 它们主要为碳酸盐所控制而被认为对污 染不太敏感 55 56 因此是标准化的合适元素 本次研究和 1987 年的数据中的元素 摩尔比 Mg Ca Na Ca K Ca Cl Ca 和 SO4 Ca 均展示了自直门达向下游下降 的趋势 表 5 5 然而 本次研究中的 Cl Ca 和 SO4 Ca 显示了自攀枝花及其下游 明显增加 而这在 1987 年的数据中并未出现 表明人类活动对河水化学的影响近 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 102 二十年来有重要的增长 表 5 5 本次研究中和 1987 年金沙江干流的元素标准摩尔比值的比较 流域 地点 日期 流量 km3 a 1 TDS mg l 1 Mg CaNa CaK Ca Cl Ca SO4 Ca 2005 6 23 7 456 0 585 1 49 0 031 0 826 0 270 金沙江 岗托 1987 9 16 6 454 0 499 0 870 0 024 0 712 0 269 2005 6 38 8 393 0 496 1 13 0 025 0 642 0 238 金沙江 奔子栏 1987 9 27 2 286 0 494 0 455 0 016 0 336 0 197 2005 6 55 8 379 0 485 1 09 0 027 0 577 0 352 金沙江 石鼓 1987 9 39 1 270 0 478 0 422 0 017 0 310 0 143 2005 6 369 0 477 1 03 0 022 0 706 0 099 金沙江 树底桥 1987 9 263 0 451 0 324 0 016 0 206 0 118 2005 6 130 5 360 0 475 0 820 0 022 0 371 0 573 金沙江 攀枝花 1987 9 106 4 231 0 489 0 232 0 015 0 135 0 090 2005 6 144 6 406 0 464 0 592 0 026 0 899 0 288 金沙江 华弹 1987 9 115 2 253 0 505 0 219 0 019 0 113 0 117 2005 6 167 2 412 0 479 0 572 0 019 1 04 0 310 金沙江 会议 1987 9 134 1 234 0 501 0 197 0 015 0 102 0 152 4 小结小结 长江源水 通天河与金沙江主要流经青藏高原的东部地区 源区主要由蒸发岩 所控制 贡献了非常高的 Na Cl 和 SO4到河水中 在金沙江干流中 SWR 自直门 达向下逐渐增加 并在攀枝花达到最大 因为花岗岩类 火山岩和高级变质岩在流 域中广泛出露 流域中最高的 CWR 处于攀枝花至宜宾段 与碳酸盐岩的大量分布 相一致 金沙江流域的 SWR 高于长江中下游 但 CWR 更低 反映了流域中不同岩 性的贡献 此外 青藏高原区域的硅酸盐风化速率要明显高于世界其他地区 表明 青藏高原作为一个最强烈的构造活动区经历着更强的硅酸盐风化 极高的 SO4 Cl 和 NO3在金沙江的攀枝花下游出现 此段流域并没有蒸发岩和 热泉的贡献 与 1987 年的数据相比 本次研究中的元素标准摩尔比值 Cl Ca 和 第五章 长江源水 通天河与金沙江河水的主量离子特征和化学风化 103 SO4 Ca 在攀枝花 华弹和会议显著增加 SO4和 Cl 的急剧增加不能归因于自然波 动 而反映了重要的人类活动的贡献 这些流域中的工农业活动 如燃煤 肥料 生活排污及工业废水等都是潜在的高 SO4和 Cl 的源 长江源水 通天河及金沙江每年消耗的大气 CO2为 75 8 109 mol 明显低于恒 河 布拉马普特拉河 仅占全球河流贡献值的 0 9 表明长江源水 通天河与金沙 江主要为蒸发岩溶解和碳酸盐风化所控制 硅酸盐风化相对较弱 2009年5月 南京大学博士学位论文 吴卫华 104 本章参考文献本章参考文献 1 Raymo M E Ruddiman W F Froelich P N Influence of Late Cenozoic mountain building on ocean geochemical cycles Geology 1988 16 649 653 2 Raymo M E Ruddiman W F Tectonic forcing of late Cenozoic climate Nature 1992 359 117 122 3 Pande K Sarin M M Trivedi J R Krishnaswami S Sharma K K The Indus system India Pakistan Major ion chemistry uranium and strontium isotopes Chem Geol 1994 116 245 259 4 Blum J D Gazis C A Jacobson A D Chamberlain C P Carbonate versus silicate weathering in the Raikhot watershed within the High Himalayan Crystalline Series Geology 1998 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