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第一课题现代风化过程研究取得新进展


一、青藏高原东部单一岩性小流域风化侵蚀过程及控制因素研究进展

    选择青藏高原东部贡嘎山地区进行了系统采样,包括雨水、河水、泉水、悬浮物、沉积物、土壤岩石样品,旨在:(1)确定物质来源端元的元素和同位素组成特征,判定河流水体主成分及碳、硫等化学组分的主要来源与物质贡献量,探究流域C-S耦合作用机制,,定量计算小流域硅酸岩化学风化速率;(2)结合地质背景(岩性)、地理(植被、海拔、坡降)和气候(降雨、温度)条件、水文参数变化对比研究不同气候条件下小流域化学风化侵蚀速率;(3)探讨小流域物理剥蚀与化学风化速率之间的关系和控制机理,并初步尝试量化各种影响因子对风化侵蚀的贡献。本年度开展的具体工作如下:

1.样品采集

    选取青藏高原东部贡嘎山地区南垭河、雅家河,流沙河以及荥经河流域内的单一岩性(花岗岩、玄武岩)小流域作为研究对象。本次采样共采集河水样品222个;悬浮物样品108件;沉积物76件;雨水样品13件;冰川样品9件;地下水样品9件;土壤水3件。采样点图如下:

图1青藏高原东部小流域采样点图

               

图2河流样品野外采样现场及样品库 

2.室内分析

    完成所采集样品指标的室内和野外测试工作,包括:(1)水化学参数(pH、EC、T、DO);(2)主成分(HCO3-、F-、Cl-、NO3-、SO42-、SiO2、K+、Na+、Ca2+、Mg2+,(3)微量元素(Rb、Sr、Li、Be、Sc、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Hf、Ta、Tl、Pb、Th、U、Zr、Nb、Mo、Sn、Cs、Ba);(4)悬浮物(SPM)含量;(5)稳定同位素(δ13C-DIC、 δD和 δ18O-H2O 、δ34S和δ18O-SO487Sr/86Sr)。

 

3.获得以下初步认识:

(1) 水化学特征与化学组分来源

图3高原小流域河流水体物质来源的初步辨识

 

    本次采集的典型的单一岩性小流域河水水化学特征主要受控于流域地质岩性特征,岩石风化产物是河水溶质的主要物质来源(图3)。由小流域河水SO42-硫氧同位素组成可以看出(图4),河水中的SO42-主要有两个来源,即蒸发岩的溶解和硫化物的风化氧化;河流水体的同位素和元素组成分析表明,硫酸参与了流域岩石的化学风化过程。

图4高原小流域河水S-O同位素组成

(1)

(2)

(3)

 

(4)           

            

(5)

图5高原小流域河水DIC同位素组成(1)花岗岩小流域(2)玄武岩小流域(3)碳酸岩小流域(4)花岗岩小流域δ13C-DIC与PCO2/Patm的关系(5)玄武岩小流域δ13C-DIC与PCO2/Patm的关系

    花岗岩小流域河水样品中CO2的分压大部分小于大气CO2的分压,而且δ13C-DIC与PCO2/Patm有较强的负相关性(图5-4),表明花岗岩小流域河水中的DIC可能主要来自于岩石风化以及与大气CO2的交换作用;玄武岩小流域的δ13C-DIC组成同样偏正,其河水CO2的分压大部分高于大气CO2的分压,而且δ13C-DIC与PCO2/Patm之间并无明显相关关系;碳酸岩为主的混合岩性地质背景的小流域河水物质主要来自碳酸岩风化,并且硫酸参与了岩石的风化过程(图6)。

 

图6高原小流域河水δ13C与δ34S的关系

 

    正确认识硫酸参与岩石风化,不仅对于全球长期碳循环既有重要影响,对于准确计算流域硅酸岩的风化速率也是十分必要的。另外,在造山带特别是喜马拉雅地区深部CO2往往对河流DIC有一定贡献,地幔放气作用往往使得高山河流富集13C。准确计算这一物质来源的贡献对于区域碳循环机制研究具有重要意义。

 

(2)青藏高原东部小流域水体物质来源端元元素组成特征及贡献率计算

    根据本年度开展的工作和已取得的数据,我们取得了所研究小流域河流水体不同物质来源端元的元素组成特征值(表1),并初步得出不同小流域河水离子各来源贡献比例:硅酸盐岩(27-70%);碳酸盐岩(18 -68%);蒸发岩(0.4-4%);大气输入(3-9%)。

    接下来的主要任务是利用研究区周边的观测点及全国水文气象站点网络,结合地质(岩性)、地理(植被、海拔、坡降)、气候(降雨、温度)条件及水文参数(流量)变化对比研究不同气候条件下小流域化学风化侵蚀速率,探讨小流域风化侵蚀的控制机理,并初步尝试量化各种影响因子对风化侵蚀的贡献。

 

表1、小流域河流水体不同物质来源端元元素组成特征值

 

二、青藏高原典型湖泊小流域碳、氮、硫循环过程及主控因素研究野外考察及采样工作顺利实施

1. 野外工作:样品采集及研究区踏勘

    于2015年7月20日到8月12日对青藏高原典型湖泊小流域进行了样品采集工作,采样点图如图7、8。

    根据河流海拔梯度的分布设计采样点,主要针对土壤、河流、湖泊水样及优势植被进行了采集,并对昂仁金错按2小时间隔进行了连续监测,共采集土壤表层土样品45件,湖泊剖面样品3组,湖泊表层水1组,连续监测水样24组,及优势植被和岩石样品若干。

 

图7格尔木河及其支流巴音河采样点分布

图8拉萨河及其支流堆龙曲采样点分布

(1)选取西风区河流格尔木河支流巴音河及季风区河流拉萨河支流堆龙曲为研究对象,根据海拔变化设计采样点,对小流域河水进行采集,对比研究不同季风区河流的风化机制。

  

图9河流样品采集

 

(2)对西风区湖泊克鲁克湖—托素湖,及季风区湖泊昂仁金错水样进行采集,分析不同季风区湖泊对河流风化的响应,并对湖泊日变化进行监测和样品采集,探讨湖泊日变化规律和机制。湖泊水样按YSI-6600v2-4参数监测结果进行分层采集,并采集入湖和出湖的支流。

 

图10湖泊样品采集

2. 初步取得数据

对昂仁金错的日变化按2小时间隔进行监测和采样,水化学参数如图11:

对昂仁金错进行了48小时的连续日夜监测,时间间隔为2小时。水质参数的监测结果表明,水温(T)、pH、溶解氧(DO)、叶绿素(CHL)和总溶解固体(TDS)均表现出显著的昼夜变化规律。监测期间,8月3日夜间有降雨事件发生,各水质参数均对其有显著的响应过程,表现为水温和TDS降低。昼夜参数变化显示,白天日照充足时,水体中光合作用显著,表现为T、DO、CHL升高,同时pH降低。夜间主要表现为生物呼吸作用,响应参数包括T、DO、CHL降低,同时pH升高。水质参数日夜变化的显著为水体C、N循环过程的发生提供了条件,将结合进一步同位素和营养盐含量的监测分析进行机理解析。完成了前期采集的打加错、蓬错、昂仁金错等湖泊小流域Sr同位素组成,如图12。 

图11昂仁金错水化学参数的日变化

图12青藏高原湖泊小流域Sr同位素和元素比值关系

    对青藏高原昂仁金错(AR)、蓬错(PC)和打加错(DJC)三湖及其支流河水Sr同位素及相关元素的分析结果表明,昂仁金错和打加错湖水87Sr/86Sr比值介于0.7080-0.7090之间,说明主要来自于碳酸盐岩矿物的溶解。湖泊支流的87Sr/86Sr变化范围较大,介于0.7075-0.7150之间,其中蓬错支流和昂仁金错的部分支流的87Sr/86Sr较高,同时具有较低的Ca/Sr比值,表现为受硅酸盐矿物溶解主控。由于研究区湖泊小流域周围岩性分布复杂,且多数小流域属于季节性河流,流量较小,河流对于湖泊主离子的影响并不明显。

 

三、柴达木盆地东台吉乃尔湖泊沉积物全新世以来的风化强度变化研究

    湖泊沉积物的测试工作基本完成,得到初步全新世以来的强度变化规律。2015年年初,在中国科学院青藏高原研究所环境变化与地表过程重点实验室和大陆碰撞与高原隆升重点实验室内完成了东台吉乃尔湖泊沉积物的主量和微量元素的测定工作,5月在中国科学院地球环境研究所地表过程与化学风化实验室完成了Sr同位素的前处理过程。

    根据所得到主微量元素数据以及相关的矿物组成,结合14C年龄发现,早晚全新世以来的化学风化强度偏大,而中全新世以来的化学风化强度相对偏小,所得到的化学风化强度变化规律与柴达木盆地内的相关气候变化记录有明显的对应的关系,说明化学风化在一定程度上受到气候变化的影响。

    由于Sr同位素的数据还有整理完成,以及沉积物的矿物成分和粒度变化以及其他的相关指标还没有完全分析透彻,在以后的工作中应加强数据的全面解析,进一步解释所得到的变化规律原因。同时在以后的工作中也要加强文献的阅读与周边相关地质资料的收集。

 

 

文图:徐志方、赵志琦、李军、侯居峙

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