岩溶关键带及其碳循环研究进展

岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。     

滇东岩溶区表层岩溶水源地特征及其开发利用

表层岩溶水源地是解决分散农村生活用水困难的重要水源，而且分布广泛，水质较好。但水源地含水介质的富水性不均匀，岩溶水动态变幅大，脆弱性突出，易受污染和生态环境变化的影响。由此，表层岩溶水源地生态环境建设及保护尤为重要。表层泉以池、管调蓄系统开发最为有效。表层富水块段适宜打浅井开发，建设庭院式供水工程。采用地质雷达验证地质认识，确定井位，是经济有效的技术手段。     

我国“十一五”期间的岩溶研究进展与重要活动

“十一五”期间,国际岩溶中心在我国桂林成立,岩溶研究在理论上与实践应用上取得了显著进展。理论上,运用地球系统科学的观点和现代自动化测试手段发展了岩溶动力学;新的学科生长点岩溶生态学不但揭示了西南岩溶生态系统的脆弱性、土壤质量变化与某些土壤营养元素形态的初步规律,而且选育了大量适合岩溶地区的名特优植物物种;全球变化研究探讨了岩溶水循环中溶解无机碳形式对全球碳汇的贡献,从多种气候替代指标深化了洞穴石笋的古环境记录研究;用新技术探索了岩溶地下水水质和水量的有效评价方法。应用上,形成的西南岩溶水、石漠化和水土流失调查区域性资料在国家目标和干旱找水重大社会需求中发挥重要作用,岩溶地区油气勘察形成典型地质模式,中国南方喀斯特自然遗产申报成功,岩溶塌陷监测与预警新技术成功用于工程建设区塌陷的防治。      

岩溶洞穴交互带概念的提出及其在水资源管理中的意义

岩溶地区以管道流为主的地下水补给、径流与排泄常常引起地下水与地表水间快速且频繁的交互与转化,并因此引发水环境退化问题。文章引用并拓展地表水文学和水文生态学中交互带的概念,提出南方岩溶地区管道流与其他类型水体交互的场所为岩溶洞穴交互带,并依据交互带的水流类型和交互方式,划分为泉口交互带、天窗交互带、落水洞交互带和管道交互带4种类型;且以泉口交互带和天窗交互带为重点,采用水文和水化学在线监测、现场测试、流量测量,结合水化学、浮游生物和微生物等的分析鉴定,剖析了交互带的水文、水化学特征和水生生物群落结构及其与水环境的关系。研究发现:岩溶洞穴交互带的水文功能有弱化趋势;泉口交互带的污染物降解能力明显,水化学功能尚能发挥作用;水生生物功能在退化,主要是由水文功能弱化导致的。水文功能弱化是岩溶洞穴交互带环境功能退化的重要原因。建议在岩溶地区的水文地质和环境地质工作中重视交互带,探索交互带的探测和监测技术,通过有效管理改善交互带的环境功能。      

表层岩溶带及其水循环的研究进展与发展方向

表层岩溶带是现代岩溶学一个很重要的概念,表层岩溶水对于解决西南岩溶山区居民的干旱缺水问题具有重要意义。近年来,不但揭示了表层岩溶带的特征、形成的动力条件机理及其含水层特征、开展了表层岩溶的自动化监测、研究了表层岩溶水与生态环境的相关性,还对西南表层岩溶水资源进行了初步评价。今后一段时期内表层岩溶水的主要研究方向是开展表层岩溶水与管道水的耦合关系研究、生态环境调蓄表层岩溶水的功能研究及表层岩溶水资源评价。      

岩溶动力系统与全球变化研究进展

碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础,它记录着地球历史时期的环境变化,是地球最大的碳库,对地球大气和生命演变起到重要作用;现代全球岩溶分布面积2200万km~2,占陆地面积的15%,岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分,全球25%的人口依赖岩溶地下水资源的供给,岩溶生态系统的脆弱性制约着区域经济社会发展;本文主要针对近30年以来,岩溶学科发展进行综述,包括岩溶动力学概念、内涵与发展,驱动岩溶发育的地质-生态机制,岩溶动力系统与碳循环新进展,岩溶动力系统与水循环新进展,岩溶动力系统与钙循环新进展;岩溶动力系统与全球环境变化研究发展展望(岩溶关键带下的资源环境效应及国际大科学计划的启动)。     

岩溶关键带水循环过程研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、功能及其水文循环过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的关键问题。剖析了岩溶关键带水循环过程与演变规律、水循环过程在岩溶关键带中的作用,探寻变化环境下岩溶关键带水循环过程演变的规律与驱动机制,总结不足与问题,提出未来研究的总体趋势和方向:岩溶关键带形成与演化和水循环过程相互作用机制;岩溶关键带水循环驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合;水循环过程在不同时空尺度上对全球变化与人类活动干扰的响应;多种观测与模拟手段的综合应用。     

中国典型表层岩溶系统的地球化学动态特征及其环境意义

以中国６个典型表层岩溶系统为例,总结了它们的地球化学动态特征,并对其所反映出的环境意义作了分析。中国典型表层岩溶系统的地球动态特征主要表现为土壤ＣＯ２含量的季节变化和逐年递增趋势,及地下水ＨＣＯ３＾－含量的ＣＯ２效应的稀释效应。前者可能反映了全球气温升高的影响,而后者则反映出表层岩溶系统对大气ＣＯ２具有良好的调节功能。     

我国南方表层岩溶带及其对岩溶水的调蓄功能

表层岩溶带是地表强烈岩溶化过程的产物,为表层碳酸盐岩各种岩溶个体形态和微形态组合构成的不规则带状的岩溶带,在我国南方岩溶区广泛分布。表层岩溶带对岩溶水的调蓄表现在两个方面: 一是增加入渗补给量;二是延缓降雨后雨水在岩溶水系统停留的时间,并形成了表层岩溶泉。表层岩溶带对岩溶水的调蓄功能大小主要与表层岩溶带的结构、岩层产状、地表覆盖情况和降雨性质有关。石漠化环境与森林环境的表层岩溶带对岩溶水的调蓄功能差异很大。石漠化地区,表层岩溶带泉的出流时间短,动态非常不稳定;表层岩溶带对岩溶管道泉调蓄能力弱,泉水动态与降雨动态一致。森林环境表层岩溶泉则多为常流泉,水文动态比较稳定。表层岩溶带形成的表层岩溶泉为开采深部岩溶水困难的峰丛山区的居民饮水提供了重要的水源,但只有恢复了岩溶石山区森林生态,才能实现表层岩溶泉应有的供水功能。      

表层岩溶带的岩溶动力学特征及其环境和资源意义

表层岩溶带处于四大圈层的交汇带,碳－ 水－ 钙循环活跃,溶蚀和沉积化学反应都比较迅速,岩溶动力作用强烈而且对环境变化具有敏感性。表层岩溶带快速的岩溶过程以及对环境变化的敏感性,赋存大量短时间尺度的环境变化信息,可提高地质过程在全球环境变化研究的地位; 表层岩溶带碳－ 水－ 钙循环的活跃和与环境岩溶动力条件的相关性,使得表层岩溶带对环境 Ｃ Ｏ２ 的变化具有调节作用,从而对碳循环的研究具有重要意义;表层岩溶带的发育使南方岩溶区具有浅层岩溶水循环与地下管道水循环耦合的二次岩溶水循环的结构特征,加强了岩溶水的调     

四川九寨沟景区钙华起源初探

九寨沟风景区以绝美的景色闻名于世。钙华作为其独特景观的重要构成要素,有着重要的观赏价值和研究价值。为了弄清九寨沟钙华的起源,特别是CO2的来源,对九寨沟主要水体的水化学和碳氢氧同位素以及现代钙华的碳同位素进行了取样分析。结果发现:(1)九寨沟水体来源于大气降水的补给;(2)水体中碳酸氢根离子和钙离子浓度较低,主要来源于土壤CO2对碳酸盐岩的溶解;(3)根据碳的来源分类,九寨沟钙华应为大气成因类钙华(或表生钙华);(4)九寨沟珍珠滩钙华与碳酸氢根间较大的碳同位素分馏表明,此处生长的藻类对钙华的形成可能有重要作用。      

从研究岩溶地下水角度分析评价岩溶塌陷的危险性--以南宁坛洛塌陷为例

南宁市是广西岩溶地面塌陷危害十分严重的城市之一。2012年6月2日突发的岩溶地面塌陷主要集中分布在坛洛镇南西方向,形成塌陷坑19个,地裂缝17条,威胁62户共232人,潜在经济损失约870万元。坛洛塌陷多形成于松散盖层厚度小于15 m,地下水位埋深小于20 m,地下岩溶强发育的区段。碳酸盐岩岩溶发育、松散盖层厚度较小和水动力条件（降水、地表水和地下水）复杂为岩溶塌陷产生的必要条件,尤以地下水的作用对岩溶塌陷的形成起至关重要的作用。通过对坛洛地下水动态观测与岩溶塌陷的调查研究确定地下水强径流带,分析评价岩溶地面塌陷的危险性,为岩溶地区的岩溶塌陷危险性勘察、评价工作提供一定指导意义。     

术语“Karst”的起源和演化

对于术语＂karst＂的起源和演化,不少文献（包括手册、教科书、字典等）仍有不准确、不一致甚至错误的论述。鉴于此,本文不仅重述了众所周知的关于＂karst＂起源的事实,而且介绍了＂karst＂起源和演化的最新语言学研究结果。＂karst＂是由喀尔斯（Kras）高地的名称演化而来的。喀尔斯位于亚得里亚海的里雅斯特湾（Gulf of Trieste）达尔马提亚（Dal matia）海岸地区,其大部分属于斯洛文尼亚。喀尔斯是一处海拔150~450 m,覆盖面积550 km2（长约40 km,宽约13 km）的碳酸盐岩高地。斯洛文尼亚语、意大利语和德语分别称之为Kras、Carso和Karst。喀尔斯高地表面大致平坦,但从局部看,喀斯特洼地遍布,各种典型的喀斯特地貌形态随处可见,包括坡立谷、大小溶斗（包括大的塌陷溶斗）、喀斯特干谷和溶洞。这些形态规模较小,起伏平缓。喀尔斯高地的名称起源于前罗马时期,其古典拉丁语名称（也是目前已知最早的名称）为Carsus。该词的词根＊kar（u）s-是由意思为＂石头或岩石＂的词根＊kar-演化而来。从欧洲众多文献中可以发现有许多名词来自前印欧语系的词根kar（r）a/gar（r）a。这些词根最初意思指石头或岩石,而后发展为石头筑成的遮盖物——一间房屋,一座城堡,甚至一个村落,这些词根还演化成喀斯特相关术语。由Carsus的宾格形式Carsum演变成现代意大利语名称Carso;同样的宾格依据前斯洛文尼亚语言规则（即r或l出现在元音和辅音字母之间时,须将其移至元音字母之前。）演变成Kras;德语Karst则是由意大利语Carso依据德语变化规则（以s结束的单词末尾须添加t）演变而来。由此可见,Kras、Karst和Carso均源于古拉丁文Carsus,该词含有词根＊kar（u）s-。印刷技术的改进和新大陆的发现,带动了地图和地图集的出版。喀尔斯高地的名称不仅出现在地方性地图上,而且被大尺度区域性地图所标示出来,德文Karst甚至被用作区域地图的标题,足见喀尔斯高地的重要性。喀尔斯高地之所以比其它更大的地区重要且较早为人们所认识,与历史的地缘政治形势有关。16至19世纪,地中海东海岸大多由威尼斯共和国管辖,的里雅斯特港口和内陆地区则隶属于奥地利和土耳其帝国。对于奥地利帝国的公民,大部分中欧人和小部分东欧人来说,通向地中海唯一可行的途径就是从维也纳穿过卢布尔雅那市（Lju-bljana）,经喀尔斯高地,至的里雅斯特镇。1719年,当的里雅斯特港宣布成为自由港后,这条道路变得更为重要。与此同时,喀尔斯高地不寻常的地貌和恶劣的自然环境给途经的旅行者和学者留下了深刻的印象。在他们的旅行记录中对Kras有近乎相同的描述：＂碳酸盐岩裸露,岩洞繁多,没有水和土壤,夏暑冬寒,冬季强烈的冷风暴有时让高地无法通行......＂。此后,当描述其他喀斯特地区时,作者们往往会将其与Kras（Karst）相类比。1830年F.J.H.Hohenwart在《Postojna岩洞导游手册》中,第一次确切地写道＂喀斯特地貌不仅存在于Karst高地,它从Friuli平原一直延伸至希腊岛……＂。十九世纪上半叶,地质、地理和水文学者开始了对喀尔斯高地的详细研究,出版了喀斯特地质地貌方面的著作,并开始使用一些喀斯特术语。自1830年起,由于这些记述性的文字和专业著作大多用德语撰写,德语名称Karst逐渐为更多地区的人们所了解。19世纪末20世纪初,可以说＂karst＂已经成为国际科技术语。对＂karst＂加入国际术语行列影响最大的可能是毕业于维也纳大学的Jovan Cviji′c教授,他是最重要的学者之一,也是著名地形学教授A.Penck的学生。他最重要的喀斯特著作＂Das Karstphanomen＂（The phenomenon of Karst）的书名中就使用了＂karst＂。＂karst＂就这样由一个地名逐渐演变为学术名词,然后成为国际科技术语。     

重庆喀斯特山地典型表层岩溶泉水化学分析

表层岩溶泉是储存于表层岩溶带的地下水,为近地面的表层地下水系统,它的普遍分布是西南岩溶峰丛区居民聚集和繁衍的重要条件。本文选取重庆市南川区典型的岩溶峰丛区6个较有代表性的表层岩溶常流泉点,分析表层岩溶泉水化学特征。研究发现：①6个泉点泉水化学类型以HCO3.SO4-Ca型为主,其次为HCO3.SO4-Ca.Mg型,个别为HCO3-Ca型;②常规水化学指标中,受人类活动的影响,各泉点泉水HCO3-含量较高,SO42-和NO3-含量偏高。③各泉点微量金属元素除As和Ba未达地下水质量标准GB/T 14848-1993Ⅰ类水体标准,其余测试指标均符合Ⅰ类水体标准。     

岩溶关键带植被对水循环过程的影响作用研究

随着农村能源结构的调整和多项林草植被保护政策的实施,我国西南石漠化趋势得到初步的遏制.岩溶作用过程是由水循环驱动的碳循环过程.岩溶区森林植被的水文效应,不仅促进植被自身的生长,还能进一步促进岩溶作用过程.在西南岩溶区选择了2个不同植被覆盖条件的地下水系统为研究对象,通过地下水系统降水量、地下水径流量、水化学组分和同位素组分等监测指标的对比分析,发现岩溶关键带中,森林植被对水循环过程具有明显的影响.植被通过蒸腾作用而在林区激发二次降水,使林区降水量明显增大;森林植被对强降水的截流消洪作用比较明显,在降水-径流曲线上表现为森林覆盖区降水洪峰产生比较滞后而排泄过程中退水曲线上较为平滑;森林植被对岩溶关键带地下水中无机碳的贡献比较大,并能有效的增强岩溶作用.     

鄂尔多斯盆地周边岩溶地下水系统模式及特点

鄂尔多斯盆地周边岩溶分布区由22个汇水面积不等的岩溶地下水子系统组成。本文从区域构造与地貌背景条件出发,将这砦予系统归结为具有相似岩溶地下水系统循环特征的5种模式,每一种模式在岩溶地下水富集规律、水资源循环以及环境地质问题等方面有着不同的特征表现。     

鲁中南岩溶水资源综合类型及合理调蓄研究

鲁中南岩溶区是中国北方半干旱温带岩溶区中具有代表性的地区之一.该区岩溶水资源分布具有明显的不均匀性和大面积分散补给而局部富集等特征.岩溶形态以溶蚀裂隙洞穴为主,地下水类型多为裂隙溶洞型.在对该区岩溶水补给、富集、径流及排泄特征的研究基础上,初步将本区地表水和地下水资源划分为两大类型,即地下岩溶水径带变化带水资源类型和排泄带水资源及地下岩溶水资源类型.对该区地表水和地下水的合理调蓄问题进行了系统的分析和总结,并提出了相关的对策.     

黔东北高原斜坡地区4种岩溶地下水系统模式及特点——基于地貌和蓄水构造特征

受深切河谷地貌控制,黔东北大部分地区岩溶地下水深埋且排泄于河谷岸边,以快速的管道裂隙流为主,给地下水资源勘探开发带来了极大的困难,局部地区受蓄水构造控制形成勘探有利的地下水富集区。笔者基于地貌和蓄水构造将研究区岩溶地下水系统归纳总结为深切河谷型、向斜山地型、单斜夹层型和背斜槽谷型4类模式。深切河谷型岩溶地下水系统地下水水力坡度大,地下水以快速的管道流为主,排泄点低,开发利用方式建议直接在地下河出口或天窗中抽提地下水,经济效益明显地区可堵洞成库进行综合利用;向斜山地型岩溶地下水系统发育高位岩溶泉或地下河出口,排泄点高,适合直接引水利用;单斜夹层型岩溶地下水系统在岩性接触带出露一系列接触泉,排泄分散,开发利用方式建议直接利用或抽提岩溶泉水,受夹层隔水顶底板影响局部地区可钻井取水;背斜核部出露寒武系白云岩地层,导致背斜槽谷型岩溶地下水系统含水岩层均匀厚度大,分布大量非全排型岩溶泉,地下水开发适合抽提泉水或钻井抽取地下水。     

水力内割刀在中国东部海区科学钻探套管卡阻事故处理中的应用

中国东部海区科学钻探CSDP-02井完钻井深2843.18 m。为后续开展相关科研工作,完井后要进行扩孔钻进施工。扩孔前需起拔井内φ114 mm套管,由于套管在井内时间较长,井壁失稳,套管起拔遇卡,无法正常起出。采用水力内割刀工艺,分段割取遇卡套管,提高单次起拔遇卡套管长度,经济、高效地解决了该井套管卡阻事故。本文结合工程实例,对水力内割刀的使用方法及要点进行了阐述。     

芦山地震前后龙门山断裂带西南段地应力状态对比分析

2013年4月20日芦山Ms7.0级地震后,为研究龙门山断裂带西南段震后的地应力状态,应用水压致裂法和压磁应力解除法在该区开展了2个钻孔的原地应力测量工作。测量结果显示硗碛测点在128～188m深度范围内最小水平主应力的量值为10.47～18.47 MPa,最大水平主应力的量值为19.60～25.83 MPa,方向为N63°～85°W;天全测点在114～142m深度范围内最小水平主应力的量值为5.20～7.73 MPa,最大水平主应力的量值为8.21～9.31 MPa,方向为N59°W。两个测点水平主应力与垂直应力的关系均为σ_Hσ_hσ_v,其中硗碛测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为5.27和3.01,天全测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为2.60和1.76,表明有利于逆断层活动。通过比较该地区芦山地震前后实测地应力状态,发现芦山地震后,龙门山断裂带西南段的北段(即邛崃大邑西-宝兴北-汶川南一带)和南段(即天全-荥经-泸定-康定一带)应力积累量增加。相同深度范围内,北段硗碛测点震后的应力大小要比地震前有明显的提高,这也与硗碛测点地应力监测结果一致。实测应力方向与震前基本一致,都为NW-NWW。基于实测地应力资料,根据库伦破裂准则和Byerlee定律分析,位于北段的硗碛测点震前部分压裂段的最大水平主应力处于使断层滑动临界值的上下限之间,而地震后最大水平主应力则均已超过断层滑动临界值的上限。位于南段的飞仙关测点震前最大水平主应力均未达到断层滑动临界值的下限,而地震后天全测点的最大水平主应力则均处于使断层滑动临界值的上下限之间。采用最大剪应力(σ_1-σ_3)/2与平均应力(σ_1+σ_3)/2的比值μ_m(断层摩擦)参数评估研究区地应力的积累水平和地震危险性。震前硗碛测点μ_m的量值为0.16～0.72,平均为0.50,震后为0.71～0.81,平均为0.77。震前飞仙关测点μ_m的量值为0.31～0.35,平均值为0.32,震后天全测点μ_m的量值为0.53～0.57,平均值为0.55,两个研究区的μ_m的量值均变大。分析认为芦山地震后龙门山断裂带西南段的北段和南段的应力积累量增加,都有发生断层滑动的可能性,尤其是北段。