四川黃龍景區“源水”成因淺析

萬新南 楊 菊 程溫瑩 羅 麗安德軍 唐 淑 臺永東

(1.成都理工大學“地質災害防治與地質環境保護”國家重點實驗室,成都610059;2.四川省黃龍管理局,四川 阿壩 624600)

1 地質背景

黃龍北距九寨80 km,南距成都約400 km,交通方便。鈣華景區發育于雪寶頂北側一條南北向溝中,海拔高度為3.0～4.5 km,坡降可達 8%～12%,全長3.5 km,其中心點地理坐標為東經103°50′,北緯 32°45′。黃龍溝屬涪江水系 ,氣溫在-10～18℃之間,年降水量約為 700～800 mm。

在地質構造上,黃龍處于以雪山斷裂為北界的雪寶頂褶皺推覆構造巖片區。該區主要構造線呈東西方向展布。地層巖性較為復雜,可分為基巖與第四紀松散堆積層兩大部分。基巖部分：以黃龍五彩池上游高地望鄉臺為界,以南主要分布泥盆系、石炭系、二疊系灰巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖等可溶性巖組;以北主要分布三疊系砂巖、板巖夾灰巖及志留系(雪山斷裂以北)板巖夾薄層灰巖等非可溶性巖組。第四紀松散堆積層部分：同樣以望鄉臺為界,以南主要是黑色泥質物(海拔高度4.0～4.5 km)與巨型角礫碎塊(海拔高度3.6～4.0 km)為主,黑色泥質物可能由早期鈣華風化改造而來,直經為20～100 cm的角礫為基巖風化破碎而來,其厚度估計在20～50 m不等;以北則是鈣華堆積物,主要堆積在非可溶巖上。

2 “源水區”水源形態與展布

2.1 “源水區”基本特征

黃龍“源水區”是指五彩池以南的溝源區,海拔高度在3.55 km以上的溝源部分。其地形可分為三個臺地(圖1)：第一臺地是從轉化泉群往南上一近15°～20°的陡坡至望鄉臺臺面,近地表流水溝處以巨大角礫巖塊為主,兩側以深厚草叢矮灌木為主,濕度極大。從平臺中心往南行300 m翻一小坡,則進入第二平臺。它以沼澤化的黑色土壤層與腐殖層為主,分布面積大,見三條緩坡降的溪溝匯流于此臺地,并見多個淺層“泉水”滲流進入溝中。第三個臺地則是溝后緣至黃龍溝主分水嶺處,主要由祼露碳酸鹽巖組成,以灰巖、白云巖居多,次為板巖。巖層變形強烈,裂隙發育;同時,該臺地處高寒區,寒凍風化作用強烈,易于形成石灘和石海。特別是溝上游,碳酸鹽巖形成了較厚的寒凍風化層,基巖裂隙發育,較平坦區上的高寒崩積物堆積較厚,為上游地下水儲積提供了較好的滲透與儲存條件,為下游鈣華沉積提供了較充分的物源。各臺地與臺地斜坡區,廣泛發育有粗粒或細粒砂泥及鈣華泥砂堆積物,結構松散。在這些松散砂泥之上,灌叢草甸普遍繁茂,且腐殖層厚實。海拔高度3.55 km以上開闊平坦、坡降較小的溝谷區,有利降水大面積下滲,成為下游地下水與地表水補給的重要來源。

圖1 黃龍景區地質剖面與徑流分布圖Fig.1 Geologic section and runoff distribution

2.2 源水區主要水體與展布

黃龍溝主要水源有四類,即冰雪類固態水、溪溝類地表水、泉水與滲水類地下水、植被腐殖層涵養的生態水。

2.2.1 冰、雪類固態水

主要為每年10月下旬到次年3月份的大氣降雪及積雪壓實的冰層。黃龍地區每年11月份至次年4月份,海拔高度3 km以上均處于凍結狀態;3.8 km以上地區冰雪覆蓋狀態延續時間很長,局部地段可整年積雪與冰封。此期間,黃龍溝中除以轉化泉(本稱轉花泉,當地人改稱轉化泉)為代表的上升泉群及緊鄰的五彩池有少量流動的水外,其他地段幾乎無液態水。因此,黃龍溝中每年11月份開始地表水流急劇減少,液態水轉變為固態水。每年4月下旬-5月上旬天氣變暖,冰雪開始融化,融化水將直接補給地表溝溪或滲入地下。

2.2.2 溝溪類地表水

源區地表水主要來自轉化泉群(其周圍有6～7個小泉,故稱轉化泉群)后緣望鄉臺以上高山溝谷中的幾條溪流,總徑流量較大,目估流量達1～2 m3/s,豐季可適度增大,是鈣華景區水體的重要組成部分。它不僅涵養鈣華,還參與鈣華源泉的混合及二次循環過程。黃龍源區地表水來源于海拔高度4.5 km以上的上游大氣降水包括融雪融冰的補給。

以轉化泉為界分為上游漫流溝流區與成景集流-潛流區(圖1),前者總匯水面積遠大于后者。望鄉臺上游有一主干溝流,連接多條小支溝與不同高程平臺上的濕地、漫流。在望鄉臺與轉化泉群之間形成總泄水溪溝,幾乎常年有水,并在完全轉化為漫流潛入鈣華堆積前,形成了溪溝末端黑色鈣華池壩。這些鈣華池壩有的還在生長,有的已完全消失。這是地表溝水直接形成鈣華池的典型實例。說明鈣華池的形成并非是惟一的“深層地下水”成因,含鈣較高的溪溝水在一定地形、氣候、生態環境下也可形成鈣華。上游表流與漫流也并非以固定模式流動,在不同地段,或不同季節,將時而為表流、時而滲入地下、時而為漫流,不斷改變水流儲存與運動方式,并不斷獲取鈣離子,提高礦化度。

上游漫流、溝流區的地表滲流可以發生在整個源區,集中滲流發生在望鄉臺后緣較平坦寬闊處。此處是獲取Ca2+與從植被層獲取CO2的有利地帶,地表水沿表層腐殖層、根系土壤層及望鄉臺前緣斜坡巖石-鈣華風化堆積物孔隙進入地下,利用略為異常的地溫加熱補給轉化泉群;也可能與地下低溫水混合形成7℃左右的低溫泉,有的又直接出露于地表形成冷泉(2～4℃),有的則從溝側滲入溪溝兩岸下游低地松散堆積物中轉為表層地下滲流。

2.2.3 以泉與滲流為主的地下水

源區地下水以眾所周知的轉化泉群為代表、經不同深度的地下循環溢出地表,出露于望鄉臺松散鈣華堆積體下,呈東西方向線性展布(圖2)。近地表溝溪以轉化泉為中心的(1號、2號、3號)泉特征相似,其流量最大,而高程不一、流向不一,高程低者匯流向西補給西邊(4號泉);而高程高者則流向東,匯入溪溝(圖2)。各泉水中Ca2+和HCO3-及游離CO2含量較高,除冷泉外,泉口在豐水期有大量的氣泡逸出;而在枯水期(12月至次年4月)基本沒有氣泡,且泉水面被一層黑色飄浮物覆蓋,不見水流外溢。

圖2 源水區徑流過程示意圖Fig.2 The process of original runoff water

轉化泉群中的特殊泉則是5號冷泉,其出露海拔高度比該泉群中的其他泉略高,而溫度始終低于其他泉,受氣溫影響更大,夏季溫度為4～4.2℃,冬季為2℃左右;流量與其他泉相當或略小。

除泉群較為固定存在外,在泉群帶還分布有大量的“濕地”、“微型池洼”與間歇性小泉,它們同樣具有較高鈣含量、礦化度與電導率;不同的是,它們可因季節不同,而存在位置、池洼水面面積、水深與流量的不同。它們與泉群一起共同構成黃龍景觀的重要“水源”。

2.2.4 茂密植被儲存的“生態水”[1]

源區植被發育,大多為低矮灌叢、草甸,根系發達,腐殖層較厚,黑色土壤疏松,形成了分布連續的生態水層,局部水量豐富區具有濕地特征。它為黃龍源水區的水文循環、固態水-地下水-地表水轉換及鈣質、CO2的傳輸提供了一個非常大的暫儲、轉換空間,是黃龍景觀存在的重要影響因素。根據森林水文學研究,原始森林區對降水的截留可達降水的30%左右,因而生態水層提供的水量是黃龍景觀存在的一個重要支撐。

3 “源水區”地溫場與化學場特征

3.1 源水區地溫場

源水區地溫場較為特殊,以轉化泉為中心,形成了一個局部地溫異常帶,其范圍是以1號、2號、3號、4號、6號泉為中心(圖2),組成長條形帶狀區。在冬季降雪時段,該地段積雪時間短,而融雪最快,該地段地溫保持在6～7.5℃左右。而在離4號泉南西300 m高地出露的5號泉則顯示淺表水特征,其水溫在2～4℃左右,冬季多次測定為2～3.2℃,夏季為 4～4.2℃,與地表水溫度相當(地表水測溫為4℃)。不管哪個溫度區,其水溫都會受降水與氣溫影響[2]。

根據區域地溫梯度(如地熱增溫為0.1℃/km,或異常地熱增溫0.3℃/km)來推斷泉水循環深度,所得結論只能是100 m或200 m左右,這需要設定當地基礎地溫為0～5℃。據常規統計,天然泉水溫度一般在10～16℃之間,均屬淺表性地下水范疇;溫度達20～50℃者進入地溫異常區。而黃龍泉水常年維持在6℃左右,明顯低于常規地下水;個別低達2℃：顯然,作為深源地下水處理值得商榷,用深層高溫水與淺表低溫水混合成因來解釋也難以自圓其說。

3.2 景區內“源水”化學場

源水區水溫場直接與化學場密切相關,溫度高者電導率高,Ca2+,Mg2+,HCO3-和游離CO2等指標也相應較高。如1～3號泉礦化度(質量分數)為1.0‰～1.2‰,4～6號泉礦化度隨溫度降低,分別為0.996‰,0.793‰,0.615‰;特別是5號低溫泉礦化度已接近地表溪水0.5‰。

源水區水化學場分三部分,一部分是降雨降雪為主的降水,其礦化度十分低,為0.03‰～0.20‰;二是以地表溝溪水為主的水化學場,礦化度為0.4‰～0.6‰;三是以地下水(轉化泉群)為主體的地下水化學場,其礦化度為0.7‰～1.2‰。不同水體的電導率,pH值、鈣含量都表現出相同數量級的變化規律,反映了三者之間的內在轉化過程。

根據對不同水體(降水、地表水、地下水)在同一環境(氣候、溫度、地點基本相同)下分別采樣,發現降水在經過滲流后礦化度與含鈣量明顯增高,特別是雨季或融雪季節望鄉臺上游地表水礦化度與鈣的質量分數保持在0.40‰～0.55‰的水平;轉化泉群附近下游,降雨后出現的滲水積水塘礦化度也可達0.5‰～0.6‰。可見天然降水在較短的時間段中也能提高自身的礦化度。

4 “源水區”水文循環與動態分析

4.1 水文循環特征

黃龍水文循環非常特殊,很難根據地表工作確定其水文循環過程。早期一些研究大多認為黃龍水文循環是轉化泉處的深大斷裂導水而致[4]。轉化泉群位于斷層附近。似乎較為合理地解釋了黃龍的特殊性。“深部循環說”主要支撐是根據泉水中13C測定及地質構造的推測,具有一定的科學基礎[4],但不能解釋泉水溫度對氣溫的敏感性、流量對降水的敏感性及下游流量對融雪的敏感性。

以轉化泉為代表的上游鈣華源泉水群包括8個泉,出露的海拔高度為3.56 km左右。鈣華泉流量隨季節變化較明顯,一般每年5～10月份流量較大,11月份至次年4月份流量較小,其中7～8月份(個別10月份)流量最大,2～3月份流量最小(圖3),受降雨融雪影響較大。

圖3 1987年源泉月平均及總流量變化曲線圖Fig.3 The transformation curve of the month average and total flow in 1987

圖4 鈣華源泉5～10月平均流量多年變化曲線圖Fig.4 The transformation curve of month average flow of calc-sinter original water from May to October

從鈣華源泉流量多年動態變化曲線圖(圖4)可以看出,鈣華源泉流量10多年來枯季流量基本穩定(但1993年至2001年略有減少的趨勢,2002年又有所升高)。在枯季主要鈣華泉已無水外溢,成為漂浮一層腐爛枯葉膜的“積水池”。松散鈣華層中的地下潛流足夠維持五彩池常年溢水需求。實際上本地區即使存在深大斷裂,也無法溝通其他水源,目前也無證據存在遠源地下水源。以上分析更可能說明的是上游鈣華層中的潛流才是真正穩定的補給源。

黃龍水文循環雖然復雜,但源水區的水文循環又相對簡單。從以上水溫場、水化學場與地表水、地下水動態變化分析判斷,實際上望鄉臺最高臺地是以地表水漫流為主,第二臺地基本是松散堆積物,有角礫、鈣華泥、矮權叢、草甸,更有黑色厚層腐殖土,具有飽水、滲水與儲水功能。對表層松散土取樣分析,其成分以鈣鎂為主,含水率高達60%～80%,其生態水、地下水十分豐富。推斷該松散堆積物應屬地質歷史上的鈣華沉積物演化而來,使其成為了整個黃龍溝的“地下水補給庫”與地下水獲取“鈣離子、重碳酸根離子”的“制造地”。而最低的一個臺地,草甸、矮權叢更為發育,腐殖層更厚,成為地下水的“儲存庫”,并進步獲取“鈣離子”與游離CO2。為證實以上推斷,對從上游地表水與泉水C和O同位素采樣分析,表明上游地表水與地下水不但同源,而且同齡,因為其C和O同位素測量值幾乎相同[3]。

4.2 “源水”動態分析及對景觀的影響

黃龍在20世紀80年代水量豐富,幾乎常年全溝段流水潺潺,池水充盈。近年來,黃龍水量急劇減少,即使是夏季豐水季節,可觀賞的也只有幾個景點,如流芳池、蓮臺瀑布、金沙鋪地、五彩池等,前三者受季節影響極大,后者較穩定。2003年氣候條件大為改善,降水頗豐,但景觀還是不容樂觀,大量的鈣華景觀出現了邊石壩坍塌衰退現象。這些現象的出現與黃龍景區內水源區水量變化關系不大,但與其水質與地下水運移途徑的變化有著密不可分的關系。

雖然黃龍“源水區”流態與流量均較為穩定,常年呈漫流狀態進入五彩池,保持五彩池穩定的供水與鈣華邊石壩的溶蝕-堆積的平衡;但地表水在五彩池溢流后迅速轉入地下,經過后寺至中寺約1.5 km的鈣華層地下潛流,只有部分再返回地表。這表明黃龍的五彩池下游段流態發生了強烈變化,即早期的漫狀水流由片狀緩流轉變成為束狀急流,對鈣華體產生機械沖刷侵蝕,支離早期形成的透水性較差的鈣華體,形成較強的地下管流,對景觀有著極強的破壞性。正因為如此,使得部分彩池在平水季節早早干枯;即使降水量很大,迎賓池昔日景觀也很難恢復如初。因而黃龍景區的保護與退化景觀的修復還必須從源頭開始。

5 結論

黃龍景觀“源水區”水量、水質與水溫受降水與季節影響較大,其變化波幅直接反映降雨或融雪特征。可以推斷泉群的地下水補給源并非遠源補給,其循環深度也非常有限。導致鈣華泉中的含量較高因素除能直接從上游鈣華體與植被根系中獲取外,另一重要因素是局部地溫異常。這里不排除局部深源的存在,有深源不等于“深源地下水”補給。

[1]萬新南,楊武年,吳炳方,等.“生態水層與生態水”的概念及研究意義[J].地球科學進展,2004,19(增刊)：117-121.

[2]萬新南,李云貴,楊俊義,等.九寨溝-黃龍景觀及地質環境演化趨勢研究[R].成都：四川省國土資源廳,2003：32-54.

[3]楊俊義,萬新南.九寨溝-黃龍世界自然遺產區地質及水循環系統[R].成都：四川地勘局區域地質調查隊,2001：41.

[4]劉再華,袁道先,何師意,等.四川黃龍溝景區鈣華的起源和形成機理研究[J].中國巖溶,1993,13(1)：185-191.