黔西南喀斯特洞穴沉積物粒度特征分析

張育林，王恒松，程 星，涂 鑫，張輝華

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550025； 2.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴州 貴陽550001； 3.黎平縣國有石井山林場，貴州 黎平 557300)

喀斯特地區洞穴形成的主要驅動力是水文因素，洞穴中的沉積物是洞穴形成演化和地表、地下水文作用的產物，隱藏著大量的地理環境信息[1]。洞穴環境條件特殊，受外界影響較小，洞內沉積物較穩定，能保持相對較高的沉積連續性，因此能很好地反映洞穴發育演化過程及氣候變化規律。借鑒前人以洞穴內地下河沉積物揭示地下水文環境特征與沉積過程的研究方法[2-4]，本研究采集北盤江唐家大洞沉積物，分析其粒度分布特征、平均粒徑、偏度及峰度等，并采集洞穴基巖進行溶蝕試驗，分析喀斯特洞穴的發育演化特征及沉積物沉積機理，以揭示喀斯特洞穴沉積物的沉積過程及地下水文變化情況。

1 研究區概況

貴州花江峽谷石漠化治理示范區位于貴州省西南部貞豐縣以北和關嶺縣以南的北盤江花江河段，地理位置介于東經105°36′30″～105°46′30″、北緯25°39′13″～25°41′00″(圖1)，屬于向斜構造形成的北陡南緩的寬谷套峽的疊置谷，屬珠江流域。研究區出露地層以中、上三疊統地層為主，巖層厚度大，碳酸鹽巖占95%以上；海拔500～1 359 m，氣候帶垂直分異明顯，其中海拔850 m以下屬南亞熱帶干熱型河谷氣候區，海拔900 m以上屬中亞熱帶河谷氣候區；春冬季溫暖干燥，夏秋季悶熱濕潤，年均氣溫18.4 ℃，年均降水量為1 100 mm，5—10月降雨量可達年降雨量的83%；受地質巖性與地層構造因素影響，研究區巖溶發育，河谷深切，植被覆蓋率低，成土過程緩慢，地下水下滲匯流于北盤江花江河段。研究區為典型的喀斯特中山峽谷地貌，屬于重度喀斯特石漠化地區，是貴州省生態環境較為惡劣的典型巖溶貧困地區之一。

圖1 唐家大洞基本信息及采樣點位置示意

唐家大洞位于貴州花江峽谷石漠化治理示范區內。該洞發育在二疊系石灰巖巖溶溝谷之中，洞口海拔1 021 m，洞口坐標為105°38′10″E、25°38′26″N。洞穴主體沿北偏東12°方向發育，屬于新近脫水的洞穴，受碳酸鹽巖巖性影響洞內縱向剖面發育不穩定，可以看到早期地下河面，而在距離洞口70～100 m處堆積有大量沉積物。

2 采樣與試驗方法

2.1 樣品采集

本研究沉積物粒度試驗樣品取樣點位于距洞口約78 m處。取樣時間選在枯水期(2016年12月)，沉積物露出，對沉積物進行開挖并采集樣品。從沉積物底部垂直向上采集樣品，開挖深度為0.5 m，共采集土壤樣品5個，依次命名為HJ-05、HJ-04、HJ-03、HJ-02、HJ-01。溶蝕試驗的巖石樣品采集于唐家大洞內的5塊巖石(分別位于洞口、洞頂及洞內)，分別命名為HJYS-1、HJYS-2、HJYS-3、HJYS-4、HJYS-5，將巖石樣品切割成邊長為2～2.5 cm的正方體樣本，以方便后期放入燒杯進行溶蝕試驗。

2.2 試驗方法

2017年3月23日在中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室內進行沉積物土壤樣品粒度測定。粒度測定流程為：先提取0.25 g自然風干的土壤樣品放入燒杯，由于樣品黏粒級組分的主要成分為黏土礦物，具有黏結性，因此在樣品預處理時加入分散劑(NaPO3)6，以防黏粒組分的團聚和黏附；然后向燒杯內注入濃度為10%的H2O2試劑，靜置12 h以確保去除土壤樣品中的有機質，待反應結束后繼續加入10 mL HCl與土壤樣品進行反應，直到加入HCl試劑土壤樣品不再反應，以去除樣品中的次生碳酸鹽，反應完全后將燒杯靜置24 h。在上述化學反應結束后，利用MASTERSIZER 2000激光粒度分析儀(測試量程為0.02～2 000 μm)對土壤樣品進行粒度測定[5]。

溶蝕試驗將巖石樣品放入燒杯中，每個燒杯注入10 mL HCl試劑，5個樣品同時進行溶蝕試驗，浸泡72 h，每2 h對樣品進行翻查，使HCl試劑與樣品進行充分反應，觀察樣品被HCl侵蝕的過程，視反應程度補入HCl試劑，使樣本始終浸泡在試劑中并進行詳細記錄。根據溶蝕試驗的數據進行分析計算，通過巖石樣品質量與試驗時間計算出溶蝕速率(Rv)和溶蝕率(R)。

2.3 數據處理

收集整理MASTERSIZER 2000激光粒度分析儀得出的粒度數據，按烏頓-溫德氏提出的粒級標準[6]，將土壤樣品粒度經對數轉化成等比制粒級Φ值，計算公式為

Φ=-log2d

(1)

式中：Φ為土壤顆粒直徑轉換值；d為土壤顆粒直徑，mm。

Φ5、Φ95、Φ16、Φ84、Φ25、Φ75、Φ50分別代表累積頻率曲線上百分比含量為5%、95%、16%、84%、25%、75%、50%的粒徑(Φ)值。利用Folk-Ward公式[7]計算平均粒徑、標準偏差、偏度和峰度。

3 結果與分析

3.1 粒度參數特征

平均粒徑描述的是沉積物的平均粒度，通過平均粒度能反映沉積物搬運營力的平均動能[8]。由表1知，測試的5個土壤樣品平均粒徑最大的是HJ-02，Φ值為6.64，最小的是HJ-01，Φ值為5.65，唐家大洞沉積物各土壤樣品平均粒徑均值(Φ)為5.94。

表1 唐家大洞沉積物土壤粒度參數

分選系數是通過標準偏差(δI)來表示的，它反映了土壤樣品粒度分布與平均粒徑之間的差異特征，通常作為區分沉積物分選程度的標準[9]。唐家大洞沉積物5個土壤樣品的分選系數最大值為2.05，最小值為1.79，平均值為1.96。以標準偏差確定的6個分選級別中，δI=1.00～2.00屬于分選較差，這表明唐家大洞沉積物土壤樣品分選性較差。

偏度反映的是沉積物粒度頻率分布的不對稱性特征及介質搬運營力的大小，描述曲線峰態特征及變化[10]。唐家大洞沉積物5個土壤樣品全部呈現負偏態，偏度值最大為-0.23，最小為-0.29，平均值為-0.26，說明沉積物以細粒徑顆粒為主，且分選性較差。

峰度表示曲線兩端與中間分選性之間的比率，描述沉積物粒度頻率曲線峰型的寬窄程度[11-13]。根據土壤樣品的峰度值判斷存在兩種峰型，其中峰度值>1為窄峰、<1為寬峰。唐家大洞5個沉積物土壤樣品峰度值變化范圍為0.92～1.05，其中寬峰樣品為2個、窄峰樣品為3個，主要以單峰態結構存在。

3.2 粒徑分布特征

根據粒徑自然分布頻率曲線(圖2)，土壤樣品粒徑分布特征趨近一致且以單峰形態為主。HJ-02主峰在0.399～282.508 μm區間，其百分比含量為0.1%～4.07%；HJ-03主峰在0.399～355.656 μm區間，其百分比含量為0.01%～3.89%；HJ-04主峰在0.399～282.508 μm區間，其百分比含量為0.09%～3.74%；HJ-05主峰在0.399～282.508 μm區間，其百分比含量為0.12%～3.82%；HJ-01的粒徑分布曲線與其他樣品的略顯不同，主峰在0.356～178.25 μm區間，其中0.7～50 μm占據了相當部分，其百分比含量為0.12%～4.66%，次峰在178.25～399.025 μm，其百分比含量為0.01%～0.13%，主峰偏向細顆粒方向，且峰度最高，是唯一峰態存在雙峰的樣品。分析可知，沉積物表層HJ-01土壤粒徑最小，隨沉積時間增加樣品土壤粒徑自然分布頻率曲線存在峰度逐漸平緩的趨勢。

圖2 粒徑自然分布頻率曲線

表2為洞穴沉積物土壤顆粒結構特征。根據表2，隨取樣深度增加沉積物土壤顆粒含量在不同粒徑區間有所變化。由圖2分析知，HJ-02到HJ-05樣品的粒徑分布特征基本一致，且相比HJ-01樣品平均粒徑較粗，推測這4個樣品的沉積過程可能發生在降雨較多的雨季，地表徑流從洞口進入，帶來大量泥沙堆積于洞底；而HJ-01樣品沉積過程可能出現在流域內洪水事件發生率較低或降水量較小的時段，也就是說HJ-01樣品可能是在洪水事件或較大降雨發生后，地下河水流逐漸減小，通過較小的水流并借助洞穴地形不斷沉積形成的。

表2 洞穴沉積物土壤顆粒結構特征

3.3 洞穴碳酸鹽巖溶蝕率、溶蝕速率

對唐家大洞巖石樣品進行溶蝕試驗，根據試驗數據計算出溶蝕率及溶蝕速率[14-15]，見表3。溶蝕率的計算公式[14]為

R=Ms/M×100%

(2)

式中：Ms為樣品溶蝕量，g；M為樣品原質量，g；R為溶蝕率，%。

計算得出巖石樣品溶蝕率HJYS-1為26.00%，HJYS-2為13.29%，HJYS-3為15.96%，HJYS-4為10.08%，HJYS-5為8.60%，平均溶蝕率為14.79%。巖石樣品溶蝕速率的計算公式[15]為

Rv=Ms/T

(3)

式中：Rv為溶蝕速率，g/h；Ms為樣品溶蝕量，g；T為溶蝕時間，h。

得到樣品溶蝕速率HJYS-1為0.118 g/h，HJYS-2為0.082 g/h，HJYS-3為0.11 g/h，HJYS-4為0.063 g/h，HJYS-5為0.046 g/h。

表3 唐家大洞巖石樣品溶蝕率和溶蝕速率

4 結 語

洞穴沉積物與地表河流沉積物的粒度分布特征有所不同。洞穴沉積物的粒度分布主要受氣候條件、水文特征及沉積環境等因素的影響，相比地表河流沉積物所受到的眾多外界控制因素，洞穴沉積物的沉積環境相對穩定且在沉積過程上具有規律性、連續性，通過研究洞穴沉積物的粒度分布特征，可以了解其沉積環境及氣候變化。本研究采集北盤江唐家大洞沉積物進行試驗研究得出以下結論：

(1)研究區屬于石漠化地區，洞穴內的泥沙搬運和土壤沉積主要受地下河及降雨量的影響。在唐家大洞采集的沉積物土壤樣品以黏粒、粉砂及細砂3個粒級為主，其中細砂和粉砂所占百分比含量之和在75%以上。根據圖2分析結果，下層HJ-02至HJ-05土壤樣品的粒徑分布特征基本一致，相比HJ-01土壤樣品平均粒徑較粗。據此，我們推測：前4個土壤樣品的沉積過程可能發生在降雨量較大的雨季，地表徑流從洞口進入，帶來大量泥沙堆積于洞底；而表層土壤樣品HJ-01的沉積過程可能發生在相對持續的流域內洪水事件發生過后或降水量較小的時段，因為洞穴地下河流在降雨量較小時水動力減小，洞穴古河道河流水位穩定或水動力較弱，只能搬運一些粒徑較小的砂粒。同時，洞內沉積物不斷增加也反映出洞穴所在流域范圍內地表植被覆蓋率低，地表侵蝕較為嚴重。

(2)根據沉積物表層HJ-01與下層HJ-02至HJ-05土壤樣品粒徑分布特征，可以得出洞穴沉積物沉積過程中可能存在降雨量大、小兩種情況且二者相互交替具有循環性，這也揭示了地下洞穴受氣候和喀斯特作用影響，地下水位增長滯后于地表水位增長，地下河在雨季流量增加但相對穩定，表現在洞穴土壤沉積環境相對穩定，沉積過程主要受水文環境與碳酸鹽巖溶蝕程度影響。

(3)溶蝕試驗數據分析結果表明，研究區地表溶蝕極其嚴重，由于碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖層組相互交替或鑲嵌，受水流作用影響洞穴主要沿地層裂隙方向發育。地表徑流形成條件差，表層巖溶水屬于快速垂直入滲無調蓄排泄型，借助洞穴到河谷的極大高差，巖溶水獲得了較大的勢能，通過洞穴及地下管道排泄，最終匯集到河谷中，在徑流過程中巖溶水攜帶泥沙沉積于落水洞或洞穴底部。

(4)通過洞穴沉積物粒度特征來分析土壤沉積過程及地下古河道的環境，是研究洞穴形成發育過程及區域氣候變化規律的一種新途徑，與洞穴石筍研究相比，這是一個相對可持續的研究方法。未來如果在沉積物粒度和洞穴石筍的基礎上再加入沉積物測年的分析要素，通過三方面來對洞穴發育及氣候變化進行研究，將會為區域生態環境修復提供更加可靠的理論依據。