貢嘎山東北坡地表水地球化學特征及影響因素

陳 洋，白景文，楊 靖，劉美玉

（中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041）

高山地區是全球物質循環的起點，該區域礦物風化釋放的元素對全球物質和能量循環以及下游地區生態安全具有重要意義，如青藏高原向海洋輸入的物質占全球總輸入量的20%[1]。水是高山地區向下游傳輸物質和能量的主要載體，闡明高山地區地表水的地球化學特征及其影響因素不僅是正確認識高山地區元素地球化學循環和遷移的基礎，而且有利于評估其對下游地區生態和環境的影響。針對我國主要大型河流水化學特征的研究已取得一系列有益的研究成果[2-6]，對認識大空間尺度上的元素地球化學過程具有重要的作用。然而，目前針對大型水系源區高山小流域水化學的研究還少見報道。此外，由于大型河流沿岸通常是人口和工業集中區，其水化學特征受人類活動影響較大，較難通過大型河流的水化學參數分析其源區水體的地球化學特征，因此，有必要對江河源區水體地球化學特征進行研究。

自然界水體水化學受河流流經區巖性、 氣候、地形、土壤、植被和人類活動的共同影響。有研究認為，大部分情況下自然水體的水化學性質主要受地質條件的影響，其它因素的影響較小[7]。因此，通過研究自然水體的水化學性質，一方面可認清各種自然因素對水體地球化學特征的影響，另一方面也有助于對比分析人類活動對自然河流的影響程度。貢嘎山位于四川盆地與青藏高原的過渡地帶，人類活動較少，是研究自然狀態下江河源區小流域水體地球化學特征的理想區域。該區域冰川運動劇烈，降水量較大，凍融交替過程明顯，可能導致巖石風化作用較強；但年均溫較低，不利于水-巖的地球化學過程。這些地質和氣候因素如何影響該區域水體的地球化學特征，尚需開展深入研究工作。因此，本研究選取貢嘎山東北坡燕子溝和雅家埂流域，測定其水化學主要離子組成，分析控制該區域地表水水化學特征的主要因素，為理解自然狀態下江河源區水體地球化學特征及其主控因素提供案例。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

貢嘎系橫斷山的主峰，海拔達7 556 m，區內現代冰川發育。貢嘎山東坡主要由海螺溝、磨子溝、燕子溝、南門關溝和雅家埂等小流域組成，其中，燕子溝和雅家埂位于東北部（29°39′22″N～29°54′26″N，102°6′43″E ～101°57′36″E）（圖 1）。貢嘎山東坡主要受東亞季風的影響，降水主要集中在夏季，氣溫日較差較大。研究區燕子溝流域在大地構造上，位于川滇南北向構造帶北段西緣與青藏高原地塊的過渡帶上，自溝內小南門關溝口以下，左岸谷坡及右岸全部為二疊系下統的各種深變質片巖、石英巖和大理巖，流域內其余絕大部分幾乎為燕山期黑云母花崗巖，僅在西南角貢嘎主峰一帶分布燕山二期花崗巖[8]。雅家埂流域內以北西向為控制性構造，由一系列壓扭性斷裂和復式褶皺組成， 形成于印支期，并在燕山期發展強化，第四紀以來新構造活動以強烈的地震活動和水熱活動為主。雅家埂流域內出露地層較多，巖石類型多樣，主要為綠片巖、石英巖、夾板巖、大理巖、斜長花崗巖、石英閃長巖等[9]。貢嘎山東坡發育了完整的土壤和植被垂直帶譜[10]。中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所在海螺溝建有兩個長期氣象觀測站（海拔分別為1 600 m和3 000 m）。針對貢嘎山的研究也多基于海螺溝展開，對海螺溝的氣候、地質、水文、土壤、植物和自然災害等各個方面都開展了詳盡的研究[11]，而針對貢嘎山東北坡的研究較為少見。

圖1 采樣點位置圖Figure 1 The location of Mt.Gongga and sampling sites

1.2 樣品采集與方法

根據研究區水系特點分源頭區和干流區進行采樣，并在雅家埂的最高點采集積雪樣品（圖1）。研究區為典型的東亞季風控制區， 降雨多集中在6—10 月初，該時期也是積雪融化的主要時期，因此將采樣時間設定為2014年9 月下旬， 以獲取具有代表性的水體樣品。使用YSI 6600 現場測定水體pH值。采集的樣品使用干凈的PVC 瓶保存于0～4 ℃的保溫箱中。采集樣品后的24 h 內，先采用0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，后使用離子色譜儀（ICS-90）測定 Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-和 SO42-的濃度，CO32-、HCO3-采用滴定法測定，Si 濃度采用 ICP-OES（optima 8300）測定，總溶解固體（TDS）為各離子濃度之和。樣品測定過程中設置空白和標準樣品，并測定平行樣，測試精度±5%。水體主要離子來源采用Gibbs 圖進行分析，采用IBM SPSS22 軟件進行主成分分析；采用Origin?8.0 繪制所有圖件。

2 結果與分析

2.1 降水和地表水主要離子濃度

對所有采集的水樣和積雪樣進行離子成分及濃度，分析結果見表1。

表1 貢嘎山東北坡水體主要離子濃度Table 1 Concentrations of major ions in waters in the northeast slope of Gongga Mt.mg·L-1

結果表明貢嘎山東北坡地表水總體呈中性偏弱堿性，pH 平均值為7.33。雅家埂分水嶺的積雪樣品pH 比地表水更低， 平均值為6.15。積雪樣品的TDS 平均濃度為 3.71 mg/L，僅有 HCO3-和 SO42-被檢測到，其余離子濃度均低于檢測限。由于積雪和冰川融水是該區域地表水的重要補給來源[12]，通過雅家梗源頭區地表水較高的pH 值和TDS 含量可以看出，弱堿性及低TDS 含量的融水通過與巖石發生較強烈的水-巖交互作用， 對地表水的地球化學特征產生重要影響。

源頭區地表水TDS 濃度范圍為15.60～33.66 mg/L，平均值為22.19 mg/L， 顯著低于干流區的平均值84.71 mg/L（P＜0.05）。整個研究區水體 TDS 濃度平均值為 50.2 mg/L，低于其南邊的海螺溝（128 mg/L）[13]，也低于大渡河瀘定段（185 mg/L）[14]和長江水系主要干支流（248 mg/L）[15]TDS 濃度的均值。研究結果表明該區域的風化程度總體上較低。

研究區內絕大部分水樣的陽離子含量為：Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+，Ca2+始終是陽離子的最大組分。所有水樣的陰離子含量順序為：HCO3-＞SO42-＞Cl-＞CO32-。

2.2 Gibbs和陰陽離子三角圖

貢嘎山東北坡大多數地表水樣的地球化學組成均位于Gibbs 圖的巖石控制區內，但高海拔地區樣品的地球化學特征有接近于大氣降水控制區的趨勢（圖2）。由圖3 可知，該區域地表水陽離子主要位于陽離子三角圖的Ca2+一端，部分樣點有向（K++Na+）端靠近的趨勢，陰離子則主要偏向HCO3-一端。

3 討論與結論

3.1 水體主要離子來源

Gibbs 圖是一種半對數坐標圖， 可直觀地將河水組分分為大氣降水控制類型、巖石風化控制類型和蒸發—結晶型，是定性地判斷水體中離子來源的有效工具[16]。由圖2 可知，貢嘎山東北坡地表水水化學組成主要位于Gibbs 分布圖的巖石控制區內（圖2）， 一方面表明該區域水體中主離子主要來自于巖石的風化，另一方面也表明貢嘎山東北坡地表水目前受人類影響較小。盡管所有樣點的水化學組成均在巖石風化區內，但源頭區的水樣比干流區的更接近于大氣降水控制區，這說明貢嘎山東北坡高海拔地區地表水水化學組成除受巖石風化外，還受大氣降水較大的影響。

3.2 水體地球化學特征影響因素

圖2 貢嘎山東北坡地表水Gibbs 圖Figure 2 The Gibbs figure of hydrochemistry in the northeast slope of Gongga Mt.

圖3 貢嘎山東北坡地表水陽離子（左）和陰離子（右）三角圖Figure 3 Triangular diagrams of anions and cations in water of of northeast slope of Gongga Mt

在通過Gibbs 圖判定水體主離子的來源為巖石風化基礎上，可進一步通過陰、陽離子三角圖來判別水體中的離子主要來自于哪類巖石的風化。在三角圖中， 若水體主離子主要受蒸發鹽巖的影響，陰離子多位于SO42--Cl-線上，陽離子則偏向（K++Na+）端；若主要受碳酸鹽巖風化的影響，陰、陽離子則分別偏向HCO3-和Ca2+一端[7]。本區域地表水陽離子靠近Ca2+一端、 陰離子主要偏向HCO3-一端的特征表明該區域水體主離子組成主要受碳酸鹽巖風化的影響。貢嘎山東北坡巖石以硅酸鹽為主，但水體呈現出受碳酸鹽巖風化主導的特征。這主要由該地區的氣候和巖性特征決定的。區域內海拔較高、溫度較低，硅酸鹽巖很難被風化，因而，含量極少的碳酸鹽巖就首先被風化溶解。

水體Mg/Na-Ca/Na 散點圖是另一個定性判斷水體中離子來源的有效指標[17]。如圖4 所示，貢嘎山東北坡地表水Mg/Na-Ca/Na 散點主要位于碳酸鹽巖與花崗巖之間，但更靠近碳酸鹽巖。結果表明，盡管花崗巖對該地區水體離子有一定的貢獻，但碳酸鹽巖風化才是最主要的貢獻者。

圖4 貢嘎山東北坡地表水Na+的標準化比值混合圖解Figure 4 The scatter diagram of normalized Na+and other ion in waters of northeast slope of Gongga Mt.

硅酸鹽巖風化對水體陽離子總量（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）的貢獻率（（Na*+K+）/ TZ+）是一個半定量判斷硅酸鹽風化貢獻程度的指標[18]。水體中的Na+有2 個主要來源：硅酸鹽巖風化和石鹽的溶解。為消除石鹽溶解對Na+的貢獻，通常用Na+濃度減去Cl-的濃度（Na*=Na+-Cl-）來代表硅酸鹽對 Na+的貢獻[18]。貢嘎山東北坡（Na*+K+）/TZ+的平均值為 0.057±0.028，最高值為0.154（圖5），表明硅酸鹽對該地區水體主離子的貢獻較低，這也從另一個角度表明碳酸鹽巖風化的主導作用。該結論與蔣浩等對貢嘎山流域巖石風化速率的研究結果相似，他也發現硅酸鹽為主要基巖類型的高原自然流域，碳酸鹽巖的風化對水體主離子的貢獻達74%～90%[19]。

對主要離子進行主成分分析可進一步明確不同巖石類型對水化學的影響程度。如表2 所示，主成分分析提取的前3 個因子可代表8 個變量原始信息的89.56%。其中，第1 因子、第2 因子和第3 因子分別代表原始信息的60.0%、20.9%和8.6%。第1因子與 Ca2+、Mg2+、HCO3-和 SO42-的相關性最好，可代表碳酸鹽類礦物的風化。第2 因子與Si、Cl-和Na+的相關性較好，可代表硅酸鹽巖風化和大氣降水的貢獻。第3 因子則只與Cl-的相關性較好，表明了大氣降水的影響。

上述幾個方面的數據均表明，盡管貢嘎山東北坡的雅家埂和燕子溝母巖類型以硅酸鹽巖為主，但是，目前該地區地表水主要離子組成受碳酸鹽巖風化的影響，硅酸鹽巖風化的影響較小。在貢嘎山東坡海螺溝流域[12]、喜馬拉雅山[20]、瑞士阿爾卑斯山[21]的研究中也發現有類似結果。

圖5 貢嘎山東北坡不同海拔硅酸鹽巖分化對水體總離子的貢獻率Figure 5 The contribution rate of silicate weathering to total ions in water at different altitude in the northeast slope of gongga Mt.

表2 貢嘎山東北坡地表水離子主成分分析載荷Table 2 Component loading of major ions in surface waters in the Northeast slope of Gongga Mt.

3.3 結論

貢嘎山東北坡地表水主要離子組成中陰陽離子的質量濃度分別為：HCO3-＞SO42-＞Cl-＞CO32-；Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+。TDS 的濃度為 15.60～33.66 mg/L，平均值為22.19 mg/L，低于其下游的TDS 濃度，表明該地區風化程度較弱。

盡管燕子溝和雅家埂流域水體離子組成一定程度上受到大氣降水的影響，但地表水化學主要受巖石風化的影響。雖然硅酸鹽巖是該區巖石的最主要類型，但通過Gibbs 圖、水體陰陽離子三角圖以及水體主要離子主成分分析，結果均表明該區域的巖石風化以碳酸鹽巖風化為主。地表水的水化學類型為Ca2+-HCO3-。