现代岩溶学

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第一章
绪 论
中华人民共和国政府与联合国教育、科学及文化组织 (以下简称联合国教科文组织 )于2008年2月11日签订的关于在中国桂林建立联合国教科文组织国际岩溶研究中心的协定中明确提出该中心的第一个目标是促进 “岩溶动力学 ”的发展，此后，2008年2月23日国土资源部副部长、中国地质调查局局长汪民同志在全国地质工作会议的报告中指出，地质科学要大发展，需要通过实施一批巨大工程继续保持我国在岩溶动力学等领域的世界领先地位因此，有必要说明什么是岩溶动力学 、它有什么特点 、它是在什么背景下发展起来的，它的基本方法和理论成果，以及与社会经济发展的关系。
自20世纪70年代逐步发展起来的现代岩溶学有两个重要特点，一是引入了地球系统科学，二是从全球角度研究岩溶 (袁道先，2006)，中国岩溶不但以344万km2的总面积 (约占我国国土面积的1/3)为世界瞩目，而且由于中国大陆碳酸盐岩古老坚硬、新生代以来大幅度抬升、未受末次冰期大陆冰盖的刨蚀破坏以及季风气候水热配套 (夏湿冬干 )四个有利条件，岩溶发育完好，类型多样，使其在国际上具有范例性，但要把这种地域上的优势变为学科上的优势，则需要有新的学术思想，充分利用我们的地域优势，持之以恒地进行调查研究，进行国际合作对比，使用新技术新方法，不断提高研究水平，并探索将对自然规律或现象的新认识用于可持续发展战略，岩溶学采用地球系统科学的认识论和方法论，比地学中研究其他表生地质作用的领域要晚，它长期处于对纷繁的岩溶形态进行描述、分类，以及对其成因进行思辨的过程中，虽然岩溶学者在100多年前就已认识到化学溶蚀作用对岩溶形成的重要性，但是指导岩溶研究的学术思想，从地壳升降与水动力条件的相互作用开始，然后是水文地球化学 (水-岩相互作用 )到地球系统科学，经历了数十年，水-岩相互作用的学术思想把岩溶作用作为一种发生在岩石圈和水圈界面上的地质作用来研究，它在揭示岩性、地质构造和水文地球化学条件如何控制岩溶发育的规律上起到重要作用，1962年苏联学者提出岩溶发育有四个基本条件，即可溶岩、可溶岩能透水、有侵蚀性的水和不断运动的水，就是这种学术思想的很好概括，它曾被我国岩溶学术界广泛接受，其中 “有侵蚀性的水”这一条件，可以被理解为具有大气圈、生物圈的内涵，但并不明确，而且也可以作其他的理解，这样完成的许多有关岩溶发育规律的研究成果，常以岩性、地质构造和水文地质条件如何控制岩溶发育的论述而告终，但是，与碳、水、钙循环共存的岩溶作用，如果不紧扣在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈界面上的物质能量运动规律，即以地球系统科学为指导，就很难论述清楚。
1.由地球系统科学的引入到建立岩溶动力学基本理论
1987 ~1990年执行的国家自然科学基金项目 “中国东部岩溶地球化学研究 ”(编号 : 现代岩溶学4860145)，为将地球系统科学理论引入岩溶学研究作了理论上和方法上的准备，岩溶作用是在CO2-H2O-CaCO3体系中进行，而这个系统对环境变化的反应是很敏感的，该项目采用了一系列便携式仪器(pH计、CO2测定仪、电导仪、碱度计等)，采用现场系统监测的方法，以实际数据揭示了CO2-H2O-CaCO3系统中碳、水、钙在四圈层间循环的规律及其与岩溶作用方向 (溶蚀或沉积 )和强度的关系，例如，当有较多CO2进入系统中，则水的pH降低，溶蚀作用加强，反之则发生沉淀，同时，通过分布在不同地质、气候、水文、植被条件下的1931个岩溶水化学资料，结合溶蚀试验，揭示了不同环境下岩溶作用的规律和差别以及许多溶蚀形态和次生碳酸钙沉积形态的成因，这些科学思路和方法也为我们申请联合国教科文组织国际地质对比计划(IGCP299IGCP379、IGCP448、IGCP513、IGCP598)并连续执行这些项目打下了基础。
由此发展起来的岩溶地球化学及其一系列捕捉碳、水、钙循环行踪的野外工作方法，也为地球系统科学的学术思想引入岩溶学研究中起到了桥梁作用 (袁道先1990)，按地球系统科学观点，地球不同于任何其他已知星球之处，在于它具有一个由岩石圈、大气圈、水圈和生物圈构成的表层系统 (林海，1988，Mackenzieetal 1995)，生物圈在这个表层系统中具有特殊作用，因为它能够通过以碳循环为主的作用过程捕获、赋存、转化太阳能，驱动表层物质、能量循环，引发各种表层地质作用 (张昀，1995)，其中也包括岩溶作用，碳循环是一个 “二氧化碳-有机碳-碳酸盐 ”的系统，与CO2-H2O-CaCO3三相不平衡
2.开放系统相耦联，构成了岩溶动力系统，在这个系统中，物质、能量以不同方向、方式和强度不断地运动，产生了各种各样的地表、地下岩溶形态，它们或保存于碳酸盐岩的表面，或保存于碳酸盐岩及其衍生物的内部结构或成分中，这些岩溶形态既是各种资源储存、转移和各种环境问题发生、发展的场所，成为解决岩溶地区各种实际问题的基础，又保存着岩溶作用系统的大气圈、水圈和生物圈变化的大量信息，能够被人们用来研究、预测地球表层环境的变化从地球系统科学来看，岩溶作用是在碳循环以及与其相耦联的水循环、钙循环系统中碳酸盐的溶蚀或沉积，而各种岩溶形态就是这个复杂的循环系统的运动在碳酸盐岩上留下的轨迹，因此，岩溶动力系统可定义为控制岩溶形成演化，并常受制于已有岩溶形态的，在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上的以碳、水、钙循环为主的物质、能量传输、转换系统 (袁道先等，2002)，其结构可用图1-1所示的概念模型来描述，图1￣1概念模型表明，岩溶动力系统由固相、液相、气相三部分构成，固相部分为各种以碳酸盐岩为主的岩石及其中的裂隙网络构成液相部分为含有Ca2+(Mg2+)、HCO-、CO2-3，H+和溶解CO2为主要成分的水流，气相部分则以CO2为主的各种参与岩溶作用的气3体，由于岩溶动力系统是一个开放系统，其边界既受制于已有的地表地下岩溶形态，又与地球四圈层有着密切联系，在其固相部分，不但通过碳酸盐岩其中的裂隙网络而与整个岩石圈联系，而且还通过现代活动深大断裂与地幔联系，使深源CO2得以积极参与岩溶动力系统的运行并向大气释放，液相部分，实际上是全球水圈的一部分，它不但是岩溶动力系统的枢纽，而且通过它与生物圈、人类活动、大气圈联系 (如光合作用吸收水分和碳、水工建筑改变水的运动)，使它们积极参与岩溶作用 (溶蚀或沉淀)，气相部分属于大气圈的组成部分，也通过气体的CO2交换和生物圈、岩石圈及人类活动密切联系 (光合作
图1-1 岩溶动力系统
用、石灰的烧制、水泥的固化等)，使它们积极参与岩溶动力系统的运行，岩溶动力系统概念模型的提出为研究碳酸盐岩在全球碳循环中的地位和作用提供了理论依据和方法，它是一个开放的三相不平衡系统，与地球的 “四圈层 ”密切联系，其基本特征是对环境反应敏感，通过前期的研究，已掌握岩溶动力系统有四大功能①驱动各种岩溶形态的产生，并通过其所造成的地表地下双层岩溶空间结构和碱性地球化学背景导致一系列环境问题，如旱、涝、石漠化、水土流失、地面塌陷、生物多样性受限等，②通过岩溶作用由大气回收或向大气释放CO调节大气温室气体浓度，缓解环境酸化，③驱动元素迁移、富集、沉淀，形成有用矿产资源，影响生命，④记录全球环境变化过程，由于岩溶动力系统与全球四圈层的密切关系，它可以敏感的反应并忠实的记录各种环境因子，包括降雨量、气温、植被、地下水位与海平面升降、酸碱度等变化，为研究全球变化提供依据，可见，岩溶动力学对于岩溶地区一切资源、环境问题 (水资源、土地资源、矿产资源、岩溶旅游资源、岩溶塌陷、水污染和石漠化等 )都有触一发而动千钧之功能，是地球系统科学引入岩溶学后发展起来的现代岩溶学的核心理论，与全球变化、第四纪地质、全球水循环、全球生态系统、矿床与油气地质有广泛的学科交叉前景，可吸引地学界不同学科的广大学者参与研究，需要持之以恒地建设发展，对岩溶动力系统结构、功能、运行机制的正确认识，是科学合理地解决岩溶地区乃至某些全球性资源环境问题的关键。
2.定位自动监测揭示的岩溶动力系统运行机制和规律
在岩溶动力学基本理论的指导下，通过国际合作研究带动的技术方法不断改进，研究群体在岩溶动力系统运行机制和规律方面获得了大量新认识，如通过高分辨率自动化监测(pH、电导率、水温、水位等 )了解不同时间尺度下，岩溶系统水化学对降雨补给的响应过程，表层岩溶环境的控制因子和生物地球化学过程，证实了西南岩溶区典型表层岩溶泉水化学的季节变化、日变化与暴雨动态(Zhangetal 2005，Liuetal 2007)，这些变化说明对于东亚季风气候控制下的岩溶地区 (即温度、降雨和植被方面存在明显的季节性变化)，表层岩溶泉水化学取样的频率需要重新审定，而且水化学的连续监测对于岩溶作用强度和岩溶作用碳循环的高精度评价是十分必要的，同时，研究结果对利用岩溶记录进行高分辨率古气候环境重建具有重要的启示意义。
要了解岩溶系统水化学的变化，仅考虑水-岩相互作用是不够的，还必须重视CO2对岩溶系统中水化学变化的影响 (刘再华等，2003，2007)，即岩溶系统水化学动态的变化是CO2-H2O-CaCO3三者相互作用引起的，如发现岩溶裂隙水在洪水期间pH呈降低趋势，而电导率呈升高的不寻常变化，与此相反，对于岩溶管道水，同样是在洪水期间，它的pH是升高的，而电导率呈正常的降低，此外，发现洪水时裂隙水的二氧化碳分压 (Pco2)高于正常情况的Pco2，而它的方解石饱和指数(SIc)值比正常情况低，与此相对，对于管道水，尽管同一洪水期间其SIc降低，但Pco2也降低，从这些结果可以推断，至少有两个关键的过程控制着洪水期间的水化学变化，一个是雨水的稀释作用，另一个是水-岩-气的相互作用，然而，对于裂隙水来说，后者的作用可能更重要，即在洪水期间，高浓度的土壤CO2溶解于水中，则更具侵蚀性的水能溶解更多的石灰岩，从而增强水的电导率，而对于管道水，雨水的稀释作用更重要，总之，水-岩-气相互作用的概念必须引入岩溶水化学的研究中，地下河在西南岩溶区的水资源中占据重要的位置，是西南岩溶区重要的饮用水源，地下河因对人类活动敏感，地下河水质问题越来越受关注，典型地下河水水化学的监测结果表明，SO2-、NO3-离子含量在雨季出现峰值，Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子含量则降低，主要受季节变化控制，K+、Cl-季节变化较为复杂(Guoetal 2007)暴雨过程地下河主要离子含量并不完全受流量控制，这有助于我们更好地认识岩溶区相应的环境问题。
3.全球岩溶对比的收获 ——“岩溶形态组合 ”方法的应用和全球视野的中国岩溶
20世纪90年代初，由中国科学家提出的国际地质对比计划IGCP299项目 “地质、气候、水文与岩溶形成 ”获得批准，并于1990 ~1994年执行，由联合国教科文组织和国际地质科学联合会联合资助，由中国负责组织实施(Yuanetal 1998)，这为我们从全球视野研究岩溶提供了很好的机遇，通过全球不同物理、化学、生物学条件下的岩溶形态组合的对比，更深刻地揭示了岩溶形成机理，作为一个IGCP项目的建议国和组织国，首要的任务是充分利用中国岩溶的地域优势，带头做好国内对比，以推动全球岩溶对比研究，这一时期，国家自然科学基金项目 “中国典型地区岩溶的形成及其与环境的相互影响 ”(49070155)及时启动(1990~1994年)，原地质矿产部也在1992年启动了相应项目(8502218)，通过定位观测和对比，确定了中国大陆三种主要类型岩溶的形态组合特征，揭示了其各自的形成环境和机理(Yuanetal 1998，袁道先等，1999，袁道先，1999a，1999b)，以此为基础，组织8个国家的40多位岩溶学者进行了行程6700km，跨越中国三种类型岩溶 (南方亚热带潮湿型岩溶、西南高山与高原型岩溶和北方干旱半干旱型岩溶 )的对比，通过现场讨论，统一了IGCP299项目的学术思路和方法，同意采用由我们提出的“岩溶形态组合 ”(即在相同环境下形