中高纬度地区河流水化学差异研究 ——以北极新奥尔松，南极菲尔德斯半岛和长江中下游水系为例

论文摘要

在全球碳循环的研究中,碳的源-汇不平衡问题引发了学者对碳汇缺失的研究。全球因岩石风化作用吸收的大气CO2含量高达6.08X 108 t/a,占到了碳汇遗失总量的1/3,因此有不少学者把焦点放到了岩石风化上。冰川的淡水资源储量占到了全球的78%,主要集中在极地地区。在全球气候变化的背景下,极地冰川极易受到影响而快速消融。研究表明,在冰川前缘消融地区,水-岩交换充分,岩石风化明显,化学剥蚀率相对较高。因此,受极地冰川消融影响产生的风化、大气CO2的迁移转化在全球尺度上对碳循环的影响是一个值得探讨的问题。岩石风化的程度可以通过水化学成分的特征来反映。水化学的研究不仅可以反演流域的环境变化过程,还可以了解各物质在自然界中的分布、迁移转化规律、水体与岩石间相互作用关系、物质与生物利用关系等。因此本文对极地区域（北极新奥尔松地区、南极菲尔德斯半岛）河流中的水化学特征分布、来源、控制因素等进行初步探讨,对极地的风化剥蚀情况进行了估算,并与中纬度地区长江中下游流域进行了对比。获得的主要结果与结论为:1.北极新奥尔松地区全球温度升高影响了北极新奥尔松地区的冰川融化。其中,Austre Lovenbreen冰川出现了明显的冰川消退,由其融水形成的海湾河的水化学主要体现了方解石的风化;Pedersonbreen冰川的冰川融水则主要体现出了白云石的风化过程。除以上碳酸盐风化外,新奥尔松地区水化学还反映了硅酸盐风化过程。经估算,硅酸盐风化速率为3.3 5±2.75 t/（km2·a）,碳酸盐风化速率为13.85±4.02 t/（km2·a）,总的风化剥蚀速率为17.20±6.12 t/（km2·a）。大气CO2消耗速率为142×103±41×103 mol/（km2·a）,相应的大气 CO2 消耗总量为 5.39×107±1.57×107 mol/a。对冰川融水金属元素的研究,本文通过迁移因子（MF,migration factor）的比较,研究了不同种类冰川融水中金属元素迁移并溶解到水体中的差异。发现冰川上融水中Pb和Zn等金属的MF值较高,表明可能存在人类活动的影响。通过该地区各金属元素在冰川融水、岩石、沉积物中的比较及迁移因子的变化,发现该地区Mn、Cd元素有优先向水体中迁移的趋势,胶体与金属的相互作用可能是影响新奥尔松冰川融水中金属含量的因素之一。2.菲尔德斯半岛分析了菲尔德斯半岛水系的水化学分布特征。本文采用两端元混合模式计算长城站附近玉泉河河水中水化学成分主要来源:冰川融水和冰雪融水的贡献比例。与大气温度、降水变化进行比较发现,温度的变化以及采样前一年冰雪的存量,会对河水水化学的组成产生影响。此外,通过CPA分析本文发现该地区水化学主要受到大气沉降的影响,此外还受到岩石风化的影响。海盐校正后,河流中的Ca2+*/Si 比表明次级矿物所引起的Si的损失及生物的利用过程是影响水体中Si含量的可能因素（“*”表示经过海盐校正的数据）。菲尔德斯半岛硅酸盐风化与碳酸盐风化速率分别为1.19±0.38t/（km2·a）,2.78±2.81 t/（km2·a）,总的风化剥蚀速率为3.97±2.82 t/（km2·a）。大气CO2的消耗速率为32.9×103±28.3×103 mol/（km2·a）,相应的大气CO2消耗总量为9.71×105±8.21×105 mol/a。从菲尔德斯半岛水系的入海硅通量的计算结果表明,菲尔德斯半岛水系中溶解态硅的浓度较低,并非其邻近海水中硅的重要来源。随着冰川的日益退化,大气沉降对菲尔德斯半岛地表水化学成分的影响可能会逐渐增加。3.长江流域对于典型的有人口聚居且环境复杂的长江流域,本文分析了长江中下游干流和支流的水化学特征及分布情况。通过与长江干流径流量的比较表明:径流量较大时常量离子浓度较低,表现出了一定的稀释作用;当径流量较小时,一些支流会对干流常量离子浓度贡献比例增大。长江中下游风化主要表现为碳酸盐风化,估算出长江中游和下游干流区间的岩石风化速率分别为76.95±11.93 t/（km2·a）,60.15±2.46 t/（km2·a）;岩石风化过程对大气 CO2 的消耗速率分别为 843 ×103±193 ×103 mol/（km2·a）,4100×103±14 ×103 mol/（km2·a）。其中硅酸盐风化占总的化学风化量的34%。4.对比不同环境下的流域风化情况结合北极新奥尔松、南极菲尔德斯半岛、长江中下游及文献报道的其它纬度的水化学数据与蒸发、降雨变化进行了比较,并绘制了岩石风化速率随纬度的变化关系图。通过比较发现:中纬度地区风化剥蚀强度、CO2消耗速率波动较大,普遍呈现高值;高纬度或极地部分地区也表现出与中纬度相当的风化量级。将收集到的典型河流数据绘制了岩石风化速率、CO2消耗速率随纬度的变化关系图。关系图显示岩石风化、CO2消耗速率的高值出现在中纬度地区,风化强弱受到流域内地质类型的影响。岩石风化阳离子三角图显示极地部分区域的小河流靠近Na+*+1K+*端,阴离子的风化三角图中靠近HCO3-*端元,结合基岩性质、风化情况、当地环境等信息,本文认为在极地环境下,即使以硅酸盐岩为基岩的部分流域,受寒冷气候、不断裸露的新鲜岩石、硅酸盐岩较难溶解等因素的影响,碳酸盐风化可能强于硅酸盐风化。本文同时比较了新奥尔松、菲尔德斯半岛以及风化较强的长江中下游的风化剥蚀情况,分别估算了碳酸盐风化过程与硅酸盐风化过程对大气CO2的消耗速率,结果显示,新奥尔松、菲尔德斯半岛风化过程对大气CO2的消耗速率均弱于长江中下游流域。

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摘要

ABSTRACT

第一章综述

1.1 研究意义

1.2 影响河流水化学组成的因素

1.2.1 岩石风化

1.2.2 蒸发-降雨

1.2.3 冰川消融

1.2.4 人类活动

1.3 国内外研究进展

1.3.1 国内研究进展

1.3.2 国外研究进展

1.4 本文的研究目的、研究内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究思路

1.4.3 研究内容

第二章观测与分析方法

2.1 研究区域

2.1.1 北极新奥尔松采样站位

2.1.2 南极菲尔德斯半岛采样站位

2.1.3 长江中下游采样站位

2.2 样品采集与保存

2.3 分析方法

2.3.1 常量元素的测定

2.3.2 碱度的测定

2.3.3 痕量金属元素的测定

2.3.4 营养盐的测定

2.4 海盐校正

2.5 数学统计

第三章北极新奥尔松地区冰川融水的水化学

3.1 引言

3.2 新奥尔松概况

3.3 新奥尔松地区水系常量、重金属观测结果

3.3.1 常量元素分布

3.3.2 痕量金属元素分布

3.4 新奥尔松地区水化学随时间的变化

3.5 岩石风化的贡献

3.5.1 新奥尔松地区岩石风化类型

2的消耗速率'> 3.5.2 新奥尔松地区化学风化速率与大气CO₂的消耗速率

3.6 新奥尔松冰川融水中的重金属

3.7 本章小结

第四章南极菲尔德斯半岛的小河流水化学

4.1 引言

4.2 菲尔德斯半岛概况

4.3 冰川河流水化学特征观测结果

4.3.1 物理化学参数及常量元素

4.3.2 玉泉河连续观测结果

4.4 菲尔德斯半岛地区水化学控制因素

4.4.1 主成分分析

4.4.2 化学风化类型

2消耗速率'> 4.4.3 菲尔德斯半岛化学风化速率与大气CO₂消耗速率

4.4.4 聚类分析

4.5 小结

第五章长江中下游流域的水化学

5.1 引言

5.2 长江中下游概况

5.3 长江中下游水化学分布特征

5.3.1 长江中下游观测结果

5.4 长江中下游的风化

5.4.1 长江中下游的化学风化类型

2的消耗速率'> 5.4.2 长江中下游地区化学风化率与CO₂的消耗速率

5.5 小结

第六章不同纬度河流与极地各地区河流的风化对比

6.1 引言

6.2 极地部分河流常量元素的分布

6.3 河流水化学组成控制机制的讨论

6.3.1 Gibbs三大控制因素与其它可能因素的讨论

6.3.2 风化特征对比

6.3.3 风化三角图对比

6.4 化学风化强度随纬度的分布变化

6.5 小结

第七章结论

7.1 主要结论

7.2 本文创新点

7.3 其他因素的考虑、存在的问题与展望

参考文献

附录1

附录2

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶利萍

导师: 张瑞峰,张经

关键词: 水化学,极地,新奥尔松,菲尔德斯半岛,长江

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 华东师范大学

基金: 河口海岸学国家重点实验室自主课题“北极生物地球化学研究:以王湾地区为例”(2011KYYW02),创新研究群体科学基金“高浊度河口及其近岸海域的陆海相互作用”(41021064),国家自然科学基金委面上项目(41676175)

分类号: P342

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