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教学研究

归档日期:10-19       文本归类:大冶组      文章编辑:爱尚语录

  :奉节县九里村位于重庆市东部,属亚热带湿润气候,受印支运动影响,境内出露三叠系灰岩,白垩纪时,受大巴山和川鄂湘黔带的影响,隆褶成山。龙慈沟是九里村北东方向的一个峡谷。通过观察发现:龙慈沟间歇泉发育有潜水湖和上下两个排泄口。因为与地表联系紧密,该泉上口的流量与断流时间受控于大气降水,因而影响该泉水化学组成的主要因素是大气降水。得出较高的值,显示本地区人类不合理的农业活动影响着地下水水质,警示着我们应合理利用和保护地下水。

  奉节位于重庆市东部山地,长江三峡西口。地跨30°29′19N—31°22′33N,109°1′17E—l09°45′58E,南北长97.7km,东西宽71.4km,面积4099.28km2。东连巫山县,南接湖北省恩施自治州,西邻云阳县,北依巫溪县。

  九里村(长安土家族自治乡政府所在地)位于奉节东南,其西面是兴隆镇,东北毗邻巫山县庙宇镇,南接湖北恩施州建始县。九里村经纬度大致为30°49′54N,109°33′29E,海拔526m。

  龙慈沟间歇泉位于九里村北东方向的峡谷内,经纬度30°50′24N,109°33′26E,海拔350m。

  奉节县属地史上扬子地台之一部,经过几十亿年发展变化。在太古代(距今3.8×109~2.6×109年间),境内所在基底地块开始形成,表面为海水覆盖,至元古代后期,属中国地台扬子地块稳定的一部,大部分时间露于海面。在早古生代(距今6×108~4×108年间),县境依然出露海水之上,有时也呈一片浅海。稍晚,在加里东运动影响下,县境内大部呈浅海环境,并沉积了一套那时的岩层;在加里东运动末期,扬子地台隆起,形成古陆,县境除东南一隅(含九里)外皆形成陆地,前期形成的岩层被侵蚀,仅保存当时浅海环境石乳关附近的志留系岩层。到晚古生代(距今3.95×108~3.45×108年)的泥盆纪,境内东南角为古湖广海的一部分。到石炭纪时(距今3.45×108~2.8×108年)境内大部分又遭海侵,这一次的侵入一直持续到中生代的三叠纪(距今2.25×108~1.90×108年)为上扬子黔桂海之一部,接受了大量沉积。其后随着印支运动的影响,境内和大巴山褶皱带相连部分开始隆起,但中南部依然属川鄂沉积盆地之一部,从而沉积了一套三叠系,侏罗系湖相沉积物。由于当时气候炎热干燥,沉积物层较薄而颜色紫红,岩层多为页岩、泥岩、不同海相地层的厚层灰岩、白云岩和石英砂岩。

  白垩纪初期,境北之大巴山和境南之川鄂湘黔带强烈隆起,致使四川盆地开始倾斜。本区失去沉积条件,故缺失四川盆地沉积标志之一的白垩系地层。

  由于第三纪遭受长期侵蚀,形成一系列夷平面,加之流水作用强烈,绝少沉积物保存,因而缺第三纪地层。第三纪时,受连续的造山运动影响,上升为主要趋势,在相对稳定期间则形成夷平面,再上升,再侵蚀夷平.形成了高低不同的三级夷平面。

  第四纪开始受喜马拉雅山造山运动影响,全球气候大变,当时境内环境较为优良,许多洞穴沉积层中有那时形成的沉积层,境内基本地貌已形成。[1]

  境内出露地层均为沉积岩。现已查明古生界、中生界、以及新生界形成的洪积物在境内均有出露,其中以中生界地层分布最广。最古老的地层为下古生界志留系中统地层,层间关系因多次的地质运动,多呈不整合或假整合,由老到新。[1]

  九里村出露三叠系巴东组(T2d) 灰岩岩层(见图1),该岩层走向247°~66°,倾向336°,倾角62°,其外围分布大面积三叠系嘉陵江组(T1j)灰岩与白云岩岩层,龙慈沟出露的岩层是嘉陵江组。

  奉节县地处川鄂湘黔隆褶带、南大巴山拗褶带和川东褶皱带三大构造交汇处,地质构造以褶皱为主,各岩层之走向大致为北东—南西向,但向北东延伸,即渐变为北东偏东,甚至有东西向趋势。如向南西延长,又渐变为南西偏南。故本区之褶皱方向,有如弧形。各岩层的倾角,除两翼等斜与若干局部之西北翼为陡外,差异不大。倒转褶皱,并不多见。褶皱所成背斜层常成山脉,山脉绵延方向,即为褶皱方向。[1]

  九里处于川东褶皱带中的官渡向斜。该向斜在境内呈东北—西南向,出露三叠系嘉陵江组、巴东组、须家河组岩层。桃源河至九盘河一带向斜狭窄,呈“V”形。轴面直立,两翼基本对称。官渡向斜与长梁子背斜间,在三叠系大冶组和嘉陵江组灰岩中发育几组平行褶皱,即迟谷峡背斜、天井峡向斜、下道槽背斜、陈家河向斜、茅草坝背斜、茅草坝向斜。岩溶地貌极为发育。

  奉节县境内地貌由于地质构造、地层分布、岩性的控制以及受水文作用的影响而复杂多样,山峦起伏、沟壑纵横。有南北高、中部低,高差悬殊大,构造控制明显,区域差异大,溪河纵横切割,山大坡陡等特点。

  在内外力交相作用下,境内地貌产生多种形态。在各种塑造地貌的因素中、流水侵蚀作用最为强烈,致使沟谷纵横,地形破碎。最大高差达2000m以上,形成高山低谷地貌。麻山主峰猫儿梁海拔2123m,为境内最高点,黑石滩海拔86m,为境内最低点。地貌轮廓,总体为东南、东北高面中部偏西稍平缓,南北约为对称分布,以长江为对称轴,离轴愈远则海拔愈高。由两翼的石灰岩溶岩台原逐渐过渡至中山直至长江河谷低地,有少量平缓河谷平坝。

  九里和龙慈沟周围的山,山顶海拔在500~1000m间,主要是低山。由于流水切割侵蚀,周围山体不光险峻,而且差异巨大。最高山海拔1500多m,最低山海拔低于500m,大部分山体高度在600~900m;坡度也由近乎90°至15°不等。

  九里处于一山间凹地,除北面外,其他三面均为山地,尤以南面为高,最高海拔可至1500m。龙慈沟长2.5km,呈南—北转南东—北西走向,先端因受来自西面和北面两条径流的侵蚀而开阔,地势平坦,山势坡度在45°左右;自走向转折后,峡谷陡然由100m~30m下降为40m~15m,地势起伏大,径流落差呈阶梯状,山势坡度基本在60°以上。前端因河流的深入切割原河床的基准面,形成侵蚀阶地。后段在径流落差大和充足的水量冲蚀下,峡谷河床中有较大的侵蚀坑洞,面积20m2左右,深约2m。

  奉节境内溪河均属长江水系。由于复杂的地质地貌的影响,致使溪河众多,沟壑纵横。除长江流经县境41.5km外,还有流域面积大于50km2的河流共17条,切割深、径流较丰富。暴涨暴落,洪枯变幅大、中上游落差大且集中等山区河流的特点。平均河网密度达0.43km/km2,年径流总量达2.795×109m3。[1]

  龙慈沟中的径流最终注入大溪河。大溪河(又名黛溪河)是奉节县长江南岸主要水系,有东西两源。西源出自吐祥区,经吐祥、新民两区至两河口与东源相汇,谓新民河,流域面积528.8km2,干流长65.6km;东源出自桂花乡,上游谓桃源河,下游谓九盘河,该河深切于中生代灰岩地层中,相对切割千米以上,岩溶地下水补充量大,流量较为稳定,流域面积约900km2,年径流量6.96×108m3,占全流域的57.6%,东西两源在新民区两河口相汇后始称大溪河,在巫山县大溪镇西注入长江,干流全长70.3km(境内68km),平均比降8.29‰,流域面积1587.2km2(境内1365.2km2),支流总长515km,由于河流补充以地下水为主,流量稳定,利于水电开发。

  奉节县境内地下水资源十分丰富,据地质部门普查资料表明,境内多年平均地下水资源总量为1.976×109m3。县境东南部、南部和北部地表岩溶发育,降水或地表水在岩溶洼地、漏斗、落水洞中汇集下渗,沿溶隙或岩溶管道作纵向或横向运动,然后在峡谷、溪河两岸或沟谷切割处,或在不同岩性的接触带附近排泄,四季常流。这类碳酸盐岩岩溶水为县内最主要的地下水类型,多年平均总量达1.877×109m3,占地下水总量的95%,其次为碎屑岩类孔隙裂隙水,总量0.648×108m3,占总量的3.3%,再次为基岩裂隙水,总量0.344×108m3,占总量的1.7%。[1]

  九里位于中亚热带湿润季风气候区。春早、夏热、秋凉、冬暖,四季分明,无霜期长,光照适宜,雨量充沛。因受地形地貌的影响,境内气候水平地带性差异甚微,垂直变化较为显著,形成典型的立体气候。

  县境内气温分布有明显的地域差异,海拔低于600m地区年平均气温(据气象站34年观测资料,下同)16.4℃,海拔600—l000m地区,为16.4℃~13.7℃,海拔1000~l 400m地区,为13.7℃~10.8℃,海拔1400m以上地区,低于10.8℃。气温年阶变化小,季度明显,最热为7、8两月,平均气温27.2℃,最冷为1月,平均气温为5.2℃。受地形影响,山地南坡气温高于北坡。[1]

  县境内降水随着季风进退而有明显的季节变化,属明显的夏雨型。下半年(5~10月)降水量占全年降水总量的76%,且集中在夏季(6~8月)。年平均降水为1107.3mm,存在地域性差异。随着高度的增加,降水有所增多。

  因受季风影响,降水量的年际变化大,最大与最小年差600mm以上。最大降水强度在夏季,常形成大雨、暴雨,甚至大暴雨。

  境内空气湿度月平均相对湿度在70%左右。年平均相对湿度为69%。水份蒸发量多年平均为1565.2mm,即水面蒸发量1100mm/年,陆面蒸发量约为820mm,蒸发量小于降水量。伏旱高温季节,蒸发能力最强而降水很少。8月蒸发量最大达237.8mm,l2月最小,为47.0mm。[1]

  九里位于亚热带湿润气候区,属于亚热带常绿阔叶林区。植物发育古老,种类较多,分布较为错杂。组成植被的区系成分以樟科、山茶科、木兰科、金缕梅科、大戟科为主。裸子植物有松科、杉科、柏科。草本植物以禾本科和蕨类植物为主。受人类活动的影响,构成森林的建群种分别为光皮桦、马尾松、华山松、杉木、柏木和栎类,林中伴生树木居多[1]。又因境内垂直地带性差异明显,所以植物类型的分布受地貌制约。主要植被类型是:海拔600~1300m之间,主要是蕨类、抱树、马尾松、青㭎、杉木等,其次是白茅、化香、柏木疏林;海拔600m以下,主要是马桑、黄泸、黄茅群丛。区域内常见的植被是柏木疏林,并可见亚高山草甸分布。

  龙慈沟前段有大面积草地,间杂有少量茅草,谷坡上成片的人工柏木以及少量的马尾松和杉树,并有大量的灌木;后段因峡谷狭窄,谷内湿润,光照偏少,岩体上生长大量苔藓和蕨类植物,灌木丛生,并伴有少量小乔木。

  九里主要的土壤类型是黄壤。黄壤为中亚热带的地带性土壤,母质多为砂岩,有机质含量较高,pH值在4.5~5.5,土壤呈硬性。其农业土壤为“姜石黄泥(阶地上部,土中有钙质结核,称为姜石,质地偏重,钙含员较高)”[2]。该区域的土地集中分布于九里村所在的山间凹地,而其他区域因山势高,坡度大以及较丰富的流水冲刷,未能沉积较厚的土壤层。

  间歇泉位于龙慈沟后段的中部,它是在岩壁上形成的一个高约5m,宽约4m,径深约5m的溶洞。该洞越向内洞越小,最后收拢于泉的露头处,泉口与地面相接。洞内岩壁两侧近地面约0.20m处,有明显的边槽凹痕。洞中地面覆盖有较厚的淤泥,最厚的达0.4m,这些堆积物都是每次暴雨后被地下水所携带的物质。洞中地面高于水面,所以在断流时,地面有泥裂现象[3]。洞壁和洞顶有大面积发育不完全的石钟乳,存在个别石笋和鹅管。

  洞外是一条长8m,宽1.5m,高0.5m,南西—北东(与河道近于垂直)向的冲沟。冲沟尽头是一积水洼地,面积约1.5m2。间歇泉未断流时,多余的从水洼两侧的凹口流出。其东南流向的水折向东北,漫过水洼前的沉积平台;另一股水由西北折向东北流向平台西北方的一个低矮台地。平台是间歇泉地下水流入河道的最后一个载体,间歇泉自泉口流出,进入冲沟,漫过平台,最后垂直排泄入河道。平台由基岩和钙华组成,基岩悬于河道,由平台下方泉水侵蚀所致。下覆基岩平均厚1.5m,上覆钙华平均厚0.7m,平台面积约6m2,上覆钙华貌似立体年轮(见图2),层层闭合。平台西北侧的低矮台地上也覆有大量同类钙华,不过因其地势低矮,水流量充足,使得“岩溶年轮”更明显,更具立体感。

  “岩溶年轮”形成原因:由于基岩表面凹凸不平,岩溶水在流过基岩时,由于水动力减弱和CO2的减少,使CaCO3发生沉积,同一时期,沉积面近乎一致,便形成一圈“年轮”。而“年轮”是由里向外逐渐发育而成的,因为在其发育之初,流水对岩石侵蚀不足,那时的岩石表面高于现时岩石表面,所以,每个“年轮”的中心总是最高的,而越向外,“年轮”越矮。当然,这样的“年轮”是记录一个时期的气候、水文状况的良好载体。

  在龙慈沟前段与后段的转折处,分布有至少3个泉眼。该处岩层属碎屑灰岩,与间歇泉周围岩性有明显区别,使得地下水在此处容易形成露头。为了与间歇泉互相参照对比,在此处设定了一观测点,并采集了样品(下文的B泉)。

  龙慈沟间歇泉是奉节南部地下岩溶水,属于下降泉,在沟谷切割处泄流排泄。该泉流量不稳定,夏季最大流量:1.4m(宽)×0.3m(h)×5m/s(v),平常流量:0.11m(宽)×0.04m(h)×0.5m/s(v)。水质变化大,夏季流量最大时,水中夹杂大量淤泥。据当地人介绍,每当大暴雨过后,洞中都会“汩汩”作响,其中应该有一巨大的储水空间。

  据考察得知,该地下水在短时间内呈无规律断流,从长时间(一年)看,夏秋无长时间断流,冬春则长时间断流;夏秋暴雨时,短时间内该泉流量增加,水质接近地表水。由于地下水的补给有二:大气降水和地表水补给[5],可以推断该地下水的主要补给水是大气降水。

  另外,在该地下水排泄入河道的平台下方,有一垂直排泄入河道的泉眼(露头位置大致和间歇泉露头位置成一线m)。该地下水流量稳定,约0.004πm2(s)×4.9m/s(v)。

  由此猜想:间歇泉周围都是石灰岩,有良好的隔水层,形成洞中的隔水底板,进而形成潜水湖,使小泉眼能稳定排泄[5];每当暴雨过后,间歇泉水量增加,并伴随大量泥沙和声响,说明补给区很近,水力坡度大,地下水径流类型属于汇流型。

  综上,洞中存在潜水湖,当水存储量水位未高过间歇泉排泄口时,地下水通过平台下的小泉排泄;当水存储量水位超过间歇泉排泄出口时,地下水主要通过间歇泉排除。

  根据表2和图3,可以看出,A泉水温起伏较大,差值达1.1℃;而B泉温度较稳定。总体来看,两泉水温接近地表温度,尤其是A泉。

  由图3和表2可以看出:两泉pH值偏向中性和弱碱性[7],其中A泉的pH值在短时间内有一大的下滑趋势,下滑值达0.52。这是由于自12月6日傍晚形成降雨,使得土壤层和雨水中的酸与A泉进行中和,降雨持续了4天。而12月16日的现场测试,得出pH值又有所回升。而B泉所得的数据显示其pH值比较稳定,受地表降水的影响较小。

  两泉的电导率都比较高,“电导率的大小取决于地下水中存在的离子,离子的总浓度、迁移率、价数和相对浓度以及测定时的温度都会影响到电导率的高低”[8]。A泉与地表联系密切,地下水中含有大量由地表带来的离子,所以电导率较高。而B泉因处于重碳酸盐地区,因溶解了大量离子,导致其电导率过高。

  A、B两泉的HCO3-含量较高,A泉HCO3-含量稳定,B泉变化大。这是因为A泉流经区域少与CO2密切相关的土壤和植被,但它又与地表联系密切,这成为CO2的主要来源。B泉HCO3-的值从12月2日的372呈阶梯状下降,至12月9日下降到305后,其值未再变化,并至少持续到1月6日。这说明,B泉CO2的输入既以大气输入为主,同时,又可能受到土壤中CO2的影响,因为随着气温的降低,土壤中CO2的浓度也会相应地下降。

  在地下水的主要成分中,Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来自于碳酸盐岩,NO3-、Cl-主要来自污染物,而SO42-、K+、Na+既来自于岩石也可来自于污染物[9]。

  根据图4和表3,两泉NO3-、SO42-的值都非常高,很可能来源于人类的农业施肥。这也是导致两泉电导率较高原因。

  A、B两泉所含主要阳离子是Ca2+、Mg2+,它们的水化学类型为HCO3—Ca?Mg型[12]。由图3知,两泉Ca2+、Mg2+、Na+三种离子的值在12月至1月初增减基本一致。A泉的三种离子值都小于B泉,说明它的岩溶作用小于B泉。通过对钙、镁硬度计算,A泉硬度约为318ppm,B泉约为412ppm,说明它们硬度相当高,绝不适宜饮用。

  图4中显示,Cl-、NO3-和TOC的变化曲线日左右,曲线值达到最低点,而向该点左右逐渐增高,向左斜率大,向右较平缓。上面说过,在这段时间(四天),当地曾有过连续性小雨,大气降雨有利于这几种离子的稀释。重庆属于重酸雨区,雨水中SO42-含量较高,这就使得地下水中SO42-在降雨过程中逐渐增加。阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+在曲线图中有类似的走势,同样也是受雨水稀释的作用。

  A泉处于较为活跃的岩溶环境中,在水的侵蚀作用下,逐渐发育成拥有自己的潜水湖的汇流型地下水,并有着上下两个排泄口。下口终年不断流,而上口因降雨的发生呈现时间和流量上的无规律涌流。

  A泉的断流会随降雨的来临而结束,其流量也会随降雨的增多而增大,并且伴随有大量泥沙;受雨水稀释的作用,A、B两泉的Cl-、NO3-和TOC的值会在降雨之后的短时间内明显下降,而SO42-反而上升。因而,大气降水深刻地影响着两股地下水。

  NO3-是本区主要污染物,这与农民大量施用氮肥有关[19]。本地区的人类经济活动主要是农业生产,但是该区域土壤贫瘠(主要是黄壤),农民的生产技术又相对落后,其产量的提高主要依靠化肥的大量使用,而化肥的不科学应用必将导致本区域地下水的污染。

  ,李惠明,金伯欣.水文学[Z]。高等教育出版社,1985:225-260。

  ,姜光辉,夏青,李科。土地利用影响下的岩溶地下水水化学变化特征[J]。中国岩溶,2007。

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