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广西桂林石灰土元素迁移特征及影响因素——以会仙峰丛谷地石灰土为例

吴华英 黄晨晖 李腾芳 黄奇波 罗飞

吴华英,黄晨晖,李腾芳,等.广西桂林石灰土元素迁移特征及影响因素:以会仙峰丛谷地石灰土为例[J].中国岩溶,2021,40(5):835-848. doi: 10.11932/karst20210510
引用本文: 吴华英,黄晨晖,李腾芳,等.广西桂林石灰土元素迁移特征及影响因素:以会仙峰丛谷地石灰土为例[J].中国岩溶,2021,40(5):835-848. doi: 10.11932/karst20210510
WU Huaying,HUANG Chenhui,LI Tengfang,et al.Characteristics of element migration and influencing factors of lime soil in Guilin, Guangxi:A case study of lime soil in Huixian peak-cluster valley[J].Carsologica Sinica,2021,40(05):835-848. doi: 10.11932/karst20210510
Citation: WU Huaying,HUANG Chenhui,LI Tengfang,et al.Characteristics of element migration and influencing factors of lime soil in Guilin, Guangxi:A case study of lime soil in Huixian peak-cluster valley[J].Carsologica Sinica,2021,40(05):835-848. doi: 10.11932/karst20210510

广西桂林石灰土元素迁移特征及影响因素——以会仙峰丛谷地石灰土为例

doi: 10.11932/karst20210510
详细信息
    作者简介:

    吴华英(1983-),女,博士研究生,主要从事岩溶水文地质研究工作。E-mail:whykarst@126.com

    通讯作者:

    黄晨晖(1981-),男,助理研究员,主要从事岩溶生态学方面的研究工作。E-mail:huangchenhui@mail.cgs.gov.cn

  • 中图分类号: S153

Characteristics of element migration and influencing factors of lime soil in Guilin, Guangxi:A case study of lime soil in Huixian peak-cluster valley

  • 摘要: 碳酸盐岩的化学风化是岩溶关键带各圈层相互作用的主要形式,风化壳中蕴含重要气候环境和物质循环信息。通过对广西桂林会仙峰丛谷地石灰土的化学风化强度及元素迁移特征的研究,并与滇黔湘和青藏高原的岩溶风化壳的对比分析,结果表明:(1)会仙石灰土化学蚀变指数(CIA)均值为92.14,与贵州兴义岩溶风化壳相当,反映炎热潮湿气候下的强烈化学风化;白云岩风化壳CIA与灰岩风化壳相当,CIA值主要受“不溶物”含量的影响;地形上,从上坡到下坡,从坡地到谷地,垂向剖面从浅部到深部,碳酸盐岩风化壳的CIA值呈减小趋势;(2)包括会仙石灰土在内的中国南方碳酸盐岩风化壳的CIA值与纬度成负相关,青藏高原地区和北方地区碳酸盐岩风化壳的CIA值与纬度不存在相关性,可能受晚第三纪以来印度板块俯冲推挤,青藏高原地区构造抬升和夷平面变形的影响;(3)与硅酸盐风化壳、黄土剖面不同,碳酸盐岩风化壳CIA和Na/K(摩尔比值)不存在相关性,但CIA和K/Al(摩尔比值)则存在显著负相关,可采用K/Al来表征碳酸盐岩剖面的风化程度,其主要是受可溶成分的快速淋失影响;会仙石灰土、贵州兴义风化壳较其他风化壳更接近Al端,化学风化程度更高;(4)会仙石灰土的化学成分与中国其他地区碳酸盐岩风化壳基本一致,剖面上分布均匀;与上陆壳相比,Na、K、Ca、Mg表现为亏损,其他元素为富集;和下伏碳酸盐岩的稳定元素Ti相比,除了Cr、Fe、P、Al富集或不变外,其他元素都发生明显的迁移淋失;会仙风化壳元素的迁移性由强到弱为:Ca ˃ Mg ˃ B ˃ Na ˃ N ˃ Cd ˃ Zn ˃ As ˃ K ˃ Pb ˃ Si ˃ Mn ˃ Al ˃ Cr ˃ Fe ˃ P,高含量Ca、Mg的快速溶失对其他元素的迁移性有重要影响。

     

  • 图  1  桂林会仙石灰土及其他地区碳酸盐岩风化壳常量元素UCC标准化曲线

    Figure  1.  UCC standardization curve of major elements of lime soil in Huixian, Guilin and of the carbonate weathering crust in other karst areas

    图  2  桂林会仙石灰土常量、微量元素UCC标准化曲线

    Figure  2.  UCC standardization curve of major and trace elements of lime soil in Huixian, Guilin

    图  3  碳酸盐岩风化壳化学风化参数CIA与Na/K关系散点图

    Figure  3.  Scatter diagram of the chemical weathering parameters CIA and Na/K of the carbonate weathering crust

    图  4  碳酸盐岩风化壳化学风化参数CIA与K/Al关系散点图

    Figure  4.  Scatter diagram of the chemical weathering parameters CIA and K/Al molar ratio of the weathering crusts of carbonate rocks

    图  5  碳酸盐岩风化壳A-CN-K化学风化趋势图(箭头指示化学风化趋势)

    Figure  5.  A-CN-K ternary diagram of the chemical weathering crusts of carbonate rocks (arrows indicating weathering trend, A = Al2O3; CN=CaO*+Na2O; K=K2O)

    图  6  中国碳酸盐岩风化壳化学蚀变指数CIA与纬度关系散点图

    Figure  6.  Scatter diagram of CIA of the weathering crusts of carbonate rock in China and latitude

    图  7  广西会仙碳酸盐岩风化壳常量和微量元素迁移系数(τ)箱型图

    Figure  7.  Main content and trace element migration coefficients of the weathering crusts of carbonate rocks in Huixian, Guangxi

    图  8  会仙谷地5个剖面间元素迁移系数的比较

    Figure  8.  Comparison of elements migration coefficients among 5 sections in Huixian valley, Guilin

    表  1  桂林会仙石灰土化学成分(%)

    Table  1.   Chemical composition of lime soil in Huixian, Guilin (%)

    剖面深度/cmSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2P2O5MnOCIA
    T10~3046.8621.749.940.581.051.200.101.520.130.2693.02
    30~6044.1824.8910.720.511.091.370.101.610.150.2393.22
    60~9040.9827.5410.510.491.111.530.111.460.140.1393.16
    均值44.0124.7210.390.531.081.370.101.530.140.2193.14
    基岩0.300.090.0233.4819.410.010.020.001025.8051.040.15
    T30~3049.2221.399.650.581.191.940.131.460.140.5289.41
    30~6049.3622.199.970.481.182.250.131.420.180.4188.55
    60~9045.9624.5210.720.531.162.400.131.460.170.3389.00
    均值48.1822.7010.110.531.182.200.131.450.160.4288.98
    基岩0.710.100.0354.241.840.030.030.00181.7817.190.10
    T40~3049.1221.549.400.601.260.970.091.220.070.1894.11
    30~6057.5018.568.220.521.100.920.111.380.070.2293.17
    60~9054.4621.548.510.591.181.160.111.220.050.1993.00
    均值53.6920.558.710.571.181.020.101.270.060.2093.44
    基岩0.240.170.0454.091.330.040.030.00522.1727.550.17
    T50~3053.0819.087.860.741.321.610.090.880.120.4290.30
    30~6052.2023.287.900.710.781.980.080.750.130.3790.59
    60~9045.7823.808.941.331.482.100.080.741.000.3190.37
    均值50.3522.058.230.931.191.900.080.790.420.3790.43
    基岩3.400.440.0752.031.430.130.030.02165.62596.530.46
    T60~3050.1621.039.720.631.270.990.101.200.130.3693.80
    30~6047.1023.3710.440.671.641.350.131.120.130.3092.51
    60~9046.2624.2011.330.541.331.300.121.350.110.4193.06
    均值47.8422.8710.500.611.411.210.121.220.120.3693.09
    基岩0.820.090.0354.311.430.020.030.011.9417.290.09
    标准偏差均值3.032.100.600.110.140.200.010.080.110.060.00
    变异系数均值0.060.090.060.150.110.130.080.070.340.190.00
    P10~2046.2022.709.310.961.351.650.071.210.150.5191.78
    20~4048.1723.219.340.781.331.940.081.240.100.3790.76
    40~6047.1524.949.570.651.422.000.081.250.090.2491.13
    均值47.1723.629.410.801.371.860.081.230.110.3891.22
    P20~1543.8625.2310.010.451.302.050.081.240.140.1791.09
    15~4044.5426.6810.440.341.422.150.081.280.110.1891.17
    40~7041.7228.3611.100.331.532.360.071.300.110.1391.02
    均值43.3726.7610.510.371.412.180.081.270.120.1691.09
    P30~2048.8422.888.800.641.271.880.081.210.170.4190.82
    20~4049.8122.518.690.711.251.770.081.210.130.4491.20
    40~6051.8621.988.500.521.172.010.091.220.150.5789.87
    均值50.1722.468.660.621.231.880.081.210.150.4890.63
    P40~1043.6026.709.971.152.021.040.051.230.110.2495.39
    0~4040.8029.4610.900.932.321.300.061.270.070.1994.83
    40~5542.4128.1210.401.092.261.340.051.250.090.2394.51
    均值42.2728.0910.421.052.201.230.051.250.090.2294.90
    P50~1544.5424.719.351.341.781.270.061.200.170.3293.97
    15~5039.5121.968.689.031.741.190.051.090.150.3093.78
    50~7045.6225.089.321.451.682.020.091.210.200.5690.99
    均值43.2223.929.123.941.741.490.071.170.170.3992.85
    P60~3044.5726.309.891.231.961.100.051.240.120.2695.06
    30~6547.0124.419.261.661.771.290.061.220.150.3793.83
    65~8049.3823.988.881.261.751.640.081.220.120.4192.12
    均值46.9824.909.341.381.831.340.071.230.130.3593.70
    标准偏差均值1.841.250.370.850.090.230.010.020.020.080.0080
    变异系数均值0.040.050.040.320.050.150.140.020.180.230.0090
    黔西南(灰岩)45.1722.7210.391.541.271.270.111.1792.92
    青藏高原48.4124.7110.480.131.803.480.220.840.210.0584.98
    湖南吉首(泥灰岩)50.9021.827.520.471.397.040.340.720.120.0771.37
    贵州新蒲(白云岩)53.7118.626.110.213.894.440.130.470.080.0478.02
    辽南(灰岩)54.8223.238.220.421.493.790.240.790.0182.61
    云南中甸45.2426.2010.660.241.353.450.240.810.0785.25
    陕西镇安48.9824.2812.120.082.313.050.240.970.200.0886.31
    湖南道县44.1032.4213.810.242.221.550.120.890.490.1493.98
    UCC(上陆壳)66.0015.205.004.202.203.403.900.500.500.0647.92

    注:黔西南数据来自参考文献[28];青藏高原、陕西镇安数据来自参考文献[29];湖南吉首数据来自参考文献[24];贵州新蒲数据来自参考文献[29];辽南数据来自参考文献[30];云南中甸、湖南道县数据来自参考文献[31];UCC数据来自参考文献[32]。

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    表  2  桂林会仙岩溶石灰土微量元素含量(mgkg-1

    Table  2.   Contents of trace elements of karst lime soil in Huixian, Guilin (mgkg-1

    剖面深度/cmPbAsCrCdZnB
    T10~3092.8524.31211.002.55110.8045.00
    30~6093.6024.88220.301.95125.6070.00
    60~9098.1019.63210.301.76161.9067.00
    均值94.8522.94213.872.09132.7760.67
    基岩1.490.681.660.217.1710.00
    T30~3083.1525.88158.502.77104.7052.00
    30~6082.3025.59163.901.81118.6055.00
    60~9088.4029.74173.202.13120.0035.00
    均值84.6227.07165.202.24114.4347.33
    基岩2.381.220.790.104.190.00
    T40~3077.2520.92183.001.6592.6173.00
    30~6068.7016.42145.501.2480.4147.00
    60~9072.9517.32157.702.1191.8665.00
    均值72.9718.22162.071.6788.2961.67
    基岩6.650.911.332.297.0012.00
    T50~3073.5023.24176.202.58115.30
    30~6074.9526.77196.002.28134.70
    60~9074.1029.49200.702.40140.90
    均值74.1826.50190.972.42130.30
    基岩3.971.212.070.199.052.00
    T60~3077.3519.90233.102.2793.41
    30~6083.9521.50235.301.30129.20
    60~9093.9521.10258.201.93138.30
    均值85.0820.83242.201.83120.30
    基岩0.661.650.920.104.828.00
    标准偏差均值3.902.3111.810.4015.7312.58
    变异系数均值0.0470.100.0630.200.130.22

    注:微量元素含量单位为mgkg-1

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    表  3  中国碳酸盐岩风化壳所在地区纬度和气候特征

    Table  3.   Latitude and climate characteristics of the region located the weathering crusts of carbonate rocks in China

    地区风化壳所地年均气温/℃年均降雨/mm纬度CIA现代气候
    南方湖南吉首17.001 39828.2971.36中亚热带湿润季风气候
    贵州新蒲15.311 07427.0078.00中亚热带湿润季风气候
    贵州平坝14.301 35026.2291.45中亚热带湿润季风气候
    湖南道县23.001 51825.5293.98中亚热带湿润季风气候
    云南昆明14.911 01224.4396.54中亚热带湿润季风气候
    贵州兴义16.301 47224.4992.91中亚热带湿润季风气候
    广西会仙19.001 95024.1892.14中亚热带湿润季风气候
    广西大化20.001 46024.0497.36中亚热带湿润季风气候
    青藏西藏安多-2.7843632.0084.28高原亚寒带半湿润季风气候
    西藏定日-7.4031928.0083~89高原温带半干旱季风气候
    青海玉树3.0048633.0081.12高原高寒气候
    甘肃郎木寺1.2078234.0089.19高原高寒气候
    云南中甸5.8564727.0085.25高原高寒气候
    甘肃武都15.0047033.0083.22亚热带半湿润气候
    陕西镇安12.2080433.4286.31亚热带半湿润气候
    北方辽南大连10.8960238.0082.61暖温带亚湿润季风气候
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  • 收稿日期:  2021-03-30
  • 刊出日期:  2021-10-25

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