刘 再 华 简 历 姓 名 : 刘 再 华 ; 性 别 : 男 ; 出 生 日 期, 地 点 : 1963 年 6 月, 湖 南 ; 民 族 : 汉 族 职 称 : 研 究 员 ; 博 士 生 导 师 ; 专 业 : 水 文 地 质 岩 溶 水 文 生 物 地 球 化 学 全 球 变 化 ; 学 位 : 德 国 自 然 科 学 博 士 和 博 士 后 中 国 工 学 博 士 ; 外 语 : 英 语 ; 所 在 单 位 : 中 国 科 学 院 地 球 化 学 研 究 所, 环 境 地 球 化 学 国 家 重 点 实 验 室 ; 国 土 资 源 部 岩 溶 动 力 学 重 点 实 验 室 ; 地 址 : 550002 贵 州 省 贵 阳 市 观 水 路 46 号 ; 541004 广 西 桂 林 市 七 星 路 50 号 ; Email: liuzaihua@vip.gyig.ac.cn; zliu@karst.edu.cn, zaihua_liu@hotmail.com; 电 话 :0851-5892338; 0773-5837340 传 真 :0851-5891721; 0773-5837845 主 要 学 术 成 绩 创 新 点 及 其 科 学 意 义 本 人 的 学 术 成 绩 主 要 反 映 在 国 内 外 核 心 刊 物 上 发 表 的 81 篇 学 术 论 文 ( 含 18 篇 第 一 作 者 SCI 论 文 ) 及 7 部 研 究 专 著 (3 部 为 第 一 作 者 ) 中, 主 要 学 术 成 绩 创 新 点 及 其 科 学 意 义 体 现 在 岩 溶 作 用 动 力 学 机 理 研 究 岩 溶 水 文 生 物 地 球 化 学 自 动 化 监 测 研 究 碳 酸 盐 溶 解 / 沉 积 碳 循 环 研 究 钙 华 古 气 候 环 境 重 建 与 全 球 变 化 研 究 和 其 它 应 用 研 究 等 五 个 方 面, 它 们 形 成 了 岩 溶 水 文 生 物 地 球 化 学 与 气 候 环 境 变 化 的 理 论 和 应 用 体 系 框 架 ( 一 ) 岩 溶 作 用 动 力 学 机 理 研 究 方 面 (1) 发 现 了 水 流 速 对 钙 华 沉 积 速 率 的 控 制 及 其 机 理, 使 岩 溶 作 用 机 理 的 研 究 上 升 到 物 理 化 学 交 叉 的 层 次, 同 时 揭 示 了 四 川 黄 龙 和 云 南 白 水 台 钙 华 的 内 生 成 因, 使 科 学 解 释 黄 龙 和 白 水 台 钙 华 景 观 的 形 成 原 因 有 了 理 论 和 实 验 依 据 为 了 揭 示 世 界 自 然 遗 产 四 川 黄 龙 钙 华 沉 积 速 率 的 控 制 机 理, 以 便 为 钙 华 景 观 的 保 护 和 修 复 提 供 科 学 依 据, 自 1991 年 来 多 次 对 黄 龙 沟 进 行 了 水 化 学 水 动 力 钙 华 沉 积 速 率 和 碳 稳 定 同 位 素 的 监 测 研 究 由 于 CO 2 自 水 中 大 量 逸 出, 黄 龙 钙 华 的 沉 积 速 率 高 达 每 年 几 毫 米 通 过 测 定 边 石 坝 滩 华 上 及 水 池 内 钙 华 的 沉 积 速 率, 弄 清 了 水 动 力 条 件 对 速 率 的 控 制 通 过 放 置 统 一 制 作 的 大 理 岩 试 片 ( 几 何 表 面 积 21.6cm 2 ) 于 上 述 部 位 水 体 中 3-4 天, 然 后 取 出 称 重, 从 试 片 重 量 的 增 加, 获 得 了 钙 华 沉 积 速 率 结 果 表 明, 快 速 流 动 水 体 中 ( 即 边 石 坝 和 滩 华 处 ) 的 钙 华 沉 积 速 率 是 慢 速 流 动 水 体 中 ( 即 水 池 内 ) 的 2-5 倍, 这 清 楚 地 说 明 水 动 力 条 件 ( 流 速 ) 对 钙 华 沉 积 速 率 的 控 制 1
基 于 扩 散 边 界 层 (DBL) 模 型 的 理 论 分 析, 进 一 步 揭 示 了 上 述 现 象 的 物 理 化 学 机 制, 即 水 的 粘 滞 阻 力 产 生 固 液 界 面 间 的 扩 散 边 界 层, 后 者 进 一 步 控 制 着 溶 液 中 溶 质 的 传 输 具 体 地 说, 水 流 越 快,DBL 越 薄, 传 输 阻 力 越 小, 因 而 沉 积 速 率 越 大 相 关 成 果 发 表 在 国 际 SCI 期 刊 Geochimica et Cosmochimica Acta[1995, 当 年 期 刊 影 响 因 子 为 2.921 据 SCI 引 文 检 索, 该 文 被 他 人 引 用 达 30 次 以 上 ( 详 见 论 文 引 用 证 明 )] 和 国 内 核 心 期 刊 << 地 球 化 学 >>(2003) 结 合 碳 稳 定 同 位 素 和 水 化 学 的 分 析, 还 揭 示 了 四 川 黄 龙 沟 和 云 南 白 水 台 泉 水 中 CO 2 气 的 深 部 来 源, 第 一 次 明 确 了 黄 龙 沟 和 白 水 台 的 钙 华 属 于 内 生 成 因 类 钙 华, 而 非 原 来 普 遍 认 为 的 是 气 候 岩 溶 作 用 的 产 物, 使 科 学 解 释 黄 龙 和 白 水 台 钙 华 景 观 的 形 成 原 因 有 了 理 论 和 实 验 依 据 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 中 国 科 学 >>-D 辑 (2000), 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology (2003) 和 Chemical Geology (2004) 这 些 研 究 成 果 的 创 新 之 处 在 于, 发 展 深 化 了 岩 溶 动 力 学 理 论, 着 重 系 统 物 理 化 学 特 征 的 综 合 分 析, 首 次 在 野 外 观 测 到 了 水 动 力 条 件 对 钙 华 沉 积 速 率 的 控 制, 并 作 出 了 理 论 解 释 其 重 要 意 义 不 仅 在 于 可 为 类 似 岩 溶 景 观 资 源 的 起 源 形 成 保 护 和 修 复 提 供 科 学 依 据, 而 且 为 进 一 步 揭 示 岩 溶 作 用 的 机 理 和 岩 溶 水 化 学 的 成 因 为 利 用 岩 溶 记 录 ( 钙 华 石 笋 等 ) 进 行 古 气 候 环 境 重 建 及 为 全 球 碳 循 环 的 研 究 提 供 了 新 的 线 索 (2) 室 内 实 验 发 现 了 碳 酸 盐 岩 溶 解 速 率 的 水 动 力 控 制 和 CO 2 转 换 控 制, 其 野 外 证 实 将 揭 开 某 些 岩 溶 之 迷, 并 对 岩 溶 地 区 石 漠 化 的 控 制, 及 大 气 中 CO 2 的 沉 降 研 究 具 有 重 要 的 启 发 意 义 为 了 进 一 步 从 理 论 上 深 入 探 讨 方 解 石 溶 解 沉 积 速 率 控 制 机 理, 进 行 了 室 内 多 条 件 变 化 实 验 研 究 实 验 中 的 水 动 力 控 制 通 过 使 用 旋 转 盘 技 术 实 现, 即 DBL 厚 度 由 旋 速 的 改 变 来 调 节 鉴 于 方 解 石 溶 解 实 验 较 沉 积 实 验 在 旋 转 盘 条 件 中 的 优 越 性 ( 即 溶 解 只 发 生 在 旋 转 盘 表 面 ; 而 沉 积 则 充 满 整 个 过 饱 和 溶 液, 不 利 于 资 料 的 定 量 分 析 处 理 ) 及 溶 解 和 沉 积 包 含 相 似 的 基 元 化 学 反 应 的 事 实, 室 内 实 验 采 用 方 解 石 溶 解, 由 此 得 到 的 基 本 结 论 将 同 样 适 用 于 方 解 石 沉 积 实 验 样 品 主 要 采 用 大 理 岩 和 灰 岩 样 品 被 制 成 圆 盘, 嵌 于 特 制 的 似 圆 锥 型 模 具 中, 仅 一 面 可 被 溶 蚀 实 验 时, 圆 盘 置 于 开 放 的 CO 2 -H 2 O 溶 液 中 旋 转, 溶 解 过 程 由 溶 液 电 导 率 的 自 动 连 续 监 测 获 得 由 于 电 导 率 和 钙 离 子 浓 度 的 线 性 关 系, 因 此 溶 液 钙 离 子 浓 度 随 时 间 的 变 化 d[ca 2+ ]/dt 也 可 获 得, 从 而 方 解 石 溶 解 速 率 为 : F=(V/A)(d[Ca 2+ ]/dt) 其 中 V- 溶 液 体 积 ;A- 旋 转 盘 表 面 积 该 实 验 装 置 可 实 现 对 系 统 温 度 CO 2 分 压 水 动 力 条 件 (DBL 厚 度 ) 等 的 控 制 其 中 DBL 厚 度 ε 与 旋 转 角 速 度 ω 在 层 流 条 件 下 存 在 以 下 Levich 关 系 : ε=1.61(d/ν) 1/3 (ν/ω) 1/2 其 中 D- 分 子 扩 散 系 数 ;ν- 水 运 动 粘 滞 系 数 因 此 通 过 改 变 上 述 实 验 条 件, 可 探 讨 方 解 石 溶 解 速 率 控 制 的 物 理 化 学 机 理 2
实 验 结 果 表 明, 溶 解 速 率 与 旋 速 有 关, 即 旋 速 愈 高, 速 率 愈 大, 或 DBL 愈 薄, 速 率 愈 大 另 一 方 面, 上 述 关 系 取 决 于 系 统 的 CO 2 分 压 实 验 发 现,CO 2 分 压 愈 低, 旋 速 对 溶 解 速 率 的 控 制 愈 显 著, 反 映 出 低 CO 2 分 压 时 速 率 的 传 输 控 制 机 理 ; 然 而 当 Pco 2 >0.01atm 时, 速 率 的 传 输 控 制 已 很 微 弱 上 述 实 验 结 果 用 DBL 模 型 进 行 了 较 为 成 功 的 预 报 按 照 这 一 模 型, 溶 液 中 CO 2 的 慢 速 转 换 (CO 2 +H 2 O H + +HCO 3 - ) 对 速 率 的 控 制 也 非 常 重 要, 模 型 结 果 显 示, Pco 2 >0.01atm 时, 速 率 与 DBL 厚 度 的 关 系 微 弱, 反 映 出 该 条 件 下 速 率 的 CO 2 转 换 控 制 机 理 为 检 验 这 一 模 型 结 论 的 正 确 性, 将 能 显 著 地 催 化 CO 2 转 换 反 应 的 高 分 子 生 物 催 化 剂 碳 酸 酐 酶 (Carbonic Anhydrase, 简 称 CA, 自 然 界 普 遍 存 在 于 动 物 植 物 和 某 些 微 生 物 中, 并 可 进 入 水 体 ) 注 入 反 应 系 统 进 行 实 验, 结 果 发 现,Pco 2 >0.01atm 时 方 解 石 溶 解 速 率 提 高 约 2~10 倍, 而 低 CO 2 分 压 时, 溶 解 速 率 只 有 微 弱 增 加, 这 明 显 地 证 明 高 CO 2 分 压 时 速 率 的 CO 2 转 换 控 制 机 理 总 之, 上 述 野 外 和 室 内 研 究 证 明,DBL 理 论 模 型 能 以 较 满 意 的 精 度 预 测 不 同 条 件 下 方 解 石 沉 积 或 溶 解 的 速 率 预 测 的 速 率 可 近 似 地 用 以 下 线 性 速 率 定 律 表 示 : F=± α([ca 2+ ] eq -[Ca 2+ ]) 其 中 : + 和 - 分 别 指 方 解 石 溶 解 和 沉 积 ;[Ca 2+ ] eq 为 与 方 解 石 平 衡 的 钙 浓 度 ;[Ca 2+ ] 为 溶 液 中 的 钙 浓 度 ;α- 速 率 常 数, 取 决 于 系 统 温 度 CO 2 分 压 DBL 厚 度 和 流 动 水 层 厚 度 相 关 成 果 发 表 在 国 际 SCI 期 刊 Geochimica et Cosmochimica Acta[1997, 当 年 期 刊 影 响 因 子 为 2.696 据 SCI 引 文 检 索, 该 文 被 他 人 引 用 达 30 次 以 上, 详 见 论 文 引 用 证 明 ) Environmental Geology (2005) 和 国 内 核 心 期 刊 << 地 质 学 报 >> (1998) 该 项 研 究 首 次 将 高 分 子 生 物 催 化 剂 应 用 于 旋 转 盘 系 统 研 究 方 解 石 溶 解 动 力 学, 发 现 了 碳 酸 酐 酶 (CA) 对 溶 解 速 率 的 重 要 控 制, 而 且 区 分 不 同 的 二 氧 化 碳 分 压 条 件, 弄 清 了 CA 控 制 的 差 异 及 其 物 理 化 学 机 理 这 一 发 现 的 野 外 证 实, 将 不 但 为 岩 溶 形 成 机 理 的 研 究 中 化 学 溶 蚀 与 水 动 力 条 件 的 相 互 关 系 提 出 定 量 模 型, 而 且 很 可 能 揭 开 某 些 生 物 岩 溶 之 谜, 并 将 对 全 球 碳 循 环 的 研 究 及 岩 溶 石 漠 化 治 理 产 生 重 要 的 影 响 (3) 白 云 岩 和 石 灰 岩 溶 解 机 理 的 差 异 研 究 取 得 了 新 突 破, 从 而 为 解 释 自 然 界 主 要 的 两 类 碳 酸 盐 岩 岩 溶 发 育 及 相 关 资 源 和 生 态 环 境 问 题 的 差 异 提 供 了 理 论 基 础 为 揭 示 两 类 主 要 碳 酸 盐 岩 溶 解 速 率 控 制 的 物 理 化 学 机 理 异 同, 进 行 了 野 外 溶 蚀 试 片 观 测 试 验 室 内 旋 转 盘 模 拟 实 验 和 DBL 理 论 模 型 分 析, 发 现 白 云 岩 的 初 始 溶 解 速 率 比 石 灰 岩 显 著 偏 低, 前 者 仅 为 后 者 的 1/3 至 1/8, 且 CO 2 分 压 愈 低, 两 者 差 异 愈 大 ; 对 于 石 灰 岩, 能 催 化 溶 液 中 CO 2 转 换 的 碳 酸 酐 酶 对 于 溶 解 速 率 的 控 制 主 要 发 生 在 高 CO 2 分 压 时, 如 在 Pco 2 =1atm 条 件 下, 加 入 碳 酸 酐 酶 后 溶 解 速 率 的 增 加 可 达 10 倍 ; 而 对 于 白 云 岩, 碳 酸 酐 酶 对 溶 解 速 率 的 控 制 则 主 要 发 生 在 低 CO 2 分 压 条 件 下, 且 速 率 增 加 的 程 度 明 显 降 低, 仅 3 倍 左 右 ; 另 一 方 面, 3
溶 解 速 率 对 于 水 动 力 条 件 变 化 的 敏 感 性, 白 云 岩 与 石 灰 岩 具 有 相 似 性, 即 均 表 现 出 低 CO 2 分 压 时 较 高, 高 CO 2 分 压 时 较 低 然 而 在 敏 感 程 度 上 还 是 石 灰 岩 较 高 该 成 果 刊 登 在 国 内 核 心 期 刊 << 中 国 科 学 >>(B 辑 )(2001) 和 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology (2005) ( 二 ) 岩 溶 水 文 生 物 地 球 化 学 自 动 化 监 测 研 究 方 面 开 拓 了 我 国 岩 溶 水 文 生 物 地 球 化 学 自 动 化 监 测 研 究 的 新 方 向, 并 将 水 岩 气 相 互 作 用 概 念 引 入 到 岩 溶 水 化 学 的 研 究 中 利 用 多 参 数 自 动 记 录 仪 对 广 西 桂 林 贵 州 茂 兰 和 广 西 弄 拉 岩 溶 试 验 场 的 降 水 量 水 位 水 温 ph 值 和 电 导 率 进 行 了 监 测, 数 据 采 集 间 隔 根 据 参 数 变 化 的 程 度 由 2 分 钟 到 1 小 时 不 等 结 果 发 现, 表 层 岩 溶 裂 隙 水 在 洪 水 期 间 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 电 导 率 却 呈 正 常 的 降 低 趋 势 考 虑 到 HCO 3 和 Ca 2+ 分 别 为 地 下 水 中 主 要 的 阴 阳 离 子 (>90%), 及 它 们 与 电 导 率 的 线 性 关 系, 计 算 得 到 了 洪 水 期 间 方 解 石 的 饱 和 指 数 (SIc) 和 水 的 CO 2 分 压 (Pco 2 ) 的 变 化 情 况 发 现 洪 水 时 表 层 岩 溶 裂 隙 水 的 Pco 2 高 于 正 常 情 况 的 Pco 2, 而 它 的 SIc 值 比 正 常 情 况 低 与 此 相 对, 对 于 岩 溶 管 道 水, 尽 管 同 一 洪 水 期 间 其 SIc 降 低, 但 Pco 2 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 碳 酸 盐 岩 CO 2 气 的 相 互 作 用 然 而, 对 于 表 层 岩 溶 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 CO 2 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 高 水 的 电 导 率 而 对 于 岩 溶 管 道 水, 雨 水 的 稀 释 作 用 更 重 要, 因 为 研 究 区 低 电 导 率 的 雨 水 能 更 快 地 通 过 管 道 流 出, 所 以, 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, 我 们 还 必 须 重 视 CO 2 气 体 对 岩 溶 系 统 中 水 化 学 变 化 的 影 响 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 该 新 概 念 的 引 入 也 使 我 们 在 广 西 弄 拉 和 贵 州 茂 兰 发 现 的 干 季 表 层 岩 溶 泉 水 水 化 学 日 动 态 ( 白 天 ph 降 低 电 导 率 升 高, 而 晚 上 ph 升 高 电 导 率 降 低 ) 的 解 释 变 得 更 为 清 晰, 即 与 表 层 岩 溶 带 植 物 根 系 呼 吸 作 用 释 放 的 CO 2 呈 现 周 期 性 波 动 ( 白 天 高 而 晚 上 低 ) 有 关 自 动 监 测 还 发 现 桂 林 岩 溶 试 验 场 和 广 西 弄 拉 岩 溶 管 道 水 的 ph 值 在 暴 雨 后 是 升 高 的 进 一 步 对 桂 林 雨 水 的 ph 值 和 电 导 率 随 降 雨 过 程 的 变 化 进 行 了 自 动 监 测, 发 现 降 雨 开 始 时 桂 林 雨 水 具 有 异 常 高 的 ph 值 和 电 导 率 ( 最 高 分 别 达 7.50 和 210µs/cm), 随 后 ph 值 和 电 导 率 又 逐 渐 降 低 雨 水 ph 值 和 电 导 率 的 高 值 反 映 了 人 类 活 动 造 成 的 大 气 碳 酸 盐 岩 粉 尘 溶 解 对 其 水 化 学 的 影 响, 后 者 进 一 步 造 成 了 对 岩 溶 地 下 水 特 别 是 岩 溶 管 道 水 水 化 学 动 态 的 影 响 该 项 研 究 也 给 了 我 们 一 个 重 要 的 启 示, 那 就 是, 岩 溶 动 力 系 统 对 环 境 变 化 具 有 特 殊 的 敏 感 性, 因 此, 在 岩 溶 地 调 和 科 研 工 作 中, 我 们 必 须 重 视 岩 溶 动 力 系 统 的 自 动 化 监 测 研 究, 以 便 发 现 常 规 手 动 监 测 无 法 揭 示 的 短 寿 命 水 位 和 水 化 学 快 速 变 化, 大 大 提 高 岩 溶 水 资 源 调 查 的 精 度 同 时, 本 研 究 对 传 统 的 岩 溶 水 化 学 取 样 方 法 提 出 了 质 疑, 它 要 求 我 们 重 新 审 定 水 质 和 水 化 学 采 样 的 密 度 ( 特 4
别 是 考 虑 暴 雨 动 态 和 日 动 态 等 ) 本 研 究 方 向 进 展 的 详 细 情 况 已 载 国 际 SCI 期 刊 Hydrological Processes (2004) Ground Water (2004) 和 Journal of Hydrology (2007) ( 三 ) 碳 酸 盐 溶 解 / 沉 积 作 用 碳 循 环 研 究 方 面 在 土 壤 CO 2 含 量 和 岩 溶 泉 水 溶 解 无 机 碳 的 日 季 节 多 年 和 暴 雨 动 态 规 律 及 两 者 的 因 果 联 系 发 现 的 基 础 上, 定 量 评 价 了 碳 酸 盐 溶 解 / 沉 积 全 球 水 循 环 和 水 生 生 物 光 合 共 同 作 用 对 全 球 碳 循 环 的 贡 献, 发 现 全 球 水 循 环 中 的 溶 解 无 机 碳 可 能 是 重 要 的 大 气 CO 2 汇, 为 找 寻 全 球 遗 失 碳 汇 的 研 究 提 出 了 新 的 方 向 全 球 碳 循 环 的 源 汇 不 平 衡 是 当 前 世 界 碳 循 环 研 究 的 焦 点 然 而, 关 于 全 球 CO 2 汇 的 位 置 大 小 变 化 和 机 制 目 前 仍 不 确 定, 还 存 有 很 大 争 议 目 前 的 研 究 主 要 集 中 在 有 机 碳 循 环 ( 如 土 壤 和 森 林 碳 汇 等 ), 而 对 无 机 部 分, 特 别 是 与 全 球 水 循 环 ( 包 括 大 气 降 水 地 表 径 流 土 壤 入 渗 和 地 下 径 流 等 ) 有 关 的 碳 循 环 关 注 不 够 虽 然 已 经 研 究 了 碳 酸 盐 岩 地 区 ( 占 全 球 陆 地 面 积 的 12%) 岩 溶 作 用 无 机 碳 循 环, 但 未 考 虑 世 界 上 更 大 面 积 非 碳 酸 盐 岩 地 区 土 壤 碳 酸 盐 溶 解 以 及 降 水 对 全 球 大 气 CO 2 汇 的 贡 献 此 外, 目 前 的 研 究 还 未 充 分 考 虑 水 生 生 物, 特 别 是 淡 水 生 物 光 合 作 用 对 溶 解 无 机 碳 利 用 的 贡 献 我 们 在 广 西 贵 州 陕 西 等 全 国 十 余 个 观 测 站 一 至 十 余 年 野 外 观 测 数 据 证 明 的 基 础 上, 经 过 理 论 计 算 探 讨 了 所 有 碳 酸 盐 溶 解 无 机 碳 (DIC) 对 全 球 碳 循 环 的 贡 献, 并 给 出 了 框 架 性 可 能 的 重 要 碳 汇 效 应 研 究 发 现, 全 球 水 循 环 可 能 产 生 重 要 的 碳 汇, 高 达 约 8 亿 吨 / 年, 占 全 球 遗 失 碳 汇 的 29% 它 是 由 水 对 CO 2 的 溶 解 吸 收 形 成 的, 并 随 着 碳 酸 盐 的 溶 解 及 水 生 植 物 光 合 作 用 对 溶 解 CO 2 的 消 耗 的 增 加 而 显 著 增 加 这 部 分 碳 汇 中 有 5.2 亿 吨 / 年 通 过 海 上 降 水 ( 约 2.7 亿 吨 / 年 ) 和 陆 地 河 流 ( 约 2.5 亿 吨 / 年 ) 进 入 海 洋, 有 约 1.6 亿 吨 / 年 再 次 释 放 进 入 大 气, 还 有 约 1.2 亿 吨 / 年 储 存 在 陆 地 水 生 生 态 系 统 中 随 着 全 球 变 暖 导 致 的 全 球 水 循 环 的 加 强 大 气 中 CO 2 和 碳 酸 盐 粉 尘 的 增 加, 以 及 陆 地 植 被 的 增 加, 未 来 由 全 球 水 循 环 产 生 的 CO 2 汇 也 可 能 增 加 总 之, 全 球 水 循 环 碳 酸 盐 ( 岩 ) 的 风 化 溶 解 和 水 生 植 物 的 光 合 作 用, 三 者 共 同 构 成 了 对 大 气 CO 2 的 调 节 这 些 物 理 化 学 和 生 物 作 用 过 程 共 同 提 供 了 一 个 负 的 气 候 反 馈 机 制, 降 低 了 大 气 CO 2 增 加 对 气 候 的 影 响 有 关 专 家 对 本 研 究 发 现 给 予 了 很 高 评 价, 认 为 研 究 者 选 用 的 方 解 石 快 速 溶 解 动 力 学 参 数 合 适, 由 此 做 出 的 理 论 计 算 取 得 的 结 论 是 可 信 的 这 一 研 究 发 现 对 碳 汇 的 理 论 计 算 作 了 一 个 示 范, 为 寻 找 遗 失 的 碳 汇 提 出 了 一 个 新 的 方 向, 将 会 影 响 到 全 球 变 化 研 究 依 据 的 数 据, 因 而 具 有 重 要 的 理 论 意 义 和 实 用 价 值 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 科 学 通 报 >>(2007), 并 入 选 2007 年 度 中 国 基 础 研 究 十 大 新 闻 ( 四 ) 钙 华 古 气 候 环 境 重 建 与 全 球 变 化 研 究 方 面 5
(1) 通 过 同 位 素 和 水 化 学 研 究 发 现 了 岩 溶 动 力 系 统 的 三 大 类 型 及 相 应 的 三 类 钙 华, 并 探 讨 了 它 们 的 古 气 候 环 境 意 义 在 系 统 总 结 了 不 同 岩 溶 系 统 的 水 化 学 和 同 位 素 特 征, 并 对 系 统 的 性 质 系 统 中 CO 2 的 来 源 钙 华 沉 积 过 程 中 的 碳 同 位 素 动 力 分 馏 水 化 学 和 钙 华 的 成 因 及 热 水 钙 华 的 C-14 测 年 等 地 球 化 学 问 题 作 了 全 面 分 析 后, 首 次 划 分 出 三 类 不 同 的 岩 溶 动 力 系 统, 即 与 生 物 圈 密 切 联 系 的 表 层 岩 溶 动 力 系 统 ( 如 桂 林 长 流 水 岩 溶 试 验 场 ) 与 地 热 有 关 的 深 层 岩 溶 动 力 系 统 ( 如 四 川 黄 龙 云 南 白 水 台 ) 和 受 人 类 活 动 强 烈 影 响 的 岩 溶 动 力 系 统 ( 如 贵 州 乌 江 渡 水 电 站 ) 这 一 划 分 对 于 深 入 揭 示 岩 溶 动 力 系 统 的 运 行 规 律 及 解 决 实 践 中 的 某 些 难 点 和 争 议 问 题 ( 如 岩 溶 发 育 深 度 的 下 限 问 题 全 球 碳 循 环 问 题 利 用 岩 溶 沉 积 物 进 行 古 环 境 重 建 问 题 ) 具 有 重 要 意 义, 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 地 质 学 报 >>(1997) 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology (2003) (2) 通 过 云 南 白 水 台 现 场 水 化 学 人 工 和 自 动 化 监 测 室 内 水 和 钙 华 样 品 的 地 球 化 学 和 碳 氧 同 位 素 测 试 分 析, 对 深 部 岩 溶 系 统 地 球 化 学 及 其 古 环 境 意 义 进 行 了 全 面 深 入 的 研 究, 取 得 如 下 重 要 发 现 和 新 认 识 : (a) 云 南 白 水 台 钙 华 属 于 内 生 成 因 类 钙 华, 即 岩 溶 作 用 初 始 侵 蚀 动 力 CO 2 主 要 来 源 于 深 部 碳 酸 盐 岩 变 质 作 用 产 生 的 CO 2 和 幔 源 CO 2, 而 非 大 气 或 生 物 成 因 CO 2 ; 该 发 现 对 原 来 普 遍 认 为 的 白 水 台 钙 华 是 温 暖 湿 润 气 候 的 产 物 提 出 了 质 疑 (b) 由 于 系 统 的 CO 2 主 要 来 源 于 地 球 内 生 作 用, 所 以 钙 华 中 的 碳 除 了 含 有 通 常 人 们 熟 悉 的 碳 酸 盐 岩 来 的 死 碳 外, 还 存 在 人 们 很 少 关 注 的 来 自 地 球 内 生 作 用 ( 变 质 作 用 和 幔 源 作 用 )CO 2 的 死 碳 由 此, 提 出 了 对 于 内 生 成 因 类 钙 华 是 不 宜 用 14 C 测 年 方 法 进 行 测 年 的 新 认 识 无 疑, 若 用 此 方 法 测 年, 则 测 得 的 钙 华 年 龄 将 显 著 偏 老 如 用 不 受 死 碳 影 响 的 TIMS- 铀 系 测 年 法 测 得 的 一 批 2500 年 的 钙 华 样 品, 当 用 14 C 方 法 测 定 时, 测 得 的 年 龄 高 达 18800 年! 这 进 一 步 证 实 了 这 一 新 认 识 的 正 确 性, 值 得 引 起 有 关 方 面 的 高 度 关 注 (c) 在 利 用 类 似 内 生 成 因 类 碳 酸 盐 沉 积 物 ( 包 括 石 笋 和 钙 华 等 ) 的 δ 13 C 进 行 古 植 被 重 建 时 必 须 考 虑 内 生 CO 2 ( 通 常 富 集 13 C) 和 12 CO 2 自 水 中 快 速 逸 出 导 致 的 钙 华 13 C 富 集 问 题 总 之, 在 利 用 钙 华 或 石 笋 等 碳 酸 盐 沉 积 物 进 行 古 气 候 环 境 重 建 时, 必 须 首 先 弄 清 这 些 沉 积 物 是 深 部 岩 溶 动 力 系 统 的 产 物 还 是 岩 溶 表 层 系 统 的 产 物, 以 便 选 择 合 适 的 测 年 方 法 和 利 用 碳 氧 稳 定 同 位 素 提 取 有 意 义 的 古 气 候 和 古 环 境 信 息 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 第 四 纪 研 究 >>(2002) 和 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology (2003) (3) 钙 华 沉 积 水 池 中 水 化 学 日 变 化 及 其 生 物 控 制 的 研 究 有 了 新 发 现 为 弄 清 云 南 白 水 台 泉 及 其 下 游 钙 华 水 池 中 水 化 学 的 日 变 化, 选 取 该 泉 及 其 流 经 的 两 个 钙 华 水 池 作 为 研 究 对 象 并 对 其 水 温 ph 值 和 电 导 率 进 行 了 自 动 监 6
测 根 据 Ca 2+ - HCO 3 与 电 导 率 存 在 的 线 性 关 系, 用 WATSPEC 软 件 计 算 了 水 中 方 解 石 的 饱 和 指 数 和 二 氧 化 碳 分 压 监 测 发 现 : 泉 水 不 存 在 显 著 的 水 化 学 日 动 态 变 化, 而 两 个 钙 华 水 池 表 现 出 显 著 的 日 动 态 变 化 其 中 一 钙 华 水 池 在 白 天 温 度 较 高 时 水 中 的 二 氧 化 碳 大 量 逸 出 并 通 过 沉 水 植 物 的 光 合 作 用 加 速 了 水 中 碳 酸 钙 的 沉 积 而 另 一 钙 华 水 池 挺 水 植 物 生 长 茂 盛, 其 叶 片 和 部 分 枝 干 露 出 水 面, 因 而 光 合 作 用 主 要 发 生 在 空 中, 所 以 此 处 水 化 学 表 现 为 白 天 ph 值 降 低 和 电 导 率 升 高 的 反 常 现 象, 即 由 温 度 主 导 的 根 呼 吸 作 用, 在 白 天 释 放 更 多 的 二 氧 化 碳 进 入 水 体 而 使 沉 积 下 来 的 碳 酸 钙 重 新 溶 解 这 是 国 际 上 首 次 监 测 到 根 呼 吸 作 用 对 水 化 学 日 动 态 变 化 的 控 制 考 虑 到 水 温 变 化 与 太 阳 辐 射 有 关, 所 以 下 游 钙 华 沉 积 的 变 化 反 映 了 气 候 的 变 化, 这 对 于 利 用 钙 华 进 行 古 气 候 环 境 重 建 是 有 意 义 的 同 时, 水 生 植 物 新 陈 代 谢 对 钙 华 沉 积 的 影 响 的 新 发 现 提 醒 人 们 : 钙 华 古 气 候 环 境 解 译 比 人 们 原 来 认 为 的 更 复 杂 相 关 成 果 发 表 在 国 际 SCI 期 刊 Aquatic Geochemistry (2006) (4) 进 一 步 揭 示 了 云 南 白 水 台 现 代 内 生 钙 华 微 层 的 特 征 及 其 古 气 候 重 建 意 义 在 云 南 白 水 台 采 集 一 现 代 内 生 钙 华 样 品, 该 样 品 形 成 于 1998 年 5 月 至 2001 年 11 月 切 片 观 察, 钙 华 中 可 见 薄 的 褐 色 疏 松 微 层 和 厚 的 白 色 致 密 微 层, 且 交 替 出 现 结 合 钙 华 样 品 的 高 分 辨 率 碳 氧 稳 定 同 位 素 测 试, 发 现 薄 的 (1.5~2.2 mm) 褐 色 疏 松 微 层 在 每 年 的 雨 季 (4 月 9 月 ) 形 成, 而 厚 的 (5~8 mm) 白 色 致 密 微 层 在 旱 季 (10 月 3 月 ) 形 成 通 过 与 同 时 期 气 象 记 录 的 对 比, 建 立 起 了 这 些 钙 华 亚 年 层 厚 度 和 稳 定 同 位 素 特 征 与 气 候 变 化 的 关 系 结 果 发 现 : 薄 的 微 层 及 其 低 δ 13 C 和 δ 18 O 值 形 成 于 温 暖 湿 润 的 雨 季 在 雨 季, 雨 水 的 稀 释 作 用 导 致 了 内 生 钙 华 沉 积 的 减 慢 和 低 的 13 C 含 量, 而 钙 华 的 低 18 O 值 则 主 要 与 亚 热 带 季 风 地 区 的 雨 量 效 应 有 关 因 此, 钙 华 微 层 厚 度, 以 及 δ 13 C 和 δ 18 O 的 显 著 降 低 反 映 了 高 的 降 雨 条 件, 比 如 洪 水, 反 之, 则 反 映 干 旱 的 气 候 条 件 本 研 究 说 明 钙 华 可 以 提 供 有 价 值 的 年 际 甚 至 季 节 尺 度 的 气 候 变 化 信 息 相 关 成 果 发 表 在 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology (2006) 和 国 内 核 心 期 刊 << 地 球 学 报 >>(2006) (5) 在 世 界 自 然 遗 产 - 贵 州 荔 波 小 七 孔 景 区 响 水 河 的 研 究 发 现, 河 流 钙 华 能 很 好 地 记 录 流 域 补 给 区 土 地 覆 被 的 演 变 过 程 及 其 与 气 候 和 人 类 活 动 的 关 系, 为 景 区 保 护 圈 范 围 的 确 定 提 供 了 科 学 依 据 经 现 场 监 测, 响 水 河 河 水 的 Ca 2+ - 和 HCO 3 非 常 低, 这 明 显 与 河 床 中 大 规 模 钙 华 的 存 在 和 景 区 内 发 育 的 茂 密 植 被 不 匹 配 仔 细 观 察 发 现, 钙 华 表 面 有 被 侵 蚀 的 痕 迹, 如 溶 蚀 槽 和 溶 蚀 坑 等 这 说 明, 目 前 所 见 钙 华 可 能 是 过 去 环 境 条 件 下 的 产 物 进 一 步, 根 据 钙 华 碳 氧 同 位 素 组 成 特 征 的 分 析 得 出 : 近 4000 年 来, 该 地 区 总 的 气 候 环 境 变 化 趋 势 是 4000~3400aB.P. 为 相 对 温 暖 湿 润 期, 植 被 生 长 好, 为 良 性 生 态 期 ;3400~2000aB.P. 前 期 仍 比 较 温 暖 但 干 燥, 后 期 到 2000aB.P. 左 右 变 得 比 较 凉 爽, 从 这 一 冷 期 到 大 致 900aB.P. 前 后, 气 候 有 些 波 动, 但 幅 度 较 小, 夹 有 冷 暖 干 湿 的 交 替 ; 而 900aB.P. 至 今, 钙 华 碳 氧 稳 定 同 位 素 值 的 急 剧 增 加, 反 映 出 气 候 的 冷 干 和 源 区 人 类 活 动 加 剧 造 成 的 水 土 流 失 增 加, 岩 溶 石 漠 7
化 加 重, 生 态 朝 恶 化 方 向 发 展 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 第 四 纪 研 究 >>(2004) ( 五 ) 其 它 应 用 研 究 方 面 将 钙 华 基 础 研 究 成 果 应 用 于 水 电 大 坝 建 设, 发 现 了 灌 浆 帷 幕 老 化 - 碳 酸 盐 化 问 题, 并 提 出 了 防 治 对 策 而 且, 由 此 发 现 并 定 量 估 算 了 一 种 新 的 重 要 的 大 气 CO 2 汇 次 生 碳 酸 钙 沉 积 可 见 于 许 多 环 境 中, 如 天 然 洞 穴 中 可 见 石 笋 石 钟 乳 边 石 坝 鹅 管, 某 些 溪 流 中 可 见 滩 华 边 石 坝, 某 些 泉 口 可 见 泉 华 等 这 些 化 学 沉 积 物 形 成 于 天 然 环 境 中, 其 形 成 机 理 简 单 地 说 是 由 于 环 境 中 的 二 氧 化 碳 分 压 低 于 与 水 溶 液 化 学 组 成 相 匹 配 的 二 氧 化 碳 分 压, 造 成 水 中 二 氧 化 碳 逸 出, 水 的 ph 值 升 高, 溶 液 相 对 于 方 解 石 为 过 饱 和, 从 而 产 生 碳 酸 钙 沉 积 然 而, 该 类 沉 积 也 可 见 于 许 多 水 工 建 筑 物 中, 但 其 形 成 速 率 常 远 高 于 天 然 条 件 下 的 形 成 速 率 如 贵 州 乌 江 渡 水 电 站 帷 幕 灌 浆 廊 道 中 的 大 量 碳 酸 钙 沉 积 物 曾 引 起 人 们 帷 幕 是 否 正 在 老 化 的 思 考 对 此, 专 门 立 项 进 行 了 研 究 通 过 野 外 观 测 室 内 模 拟 实 验 研 究 及 理 论 分 析, 得 到 以 下 结 果 和 认 识 : 乌 江 渡 灌 浆 廊 道 中 的 碳 酸 盐 沉 积 物 可 分 为 两 大 类 :, 一 类 ( 正 常 类 ) 为 天 然 条 件 下 正 常 岩 溶 地 下 水 由 于 CO 2 的 逸 出 形 成 的 CaCO 3 沉 积, 另 一 类 ( 异 常 类 ) 为 人 类 活 动 ( 包 括 帷 幕 灌 浆 和 混 凝 土 浇 筑 ) 条 件 下 水 化 学 异 常 的 地 下 水 (OH-Ca 型 水 - 水 泥 水 化 的 产 物 ) 吸 收 空 气 中 的 CO 2 形 成 的 CaCO 3 沉 积 : Ca(OH) 2 +CO 2 CaCO 3 +H 2 O 研 究 还 发 现, 这 类 问 题 在 碳 酸 盐 岩 分 布 区 更 为 严 重 由 此, 确 立 了 帷 幕 老 化 主 要 发 生 在 有 明 显 渗 水 部 位 的 结 论, 并 提 出 了 防 治 帷 幕 老 化 的 对 策, 即 选 用 硅 酸 三 钙 含 量 较 低 的 水 泥 以 降 低 Ca(OH) 2 的 形 成, 同 时 提 高 帷 幕 灌 浆 的 质 量 以 降 低 入 渗 和 CO 2 的 供 给 这 些 成 果 对 于 类 似 环 境 中 水 工 建 筑 物 下 帷 幕 或 混 凝 土 老 化 的 防 治 具 有 重 要 的 意 义, 相 关 成 果 发 表 在 国 内 核 心 期 刊 << 科 学 通 报 >>(1994) 更 为 有 趣 的 是, 该 成 果 的 引 申, 我 们 找 到 了 大 气 CO 2 沉 降 的 另 一 种 重 要 的 汇 ( 可 达 每 年 1 亿 吨 以 上 ), 即 混 凝 土 ( 水 泥 ) 的 碳 酸 盐 化 吸 收 大 气 中 的 CO 2, 这 为 解 决 前 述 全 球 遗 漏 的 CO 2 沉 降 问 题 提 供 了 新 的 线 索 并 可 望 拓 宽 岩 溶 研 究 及 其 应 用 的 领 域 该 新 概 念 及 初 步 研 究 结 果 发 表 在 国 际 SCI 期 刊 Environmental Geology(1998) 和 国 内 核 心 期 刊 << 地 学 前 缘 >> (2001) 8