岩溶河流碳酸盐系统对酸性矿山废水的缓冲作用及其溶解无机碳传输过程

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中文摘要：喀斯特中高硫煤矿区矿业开发过程中会产生大量酸性矿井水，并外排至地表河流水系统。一方面，低pH的酸性水体会对所流经的碳酸盐岩产生溶蚀，并活化大量地质“老碳”参与表生碳循环过程，进而增加地表水系统碳循环载荷。另一方面，地表水体碳酸盐系统对酸性矿井水的缓冲作用极大改变了水体碳酸盐组分的赋存状态，从而增强了水-气界面CO2去气速率。考虑到硫化物矿床的开采规模和酸性矿井水数量巨大，地表水体碳酸盐对这些酸性水体的缓冲过程可能会对区域岩溶碳汇过程产生严重的干扰。因此，有必要重新评估在喀斯特中高硫煤的开采影响下，流域水体溶解无机碳（DIC）传输过程和 CO2源汇关系。本文选取贵州省金沙县东部花滩河流域为典型研究区，系统分析了流域水体碳酸盐体系对酸性矿山废水（AMD）的缓冲过程与机理，阐明了喀斯特中高硫煤矿区AMD输入影响下岩溶河流的DIC来源与传输演化过程。地表水碳酸盐系统对 AMD 的缓冲作用研究结果表明，Revelle 因子不仅能反映弱碱性水体对大气 CO2的吸收缓冲能力，还能体现出水体酸化过程中 CO2去气对H+的缓冲。在地表淡水系统中，Revelle因子最大值出现在pH为8.38时。此时，水体碳酸盐系统的缓冲能力最弱。当pH ＞ 8.38，Revelle值反映出水体对大气中CO2的吸收过程；当pH ＜ 8.38，表现为CO2去气过程对H+的缓冲。花滩河上游支流车田河由于受到AMD输入的影响，河水pH ＜ 8.38，Revelle变化区间在1.00~51.96之间，表现为CO2去气对H+的缓冲。基于pH和DIC浓度的二元方程的γDIC、βDIC、ωDIC、γAlk、βAlk、ωAlk等缓冲因子进一步细化了CO2(aq)、H+和CO32-等组分对DIC浓度和碱度的相对变化关系。可以发现，六个缓冲因子对水体酸化过程中碳酸盐组分的动态转化具有很好的响应。在pH = 8.38时，六个因子都会出现极值，反映水体较低的缓冲能力。在 pH ＞ 6.35的条件下，βDIC与 CO2(aq)的浓度线性相关；随着酸化程度的提高，βDIC可以很好的响应碳酸盐体系化学平衡对H+的缓冲过程。当pH ＜ 6.35，伴随着水体中CO2(aq)的占比逐渐提高，水体碳酸盐系统不再处于一个封闭的环境，水?气界面和水?岩界面碳传输过程增强。当CO2去气占主导，缓冲因子绝对值变大；当H+对碳酸盐岩溶蚀过程占主导，缓冲因子绝对值变小。在RCPs四种情景下，花滩河流域水体的去气速率将分别下降 4.96%、14.73%、25.64%和 47.65%。尽管在当前条件下花滩河流域在冬春季表现出 CO2去气特征，但随着大气 CO2浓度持续增加，最终有可能成为大气CO2的汇。水化学类型和风化过程分析表明，花滩河流域水化学类型为 HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型，硫酸显著参与花滩河流域岩石风化过程。基于 CO2过剩和表观耗氧量变化特征、碱度和DIC协同演化，以及δ13C-DIC与DIC浓度变化的综合分析，花滩河DIC的演化受控于AMD输入、CO2去气、OM降解和不同季节碳酸盐矿物的溶解和沉淀平衡。春季来自陆地和生活污水的 OM 矿化逐渐增强，并补充水体DIC。随着pH值的增加，河流缓冲CO2的能力也会增加。夏季OM降解产生大量 CO2，碳酸开始溶解灰岩。秋季由于富硫化物的煤系风化作用增强和AMD的大量输入，pH值降低，河流显示出驱动CO2去气的能力。冬季CO2去气逐渐减弱，DIC 浓度最低，δ13C-DIC 达到最重。进一步分析花滩河流域去气过程与δ13C-DIC关系发现，花滩河流域CO2去气过程是引起同位素分馏的主要原因，同位素分馏主要为瑞利分馏。

作者：

黄江浔

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关键词：

岩溶河流碳酸盐系统酸性矿山废水缓冲作用溶解无机碳传输过程

授予学位：

硕士

学科专业：

地质学

导师：

李清光

学位年度：

2023

学位授予单位：

贵州大学

语种：

中文

中图分类号：