青海藏高原东部边缘的水化学特征分析、水化学成因及石灰华沉积能力研究：以沈仙池风景区和莫尼谷为例

《Quaternary International》：Analysis of hydrochemical characteristics, hydrochemical origin and travertine deposition capacity in the eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau: A case study of the Shenxianchi scenic spot and the Mouni Valley

研究青藏高原东侧深仙池与木里河谷水化学特征及石华沉积机制，发现两地以HCO3-Ca型水为主，碳酸盐岩溶解主导，深仙池阳离子交换显著，石华沉积潜力受水动力条件控制，提出保持自然坡度、流速及CO2逸散效率的管理策略。

　　

Jiyu Tang|Wenhao Gao|Qingle Zeng|Xinze Liu|Ronglin Xu|Dong Sun|Liang Qin|Zhipeng Zhang

成都理工大学材料与化学及化学工程学院，中国成都610059

摘要

本研究调查了位于青藏高原东缘的两个喀斯特风景区——沈仙池和莫尼谷的水文化学特征及石灰华沉积机制。2024年5月采集的水样通过现场和实验室分析表明，这两个地区的水主要为HCO₃-Ca型，说明碳酸盐风化是主要的地球化学过程。吉布斯图、离子比和主成分分析证实，方解石和白云石的溶解作用主导了水文化学组成，硅酸盐风化和阳离子交换也起到了次要作用。由于沈仙池地区存在厚层石灰岩，阳离子交换作用尤为明显。主要离子主要来源于天然的水岩相互作用：Ca²⁺和HCO₃^?主要来自方解石和白云石的溶解；Mg²⁺和SO₄^2?与白云石及少量含硫酸盐矿物相关；Na⁺和K⁺可能通过硅酸盐风化和阳离子交换释放；F^?主要来自自然地球化学过程（如硅酸盐岩石的风化）；而NO₃^?和Cl^?与主要离子的相关性较低，可视为人为或生物活动的次要影响。利用SIc、P_CO2和SPM评估了石灰华沉积潜力。沈仙池地区的SIc值较高，CO₂脱气效率较高，有利于稳定的方解石沉淀。扫描电子显微镜观察显示，沈仙池地区的方解石形态占主导，而莫尼谷样品则表现出混合的CaCO₃多形体（方解石-文石-球霰石），沉积能力较弱，反映了环境的不稳定性。CaCO₃的多形体特征为沉积环境和水动力稳定性提供了敏感指标。管理策略应优先考虑保持自然坡度（约0.01–0.30）、适当的流速和CO₂脱气效率，以维持石灰华的形成。建议持续监测SIc、CaCO₃多形体转变和外部离子（NO₃^?、Cl^?），作为生态系统扰动的早期预警工具。这些结果加深了对水文化学过程与石灰华沉积之间耦合的理解，同时为在日益增加的环境和旅游压力下保护及适应性管理脆弱的喀斯特景观提供了实际指导。

引言

石灰华主要由碳酸钙矿物组成，在陆地环境中广泛分布。它由方解石或文石构成，通常具有较低的晶间孔隙率，但在非饱和或偶尔浅层的潜水环境中往往具有较高的孔隙率。其沉淀主要由地下水与大气之间的二氧化碳交换（通过逸出或侵入）驱动，导致碳酸钙过饱和，随后在淹没表面发生结晶[Pentecost 1995]。根据水源和形成温度，石灰华可分为新生代或热成因型。新生代石灰华来源于富含CO₂的浅层大气水，这些水来自土壤呼吸和有机物分解。这类沉积物通常在常温下的低地泉水或河流系统中形成。相比之下，热成因型石灰华由深层热液水沉淀而成，常与构造或火山活动相关，其特征是温度较高和δ¹³C值较高[Pentecost 2005; Ford and Pedley 1996; Capezzuoli et al., 2014]。黄龙风景区以其高海拔石灰华景观而闻名，其形成条件为冷水环境，CaCO₃沉淀主要受CO₂释放和流速驱动的碳酸盐沉积控制[Lu et al., 2000]。相邻的沈仙池和莫尼谷具有相似的地质和水文条件，因此其石灰华沉积物被归类为新生代石灰华。

近期研究表明，石灰华的形成和形态主要受断层控制的地质热液路径、喷口位置和地形坡度的影响，突显了构造与碳酸盐沉积之间的耦合[Della Porta et al., 2017]。在裂隙带中，石灰华沿断层分布，内部的碳酸盐脉表明其与断层活动和地震周期有密切联系[Brogi et al., 2021]。除了构造控制外，微环境因素（如CO₂脱气、蒸发和微生物活动）也调节着碳酸钙的多形体和结构发展[Luo et al., 2022]。其中，生物过程起着特别重要的作用。蓝细菌和硅藻通过其胞外聚合物物质促进晶体成核，影响石灰华的沉积结构和相态[Porta and Reitner 2020; Kleinteich et al., 2017]。此外，微生物群落的组成也会影响多形体多样性；例如，产生脲酶的真菌已被证明能诱导方解石、球霰石和文石的沉淀[Ye et al., 2023; Dhami et al., 2017]。

水文地质和水文化学条件是石灰华沉积的基础。这不仅包括水体的化学组成，还包括流体排放的物理动态。Pentecost (1994) 报告指出，意大利石灰华形成相关的热水通常富含CO₂、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2?和HCO₃^?。CO₂从溶液中逸出会增加方解石和文石的饱和度，从而促进其沉淀。Pentecost (1999) 的后续研究表明，碳酸钙占大多数石灰华沉积物总矿物含量的90%以上。Kawai et al. (2009) 的实验结果进一步强调了Ca²⁺浓度和碱度对石灰华沉积速率的重要性。他们观察到当Ca²⁺浓度低于65 mg/L时，石灰华沉淀显著减少。Gao et al. (2023) 分析了黄龙风景区的水文化学特征，发现Ca²⁺和HCO₃^?是主要离子。他们的结果表明，水化学成分主要受碳酸盐岩石风化控制。共同离子效应也被认为是影响方解石沉淀的潜在机制。Andreo et al. (1999) 认为，当方解石接近饱和时，其他矿物的持续溶解会增加Ca²⁺浓度，从而促进进一步的方解石沉积。温度、pH值和排放速率等物理化学参数也对石灰华形成至关重要。Fouke (2011) 在研究黄石国家公园的猛犸象温泉时，建立了这些参数与碳酸盐沉淀之间的定量关系，其中pH值尤为重要。例如，Kele et al. (2011) 报告了土耳其Jandarma温泉中Ca²⁺和HCO₃^?浓度的正相关关系，而Wang et al. (2015) 在中国云南连长坪温泉观察到类似趋势，Ca²⁺和HCO₃^?浓度沿流路径逐渐降低，保持大约1:1的摩尔比。最后，生物和非生物因素都可能促进或抑制石灰华沉淀[Shiraishi et al., 2010]。其中，较高的流速已被证明通过促进CO₂脱气和维持过饱和条件来促进石灰华的形成[Erthal et al., 2017]。

石灰华在高原东缘和内陆地区都有广泛的研究和报道[Li et al., 2022, Li et al., 2022; Sun et al., 2022; Cao et al., 2025]。青藏高原及其周边山脉自第四纪以来经历了显著抬升，深刻影响了亚洲的地貌、气候系统、生态系统和河流网络。该地区因此成为全球地质研究的关键焦点。沈仙池和莫尼谷位于高原东缘，处于松潘-甘孜褶皱带（SGFB）和龙门山逆冲带（LSTB）的过渡带，这两个带是青藏高原与四川盆地之间的主要地貌边界[Xiao et al. 2025; Yan et al., 2018]。该地区的构造活动塑造了陡峭的地形，并控制了深层地下水的流动路径，为CO₂脱气和石灰华沉积创造了有利条件[Guo et al., 2014; Liao 2018]。近年来，沈仙池和莫尼谷的石灰华景观经历了环境退化，表现为石灰华坝部分崩塌、水体变色和湖水泄漏，这些现象严重降低了它们的视觉吸引力，并可能影响了它们的旅游和生态价值。鉴于其水文地质多样性和可访问性，选择沈仙池和莫尼谷作为研究高原东缘喀斯特水体水文化学特征和石灰华沉积潜力的代表性案例。研究结果旨在为石灰华景观的水质监测提供科学依据，支持沈仙池和莫尼谷的当前景观管理实践。同时，也为类似地质环境中的石灰华系统的保护和恢复提供了地球化学见解。

地质背景

研究区域位于青藏高原东缘，处于SGFB和LSTB之间，岷江断层带和Huaya断层带交汇处。地质上，该区域位于西秦岭造山带的Motianling块体和松潘-甘孜造山带的Danba-Wenchuan构造片之间的交界处，Xueshan断层作为边界——Motianling块体位于北部，Danba-Wenchuan构造片位于南部（图1）[Zhou et al., 2000; Riaz et al.,

物理和化学参数的统计分析

2024年5月，从两个研究区域采集了水样，并通过现场检测方法和实验室检测方法检测了各种物理和化学指标。两个研究区域水体的物理和化学因素的统计特征值见表1。

在沈仙池风景区，水温范围为8.1–12.3°C，平均值为10.3°C。pH值范围为6.37–7.76，平均值为7.10。

结论

本研究系统分析了位于青藏高原东缘的两个典型喀斯特风景区——沈仙池和莫尼谷的水文化学特征及石灰华沉积能力。主要结论如下：

• (1)
  两个地区的水主要为HCO₃-Ca型，表明水文化学成分主要受碳酸盐岩石风化控制。离子比和吉布斯图分析表明，

作者贡献声明

Jiyu Tang：撰写——初稿、可视化、正式分析。 Wenhao Gao：方法论、数据整理、概念化。 Qingle Zeng：撰写——审稿与编辑、验证。 Xinze Liu：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。 Ronglin Xu：验证。 Dong Sun：验证、监督。 Liang Qin：验证。 Zhipeng Zhang：验证、监督。

资助

本研究得到了四川省科技计划（2024NSFSC0111）、土壤与水污染协同控制与联合修复国家重点实验室（GHBK-2023-01）和四川省地质调查院（SDDY-Z2022008, SCIGS-CYBXM-2023004）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢四川省地质环境调查与研究中心在研究顺利进行中的帮助。感谢OpenAI提供的论文翻译服务。