巴丹吉林沙漠地下水-湖泊相互作用过程中钙华形成机理

Tufa is a product of water cycle with the long-term hydrogeochemical process, an important branch of the evolution of water cycle and paleoclimate research because of its rich informations on hydrology and climate change. Tufa in Badain Jaran Desert is the typical cold water tufa type deposited at the closed saline lake in the arid and non carbonate area. For a long time, due to the lack of hydrogeological data, there is a big controversy over the tufa formation mechanism. In this study, a typical saline lake will be selected and analyzed emphatically, based on the previous research achievements about spatial distribution of tufa and hydrogeochemical characteristics of groundwater. We will clarify the material sources and key hydrogeochemical process of tufa deposition in saline lake and the quantitative identification of the main influencing factors by various research methods, including profile sampling and analysis, CaCO3 precipitation experiment in situ, dynamic monitoring technology of environmental factors, comprehensive use of isotope tracer (δ13C, δ18O, δ44/40Ca, 87Sr/86Sr), isotopic dating (14C, U/Th), hydrogeochemical calculation and simulation methods. Ultimately, this study will reveal the formation mechanism of tufa in closed saline lake in the desert, and put forward a new growth mode of tufa tentatively, in order to develop the cold water tufa type formation theory, and then provide new evidence about the recharge source of groundwater and interactions between groundwater and lakes in Badain Jaran Desert.

钙华是水循环过程中长期水文地球化学作用的结果，因其蕴涵丰富的水文和气候变迁信息而成为当前水循环演化和古气候研究的重要分支。巴丹吉林沙漠钙华是典型的非碳酸盐地区干旱封闭盐湖形成的冷水型钙华，长期以来，由于缺乏详细的水文地质资料支撑，在钙华成因机理问题上还存在很大争议。本研究以巴丹吉林沙漠水文地质调查为支撑，在已查明钙华空间分布和水文地球化学特征的基础上，选择典型盐湖，采用剖面系统采样分析、CaCO3沉淀过程原位观测实验、环境因子监测等技术手段，综合运用同位素示踪(δ13C，δ18O，δ44/40Ca，87Sr/86Sr)、同位素测年(14C，U/Th)、水文地球化学计算与模拟等方法，开展钙华形成的物质来源、关键水文地球化学过程及主要影响因素的定量识别研究，揭示沙漠封闭盐湖钙华形成机理，有望提出一种新的钙华沉积生长模式，丰富冷水型钙华成因理论，为沙漠地下水来源、地下水-湖泊相互作用提供新证据。

巴丹吉林沙漠是我国第三大沙漠，气候干旱降水稀少，但在高大沙丘间却分布众多湖泊，而且沙漠地下水资源丰富、水质优良，众多学者在此开展了关于地下水来源及其循环演化的研究，伴随这些研究的展开，众多湖泊中沉积的碳酸盐钙华成为了重要的研究证据，但区别于岩溶区、构造活动区钙华体，沙漠钙华的沉积环境并不相同，其沉积成因、形成机理尚不可知。. 本项目以沙漠湖泊钙华为研究对象，以研究湖泊钙华的形成机理、沉积过程为目标，选择了典型盐湖车日格勒，借助野外监测、同位素示踪、同位素测年、水文地球化学计算与模拟等方法，开展钙华分布特征、沉积年代、物质来源、水文地球化学沉积过程、主要影响因素识别研究，最终总结了钙华的形成机理及生长模式。取得了主要研究成果：. (1) 钙华分布湖泊约占沙漠湖泊的1/5；钙华主要分布在湖岸及泉口附近；垂向沉积厚度4m左右，水平延伸可达数十米。. (2) 车日格勒钙华U/Th年龄介于594±71~4216±835 a BP，在4500~1500a BP间沉积速度相对缓慢，1500a BP后，呈线性快速沉积。. (3) 钙华碳同位素介于-4~0.5‰，这一范围与250米以浅的地层相对应，砂层内的钙质胶结物、湖岸土壤层、植物呼吸作用共同为钙华提供碳源。风积砂、钙质胶结砂块、湖湘沉积地层等为钙华沉积提供钙质。. (4) 综合测年及古气候资料，沙漠钙华是在晚全新世干旱气候背景下，蒸发浓缩导致湖水体积减小，同时湖泊持续接受地下水补给，湖水与地下水发生混合作用下产生的化学沉积；地下水化学成分的差异导致不同湖泊钙华沉积规模、位置的差异；具有较低方解石、白云石饱和指数的地下水更有利于与湖水混合沉积钙华，该类地下水主要源于蒸发盐岩的风化溶解。. 研究成果丰富了钙华沉积类型，有助于增进对沙漠地下水循环过程的认识，增加对旱区碳酸盐沉积机理的理解。.