郭靜蕓，畢鑫濤，方然可，李守定

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；2.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院土木工程系，北京 100083；5.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

水對(duì)可溶巖進(jìn)行化學(xué)溶蝕，不斷擴(kuò)大巖石中的孔隙，形成溶隙、管道，而攜帶泥沙的急速水流不斷沖蝕拓寬管道形成洞穴，部分管道和洞穴因?yàn)闆_蝕作用而導(dǎo)致崩塌，有時(shí)直達(dá)地表。上述一系列地質(zhì)作用及其所產(chǎn)生的現(xiàn)象統(tǒng)稱為巖溶[1]。巖溶在世界范圍內(nèi)廣泛分布，大面積的無冰區(qū)存在碳酸鹽巖發(fā)育的巖溶地貌，全球20%～25%的人生活在碳酸鹽巖地區(qū)。我國西南巖溶山區(qū)祼露型巖溶面積達(dá)6.2×105km2。而且由于中國巖溶發(fā)育完好、類型多樣，從而成為國際研究的范例[1-4]。

國內(nèi)外的科學(xué)家針對(duì)巖溶問題展開了大量的研究。在巖溶學(xué)基本理論的指導(dǎo)下，學(xué)者們通過國際合作對(duì)可溶巖地區(qū)的地面塌陷、洪澇災(zāi)害、山體崩滑等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5-11]，研究群體在可溶巖化學(xué)溶蝕對(duì)巖溶地質(zhì)災(zāi)害形成方面獲得了大量的新認(rèn)識(shí)，得出了化學(xué)溶蝕對(duì)巖溶地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要作用。大量學(xué)者在全球不同的國家和地區(qū)對(duì)可溶巖進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，取得了數(shù)以萬計(jì)的可溶巖樣品，在對(duì)樣品成分詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，采用不同的室內(nèi)外溶蝕試驗(yàn)方法估算了可溶巖的溶蝕速率。這些試驗(yàn)方法涉及CO2溶液流動(dòng)法[12]、旋轉(zhuǎn)碟片法[13]、標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法[14-15]、水化學(xué)徑流法[12,16]、微侵蝕計(jì)法以及灰?guī)r基座法等[12,17-19]。由于每個(gè)試驗(yàn)方法的原理和適用條件均不同，針對(duì)同一種可溶巖，不同的試驗(yàn)方法得出的結(jié)果也有差異。而大多學(xué)者均采用單一的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，那么難免由于試驗(yàn)方法本身的缺陷而造成試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確?？扇軒r化學(xué)溶蝕是地質(zhì)條件、氣候條件、水文條件、生物條件綜合作用的過程。針對(duì)可溶巖化學(xué)溶蝕發(fā)生的四個(gè)基本條件，學(xué)者們研究了巖性[20-21]、構(gòu)造[22]、溫度[22]、氣候[23-25]、植被[26]、微生物[26]等對(duì)溶蝕過程和溶蝕結(jié)果的影響。這對(duì)指導(dǎo)今后可溶巖化學(xué)溶蝕試驗(yàn)的實(shí)施提供了條件。另外更多的學(xué)者分別從不同角度對(duì)巖溶展開了研究，極大地豐富了全球研究的內(nèi)容[27-30]。

縱觀以上針對(duì)巖溶問題進(jìn)行的大量研究，可見巖溶作用是以化學(xué)溶蝕為主的過程。前人采用一系列方法對(duì)巖溶的溶蝕進(jìn)行了定量計(jì)算和定性評(píng)價(jià)。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)可溶巖化學(xué)溶蝕的試驗(yàn)方法進(jìn)行總結(jié)和展望，這將有助于更好地理解巖溶區(qū)地貌演化的過程，在一定程度上確定巖溶發(fā)育的年代，并且對(duì)預(yù)測(cè)巖溶的未來發(fā)展趨勢(shì)具有重要的意義。

1 可溶巖化學(xué)溶蝕過程和機(jī)理

可溶巖包含碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和鹵化物巖類，其中碳酸鹽巖在世界范圍內(nèi)分布最多、最廣。碳酸鹽巖主要包含石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖以及其間的過渡性巖石?？扇軒r的化學(xué)溶蝕過程和巖溶作用過程是密不可分的。為了深度了解可溶巖的化學(xué)溶蝕過程，很有必要對(duì)巖溶的作用過程有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。研究表明[4]：巖溶作用過程主要分為三個(gè)階段：(1)以化學(xué)溶蝕作用為主的初始階段，這一階段侵蝕性的水沿著可溶性巖石的初始孔隙、裂隙流動(dòng)；(2)通過溶蝕作用，并在水流的機(jī)械沖蝕的協(xié)助下，水流通道不斷擴(kuò)展，從而形成溶隙-管道；(3)在水流的機(jī)械侵蝕、崩塌、坍塌等物理作用下，形成高度管道化-通道化?？v觀巖溶發(fā)展的全過程，化學(xué)溶蝕作用是巖溶的起因，并且貫穿在巖溶發(fā)展的整個(gè)過程中。

圖1 碳酸鹽巖的化學(xué)溶蝕過程[4]Fig.1 Chemical dissolution process of carbonate rocks[4]

2 可溶巖溶蝕測(cè)定試驗(yàn)方法

通過測(cè)定可溶巖溶蝕量和溶蝕速率可以獲得當(dāng)前氣候條件下可溶巖的溶解情況。可以比較不同條件下的侵蝕速率，更好地理解巖溶地貌的發(fā)展演化過程。Weyl[31]于1985年發(fā)現(xiàn)方解石的溶解速率與CO2水溶液的噴淋速率有關(guān)。Nancollas等[32]使用方解石對(duì)碳酸鹽巖的溶解與沉淀的過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Berner等[33]對(duì)富含CaCO3的深海沉積物進(jìn)行溶解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索了溶解反應(yīng)中CaCO3表面反應(yīng)機(jī)理。Plummer等[34]研究了在一定條件下方解石在飽和CO2水溶液中表面溶解的現(xiàn)象和規(guī)律。Plummer等[35]總結(jié)了碳酸鹽巖溶解的動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)碳酸鹽巖的溶解原理有了更深的認(rèn)識(shí)，得出了聞名的PWP方程。Ford[12]研究了外源水補(bǔ)給量與碳酸鹽巖溶蝕量之間的關(guān)系。何宇彬等[22]探究了溫度對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的影響。王洪濤等[36]通過碳酸鹽巖模擬實(shí)驗(yàn)，為碳酸鹽巖的溶蝕定量研究提供了一個(gè)新思路。劉再華等[37]研究了不同CO2分壓下白云石的溶解速率及其溶解機(jī)理。閆志為等[38]對(duì)方解石、白云石分別在無CO2和大氣CO2條件下NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液中的溶解度進(jìn)行了模擬計(jì)算。邵東梅[39]通過對(duì)室內(nèi)碳酸鹽巖的溶蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了在地下水的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)，溫度對(duì)溶蝕速度的影響相對(duì)較小。另外邵東梅[40]也研究了在不同流速下溫度對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕速率的影響。徐飛高等[41]、陳衛(wèi)昌等[42]通過分析酸雨淋蝕對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用，研究了其對(duì)力學(xué)性質(zhì)和形態(tài)變化的影響。蘇悅[43]通過在野外對(duì)外源水與巖溶水對(duì)碳酸鹽巖溶蝕速率的研究，揭示了外源水對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的促進(jìn)作用大大高于巖溶水。陳曉鵬等[21]通過純凈水模擬降雨沖刷桂林鮞?；?guī)r試塊，測(cè)試了試塊在淋雨中的表面形態(tài)變化、質(zhì)量損失、彈性波傳播速度變化，分析了在淋雨中碳酸鹽巖的表面與內(nèi)部溶蝕變化。

通過梳理國內(nèi)外的研究成果，總結(jié)出測(cè)定可溶巖溶蝕的試驗(yàn)方法主要分為室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)和室外溶蝕試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)方法

國內(nèi)外科學(xué)家針對(duì)方解石和冰洲石等可溶巖進(jìn)行了大量室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)研究。前面論述中提到，巖溶形成的因素需要可溶巖，以及有侵蝕性的流動(dòng)的水，也就是說溶液和巖石需要處于動(dòng)力變化的環(huán)境中。以往大部分的研究采用的是CO2溶液流動(dòng)法。該方法是指將碳酸鹽巖置于流動(dòng)的CO2水溶液中，通過測(cè)定溶液出口Ca2+的濃度計(jì)算溶蝕量。實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)定不同的CO2濃度，實(shí)驗(yàn)裝置基本如圖2所示。試驗(yàn)裝置大都由水氣混合裝置和溶蝕裝置兩部分組成。水氣混合裝置是將壓縮的CO2氣瓶與純水的裝置連接，通過CO2和水的混合產(chǎn)生碳酸水溶液，并且該裝置通常還連有氣泵、恒溫水浴等裝置促進(jìn)其溶解，同時(shí)pH計(jì)可以監(jiān)測(cè)溶液的pH值。溶蝕裝置通常由恒溫水浴裝置和反應(yīng)室組成。碳酸水溶液流入到反應(yīng)室并被均分淋濾在各個(gè)樣品上。為了加速溶蝕的進(jìn)行，可以同時(shí)讓巖樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)碟片法，使巖盤在酸性溶液中旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)可以加速可溶巖的溶解，同樣通過測(cè)定溶液出口的Ca2+的濃度計(jì)算溶蝕量。

圖2 直接溶蝕試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the direct dissolution test

表1 pH和飽和CaCO3濃度關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)

2.2 室外溶蝕試驗(yàn)方法

可溶巖室外溶蝕試驗(yàn)可以在不同時(shí)間尺度下，獲得降水量、氣候、植被、地下水位、酸堿度等環(huán)境因子對(duì)溶蝕的影響。在真實(shí)的水-巖-氣相互作用下，得到可溶巖溶蝕的空間分布和速率。

圖3 不同溫度和CO2分壓條件下水中CO2含量(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)Fig.3 CO2 content in water under different temperatures and partial pressures (modified by reference[1])

2.2.1水化學(xué)徑流法

水化學(xué)徑流法的原理是通過測(cè)量流域出口(如泉口或地下河出口)的流量(Q) 及水中所攜帶的溶質(zhì)量(濃度T)，計(jì)算巖溶流域的總?cè)艹隽浚?/p>

X=Q·T

(1)

即從徑流中所含溶質(zhì)濃度測(cè)算一個(gè)區(qū)域的總?cè)艹隽? 進(jìn)而間接推算該區(qū)域的平均溶蝕強(qiáng)度[44]。

水化學(xué)徑流法最早由Corbel于1959年提出，即著名的Corbel公式[45～47]：

(2)

式中：X——碳酸鹽巖的溶解速率值/(mm·ka-1)；

E——徑流量/dm；

T——水中碳酸鈣的平均含量/(mg·L-1)。

后人針對(duì)Corbel公式的缺陷，進(jìn)行了一些修正，但是進(jìn)步很小。例如，Williams[48]指出Corbel 公式有一定的局限性，因?yàn)樗俣ㄋ刑妓猁}巖的密度都是2.5 g/cm3，但是純石灰?guī)r的密度是2.72 g/cm3，而且此公式只計(jì)入了碳酸鈣的含量，而忽視了其他碳酸鹽的存在。鑒于此，Williams對(duì)Corbel 公式進(jìn)行了修正，在修正的公式(3)中將分別計(jì)算碳酸鈣和碳酸鎂的含量，而且灰?guī)r和白云巖的密度計(jì)入確切數(shù)值。

(3)

式中：X——碳酸鹽巖的溶解速率值/(mm·ka-1)；

E——徑流量/dm；

Tc——水中碳酸鈣的平均含量/(mg·L-1)；

Tm——水中碳酸鎂的平均含量/(mg·L-1)；

S——石灰石或者白云石的密度/(g·cm-3)。

如果流域僅有1/n被可溶巖覆蓋，那么式(3)則變?yōu)椋?/p>

(4)

式(3)和式(4)雖然在Corbel 公式的基礎(chǔ)上做了修訂，但本質(zhì)上沒有改變。

曾成等[49]以改進(jìn)的公式(5)對(duì)陳旗巖溶泉的碳匯強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。

(5)

式中：CSF——碳酸鹽巖巖溶作用碳匯強(qiáng)度/(g·m-2·a-1)；

Q——巖溶水系統(tǒng)徑流排泄量/(L·a-1)；

MCO2——CO2的分子量/(g·mol-1)；

A——巖溶水系統(tǒng)的匯水面積/m2；

M——巖溶水系統(tǒng)的徑流模數(shù)/(m·ka-1)。

由以上研究可見，水化學(xué)徑流法只能用于碳酸鹽巖的溶蝕研究。要計(jì)算某地區(qū)碳酸鹽巖的溶蝕速率，必須準(zhǔn)確得知該地區(qū)的流域面積、徑流的流量和徑流水中的CaCO3或者M(jìn)gCO3含量。然而對(duì)于巖溶發(fā)育的地區(qū)，流域面積和徑流流量需要進(jìn)行大量且重復(fù)的觀測(cè)與試驗(yàn)才能得到盡可能精確的數(shù)值。對(duì)于水中CaCO3或MgCO3的含量來說，其值并不是一成不變的，在同一地方隨時(shí)間會(huì)有一定的變化；在同一時(shí)間不同的地方其含量也不會(huì)完全相同，因此要得到盡量精確的徑流水中的CaCO3或MgCO3含量，需要的時(shí)間跨度相對(duì)較長(zhǎng)，需要大量人力物力監(jiān)測(cè)，或者使用相關(guān)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。自動(dòng)化設(shè)備目前可以得到瞬時(shí)溶質(zhì)濃度和流量數(shù)據(jù)，因此溶質(zhì)的年變化量可以通過歸納一個(gè)自然年的數(shù)據(jù)得出，但是為了降低潛在的誤差，需要監(jiān)測(cè)整個(gè)自然流域的數(shù)據(jù)。

由于水化學(xué)徑流法計(jì)算出的是碳酸鹽巖溶蝕量的估算值，而不是實(shí)際的溶蝕量，同時(shí)由于地下與地表集水區(qū)域不完全一致，公式中各參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。故水化學(xué)徑流法只能反映溶蝕的總體趨勢(shì)，也有異常數(shù)據(jù)存在的可能性。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法

標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法由Gams[14]于1959年首先提出，然后由袁道先等在20世紀(jì)80年代末引入國內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法是指通過測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)巖性的溶蝕試片在野外放置一定時(shí)間之后的重量損失來評(píng)估灰?guī)r的剝蝕速率：

(6)

式中：ER——試片每年單位面積溶蝕量/(mg·cm-2·a-1)；

W1——試片初始質(zhì)量/mg；

W2——試片取回后烘干質(zhì)量/mg；

T——埋放時(shí)間/d；

S——試片表面積/cm2。

溶蝕試片的野外布置基本如圖4所示，分別將不同類型的溶蝕試片和標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片放置在空中、地面以及地下不同深度處，以此來測(cè)定以下溶蝕內(nèi)容：(1)懸掛在空中的可溶巖試片，可以測(cè)定不同氣候條件對(duì)溶蝕的影響作用；(2)放置于巖石或者草上的可溶巖試片可以測(cè)定裸露可溶巖試片的溶蝕速率；(3)將可溶巖試片埋入不同深度的土中，測(cè)定可溶巖在土中的溶蝕速率；(4)將可溶巖試片放置于同一區(qū)域的不同地方，測(cè)定同一個(gè)巖溶地區(qū)的剝蝕變化。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法野外布置(據(jù)文獻(xiàn)[50]修改)Fig.4 Deployment of the carbonate rock tablets in field test sites (modified by reference[50])

目前有多達(dá)上萬個(gè)灰?guī)r片被放置于全球各地。其中Gams[13]發(fā)表了9個(gè)國家調(diào)查的結(jié)果；Day[19]發(fā)表了關(guān)于美國威斯康星州5 a內(nèi)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析；Urushibara-Yoshino等[51]發(fā)表了日本不同地點(diǎn)、不同時(shí)間暴露之后的重量損失；Plan[20]通過將70個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試片放在奧地利阿爾卑斯山地區(qū)的13個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地1 a，得出了控制灰?guī)r溶蝕的影響因素。很多學(xué)者自20世紀(jì)80年代開始，在中國的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了野外溶蝕試片測(cè)試，所得結(jié)果如表2所示。通過分析得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：(1)降水量是造成試片溶蝕的最直接和最活躍的因素，降水量大的地區(qū)溶蝕速率較快，以800 mm年降水線為界，南方地區(qū)溶蝕速率明顯大于北方。(2)很難看出溫度對(duì)溶蝕速率明顯的規(guī)律性影響，這是因?yàn)闇囟壬呖梢约涌烊芪g作用的同時(shí)也會(huì)降低水中CO2的溶解度；另外氣溫主要是通過植被、土壤來影響溶蝕作用的。(3)南方碳酸鹽巖的地下溶蝕速率大于地表溶蝕速率，華北地區(qū)則相反。因?yàn)槟戏綒夂驖駶?rùn)，降水與地下濃度較高的CO2結(jié)合生成碳酸，故對(duì)試片的溶蝕很強(qiáng)烈，而北方地區(qū)相對(duì)干燥，降水難以向地下滲透，無法形成碳酸。(4)部分地區(qū)的溶蝕速率出現(xiàn)了負(fù)值，這應(yīng)該和土壤中碳酸鹽的存在有關(guān)。因?yàn)橛晁M(jìn)入土壤，首先會(huì)與試片上部的碳酸鹽反應(yīng)，到達(dá)試片位置時(shí)，溶蝕能力已經(jīng)很弱，如果過飽和則會(huì)導(dǎo)致碳酸鈣析出，所以產(chǎn)生負(fù)值。

表2 中國各地碳酸鹽巖溶蝕速率

一般情況下，由于試驗(yàn)地巖石與標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片中的碳酸鹽巖的含量有一定的差異，得到的溶蝕速率與當(dāng)?shù)卣鎸?shí)的溶蝕速率有一定的差異，使得直接采用標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片會(huì)造成得出的結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在實(shí)際中我們可以用當(dāng)?shù)氐貙拥膸r石樣品制作溶蝕試片，得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但對(duì)于埋放地地層巖性種類多的地區(qū)，使用當(dāng)?shù)貛r溶溶蝕試片操作起來會(huì)變得繁瑣復(fù)雜。不過溶蝕試片法由于簡(jiǎn)單易行而被廣泛使用，使用過程中應(yīng)當(dāng)避開土壤中含有碳酸鹽的地區(qū)，并在大范圍尺度內(nèi)埋放大量試片來減少誤差。

2.2.3通過灰?guī)r基座來推測(cè)溶蝕速率

在有些地區(qū)，非碳酸鹽巖礫石蓋層保護(hù)著其下的灰?guī)r基座，從而使其不受侵蝕(圖5)，裸露巖石表面的溶蝕速率可以利用灰?guī)r基座來推測(cè)計(jì)算(式7)，此方法同樣可以用于灰?guī)r表面由于溶蝕差異而出露石英脈和硅質(zhì)結(jié)核的情況。

(7)

式中：v——溶蝕速率/(mm·a-1)；

h——平均基座高度/mm；

t——距冰期時(shí)間/a。

圖5 灰?guī)r基座示意圖Fig.5 Schematic diagram of limestone pedestal

此種方法需要知道確切的距離冰期的時(shí)間，所以多用于高寒地區(qū)灰?guī)r溶蝕速率的計(jì)算。例如B?gli[55]采用這種方法估計(jì)了瑞士阿爾卑斯山地區(qū)的溶蝕速率為1.51 cm/ka(誤差為10%)。Peterson[56]通過測(cè)定得出伊朗西部基礎(chǔ)高程為4 300 m的雪山的溶蝕速率幾乎是阿爾卑斯山的2倍。通過灰?guī)r基座來推測(cè)溶蝕速率需假定灰?guī)r基座不受侵蝕，實(shí)際情況則不是如此，從而導(dǎo)致將灰?guī)r底座的平均高度擴(kuò)大，造成計(jì)算結(jié)果低于實(shí)際的溶蝕速率。

2.2.4微侵蝕計(jì)(MEM)測(cè)定法

微侵蝕計(jì)是用來測(cè)定地殼表面巖石侵蝕速率的裝置。它由一個(gè)等邊三角形鋼基座、三條位于三角形頂點(diǎn)的基架和位于三角形中心的千分表組成。這個(gè)裝置包含與千分表相連的探針，通過將其固定在耐腐蝕不銹鋼螺桿上，置于巖石內(nèi)部，從而來測(cè)定巖石表面測(cè)試點(diǎn)的沉降即溶蝕量(圖6)。它的測(cè)量精度可達(dá)10-4mm。微侵蝕計(jì)最初由Hanna[57]于1966年發(fā)明，用來測(cè)量灰?guī)r洞穴的溶蝕量。后來大量學(xué)者利用微侵蝕計(jì)對(duì)巖石表面的侵蝕量進(jìn)行量測(cè)[58-62]。

圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的微侵蝕儀Fig.6 Microerosion meter at the test site

微侵蝕計(jì)可以用于任何水平出露基巖溶蝕量的測(cè)定，并且可以在短時(shí)間內(nèi)獲得溶蝕量數(shù)值[63]。但是已有的研究表明以下幾個(gè)方面會(huì)影響微侵蝕計(jì)的測(cè)量精度，在使用過程中要特別注意：(1)隨著溫度升高，巖石會(huì)產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致巖石表面產(chǎn)生明顯的降低；(2)儀器在使用過程中會(huì)產(chǎn)生磨損，所以要對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正；(3)不同儀器的溫度修正系數(shù)存在差異。隨著激光掃描技術(shù)的發(fā)展，可以在大范圍尺度內(nèi)對(duì)巖石的侵蝕進(jìn)行測(cè)量，但卻達(dá)不到微侵蝕計(jì)的測(cè)量精度。在今后的研究工作中，可以將微侵蝕計(jì)、激光掃描、攝影測(cè)量融合來進(jìn)行溶蝕量的測(cè)量。

3 可溶巖化學(xué)溶蝕試驗(yàn)研究討論

上文詳細(xì)闡述了可溶巖化學(xué)溶蝕研究的方法，現(xiàn)有的方法可以很好地得到巖溶的溶蝕量等數(shù)據(jù)和特征，但是作為正在發(fā)展中的一項(xiàng)科學(xué)研究，可溶巖溶蝕還存在很多科學(xué)問題有待探索。

3.1 室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)研究討論

可溶巖溶蝕室內(nèi)試驗(yàn)由于其容易開展而被學(xué)者大量采用。但是現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)方法存在一些瑕疵：(1)現(xiàn)有的可溶巖室內(nèi)溶蝕研究大多針對(duì)的是純粹完整的方解石和冰洲石，而不是化學(xué)成分復(fù)雜的巖石，那么這樣得出的結(jié)果會(huì)有一定的差異。野外的巖溶條件復(fù)雜，巖石的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)都會(huì)影響巖溶的發(fā)育[64]。(2)為了加快室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)的進(jìn)程，所采用的樣品尺寸普遍較小，有的甚至為小顆粒和粉末，這樣得出的溶蝕結(jié)論和真實(shí)的巖溶溶蝕存在一定差異，不能正確表征可溶巖溶蝕量的實(shí)際數(shù)值。(3)可溶巖的野外存在形式復(fù)雜，其中可溶巖和水溶液的作用方式多變。但是目前室內(nèi)試驗(yàn)主要采用溶液連續(xù)流過試樣的方法或者旋轉(zhuǎn)碟片法，顯然不能對(duì)野外復(fù)雜的巖溶組合形態(tài)統(tǒng)一進(jìn)行研究。

作者認(rèn)為，針對(duì)巖溶溶蝕室內(nèi)研究下一步的發(fā)展方向?yàn)椋?1)采用野外采集回來的可溶巖替代純粹的方解石和冰洲石展開室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)研究，亟需解決的問題是要有效控制酸不溶物對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。(2)開展大尺寸的可溶巖室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)研究，將孔隙度、力學(xué)強(qiáng)度、礦物成分等因素考慮進(jìn)去，從尺度上更接近野外真實(shí)的巖溶狀態(tài)。(3)由于物理溶解CO2轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂星治g性的碳酸的過程是緩慢的，未來可以考慮用有效的其他酸溶液代替碳酸來加快試驗(yàn)過程。(4)建立模型試驗(yàn)系統(tǒng)真實(shí)模擬野外可溶巖的溶蝕過程，例如為了模擬三峽庫區(qū)可溶巖與庫水的作用過程，可以建立水位波動(dòng)條件下的可溶巖溶蝕試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。(5)進(jìn)一步開展巖溶巖石微觀溶蝕機(jī)理的研究，未來結(jié)合SEM、微米CT等室內(nèi)試驗(yàn)手段從微觀角度刻畫可溶巖的溶蝕過程。

3.2 野外溶蝕試驗(yàn)研究討論

一般認(rèn)為野外巖溶溶蝕研究更接近于實(shí)際狀態(tài)，從而可以得出相對(duì)有意義的結(jié)論。但是目前的巖溶溶蝕野外研究方法，還是存在一定的不足：(1)Corbel公式法中假定所有的碳酸鹽巖密度為2.5 g/cm3，這顯然是不對(duì)的；另外忽略了碳酸鎂和大氣降水增加的溶質(zhì)；忽略了硫酸鹽巖可能對(duì)鈣離子濃度做出貢獻(xiàn)；以平均值歸納碳酸鹽的硬度，忽略了徑流量的變化。(2)標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法由于試片的體積較小，容易受外界環(huán)境的影響。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法得出的結(jié)果要比從水的硬度和徑流數(shù)據(jù)得出的結(jié)果小2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以標(biāo)準(zhǔn)試片法的數(shù)據(jù)需要謹(jǐn)慎解譯。(3)微侵蝕計(jì)的使用過程中會(huì)存在一定的誤差。(4)因?yàn)椴皇敲總€(gè)巖溶地區(qū)都存在灰?guī)r基座，所以灰?guī)r基座方法的使用存在一定的地域限制。

針對(duì)以上不足，下一步的研究重點(diǎn)為：(1)綜合運(yùn)用多種野外試驗(yàn)方法開展研究，避免或降低單一試驗(yàn)方法可能帶來的較大誤差。(2)建立野外溶蝕試驗(yàn)和室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)，以期通過室內(nèi)短期的試驗(yàn)研究推測(cè)野外大時(shí)間尺度下的溶蝕狀態(tài)。

4 結(jié)論

可溶巖化學(xué)溶蝕的測(cè)定可以獲得當(dāng)前氣候條件下可溶巖的溶解情況和比較不同條件下的溶蝕速率，從而更好地理解巖溶地貌的發(fā)展演化過程，進(jìn)一步預(yù)測(cè)巖溶未來的發(fā)展趨勢(shì)。本文在分類總結(jié)可溶性巖石化學(xué)溶蝕試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，得出如下結(jié)論和建議：

(1)可溶巖化學(xué)溶蝕試驗(yàn)方法可以歸納為兩大類：室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)方法(CO2溶液流動(dòng)法或旋轉(zhuǎn)碟片法)和室外溶蝕試驗(yàn)方法(水化學(xué)徑流法、標(biāo)準(zhǔn)溶蝕試片法、灰?guī)r基座法、微侵蝕計(jì)測(cè)定法等)。

(2)可溶巖化學(xué)溶蝕試驗(yàn)方法的原理和適用條件存在差別，所以對(duì)可溶巖化學(xué)溶蝕的研究可將不同試驗(yàn)方法相結(jié)合，以便優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合測(cè)定可溶巖的溶蝕程度。

(3)加強(qiáng)室外溶蝕試驗(yàn)和室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)研究，以期通過室內(nèi)短期的試驗(yàn)研究推測(cè)野外大時(shí)間尺度下可溶巖的溶蝕狀態(tài)。

(4)開發(fā)可溶巖溶蝕大型模型試驗(yàn)系統(tǒng)，綜合考慮巖溶水的運(yùn)動(dòng)方式、滲透介質(zhì)性質(zhì)等方面，真實(shí)模擬可溶巖溶蝕的發(fā)展過程。