物探方法在泥炭调查中的应用研究

李 富, 欧阳渊, 陈敏华, 刘 洪, 张景华, 张腾蛟

(中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081)

陆地是人类生存与发展的主要场所,陆地面貌受到人类活动的影响变化很大,陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,并存在很大的不确定性。陆地碳循环已经成为国际地圈-生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program,IGBP)、世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP)、全球变化与陆地生态系统(Global Change and Terrestrial Ecosystems,GCTE)等多个核心计划的重要内容,通过研究陆地生态系统碳循环可以预测未来气候变化[1-7]。全球泥炭沼泽面积约占陆地总面积的2.5%～3.5%,其土壤富含有机碳(12%～60%),碳储量占全球陆地碳储量的20%,是陆地生态系统的重要碳汇[8-9]。由于气候持续变暖和近年来人类干扰和破坏活动的加剧,泥炭沼泽可能转换为CO2、CH4等温室气体排放的源。据报道,每年全球泥炭沼泽由于排水引起CO2排放约20×108t,占全球人为活动CO2排放总量的6%[7-9]。保护泥炭沼泽对于减缓全球气候变化的作用,已得到了国际社会广泛认可,保护泥炭沼泽也是我国应对全球气候变化的重大举措。

文献[1]通过中国泥炭地信息查询系统计算得到,我国泥炭总储量为37.15×108t(烘干质量),碳储量约为9.52×108t。四川省是我国泥炭地有机碳储量最大的省份,其有机碳储量约为6.65×108t,占全国泥炭地碳总储量的42.92%。四川省境内若尔盖高原泥炭地位于青藏高原东北部,是全球气候变化最敏感的区域之一,在全球具有典型性和代表性。20世纪80年代,原地质矿产部从矿产资源角度在四川省开展过泥炭调查,圈出储量大于10×104t的泥炭地;2012年启动开展的全国湿地资源调查起调面积为8 hm2,湿地碳库未列入调查指标,因此,四川省泥炭沼泽资源情况仍然不是十分清楚。为了实现新时期泥炭沼泽资源的科学合理保护与管理,支撑应对全球气候变化和参与国际气候谈判,非常有必要开展一次全新的四川省泥炭沼泽碳库普查。本文在四川省林业和草原局对若尔盖地区深度大于1.0 m泥炭斑块面积调查结果基础上,利用物探方法进行泥炭深度的准确调查,有效解决泥炭沼泽碳储量核算的深度不确定性,提高计算泥炭地有机碳储量的准确性。

1 泥炭湿地相关研究概况

泥炭是动植物死亡残体在多水缺氧的状态下缓慢形成的有机堆积层,是古代沼泽环境特有的产物。沼泽是多水条件下形成的自然综合体。碳库是指在全球碳循环过程中,可以存储碳的部分。

湿地被称为地球之肾,泥炭沼泽是指泥炭厚度大于等于30 cm 或有机质质量分数超过50%的湿地。由于泥炭沼泽不仅可以作为一个碳汇,在自然条件下又是一个巨大的碳源,能够向大气中释放大量的CH4,因此对泥炭沼泽碳储量的准确估算,对于管理和恢复泥炭沼泽以及全球的碳循环具有重要的意义。

通常采用2种方法估算泥炭地有机碳储量。第1种方法是根据泥炭地的有机碳密度和泥炭地面积,估算泥炭地有机碳储量;其中泥炭地有机碳密度是指单位面积有机碳储量,是泥炭有机碳质量分数、泥炭容重及泥炭层厚度的乘积;这种方法通常以土壤图和土壤剖面数据为基础,需要利用的指标和数据较多,对于大尺度的估算,结果不确定性较大。第2种方法是根据泥炭地储量和泥炭有机质质量分数估算泥炭地有机碳储量,计算公式为:

Tc=TaSoa,

其中:Tc为泥炭地有机碳储量;Ta为泥炭地储量;So为泥炭的有机质质量分数;a为有机质转换为有机碳的转换系数[8]。

Bridgham等估算的北美湿地碳储量潜力的不确定性超过100%,Milne和Brown估算苏格兰泥炭地碳储量存在50%的不确定性;泥炭沼泽碳储量核算不确定性的影响因素包括植被生物量、植被(或土壤)有机碳质量分数、泥炭深度、土壤容重及泥炭沼泽面积[8-9]。由于泥炭地碳储量核算因子的实测数据较少,精确估算全球或者区域泥炭地碳储量存在较大难度。为了确保泥炭地碳储量精确估计,开展泥炭地碳储量研究需要加大区域上泥炭地碳储量核算因子的实测调查,包括植被生物量以及泥炭深度、容重和面积等全面数据。Maltby和Immirzi估算全球泥炭地土壤有机碳储量,按平均深度1.0 m计算的储量为2.76×1017g,按平均深度2.3 m计算的储量为5.25×1017g[9-10]。对于泥炭地有机碳储量计算,采用遥感、地理信息系统技术可以提高其中泥炭沼泽面积因素的准确性,物探方法可以提高其中深度参数准确性。

2 若尔盖盆地沉积充填形态研究

本文通过地质资料综合研究[11-13],发现若尔盖盆地沉积充填形态具有“构造控盆—盆控相—相控泥炭”的特征。在新近纪开始的喜马拉雅运动期,是现代若尔盖构造盆地形成的重要阶段;新近纪至早更新世,在现代若尔盖构造盆地的周边地区,最先形成了一些主要的断陷谷地;晚新近纪青藏高原大幅度隆起时期,是现代若尔盖构造盆地的全面形成期;中更新世,盆地沿周边断裂开始了全面的沉降;全新世以来,若尔盖盆地仍然持续下陷,但其速度显著变缓,出现相对稳定的格局。若尔盖盆地构造模式如图1所示(据文献[13]修改)。

图1 若尔盖盆地构造模式

全新世以来沉积环境发生了巨大变化,在晚更新世湖面缩小的基础上发生大规模湖退,沼泽区尾随湖退向北推进是全新世以来的主要地质事件,伴随沉积环境的巨大变迁,沼泽相几乎完全取代了湖相分布[14]。若尔盖盆地全新世岩相古地理图如图2所示(据文献[14]修改)。

图2 若尔盖盆地全新世岩相古地理图

全新统若尔盖盆地,沉积物主要受黄河和黑河2条主要水系及其分支水系控制,泥炭主要是受这2条河流发育的沉积体系控制,泥炭主要分布在河流左侧的沼泽相地区,并且有从河道的左岸向边逐渐变厚再减薄的趋势[15]。河流相泥炭形成模式如图3所示。

图3 河流相泥炭形成模式

3 泥炭调查中地球物理方法应用效果

将泥炭样品晾干进行视电阻率(ρ)测试,泥炭层视电阻率为235～295 Ω·m,砂泥层视电阻率为300～480 Ω·m。由此可以看出,泥炭层的视电阻率低,砂泥层的视电阻率相对较高,两者有明显的差异,可以采用高密度电阻率法进行探测。

3.1 高密度电阻率法在泥炭调查中应用效果

在若尔盖县纳洛乔湿地开展了3条(L1～L3)高密度电阻率法测线,如图4所示。L1线布设60个测点,点距1 m;L2线布设52个测点,点距2 m;L3线布设32个测点,点距3 m。

L1～L3线高密度电阻率法探测成果如图5所示。

由图5a、图5b可知:L1线浅部泥炭层的视电阻率表现为低阻异常特征,其视电阻率为40～80 Ω·m;深部砂泥层的视电阻率表现为高阻异常特征,其视电阻率为80～200 Ω·m;L1线对应浅钻泥炭层厚度1.5 m,物探推测泥炭层厚度1.4 m,两者基本吻合。

图4 若尔盖县纳洛乔湿地物探测线布设示意图

图5 若尔盖县纳洛乔湿地高密度电阻率法L1～L3线探测成果

从图5c、图5d可以看出:L2线浅部泥炭层的视电阻率表现为低阻异常特征,其视电阻率为10～50 Ω·m;深部砂泥层的视电阻率表现为高阻异常特征,其视电阻率为50～120 Ω·m;推测泥炭层厚度2.4 m。从图5e、图5f可以看出:L3线浅部泥炭层的视电阻率表现为低阻异常特征,其视电阻率为25～50 Ω·m;深部砂泥层的视电阻率表现为高阻异常特征,其视电阻率为50～100 Ω·m;L3线对应浅钻泥炭层厚度6.0 m,物探推测泥炭层厚度6.2 m。L2、L3线均被水淹没,其泥炭层、砂泥层的视电阻率值与L1线相比都低;由于L3线靠近湿地中部,含水性好,视电阻率异常值比L1、L2线低。

通过3条测线探测的不同平面位置、深度信息,结合河流相泥炭形成模式,可以推断出若尔盖县纳洛乔湿地泥炭层厚度变化特征(图5g),计算出深部泥炭的横断面积6 375 m2(按L2线对应点计算为3 600 m2,按L3线对应点计算为9 600 m2),该计算结果比采用单孔的平均厚度计算结果精确。利用该计算结果与根据遥感资料圈定的该斑块面积,可以更准确地计算泥炭层的体积,为泥炭地碳库调查提供更准确的数据。

3.2 地质雷达在泥炭调查中应用效果

工作区位于红原县日干乔湿地,分别布设了高密度电阻率法和地质雷达方法剖面各1条。红原县日干乔湿地水上高密度电阻率法L1线探测成果如图6所示,地质雷达L1线在0.08 m/ns下的探测成果如图7所示。

图6 红原县日干乔湿地水上高密度电阻率法L1线探测成果

图7 红原县日干乔湿地水上地质雷达L1线探测成果

由图6可知:泥炭层表现为低阻视电阻率异常特征,其厚度约1.0～1.8 m;砂泥层表现为高阻视电阻率异常特征,其厚度约4.5～5.5 m;通过高密度电阻率法可以快速地确定泥炭层的起伏变化特征。

由图7可知:泥炭层表现为电磁波信号较弱,其厚度约1.0～1.6 m;砂泥层表现为电磁波反射信号较强,其厚度约4.5～5.5 m;通过地质雷达方法也可快速地确定泥炭层厚度变化。

4 结 论

(1) 本文介绍了泥炭沼泽的基本概念,分析了2种估算泥炭地有机碳储量方法,介绍泥炭沼泽碳储量核算的5种不确定性因素,探讨利用物探方法来提高深度因素的准确性。

(2) 通过对若尔盖盆地沉积充填形态的研究,提出了“构造控盆—盆控相—相控泥炭”的观点。

(3) 通过高密度电阻率法在若尔盖县纳洛乔湿地调查成果,揭示了泥炭的电性特征。泥炭层的视电阻率表现为低阻异常特征,深部的砂泥层表现为相对高阻异常特征;泥炭层的视电阻率随含水率的增加而降低;采用高密度电阻率法可以实现对泥炭层与砂泥层的精确分层。根据4条高密电阻率法精细探测结果,可精确计算泥炭层的横断面积,提高泥炭地有机碳储量计算准确性。

(4) 将地质雷达应用于红原县日干乔湿地泥炭层探测,结果表明,泥炭层表现为电磁波信号较弱,砂泥层表现为电磁波反射信号较强。因此,采用高密度电阻率法和地质雷达方法2种物探方法均可实现对泥炭地的精确分层。