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系統識別號 U0026-0812200914114617
論文名稱(中文) 台灣西南部二仁溪流域盆地的沈積物風化與河水化學
論文名稱(英文) Sediment Weathering and River Water Chemistry in the Erren Drainage Basin, Southern Taiwan
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 地球科學系專班
系所名稱(英) Department of Earth Sciences (on the job class)
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生(中文) 周建良
研究生(英文) Chien-Liang Chou
電子信箱 l4795101@mail.ncku.edu.tw
學號 l4795101
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-游鎮烽
口試委員-饒瑞鈞
口試委員-何恭算
中文關鍵字 矽酸鹽風化率  化學風化  河水化學  沈積物風化  二仁溪 
英文關鍵字 Erren River  Sediment Weathering  Silicic Weathering Rate  Chemical Weathering  River Water Chemistry 
學科別分類
中文摘要 岩石的風化侵蝕作用是研究地球化學循環和全球氣候變化的重要環節,而矽酸岩礦物的化學風化更是調節全球大氣二氧化碳分壓的重要機制之一。論文主要研究內容包括2大部分,其一利用密集性每週採樣,研究二仁溪河水化學與氣候、地質間的關係,並透過河水溶解態中各成分元素比率的變化,探討岩性、大氣降水與人為作用對河水化學的貢獻;其二通過矽酸鹽礦物貢獻在河水溶質中的比率,結合每日流量數據,推算出本流域的矽酸鹽風化通量,並探討其與氣溫、雨量、逕流量間的關係,建立本流域的矽酸鹽風化趨勢模型。
觀察二仁溪全流域Cl元素濃度在乾濕季變化,發現離海距離約20公里處可視為海水入侵的終點。考慮大氣中『氯損耗』效應,利用梅雨季雨水中Na作參照元素,通過海鹽校正方法,估算得到大氣降水對中游段河水溶質總貢獻率僅有0.46%。顯示河水中較高的氯元素濃度,為中上游地區『海相沈積』地質所造成。河口處各成分元素平均莫耳比值如:Mg/Na=0.08, K/Na=0.02, S/Na=0.06,皆比中游段比值(Mg/Na=0.41, K/Na=0.09, S/Na=0.39)小,但接近國際標準海水(IAPSO Standard Seawater)比值(Mg/Na=0.1, K/Na=0.02, S/Na=0.06),顯然河口主要為海水所混染。但河口處Cl/Na=1.57,遠大於中游段0.53及海水值1.18,過剩的氯元素可能與人為作用因素有關。依據Gibbs分析圖可定性推論本流域中上游屬『岩石風化控制』類型,再藉由中游段平均莫耳比值Mg/Na=0.41、Ca/Na=0.48,得知本流域以矽酸岩礦物風化為主,而部分來自碳酸鹽礦物風化。中游段河水中各化學成分濃度與流量呈負相關,但梅雨季時,因『海相沈積』地質特性,造成Na、Cl、S元素易受淋洗作用加強,濃度反而增高。
藉由密集性每週採樣,並通過海鹽校正方法與濾除人為影響下,推算出中游段河水單日矽酸鹽風化率最大值為3.06(t/km^2/day),出現在累積雨量最多的聖帕颱風(SEPAT)過後,幾乎接近甚至超過世界其他氣候構造帶全年的矽酸鹽風化率。比如氣候與本流域類似的馬來西亞沙巴4.05(t/km^2/yr)及圭亞那地盾2.39(t/km^2/yr)。2006年推估全年矽酸鹽化學風化率有124(t/km^2/yr),遠比南阿爾卑斯山西部所得估計值84.8(t/km^2/yr)更多,是目前所知全世界各不同構造氣候帶中最大值。顯然由於台灣地處亞熱帶氣溫較高,加上常有颱風侵襲易帶來豐沛雨量。因降雨造成本流域大面積裸露的泥岩沈積物剝蝕速率加大,使得二仁溪輸砂量大增。本流域年平均物理剝蝕率為5768(t/km^2/yr),相對也提升化學風化作用。這種高動能風化作用區,是全世界少見的構造氣候帶類型,因此才有世界最大的矽酸鹽風化率。本流域矽酸鹽風化率與雨量及流量有良好的線性關係,其R^2值分別為0.8433及0.8452;若是以二次函數作迴歸則矽酸鹽風化率與雨量及流量的R^2值分別為0.8577及0.9455。2006~2007年台灣地區屬於聖嬰年,2007~2008年則進入反聖嬰年,這是典型的聖嬰及南方振盪(ENSO)與反聖嬰(La Nina)現象。而2007年全年矽酸鹽化學風化率估計有198(t/km^2/yr),遠比2006年來得多,推論當反聖嬰現象若發生較多的颱風事件經過此流域,則其當年之矽酸鹽風化率會比平常年來得大。這對於全球性大空間尺度的短期氣候異常現象,在台灣地區所造成的化學風化作用有較為顯著的特徵表現。
綜合以上,本研究首次藉由每週密集性連續採樣一年,並精確地利用ICP-MS分析河水中的化學成分,正確地推算出矽酸鹽風化率,來驗證台灣西南部地區高物理侵蝕率,所造成的化學風化作用。就目前全球暖化問題,本流域所得到的矽酸鹽風化率,未來可推算出二氧化碳的消耗率,及對全球二氧化碳分壓調控的貢獻比率。另外可進一步利用同位素示蹤方法,以瞭解河水化學的補助來源自大氣降雨、岩石風化產物及地下水的成分,以釐清在不同季節氣候條件下,影響河水溶質變化的主因。
英文摘要 River water chemistry reflects sensitively the amplitude of chemical weathering, especially, weathering of silicate minerals, which play important roles in adjusting the partial pressure of carbon dioxide as well as in moderating the global climate. To understand the variability of water chemistry during weathering and erosion processes, a river Erren in southern Taiwan basin with heavy erosion of mudstone sediments was investigated. By weekly sampling, a set of high resolution record extended to one year was obtained. After that, use the extremely-precise machine ICP-MS, whose analysis precision can maintain from 0.5% to 2.5% (2σm) under a long-term operation, to analyze the consistency of each main element contained in the filtered river water. The results reveal that variations of the major elements in Erren River were dominated by weathering of silicate minerals from the riverbed. Waters collected toward to the estuary were primarily affected by mixing with the seawater, which became significant in dry seasons due to enhanced seawater intrusion. On the other hand, due to plenty of mudstone exposed at the surface of this basin, rainfall-induced mud flood increased the suspended load in Erren River and therefore promoted chemical weathering. Daily maximum of silicate weathering rate occurred during the heavy rainfalls or after the typhoons events. The study conclude that rate of silicate weathering in the basin is tightly related to the rainfall and runoff (R2>0.84). Average rate of silicate weathering was estimated to be approximately 124 (t/km2/yr) in 2006 and 198(t/km2/yr) in 2007, both are much higher than areas with similar climate characteristics in the world. It is also worthy to note that an increase of silicate weathering rate of the Erren River was triggered by typhoons related to the2007 La Niña period, implying the ENSO event maybe is another key influencing the chemical weathering.
論文目次 摘要..Ⅰ
ABSTRACT..Ⅲ
誌謝..Ⅳ
章節目錄..Ⅴ
圖目錄..Ⅶ
表目錄..Ⅸ
=章節目錄=
第一章 緒論
1.1 研究背景..1
1.2 研究區域..4
1.2.1 地理與地質..7
1.2.2 氣候與人文..8
1.3 研究目的..11
第二章 文獻探討
2.1 全球河流化學模式..12
2.2 岩石的化學風化作用..15
2.3 河水溶質與圍岩端源成分..17
2.4 矽酸鹽風化的制約因素..19
第三章 研究方法
3.1 採樣與樣品處理..21
3.2 感應耦合電漿質譜分析法..24
3.2.1 儀器構造與原理..24
3.2.2 實驗步驟..26
3.2.2.1 標準品配置與檢量線製備..28
3.2.2.2 樣本進樣分析程序..30
3.3 多變量統計分析法..31
3.3.1 主成分分析法..31
3.3.2 因素分析法..32
第四章 研究結果與討論
4.1 長時間儀器測量精密度評估..33
4.2 雨水樣本主要元素分析..36
4.3 地下水樣本主要元素分析..40
4.4 河水樣本..42
4.4.1 二仁溪流域河水溶質起源類型..44
4.4.2 二仁溪流域河水化學的主要機理..46
4.4.2.1 循環鹽對河水的貢獻..46
4.4.2.2 圍岩的風化作用..50
4.4.3 二仁溪河口主要元素的季節性變化..52
4.4.4 二仁溪中游段的河水化學..56
4.4.4.1 中游段主要元素的季節性變化..56
4.4.4.2 中游段的矽酸鹽化學風化..60
4.4.4.3 中游段的氣候因子:颱風事件..72
第五章 結論..79
參考文獻..81
附錄..89
後序..92
圖目錄
圖1-1台灣長期氣象測站的平均氣溫距平圖..3
圖1-2台灣長期區域測站高相對濕度發生時數的逐年變化趨勢圖..3
圖1-3台灣板塊構造立體示意圖..5
圖1-4台灣氣候受不同地區天氣系統的多重影響示意圖..5
圖1-5台灣地區1970年至1999年各流域侵蝕速率分布圖..6
圖1-6二仁溪流域地質圖..6
圖1-7二仁溪流域的古亭橋採樣點..9
圖1-8崇德橋及南雄橋河水月平均流量變化圖..9
圖2-1Gibbs的河水溶質起源模型框架圖..14
圖2-2世界60大河流河水溶解態溶質與端源成分圍岩的關係..18
圖2-3全球不同構造帶矽酸鹽礦物風化速率與氣候及物理剝蝕率關係圖..20
圖3-1雙聚焦磁場式感應耦合電漿質譜儀重要結構示意圖..27
圖3-2感應耦合電漿質譜儀重要裝置原理示意圖..27
圖3-3標準溶液檢量線線性迴歸關係圖..29
圖3-4樣本進樣分析與校正流程圖..30
圖3-5主成分分析示意圖..32
圖4-1長時間儀器測量精密度校正前後訊號偵測強度變化比較圖..35
圖4-2南雄橋雨水樣本Cl對Na、Mg、S、Ca元素作圖..39
圖4-3南雄橋雨水樣本各元素負荷量以Factor 1對Factor 2作圖..39
圖4-4南雄橋右岸地下水各主要元素濃度和累積降雨量時間序列比較圖..41
圖4-5台南地區月平均累積雨量統計圖..45
圖4-6運用Gibbs河水溶質起源圖表示二仁溪河水樣本的水質化學特徵..45
圖4-7河水樣本中全流域氯元素濃度與離海距離相關圖..49
圖4-8南雄橋河水樣本分乾濕季以Mg/Na與Ca/Na作關係圖..51
圖4-9南雄橋河水樣本乾濕季平均值的主要陽離子三角圖..51
圖4-10南萣橋河水樣本主要元素濃度和月累積降雨量時間序列比較圖..54
圖4-11南萣橋河水樣本Cl對Na、Mg、Ca、Si元素作圖..55
圖4-12南雄橋樣本主要元素每月濃度和流量雨量及氣溫時間序列比較圖..58
圖4-13南雄橋河水樣本2006年主要元素濃度和流量時間序列比較圖..59
圖4-14南雄橋河水每月矽酸鹽風化貢獻率和流量雨量氣溫時間序列比較圖..62
圖4-15南雄橋河水每月矽酸鹽風化率和流量、雨量及氣溫時間序列比較圖..64
圖4-16南雄橋河水樣本每日矽酸鹽風化率與雨量、流量作關係圖..65
圖4-17南雄橋河水依乾旱降雨時期將SWR對雨量流量氣溫作關係圖..66
圖4-18矽酸鹽風化率與氣溫及物理侵蝕率在不同逕流下的3D趨勢關係圖..68
圖4-19南雄橋河水樣本矽酸鹽風化率與氣溫及逕流量的3D線性關係圖..68
圖4-20南雄橋河水颱風期間元素濃度與矽酸鹽風化貢獻率時間序列比較圖..73
圖4-21南雄橋河水樣本颱風期間主要與微量元素濃度時間序列比較圖..77
圖4-22颱風期間樣本元素濃度及Sr/Ca與Ba/Ca比值的時間序列比較圖..78
表目錄
表1-1中央氣象局台南氣象站歷年氣候統計月平均資料表..10
表1-2採樣期間颱風及其引進氣流所累積總雨量統計表..10
表3-1二仁溪流域各採樣地點與其相對距海里程對照表..22
表3-2樣本分類代號數量表..22
表3-3採樣瓶或相關容器的前處理程序表..23
表3-4樣本依乾濕季與採樣點差異所配置之稀釋倍數表..23
表3-5標準溶液檢量線說明表..28
表4-1長時間儀器測量分析精密度比較表..34
表4-2雨水樣本主要元素濃度比較表..37
表4-3南雄橋雨水樣本各元素負荷量比較表..38
表4-4南雄橋雨水樣本各元素相關係數矩陣表..38
表4-5地下水樣本主要元素濃度比較表..40
表4-6所有樣本與國際標準海水(IAPSO)主要元素濃度比較表..43
表4-7大氣降水對河水中主要元素相對貢獻率..48
表4-8樣本中全流域氯元素濃度比較表..48
表4-9南萣橋河水樣本各主要元素濃度每月平均值比較表..53
表4-10河水樣本各主要元素濃度以鈉元素作標準化莫耳比值比較表..55
表4-11南雄橋河水樣本各主要元素濃度每月平均值與雨水、地下水比較表..57
表4-12全球不同構造氣候區矽酸鹽化學風化率研究數據..70
表4-13南雄橋河水樣本不同礦物風化貢獻之通量統計表..71
表4-14南雄橋河水樣本帕布颱風期間主要元素濃度分析結果統計表..73
表4-15南雄橋河水樣本帕布颱風期間微量元素濃度分析結果統計表..76
表4-16南雄橋河水樣本帕布颱風期間各主要與微量元素相關係數矩陣表..76
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