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第0年
黄龙条件

坡面探针

拖动旋转，滚轮缩放。点击坡面可查看该点水化学，纵剖面随之切到这一列。
0彩池数量
0最深池水
0坝顶沉积速率
0池底沉积速率
0沉积起点（距泉）
0钙华最大厚度

纵剖面与沿程水化学

剖面沿坡面中线；点击三维坡面可更换剖面位置。下方曲线为各横断面按流量加权的平均值。

原始坡面（基岩与土层） 钙华年层（相邻两层颜色交替） 池水

一池碳酸钙是怎样长出来的

钙华的化学本质是一条可逆反应。地下的高 CO₂ 环境推动反应向溶解方向进行，泉水出露后 CO₂ 逸散，反应转向沉积。石灰岩溶洞和石钟乳遵循的也是同一条反应。

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2HCO₃⁻
向右：地下溶蚀，形成溶洞、地下河向左：地表沉积，形成钙华、石钟乳
断裂带 深部 CO₂ 沿断裂上升 1 2 3 4 5 6 碳酸盐岩含水层 泉水出露 钙华池群
从雪山到彩池：数字对应下方过程。示意图不按比例。
  1. 补给雨雪水沿裂隙下渗，进入石灰岩、白云岩含水层。
  2. 增碳深部 CO₂ 沿断裂上升并溶入地下水，水的溶蚀能力大增。表生钙华的 CO₂ 则主要来自土壤。
  3. 溶蚀富 CO₂ 的水溶解碳酸盐岩，Ca²⁺、HCO₃⁻ 浓度升高。黄龙泉水 Ca²⁺ 超过 250 mg/L。
  4. 出露脱气泉水出露地表，水中 CO₂ 分压从上万帕向大气的约 42 Pa 靠拢，CO₂ 大量逸出，pH 升高。
  5. 过饱和沉积方解石饱和指数超过临界值后开始结晶。泉口附近往往不沉积，水流出一段距离后才开始。
  6. 正反馈成池坝顶水薄流急，脱气和沉积快；池内水深流缓，沉积慢。坝越长越高，池越来越深。
  7. 改道更替池坝抬高后，上游被淹没或水流改道，旧池干涸，新池在别处生长。

为什么脱气会让水“装不下”碳酸钙

曲线按方解石—CO₂—水体系的平衡常数计算（Plummer & Busenberg, 1982），未考虑镁、硫酸根等其他离子。

坝为什么越长越高

坝顶：水薄、流急，脱气快，沉积快 池内：水深、流缓，沉积慢 坝越长越高，池越来越深
实测对比：意大利 Tartare 泉急流处的沉积速率约为附近静水的 4 倍（Bono et al., 2001）。黄龙五彩池 1980—1990 年监测的沉积速率约为每年 3 mm（姜泽凡等, 2008）。

坝顶长得快，池底长得慢，两者的差距年复一年累积，坝就越来越高，池就越来越深。这是一种正反馈：起初只是坡面上一处微小的凸起，水流在凸起顶部变薄变快，沉积随之加快，凸起又被进一步放大。

池子不会无限加深。池底会接受水中析出的碳酸钙颗粒，下游池坝升高后又会淹没上游的小池，使相邻的池合并。黄龙的池坝一般高 0.3 至 2 m，平均约 1 m（姜泽凡等, 2008）。

内生钙华与表生钙华

类型CO₂ 来源泉水 CO₂ 分压水温实例
内生钙华深部 CO₂（岩浆、变质作用等）沿断裂上升常高于 1 万 Pa冷泉或热泉四川黄龙、土耳其帕穆卡莱、美国猛犸温泉
表生钙华土壤中生物呼吸和有机质分解一般低于 1 万 Pa常温贵州独山响水河等岩溶泉下游

分类与实例据刘再华（2014）。黄龙泉水 CO₂ 分压实测超过 12,500 Pa，土壤生物 CO₂ 难以达到，研究者认为深部 CO₂ 起主要作用（Wang et al., 2010）。

哪些地理条件让钙华池出现在这里

钙华池需要钙源、CO₂、出露通道、适宜地形和稳定水量同时具备。缺少其中一项，泉水很难长出成片的池群。

地形（坝、池） 水流（流速、水深） CO₂ 逸出与沉积 钙华加积 地貌与水流相互塑造
钙华池是“自组织”地貌：地形决定水怎样流，水流又决定碳酸钙沉积在哪里，沉积再改变地形。外部条件（构造、岩性、气候、生物、人类活动）通过改变这个循环的速度和方向起作用。
因素作用在模拟器中实例与证据
岩性碳酸盐岩提供 Ca²⁺。泉水含钙量决定沉积潜力。泉水按设定 CO₂ 分压与方解石平衡，自动得到含钙量黄龙泉补给区以泥盆系、石炭系灰岩和白云岩为主，古生界碳酸盐岩厚度超过 4000 m
CO₂ 来源决定地下水的溶蚀能力，也决定出露后的过饱和潜力。调节“CO₂ 分压”黄龙泉水 CO₂ 分压超过 12,500 Pa，流经约 3.5 km 后降至约 100 Pa
构造断裂为深部 CO₂ 和地下水提供上升通道，泉水多沿断层出露。泉水沿坡顶断层带出露黄龙泉群沿望乡台一带断层出露；帕穆卡莱位于地壳拉张区活动断层的上升盘
地形坡度影响流速、水膜厚度和脱气强度。陡处多成钙华瀑布与小池，缓处多成滩流与大池。调节“坡度”黄龙金沙铺地钙华滩流长达数百米；扎嘎瀑布为大型钙华瀑布
水温与气候水温升高，CO₂ 和方解石溶解度下降，结晶加快。高寒区冬季冰封，沉积放缓。调节“水温”猛犸温泉水温可达约 73 ℃，沉积以厘米每年计；黄龙地处高寒，年均气温约 1 ℃，沉积以毫米每年计
水量与稳定性泉水稳定，钙华才能持续生长。融雪水混入会稀释水化学。调节“流量”黄龙泉水化学的日变化和季节变化都很小，地下深循环系统调蓄能力强
生物藻类白天光合作用吸收 CO₂，使沉积加快；微生物膜为结晶提供核。硅藻过度繁殖会使钙华变色。调节“藻类与微生物”，切换白天与夜晚黄龙一处藻类丰富的池子，昼夜 CO₂ 分压变化约 81% 来自光合作用；猛犸温泉的嗜热细菌使沉积大大加快
人类活动生活污水带来的磷酸盐吸附在方解石表面，抑制结晶；抽水、踩踏直接破坏钙华。调节“磷酸盐”旅游旺季黄龙下游磷酸盐升至背景值约 5 倍；帕穆卡莱曾因酒店引水导致钙华池缺水退化
地震改变泉水化学，震裂钙华坝，使池水下泄。点击“地震：池坝破裂”2008 年汶川地震后黄龙泉水化学异常约两个月；2017 年九寨沟火花海钙华堤坝溃决

资料来源见“模型与资料”页。

五处钙华，五段故事

传说记录了人们怎样看待这些地方，科学研究解释了它们怎样形成，保护的经历说明它们有多脆弱。每个案例都可以载入模拟器对照。

海拔 3100—3600 m钙华带长约 3.5 km，宽约 250 m彩池 3400 余个1992 年列入世界自然遗产

黄龙负舟

相传上古洪水泛滥，大禹治水时船行不便，有黄龙为他背负船只，导水成功。黄龙力竭，未及返回大海，伏卧在岷山之下，化作这条金黄色的山沟。沟顶的黄龙古寺建于明代，每年农历六月的庙会上，藏、羌、回、汉各族群众远道而来。

泉水里的“化学课”

黄龙沟的水主要来自望乡台一带沿断层出露的泉群。泉水 CO₂ 分压超过 12,500 Pa，Ca²⁺ 超过 250 mg/L。泉水流经约 3.5 km 后，CO₂ 分压降到约 100 Pa，pH 从 6.3 升到 8.4，钙浓度从约 240 mg/L 降到约 100 mg/L，少掉的钙变成了脚下的钙华（Wang et al., 2010）。

被埋进钙华的石塔

五彩池旁有一座 1620 年修建的石塔，如今已被钙华埋入近 2 m。研究者据此估算，这里的沉积速率约为每年 5 mm；1980—1990 年的实地监测约为每年 3 mm（姜泽凡等, 2008）。按这个速度，一道 1 m 高的池坝需要两三百年。

游客带来的变化

研究发现，旅游旺季下游溪水的磷酸盐浓度升至背景值的约 5 倍，污染入口在一处游客餐饮点附近。磷酸盐抑制方解石结晶，也助长硅藻蔓延，使部分钙华由金黄变为灰白甚至发黑（Wang et al., 2010）。另一项监测显示，水中磷酸盐和溶解有机碳浓度随游客人数增减而升降，钙华沉积速率与二者呈负相关，五彩池和迎宾池最为明显（张金流等, 2011）。

钙华覆盖约 12 km²断层崖高约 200 m沉积至少持续 60 万年1988 年列入世界遗产

建在钙华上的圣城

“帕穆卡莱”在土耳其语中意为“棉花城堡”。公元前 2 世纪，古希腊罗马城市希拉波利斯就建在这片白色台地之上，温泉成为远近闻名的疗养地，古城低处的一部分后来被钙华掩埋。

拉张的地壳

这里位于安纳托利亚西部地壳拉张区，帕穆卡莱断层的上升盘形成高约 200 m 的崖壁。雨水沿断层和裂隙深入地下被加热，再携带大量溶解的碳酸钙上涌，泉水平均约 35 ℃。这一带的钙华沉积至少已持续 60 万年，大部分形成于最近 5 万年（NASA 地球观测站, 2021）。

拆掉酒店

20 世纪中期起，台地上方陆续建起酒店，抽引泉水供游客使用；1980—1990 年代游客激增，钙华池因缺水和过度使用而退化。列入世界遗产后，当地自 1993 年起实施修复，拆除酒店，禁止游客在钙华池中洗浴（Němec & Pošmourný, 2010）。

泉水最高约 73 ℃平均沉积约 21 cm/a黄石 1872 年成为世界上第一个国家公园

长得最快的钙华之一

热水在地下溶解了古生代、中生代沉积岩中的钙，上涌后迅速沉积。早期测量估计，这里的钙华平均每年增厚约 21 cm，快处超过 50 cm（Allen, 1934，转引自 USGS）。美国地质调查局指出，猛犸温泉的沉积速度可达每天约 3 mm，冷水钙华约为每天 0.2 mm；热水里的嗜热细菌为结晶提供模板，是沉积极快的原因之一。

活的台阶，死的台阶

不同温度带生活着不同的微生物，台阶上出现橙、褐、绿等色带。泉眼位置不断变化：有水流过的台阶洁白鲜亮，断流后的台阶逐渐失去光泽、风化变灰。模拟器中“废弃钙华”的颜色变化表现的正是这一过程。

海拔约 2380 m面积约 3 km²哈巴雪山脚下纳西族东巴文化发祥地

逐年长大的泉台

泉水富含碳酸氢钙，在缓坡上漫流、脱气、沉积，层层叠叠如同梯田，当地人称“仙人遗田”。纳西语对这里的称呼，含义正是“逐渐长大”的泉台，古人已经注意到它在不断生长。

东巴圣地

相传东巴教圣祖丁巴什罗从西藏学经归来，途经白水台，为这里的景色所吸引，留下设坛传教。每年农历二月初八，附近的纳西族群众来此“朝白水”，祭祀、歌舞、聚会。泉源附近还有明代纳西族土司木高的题诗摩崖。

2017 年 8 月 8 日九寨沟 7.0 级地震堤坝决口长约 40 m、宽约 12 m、高约 15 m2020 年 9 月修复后开放

一夜消失的湖

火花海因阳光照在湖面上闪烁如火花而得名。地震中钙华堤坝决口，湖水下泄，湖底钙华坍塌、风化、沙化、黑化；下泄的湖水冲向下游的双龙海，冲出了一道新的瀑布。

修，还是不修

震后不久，有地质学家提出，九寨沟的湖泊本身就是历次地震等构造运动的产物，这次决口属于自然演化，人为堵上决口会把自然景观变成人工景观，不建议修复（新京报, 2017）。管理部门最终选择修复：2019 年起由成都理工大学牵头，采用振冲碎石固基、糯米灰浆筑坝、竹锚加筋护坡、生态材料堵缝等方法，力求以最小的人工干预恢复湖泊，并维持钙华沉积平衡。这场争论没有标准答案，正适合在课堂上讨论。

六个探究任务

由现象到机制，再到人地关系。可按课时拆分使用；每个任务先记录数据、写出解释，再展开参考要点。

泉口为什么不长钙华

操作
载入黄龙条件，运行到第 100 年左右暂停。在泉水出露带附近和下游约 20 m 处各点击一次坡面。
记录
两处的 CO₂ 分压、pH、饱和指数 SI 与沉积速率；读数栏中的“沉积起点”。
思考
泉水含钙最多，为什么泉口附近反而不沉积？沉积起点的位置由哪些因素决定？
参考要点

泉口处 CO₂ 分压高，方解石接近饱和（SI≈0），不具备沉积条件。水流向下游不断脱气，SI 逐渐升高，超过临界值后才开始沉积。坡越陡、水膜越薄、水温越高，脱气越快，沉积起点越靠近泉口。

坝为什么越长越高

操作
运行黄龙条件至第 600 年左右，比较读数栏中“坝顶沉积速率”和“池底沉积速率”；在纵剖面上观察年层在坝顶与池底的厚薄。
思考
两者相差几倍？这种差异怎样使池坝不断加高？画出“坝高—流速—沉积”的反馈关系图。池子会无限加深吗？
参考要点

坝顶水薄、流急，脱气快、沉积快；池内水深、流缓，沉积慢，差距逐年累积，坝增高、池加深，构成正反馈。池子不会无限加深：池底接受碳酸钙颗粒沉降，下游池坝抬高后还会淹没并合并上游的小池。

冷泉与热泉

操作
在黄龙条件下只把水温改为 35 ℃，点击“重新开始”，记录彩池数量达到 30 个所需的年数；再把水温改回 6 ℃重复一次。
思考
热泉的钙华为什么长得快？把结果与猛犸温泉、黄龙的实测速率对照。
参考要点

水温升高，CO₂ 溶解度下降、方解石溶解度下降、结晶反应加快，沉积显著加速。这是控制变量实验：现实中热泉与冷泉的 CO₂ 来源、水化学和生物群落也不同，比较实测数据时要注意这一点。

CO₂ 从哪里来

操作
泉水 CO₂ 分压依次设为 15,000 Pa、3,000 Pa、500 Pa，每次点击“重新开始”，运行相同年数，记录钙华最大厚度和沉积起点。
思考
土壤生物产生的 CO₂ 一般不超过 1 万 Pa，而黄龙泉水超过 12,500 Pa，这说明黄龙泉水经历了怎样的地下过程？
参考要点

CO₂ 分压决定地下水能溶解多少钙，也决定出露后的过饱和潜力。分压越低，泉水溶解的钙越少，钙华越薄、长得越慢。黄龙泉水需要深部 CO₂ 沿断裂补给，属于内生钙华，构造条件是它形成的前提。

白天与夜晚

操作
把“藻类与微生物”调到 80%，运行出彩池后暂停。点击坡面中段的同一个池子，分别在“白天”和“夜晚”下读取 CO₂ 分压与沉积速率，并比较下方 CO₂ 曲线的变化。
思考
白天与夜晚哪个沉积快？原因是什么？黄龙有没有相应的实测证据？
参考要点

白天藻类光合作用吸收水中 CO₂，饱和指数升高，沉积加快；夜间呼吸作用释放 CO₂，沉积放缓。黄龙一处藻类丰富的池子实测表明，昼夜 CO₂ 分压差异约 81% 由光合作用贡献，约 19% 由水温变化贡献（Wang et al., 2010）。

保护与修复之争

操作
在黄龙条件下运行出较深的池群，把磷酸盐调到 0.30 mg/L 再运行约 200 年，观察沉积速率与钙华颜色；然后点击“地震：池坝破裂”。
思考
① 旅游带来的磷酸盐怎样影响钙华？景区可以采取哪些措施？② 九寨沟火花海震后，有人主张修复，有人主张保持自然演化。你支持哪一种做法？请给出至少两条理由。
参考要点

磷酸盐吸附在方解石表面抑制结晶，还会助长硅藻，使钙华变色。措施可包括污水收集外运、控制游客容量、栈道通行禁止踩踏、长期水质监测。修复之争没有标准答案，评价时看论据是否充分：遗产的原真性与完整性、溃坝对下游安全的影响、修复材料能否与钙华沉积兼容、修复后的长期监测与评估。

模型怎样计算

模拟器把真实过程简化为一块 45 m × 25 m 的坡面。它适合观察规律和比较条件，数值本身只有量级意义。

计算内容

  • 地形：网格间距 0.25 m（180 × 100 格）。初始坡面为倾斜谷地，叠加厘米级随机起伏；泉水沿坡顶断层带出露。
  • 水流：用优先队列填洼算法求出各洼地的溢流水位（即池水位），用多流向算法分配坡面水流；坡面水膜厚度按曼宁公式估算，池内流速按过池流量、池宽与水深估算。
  • 水化学：泉水在设定的 CO₂ 分压与水温下与方解石平衡（平衡常数取 Plummer & Busenberg, 1982）。水流沿程按 O’Connor–Dobbins 型气体交换计算 CO₂ 逸出，水面陡处湍流增强；藻类白天吸收、夜间释放 CO₂。
  • 沉积速率：与超出临界饱和度的钙浓度成正比，并随流速增大而增大（急流处可达静水的数倍，实测约 4 倍），随水温按阿伦尼乌斯关系加快；池底另计碳酸钙颗粒沉降；磷酸盐按抑制系数降低速率并提高临界饱和度。
  • 时间推进：每一步让沉积最快处增厚 5 mm，按当时的速率换算成年数，因此热泉条件下的年份走得慢、冷泉条件下走得快。

主要简化

  • 为在 45 m 坡面内展示完整过程，模型把 CO₂ 逸出加快了约 60 倍。真实的黄龙泉水要流经约 3.5 km 才接近与大气平衡。
  • 沉积速率常数按黄龙实测量级（每年数毫米）标定，其他案例的绝对速率只能作量级比较。
  • 未模拟水温沿程降低、融雪稀释、冬季结冰、流水侵蚀和人为引水。
  • 案例参数中，水温、CO₂ 分压参考了文献中的量级，坡度、流量、生物强度为模型设定值。

关键数据核对

数据数值来源
黄龙泉水 CO₂ 分压12,760—23,880 Pa（2007—2009 年多次测定）Wang et al., 2010
黄龙泉水 Ca²⁺252—282 mg/LWang et al., 2010
黄龙沿程变化（约 3.5 km）CO₂ 分压 14,000→100 Pa；pH 6.3→8.4；Ca²⁺ 240→100 mg/LWang et al., 2010
黄龙沉积速率约 3 mm/a（1980—1990 年监测）；石塔估算约 5 mm/a姜泽凡等, 2008
急流与静水沉积速率比约 4 : 1Bono et al., 2001
磷酸盐抑制阈值约 1 μmol/L（0.095 mg/L）Drysdale et al., 2002，转引自 Wang et al., 2010
猛犸温泉沉积速率平均约 21.1 cm/a（2.8—56.5 cm/a）Allen, 1934，转引自 USGS Bulletin 1444
帕穆卡莱泉水温度平均约 35 ℃UNESCO/IUCN, 1988

资料来源

  1. Wang H, Liu Z, Zhang J, et al. Spatial and temporal hydrochemical variations of the spring-fed travertine-depositing stream in the Huanglong Ravine, Sichuan, SW China. Acta Carsologica, 2010, 39(2): 247–259.
  2. 刘再华. 表生和内生钙华的气候环境指代意义研究进展. 科学通报, 2014, 59(23): 2229–2239.
  3. 张金流, 王海静 等. 旅游活动对四川黄龙景区水化学及钙华沉积速率的影响. 地球学报, 2011, 32(6): 717–724.
  4. 姜泽凡, 刘艳梅, 胥良. 黄龙钙华景观形成及演化趋势研究. 水文地质工程地质, 2008.
  5. Bono P, Dreybrodt W, Ercole S, et al. Inorganic calcite precipitation in Tartare karstic spring (Lazio, central Italy). Environmental Geology, 2001, 41: 305–313.
  6. Hammer Ø, Dysthe D K, Jamtveit B. Travertine terracing: patterns and mechanisms. Geological Society, London, Special Publications, 2010, 336.
  7. Goldenfeld N, Chan P Y, Veysey J. Dynamics of precipitation pattern formation at geothermal hot springs. Physical Review Letters, 2006, 96: 254501.
  8. Plummer L N, Busenberg E. The solubilities of calcite, aragonite and vaterite in CO₂–H₂O solutions between 0 and 90 °C. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1982, 46: 1011–1040.
  9. NASA Earth Observatory. Turkey’s Cotton Castle. 2021-10-09.
  10. UNESCO/IUCN. World Heritage Nomination Summary 485: Hierapolis–Pamukkale. 1988.
  11. Němec J, Pošmourný K. Pamukkale – the good end of one story? Ochrana přírody, 2010(5).
  12. USGS Yellowstone Volcano Observatory. Travertine: Yellowstone’s hydrothermal timekeeper.
  13. Bargar K E. Geology and Thermal History of Mammoth Hot Springs, Yellowstone National Park. USGS Bulletin 1444, 1978.
  14. 澎湃新闻. 九寨沟火花海将于国庆前夕开放. 2020-09-27；新京报. 震后九寨沟景区专家：不建议人为复原. 2017-08-11.
  15. 21 世纪经济报道. 世界遗产地 | 黄龙：科学保护实现瑶池风光代代传承. 2026-06-28.
  16. 迪庆州文化和旅游局. 三坝乡白地村拟入选第五批全国乡村旅游重点村（澎湃新闻转载）. 2023-12-21.