Weathering and mass balance in small drainage basins : environmental applications in the Bohemian Massif (Central Europe). Altération et bilan de masse dans de petits bassins de drainage : applications au Massif bohémien (Europe centrale)
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Title:
Weathering and mass balance in small drainage basins : environmental applications in the Bohemian Massif (Central Europe). Altération et bilan de masse dans de petits bassins de drainage : applications au Massif bohémien (Europe centrale)
Description:
Data on inputs and outputs of chemical elements in small representative basins are used to demonstrate the application of mass balance equation to : (1) Evaluation of the rates of weathering and erosion, (2) Proton balance in acidified forested and agricultural basins, (3) Estimation of dry deposition of S0₂ and acumulation of sulphur in soil, (4) Derivation of rate constants of dissolution of feldspars. Specific mass balance equations are derived for all the cases. Calculations are performed step by step to serve as a guide for similar calculations by interested reader. The mathematical models are tested using field data from small catchments in the Bohemian Massif and the methods of gathering the data are described. The bedrock of the tested basins is biotitic gneiss. It is covered by regolith with well developed typical and acid brown earths. The basins represent forested and arable land which receives various doses of dry S0₂ emitted to atmosphere by industry. The mass balance calculations indicate that the rate of weathering of bedrock has been increased twice by modern agriculture and acid industrial depositions. Only 9 to 21 % of weathered rock are removed by chemical erosion in true solution while the rest is fixed in regolith as secondary and residual solids and minerals. The particles are removed by mechanical erosion. The environmental acidification is caused mainly by dry depositions of S02 and in lesser degree by acid rain and deposition of nitrogen oxides. The dissolution rate of oligoclase in bedrock derived from the measured fluxes of sodium is about two orders of magnitude lower then the rate determined by laboratory experiments with freshly ground feldspars. The processes and mass balance of weathering, erosion and environmental acidification strongly depend on the properties of the interface between minerals and natural aqueous solutions. A further research should be directed towards better understanding of the surface chemistry of the interface under field conditions.
Les données sur les apports et départs d'éléments chimiques dans de petits bassins représentatifs sont utilisées pour démontrer l'application de l'équation du bilan de masse : (1) à l'évaluation des taux d'altération et d'érosion, (2) au bilan des protons dans les bassins acidifiés portant des forêts et des cultures, (3) à l'estimation de la quantité de dépôt sec de S0₂ et de l'accumulation du soufre dans le sol, (4) à la dérivée des constantes de dissolution des feldspaths. Les équations de bilan de masse spécifique sont établies pour chaque cas. Les calculs sont menés pas à pas pour servir de guide à des calculs de même type intéressant le lecteur. Les modèles mathématiques sont testés en utilisant les données de terrain obtenues sur de petits bassins d'alimentation du Massif de Bohême et les méthodes de collecte des données sont décrites. La roche mère des bassins étudiés est un gneiss à biotite qui porte une régolithe avec des sols bruns acides typiques et bien développés. Les bassins représentent des zones forestières et des terres arables qui reçoivent des quantités variées de S0₂ sec envoyé dans l'atmosphère par les industries. Les calculs de bilan de masse indiquent que le taux d'altération de la roche mère est doublé par les pratiques modernes d'agriculture et les déchets industriels acides : seuls 9 à 21 % de la roche altérée sont évacués par érosion chimique en solution vraie, le reste étant retenu dans la régolithe sous forme de solides et minéraux secondaires résiduels. Les particules sont évacuées par érosion mécanique. L'acidification du milieu est provoquée principalement par les dépôts secs de SO₂ et. à une moindre échelle, par les pluies acides et les dépôts d'oxydes azotés. Le taux de dissolution de l'oligoclase de la roche mère, dérivé des flux mesurés de sodium, est environ deux fois inférieur à celui qui est déterminé en laboratoire sur des feldspaths fraîchement broyés. Les mécanismes et le bilan de masse de l'altération de l'érosion et de l'acidification du milieu dépendent fortement de l'interface entre minéraux et solutions naturelles aqueuses. Des recherches ultérieures pourraient être orientées dans le sens d'une meilleure compréhension de la chimie de surface de l'interface dans les conditions de terrain.