桂林新寨花崗巖地區水文地球化學特征

李 晶 劉德深 尹雅芳 吳旺發 苗 迎

（桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

桂林新寨花崗巖地區水文地球化學特征

李 晶 劉德深 尹雅芳 吳旺發 苗 迎

（桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

文章對桂林新寨花崗巖地區水質資料進行研究，采用 Piper圖進行水化學分類及特征分析，結果表明該區水化學類型為HCO3-Ca型。并利用PHREEQC對桂林新寨花崗巖地下水物種形成及飽和指數進行了模擬，根據模擬計算的飽和指數說明了該區地下水的溶解平衡狀態。

花崗巖；地下水；水化學；飽和指數；桂林新寨

（一）引言

桂林新寨花崗巖地區地下水處在復雜的地理環境中，由于復雜的水-巖土-氣-有機物間的相互作用，存在著吸附交換、氧化還原、沉淀溶解、生物降解等諸多地球化學或生物化學反應，內部也在不斷發生各種絡合反應。目前國內外推行利用地球化學模式 PHREEQC模擬地下水組分形成、飽和指數等研究，解決了傳統的水文地球化學方法對于多組分多反應過程的定量研究困難。

（二）研究區地質概況

桂林新寨花崗巖體侵入于寒武—奧陶地層中，泥盆系沉積其上，為加里東期侵入巖，淺成相呈巖株形式產出。在巖體的周圍發育著印支期和燕山期的SN向褶皺和斷裂構造帶，其中大境—沙子斷裂靠近新寨巖體西側，栗木—恭城斷裂分布在新寨巖體東側。產狀主要有15o∠58o、153o∠77o、13o∠75o、97o∠74o、178o∠82o，印支、燕山期的斷裂，多呈弧形展布，具有壓扭性質，影響著新寨巖體的斷層裂隙的分布以及晚期巖脈的侵入，這一特定的地形、地質、構造條件，控制了該區含水層的空間分布規律、地下水的運動、循環條件以及富水狀況和泉水的產出特征。

桂林新寨花崗巖巖性主要為中細粒斑狀角閃黑云母花崗巖，少部分為中—細?；◢忛W長巖、細粒黑云母花崗巖。巖體中有細?；◢弾r脈、斜長花崗斑巖脈、石英閃長玢巖脈、石英和重晶石脈等巖脈。

（三）研究區數據和分析方法

研究區分析資料為桂林新寨、仁木寨、磨刀石、白石底地區的水化學數據，詳見表一，首先對桂林新寨地下水進行科學、系統取樣，分析測試有關水化學參數， 再利用PHREEQC水化學模擬軟件，Piper三線圖示等方法，全面系統地研究地下水水化學特征。

表1 桂林新寨地區主要水化學指標值（單位：mg/l）

（四）桂林新寨花崗巖地區水文地球化學特征

組成花崗巖區地下水的化學物質主要通過水與花崗巖間的交換，發生水解作用，以及花崗巖在地表經水、CO2、生物等營力作用下發生風化，一部分可溶組分隨降水下滲進入到地下水中。水解作用為非全等溶解，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3進入水中，而且形成鋁硅酸鹽殘余物?；◢弾r風化可將大氣或土壤中的CO2轉變為重碳酸根離子，釋放出K+、Na+、Ca2+、Mg2+，最后沉積為碳酸鹽巖。因此，對大氣而言，花崗巖風化作用是凈碳匯過程。此過程主要是長石、黑云母和水的相互作用。以鈣長石為例，化學反應式如下：

CaAl2Si2O8(鈣長石)+2CO2+3H2O+→Al2Si2O5(HO)2(高嶺土)+Ca2++2HCO-3

1.研究區水化學piper圖

運用國際上通用的水化學分類方法，計算主要陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)和陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-)的毫克當量百分數，使毫克當量百分數大于25%的離子參與水化學類型的分類。繪出研究區各樣點的水文化學類型圖（圖 1）。

圖1 研究區水化學piper圖解

從 piper圖可以看到，研究區五個樣點均處于菱形圖左側，水化學特征總體上表現為堿土金屬離子超過堿金屬離子，弱酸根大于強酸根，碳酸巖硬度大于50%，研究區五個點總溶解固體為 13.97～66.14mg/l，TDS變化較大。從三角圖中可以看出，研究區陰離子和陽離子均落在左下角，陽離子三角圖顯示研究區Ca2+均較豐富，含量百分比為24.76%～50.40%，Na+、K+偏少，分別占20.53%～30.08%和2%～13.35%，據此可初步判斷鈣長石風化較為顯著，鈉長石和鉀長石風化作用相對不強，鈉、鉀離子比鈣離子較為容易流失，所以經過長期風化后溶濾出的鈉、鉀離子含量比較低，而且深循環的鉀長石、鈉長石風化影響因素較多，如鉀長石、鈉長石礦物活性大，易被溶濾，造成后期可溶離子偏低，并且受到溶解度的限制，K+易被植物吸收，故K+含量遠小于Na+。Mg2+稍低于鈣離子，占 20.75%～44.64%，原因是桂林新寨花崗巖中 Mg2+的來源有限，而且黑云母風化程度較低，研究區水中Mg2+被植物所吸收以及水中膠體物質的吸附，故含量低于Ca2+。陰離子三角圖中HCO3

-+CO32-占絕對優勢，含量為62.72%～89.76%，主要是地下水循環時間長，水巖作用充分，因此析出的Ca2+較多、消耗較多的 CO2、形成的 HCO3-+CO3

2-更多、被粘土礦物吸附的堿金屬也更多，同時進一步說明了 K+、Na+偏少的原因。SO42-只占0.00%～15.87%，除云母風化作用不強烈外，也因土壤的吸收降解、膠體物質的陰離子吸附以及研究區的地理位置和氣候特點所決定。研究區位于距市區較遠的地方，很少受到市區污染源的影響，因此進入本區地下水的SO42-量不大。Cl-占7.66%～21.41%，因花崗巖礦物風化不產生 Cl-，故可推斷其來源于大氣降水和生物作用?？傮w看來，研究區和平村水化學類型為 HCO3-Ca·Na型，白石底河水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，仁木寨泉水化學類型為HCO3-Ca·Na型，新寨泉水化學類型為 HCO3-Na·Mg型，磨刀石泉水化學類型為HCO3-Ca型。

2.根據HPREEQC模擬分析飽和指數

根據飽和指數SI可以判斷水巖氣這一水文地球化學系統化學元素不斷發生相的轉化和變化的規律，即用來衡量地下水運移中發生礦物溶解或沉淀的趨勢，利用 PHREEQC軟件對研究區內含水層水樣點的飽和狀態進行了研究，結果如表所示。

表2 研究區主要礦物飽和指數

圖2 主要礦物飽和指數柱狀圖

從研究區地下水中礦物飽和指數 SI值模擬結果可以看出，研究區地下水只有玉髓和鉀長石處于相對溶解平衡的狀態，鈣-蒙脫石、高嶺石、伊利石過飽和與它們的溶解度小有直接關系，說明這些礦物的沉淀速率與其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同時它們又是長石、云母等硅酸鹽的風化的產物，可知長石風化強烈，與水的相互作用完全。當pH＞7.4和TDS＞600mg/L時，Ca2+才與HCO3-生成碳酸鈣，發生沉淀，研究區pH和TDS與達到沉淀的要求相差甚遠，故飽和指數模擬結果顯示方解石處于不飽和狀態，水對方解石仍然具有侵蝕性。其它礦物相均未達到飽和，甚至大多礦物表現出上萬倍未飽和，即水-巖之間還遠未達到離子平衡狀態，溶解作用仍在進行，也進一步說明了研究區地下水的低 TDS特點，從研究區四個樣點比較可以看出，飽和指數相差無幾，表明地下水運動暢通，循環交替條件好，而且地下水與巖石礦物的化學反應多是非常緩慢的，所以要達到飽和狀態也需要在長時間的地下運動過程中實現，地下水若與某種礦物達到飽和狀態，必將限制該礦物的繼續溶解，因此地下水與礦物的狀態在漫長的時間里應為平衡狀態，過飽和的現象很少出現。同時，飽和指數結果說明研究區地下水以溶解作用為主。圖 2為主要礦物飽和指數柱狀圖。

（五）結論

桂林新寨花崗巖地區水化學類型主要為 HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg 型。水中以 Ca2+、Na+、Mg2+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-為主要離子，Ca2+和HCO3-含量遠高于 K+、Na+、Mg2+和 Cl-、SO42-。桂林新寨地區溫度高、降水豐沛、降水稀釋效應強于高溫促進的水巖作用強度，地下水交替、排泄條件好，可溶性組分不易聚集，故而其離子含量偏低，決定了桂林新寨地區含水層地下水低TDS的特點。

PHREEQC模擬計算結果表明桂林新寨花崗巖地下水只有玉髓和鉀長石處于相對溶解平衡的狀態，鈣-蒙脫石、高嶺石、伊利石過飽和與它們的溶解度小有直接關系，說明這些礦物的沉淀速率與其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同時它們又是長石、云母等硅酸鹽的風化的產物，可知長石風化強烈，與水的相互作用完全。其它礦物相均未達到飽和，即水-巖之間還遠未達到離子平衡狀態，溶解作用仍在進行。

水化學特征顯示研究區地下水化學組分的來源及含量主要是水巖相互作用的結果，即硅酸鹽礦物的分解和水解等化學風化，其次是大氣降水下滲以及受巖性的控制和地形、地貌對水交替強度的影響，而人類活動、氣候及植被等的作用亦不容忽視。

花崗巖的風化作用同時參與了短時間尺度和長時間尺度的全球碳循環，其風化過程中需要大氣和土壤中的CO2促進反應進行，結果使水中HCO3-含量增多，最終形成碳酸鹽沉淀，說明其風化過程對大氣而言是一個凈碳匯過程。花崗巖風化對碳循環影響的程度不可忽視，對于全球碳循環研究以及全球變化研究具有重要意義。

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A

1008-1151(2011)05-0095-02

2011-02-16

廣西研究生教育創新計劃資助項目（2010105960775M40）

李晶（1979－），女，吉林榆樹人，桂林理工大學環境科學與工程學院碩士研究生，研究方向為地下水環境化學。