山西定襄七巖泉水化學特征分析

劉俊芳，范雪芳，郭寶仁，郭 宇，高文玉，劉金柱

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.忻州地震監測中心站，山西 代縣 034200）

地下水組分承載了流體來源、運移和巖石圈信息（張磊等，2016），前人通過水化學方法研究地下流體的化學特征及成因，李靜榮等（2018）研究了廣東省河源斷裂帶碳酸泉水化學特征及形成機制；楊靜等（2019a，2019b）研究了山西夏縣水化學觀測地質環境，利用水化學特征分析了夏縣溫泉水的補給來源和溫泉類型。王云等（2018）對滇東南楔形構造區內的觀測點進行水化學特征和氣體化學特征分析，判斷不同泉點的水巖作用、循環特征和逸出氣成因。胡小靜等（2018）利用水化學特征研究云南江川漁村井的地下水循環特征和補給來源。田雷等（2018）通過分析滇17井的水化學測項，得出觀測井周邊水文地質及水文地球化學情況，認為觀測數據變化的原因是地下應力環境改變。在長期觀測山西定襄七巖泉水氡過程中，發現其水文背景觀測資料不完整，有待完善。本文采集了定襄七巖泉的水源點、采樣點和周圍水樣，通過水化學離子組分、氫氧同位素特征、水巖反應等，分析七巖泉測點及附近取樣點的水化學特征，判斷不同采樣點的水質類型、水—巖平衡狀態和泉水補給來源，為該臺站流體監測及分析預報提供基礎資料。

1 研究區域

定襄七巖泉位于忻定盆地南側，定襄凹陷南緣，定襄縣茶房口村南約500 m的山溝里，系舟山山地靠近系舟山北麓斷裂，七巖泉屬寒武系灰巖喀斯特裂隙溶洞水，屬承壓上升泉水。泉水從基巖中沿斷層上覆蓋的沙礫石層溢出，含水層上部為中奧陶統（O2）富水灰巖，下部為相對隔水的下奧陶統（O1）泥質灰巖。泉點西北側的斷裂帶，有一阻水的小型逆斷層構成阻隔層，是造成泉水出露于地表的必要條件，定襄泉附近的石灰巖、變質巖等裂隙節理及溶洞較為發育，賦存有裂隙溶洞水，在斷層附近呈群泉溢出（見圖1）。定襄七巖泉測點的年平均氣溫8.9℃，定襄泉測點的水溫約10.0℃且全年基本恒定，水溫高于年平均氣溫（范雪芳等，2002，2009，2010，2011）。

圖1 定襄泉區地質（a）、水文地質剖面（b）示意圖（范雪芳等，2007）

2 水化學分析

2.1 采樣與測試

本文選取定襄七巖泉測點及周邊4處水點樣本，從泉水出露地的上游到下游依次為定襄1＃—定襄5＃，具體采樣點分布見圖2。其中，定襄1＃為七巖泉上游蓋有井蓋的水源地，定襄2＃為井房內的測點，定襄3＃為測點井房外露天的居民抽水點及飲用水點，定襄4＃為測點附近居民山洞內水槽中儲滿的水，定襄5＃為從山上巖石流下且出露地表的水點。樣品的水化學測試由中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室）測定。現場采用美國奧豪斯ST300C便攜式pH計和便攜式電導率儀測試各采樣點水樣的酸堿度和電導率，水質分析采用ICS-2100離子色譜儀，測試結果見表1和表2。

表1 現場取樣點基本情況

表2 常量元素實驗數據 （單位：mg/L）

圖2 定襄七巖泉周邊取樣點空間分布示意圖

2.2 水質分析

圖3 定襄泉及其周圍水樣水化學成分分析圖

水化學類型不同可以表征流體的成因與來源不一致，于是可以通過陰陽離子的變化探討地下水來源和變化的影響因素。Ca2＋占比高，說明泉水為低礦化水。在沒有人為外界干擾的地下水流動系統中，地下水中Cl-含量隨流程而增加，反映地下水的滲流途徑與平均滯留時間，反映地下水滲流場。水的電導率可用于衡量水中含鹽、離子成分以及雜質等濃度特征，水中所含的溶質和雜質越少，其電導率就越低，相反電導率就越高（陳愛華，2013）。

與其他取樣點相比，定襄4＃的Ca2＋和Cl-含量、電導率、pH值及取樣水溫均高（見表1、表2），4＃為低礦化水，呈堿性，泉水流程較遠，滯留時間長，含溶質和雜質多，說明4＃與其他取樣點水源不同。在水化學類型類似、TDS變化較小的水樣中，用離子比例分析法能反映出水樣的差異性。表3顯示，定襄泉測點及周圍水體5個取樣點中，定襄1＃、2＃、3＃、5＃化學離子組分數值非常接近，4＃離子成分明顯偏離。5個取樣點的離子含量、水化學類型均顯示1＃、2＃、3＃、5＃為同一水源，4＃來源于另一水源。表3顯示，各采樣點均經過一定深度的滲透循環，2＃的地下水離子比值高于其他采樣點，說明2＃（測點）地下水滲透循環高于其他采樣點。4＃地下水離子比值低于其他采樣點，說明4＃地下水滲透循環較淺。

表3 地下水離子比值表

2.3 水巖反應

泉水由大氣降水進入巖石裂隙、空隙等深循環通道，在水運移過程中其化學成分要受到圍巖控制或上層冷水混合影響（伍劍波，2013）。水巖平衡分析用于體系開放與封閉的判斷、時間及運移過程的判斷。定襄泉Na-K-Mg水巖反應平衡圖（見圖4）可用來評價水—巖平衡狀態和區分不同類型的水樣。根據樣品點在圖中的落點位置判斷該樣品所代表的水—巖平衡狀態，地下水中的線性成帶特征隱含著地下水形成、演化過程。從圖4可知（圖4中各化學元素均未添加離子符號，以方便繪制），定襄泉水及附近水樣均屬于“未成熟水”（伍劍波，2013），并且非常靠近Mg0.5端元附近，為淺層地下水，主要接受大氣降水的補給，反映出淺層的水循環特征，循環周期相對較快，水—巖之間尚未達到離子平衡狀態，溶解作用仍在進行。

圖4 定襄泉及其周圍水質三角圖

2.4 氫氧同位素分析

氫氧同位素方法（伍劍波，2013；蘇鶴軍等，2010）是通過大氣降水確定補給水源的水文地球化學方法。定襄泉的氫氧同位素組成是判斷其地下水來源的主要指標，我們對定襄泉測點及周圍水樣進行了氫氧同位素分析（取樣點分布見圖2）。分析測試采用LWIA-24-EP氫氧穩定同位素分析儀，結果見表4、圖5。

圖5 定襄泉測點及周圍水樣氫氧同位素分析

CRAIG于1961年利用大氣降水氫氧穩定同位素數據定義了全球大氣降水線（G MWL），具體方程式為δD＝8δ18O＋10（蘇鶴軍等，2010），參考山西太原地區大氣降水線δD＝6.42δ18O-4.66（賈振興等，2015），氫氧同位素分析定襄泉δD的范圍為-73.57‰～-65.85‰，δ18O的范圍為-10.61‰～-9.5‰（見表4）。定襄泉水為低礦化度水質，代表典型的大氣降水與巖石之間的第一階段反應，顯示了淺層的水文循環特征，利用區域降水線進行地下水氫氧同位素組成特征分析，韓冬梅（2007）研究發現忻州盆地地下水的穩定同位素D和18O基本落在太原地區大氣降水線上，以大氣降水補給為主。由表4可知，定襄4＃水樣的δD值為-65.85‰，δ18O值為-9.5‰，其氫氧同位素測值與其他4個水樣測值區別較大，說明4＃采樣點的水與其他水樣來源不同。

表4 定襄氫氧同位素分析表

圖5顯示，定襄泉水及周圍水樣的氫氧同位素比值沿全球大氣降水線分布且靠近太原地區的大氣降水線，這些泉水補給來源主要是大氣降水的淺層地下水，為大氣成因水，其水—巖反應程度較低，循環深度不大。4＃分布在全球大氣降水線上，更靠近區域大氣降水線，且明顯區別于其他水樣，基本來源于大氣降水；其他4個水樣分布在兩條大氣降水線之間，主要補給來源為大氣降水，但不完全受大氣降水影響，可能與地下地質循環過程排泄補給有關。5＃更接近全球大氣降水線，比其他水樣更容易受大氣降水影響。3＃更接近區域大氣降水線，容易受區域大氣降水影響，因為3＃（裸露點）采樣點裸露，更容易混入雨水。1＃（蓋有井蓋）、2＃（井房內）采樣點相對封閉，不易混入雨水。

2.5 采樣點水氡分析

地下水在運移過程中，巖石和土壤中的氡氣溶解在水中，形成水氡。從水源地上游1＃到下游5＃依次采樣并測量水氡值（見表5）。測試結果發現，不同采樣點測得的水氡濃度值不同，水氡在徑流過程中逸散，以1＃為參照點，其下游的采樣點離參照點的距離與水氡測值呈負相關。

表5 不同采樣點的水氡測值

表5顯示，1＃和2＃的水氡均值相差16.8 Bq/L，2＃和3＃的水氡均值相差11.5 Bq/L，4＃和5＃的水氡測值都為0，表明4＃、5＃不含有水氡。由于4＃為測點附近居民山洞內水槽中儲滿的水，5＃為從山上巖石流下且出露地表的水，日常水氡觀測實驗測得的雨水中水氡測值為0，結合氫氧同位素和不同采樣點水氡測值分析，說明4＃、5＃與其他取樣點水源不同，4＃為大氣降水，5＃比其他采樣點受大氣降水補給明顯，1＃、2＃、3＃均與地下地質循環過程排泄補給有關，且水中溶解了氡氣，其水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水。結合水質分析，4＃為降雨混合水徑流巖石后長期積累在水槽中，可以認為4＃來源于直接降水，5＃水源徑流巖石的時間短，為地表水。

2.6 微量元素分析

微量元素測試采用熱電的電感耦合等離子體質譜儀Series II，測試結果見表6。

表6 定襄泉微量元素質量濃度

表6中微量元素質量濃度統計特征為Fe＞Sr＞La＞B＞Cr＞Li＞Ni，在Ba、Sr、Mn、Fe、Cu等5種微量元素中，定襄泉及附近水樣地下水微量元素的均值濃度表現為：Fe＞Sr＞Mn＞Cu＞Ba，除Fe元素質量濃度變化范圍是296.2～365.1μg/L，Sr元素質量濃度是154.8～172.6μg/L外，其余3種微量元素的濃度均值均小于2.0μg/L，即Ba元素質量濃度變化范圍是0.008～0.042μg/L，Mn在0.005～0.162μg/L之間，Cu在0.442～1.151μg/L之間。定襄泉地下水中富含Ca2＋、Mg2＋、HCO-3等離子，3＃富含SO2-4，同時含有微量的Fe、Sr、Mn、Ba、Cu等元素，且結合水化學分析可知3＃水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水，這些物質來源于基巖、土壤、降雨等。據調查，定襄泉周圍無工業生產，當地主要活動是農業生產，因此，泉水中的金屬元素不因人類活動導致輸入（陳雪彬等，2014）。定襄4＃的Fe、Ba、Ni、La濃度較其他采樣點略高，其微量元素明顯不同于其他采樣點，說明4＃與其他取樣點的水源不同。

3 結果與討論

采用不同的水化學方法對定襄七巖泉測點及周圍水體的補給來源進行研究，其水化學類型、離子成分、水巖反應、氫氧同位素、采樣點水氡和微量元素6個方面的分析可知定襄七巖泉水具有以下水文地球化學特征：（1）根據采樣測試結果和水質分析，定襄七巖泉測點的水質類型為Ca-Mg-HCO3。（2）根據水化學類型、離子成分、氫氧同位素和微量元素分析，認為定襄4＃與其他取樣點的水源不同。（3）根據Na-K-Mg水巖反應平衡圖分析，認為定襄七巖泉測點和周圍水體均屬于“未成熟水”，表現出淺層的水循環特征。泉水的水—巖反應尚未達到離子平衡狀態，反應程度較低，循環深度不大。（4）根據氫氧同位素分析，認為定襄七巖泉測點和周圍水體的補給來源主要是大氣降水。2＃（測點）主要補給來源為大氣降水，但不完全受大氣降水影響，與地下地質循環過程排泄補給有關。4＃為大氣降雨水，5＃容易受大氣降水影響，3＃接近區域大氣降水線，容易受區域大氣降水影響，因為3＃采樣點裸露，容易混入雨水。1＃、2＃（測點）采樣點相對封閉，不易混入雨水。（5）根據采樣點水氡分析，結合氫氧同位素和水質分析，認為補給來源1＃、2＃（測點）、3＃水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水，4＃來源于直接降水，5＃水源徑流巖石的時間短，為地表水。

分析計算得到定襄七巖泉測點的水質類型、水巖反應平衡特征、補給來源、微量元素等水文地球化學特征，完善了定襄七巖泉的水文背景資料，可為定襄臺站的流體數據分析、異常落實提供依據，為流體地震監測預報提供服務。