泰萊盆地地下水化學特征分類及成因分析

田明剛，徐 建，趙 耘，鄭夢琪，徐秋林

（1.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，濟南250000；2.山東正元建設工程有限責任公司，濟南250000）

地下水化學特征空間分布規律蘊含了地下水在循環過程中的賦存環境、徑流途徑，能量質量交換等重要信息。地下水在演變過程中受到蒸發、降雨、水巖相互作用、人為因素等影響，其組分在不斷的發生變化。分析水化學特征，揭示控制因素，可為地下水資源保護和可持續開發提供科學依據[1-4]。

泰萊盆地位于魯中地區，區域內工農業發達，礦產資源豐富，但水資源相對短缺，成為制約當地經濟發展的重要因素。隨著環保力度不斷加大，合理利用水資源對地區可持續發展具有重要意義。盆地四周多火成巖山地，地下水以基巖裂隙水為主，盆地中部深層巖溶發育，地下水以巖溶水和裂隙巖溶水為主，近地表為第四系孔隙水[5]。相比地表水，盆地內地下水可利用性更高。2017年，李貴恒等利用豐水期水化學數據，結合數理統計、piper 三線圖等方法，對泰萊盆地地下水進行了特征分類和水質評價，指出該地區地下水具有很高的利用價值[6]。馮建國等針對該地區孔隙水進行了細化研究，分析得出水化學組分主要受水-巖作用控制，以硅酸鹽巖溶解為主，并伴隨碳酸鹽溶解。在南、北部基巖區還受裂隙水和巖溶水補給影響[7]。該地區農業發達，地下水除受巖性控制以外還受種植施肥、噴灑農藥等人為因素的控制[8]，為減少控制因素，此研究在枯水期取樣測試，研究盆地各類地下水水化學特征及其控制因素。

1 研究區概況

1.1 自然概況

研究區位于山東省中南部，包括泰安市、萊蕪市、新泰市及下屬區縣，面積8 173 km2，屬溫帶季風大陸性氣候，平均氣溫在11～13 ℃之間。多年平均降水量為765.3 mm，多年平均蒸發量為1 664.2～1 927.0 mm。研究區北依泰山，南至蒙山，主要地貌為山地、丘陵、盆地、平原。地勢四周高，中間低，成盆地狀，盆地整體向東南方傾斜。區域內多水系，主要為匯河、康王河、大汶河及附屬支流等，最后由東南注入東平湖[9]，如圖1所示。

圖1 交通位置及取樣分布圖Fig.1 Traffic location and sampling distribution

1.2 水文地質條件

研究區內地下水類型主要為第四系孔隙水、碳酸巖類巖溶裂隙水、碳酸巖類巖溶水、巖漿巖與變質巖類裂隙水。研究區四周被高山丘陵環繞，尤其在北、東、南部地區，有大范圍泰山群火成巖和變質巖出露，風化程度弱，裂隙發育一般，富水性差，地下水類型為巖漿巖與變質巖類裂隙水。地下水來源主要是大氣降雨，排泄方式主要是蒸發和向巖溶水、孔隙水徑流。受地勢影響，地下水由高向低徑流，但巖層滲透性差，運移能力弱。在研究區的西部和中間深部為寒武—奧陶系地層，巖性以灰巖為主，其中摻雜白云巖、頁巖、砂巖等。該區域巖溶發育，富水性強，地下水類型為碳酸鹽巖類巖溶水和巖溶裂隙水。地下水補給主要來自降雨入滲、河流滲漏、孔隙水入滲，排泄方式主要是蒸發、向西南徑流、越流補給孔隙水和人工開采。該區域發育的巖溶和斷層對局部地下水流場有一定影響，但整仍受地形控制，由高往低徑流。研究區中部淺層是坡積、殘坡積、洪坡積形成的第四系沉積物，其成分主要是片麻巖、角閃巖、灰巖碎屑與泥沙形成的混合物，地下水類型是第四系孔隙水。在河谷兩側，含水層厚度50 m左右，富水性強，水位埋深在1～7 m，年變幅為1～3 m。隨著距河流越遠，水位埋深也逐漸增大?？紫端饕艽髿饨涤?、河流滲漏、巖溶越流補給。地下水流運移主要受地形控制，整體呈現由地勢高向地勢低洼的河谷地區徑流，最后排泄到大汶河和其支流的下游[5]。

2 樣品采集與測試

為揭示泰萊盆地地下水類型及成因，避開了受降雨影響較大的雨季，選取《山東省地下水水資源地調查與評價——泰萊盆地》項目中枯水期有效數據。如圖1所示，取樣點均勻分布于泰萊盆地，其中地下水點95 個（G01-G95），河水點5個（H1-H5）。井水在采樣前，需先抽水數分鐘，得到含水層中最新的地下水。在取樣過程中，樣品瓶先用去離子水清洗三次，再用樣品原液潤洗3次，保證所取水樣能代表含水層中水體的真實水化學特征。對本次所取水樣進行測試項目包括地下水常規離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-）和pH 值、溫度、電導率，其中pH 值、溫度、電導率、HCO3-和CO32-為野外現場測試；Na+、K+、Ca2+、Mg2+測試方法為電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP AES-6000)；Cl-、SO42-測試方法為離子色譜法(ICS-900)。

3 聚類分析

研究區地質條件復雜，地下水類型行豐富，傳統的分組方法會受主觀干擾，此次研究利用Q 型聚類分析法研究泰萊盆地地區地下水水化學參數[10-13]。首先，在聚類分析之前需要對樣本數據（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3

-、CO32-、Cl-、SO4

2-、pH 值）進行“對稱性”檢驗，經過檢驗發現樣本除pH值以外均有較大偏度。為滿足數據接近對稱性分布，利用零均值法對樣本數據進行了數學變換[4,15]。最后對100個樣本的9個數據參數進行聚類分析，得到分析結果如圖2所示。為了直觀地對樣品進行分組，方便不同組之間的分析，此次研究將現象線設定為9和21，當現象線為9時，取樣點被分為ABC三大組，當現象線為21 時，取樣點被分為10 小組（A1、AR、A3、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3）。ABC 三組的位置分布和盆地巖性分布如圖3所示，A 組除河水AR 外，其余分布在泰山群火成巖地區，該地區地下水以基巖裂隙水為主；B組主要分布在碳酸鹽出露及下伏地區，地下水類型以碳酸鹽巖溶水為主；C組分布于第四系較厚的河谷地區，地下水類型以第四系孔隙水為主。由此可知聚類具有一定的分組效果，可用于進一步分析研究。

圖2 聚類結果樹狀圖及化學成分Stiff圖Fig.2 Clustering result dendrogram and chemical composition Stiff diagram

圖3 地質巖性及分組位置圖Fig.3 Geological lithology and component distribution map of grouping location

4 結果與討論

4.1 水化學類型

Stiff圖是一種可以將地下水中主要離子組分的含量進行直觀表示的水化學成分圖示法[16]。對每組離子平均值繪制stiff圖，用于區分不同組分之間的水化學類型，如圖2(b)所示。在A 組中A1 和A2 組分相似，相同的是陽離子運移Ca2+為主要組分，不同的是A1 陰離子以HCO3-為主，A2 以SO42-為主。與之相比AR 各離子含量明顯高于A1、A2，陽離子以Na++K+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主。地下水演化過程中，地下水由中主要陰離子HCO3-轉變為SO42-和Cl-[17]，表明SO4—Ca 類型的A2的演化過程晚于HCO3—Ca 類型的A1。SO4·Cl—Na 類型AR 為河水，蒸發作用和溶濾作用遠遠大于A1 和A2。結合圖3，A1、A2 全部位于裂隙水分布區域，溶濾作用和蒸發作用較弱。B 組中B1、B3、B4 組分十分相似，陽離子和陰離子均以為主，為HCO3—Ca 類型水，只是礦化度略有不同。與之相比B2 略有差異，陰離子以和為主，為HCO3·SO4—Ca 類型水。B 組內部差異不明顯。結合圖3，B 組通常位于巖溶水或下伏巖溶水分布區，水化學類型主要受溶濾作用控制，受蒸發影響較弱。C 組中C1、C2、C3 間組分差異大，其主要體現在陰離子含量上，C1、C2、C3 的陰離子主要成分分別為：Cl-和陽離子主要成分均為Ca2+，其水化學類型分別為Cl·SO4—Ca，HCO3·SO4—Ca，HCO3—Ca。由圖3 可知C 組主要分布在第四系較厚地區，地下水來源復雜，受蒸發作用和溶濾作用強烈，導致了復雜的水化學類型。

4.2 控制因素分析

研究區內的地下水主要來自于大氣降水，但在長期演化過程中受多重水化學作用的影響。Gibbs 圖可以有效反映出蒸發控制、巖石控制、降雨控制的作用程度[18]。如圖4所示，A1、A2 位于巖石控制區間內，水化學成分主要受溶濾作用控制，AR 介于巖石控制和蒸發控制之間，這主要是由于河水蒸發更加強烈所致；如圖5所示，B 組均位于巖石控制區域，B1～B4之間區分并明顯，這由于B組主要以巖溶水和裂隙巖溶水為主，埋深大，受蒸發和降雨作用弱；相比B 組，C 組具有偏向蒸發控制的趨勢（圖6），這是由于C 組以第四系潛水為主，相比深層巖溶水，受蒸發作用影響更為強烈。通過C2 位置可以得出，C2 具有遠高于C1 和C3 的礦化度，但并不是由蒸發造成的，而是由蒸發或溶濾沉積巖共同導致。本次研究未了避免降雨干擾，選取了研究區枯水期水樣，所以三組樣品受降雨控制均較弱。

圖4 A區水化學Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of water chemistry in area A

圖5 B區水化學Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of water chemistry in area B

圖6 C區水化學Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram of water chemistry in area C

通過Gibbs 圖可知，枯水期研究區地下水主要受巖石控制，進一步分析控制巖石的類型可利用Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與離子比值端元圖[19]。由圖7(a)、圖7(b)可知，A1A2主要受硅酸鹽控制，AR 受蒸發巖控制，A1A2 主要位于泰山群火成巖地區，硅酸鹽成分占主導，AR 為河水，蒸發作用強烈，受蒸發巖控制；由圖7(c)、圖7(d)可知，相比A 組，B 組地下水受碳酸鹽控制更多，B1～B3 受碳酸鹽巖控制更加明顯，這是由于B組地下水位于碳酸巖巖溶發育區；以第四系潛水為主的C組，并未表現出強烈的蒸發巖控制，而是更傾向于硅酸鹽控制。

圖7 離子比值端元圖Fig.7 Endmember diagram of ion ratio

4.3 基于質量平衡模擬研究水巖相互作用

研究區內地下水來源是大氣降水，其水化學類型主要受巖石控制，該地區主要發生溶解作用的礦物有方解石、白云石、芒硝、巖鹽和石膏。為進一步確定礦物成分對地下水成因的影響，此次研究選取研究區雨水作為端源，在經過礦物溶解作用后形成現有地下水化學組分，在此基礎上建立質量平衡模型[20,21]，定量分析水化學成因，如表1所示。陳晨等在研究中發現研究區農業發達，化肥和農藥用量較高，城鎮化建設，水泥路鋪設都會導致地下水中Cl-含量明顯提高[6]。結合此次研究，尤其是在B、C組分布區域，增設Cl-其他來源。同時自然條件下，石膏和芒硝具有共生和相同形成條件，我們默認A、B、C 組地區石膏和芒硝的比值相同，比值由A 組計算結果近似得出。

表1 A、B、C三組質量平衡計算 mmol/LTab.1 Mass balance calculation of A，B，C three groups

經計算A、B、C 組的平衡質量模型，得到由雨水演變成現有地下水的過程中，各物質的溶解量見表2。根據計算結果，A 組礦物溶解礦物較B、C 組少，A1 和A2 相比，在形成過程中A1 溶解了更多的方解石，吸收了更多的CO2，但是A2卻溶解了更多的巖鹽、石膏和芒硝，其溶解量將近A1 的一倍。由于A 組所處的位置均為泰山群組火成巖地區，不應存在自生沉積巖，固推測巖鹽、石膏、芒硝等礦物來自所在區域的風積物，而A2溶解的巖鹽、石膏、芒硝更多，是因為A2所在的區域海拔較低，靠近河谷，風積物較多。B 組相比A 組白云石、方解石的溶解量和CO2的吸收量明顯增高，與離子端元分析結果一直，其主要原因是B組位于碳酸鹽巖溶區，碳酸巖溶解量較大，白云石最大達到1.42 mmol/L。B1～B4 之間各部分溶解的量各有不同，其中B2石膏、芒硝和其他來源Cl-溶解量偏高。C組受蒸發作用影響大，但其水化學成分仍來自于礦物溶解。相比B 組，C 組巖鹽、石膏、芒硝以及其他來源Cl-溶解量明顯增高，C2 的白云石、巖鹽、石膏、芒硝、其他來源Cl-的溶解量均為最大值，但CO2的吸收量是零，這表第四系潛水對方解石的溶解減弱，對易溶鹽溶解量較高。C組水具有老水的特征，在枯水期第四系潛水更多來自下伏含水層的越流補給。

表2 礦物質溶解計算結果 mmol/LTab.2 Calculation results of mineral dissolution

5 結論

（1）利用聚類分析對泰萊盆地枯水期地下水化學成分進行分類，可排除主觀干擾得到A、B、C 三組，其分別對應泰山群火成巖裂隙水、碳酸鹽巖溶水、第四系潛水。在此基礎可細分成10 小組，便于樣品數量多、地下水類型復雜地區水化學特征分類及成因分析研究。

（2）通過Gibbs圖分析枯水期ABC 三組地下水主要受巖性控制，其中C 組和地表水AR 也受蒸發作用影響。通過離子比值端元圖分析得出A 組主要受硅酸鹽控制，其中地表水受蒸發巖影響；B 組受硅酸鹽和碳酸鹽控制；C 組主要受硅酸鹽控制。

（3）通過質量平衡模擬計算出10小組的不同礦物溶解量。該地區地下水溶濾過程中，除方解石、白云石礦物外，蒸發巖類溶解量占有一定比例。離子比值端元圖中未顯示出蒸發巖具有明顯的控制作用，是因為蒸發巖溶解過程中石膏和芒硝占據相當大的比例，巖鹽并不占據對優勢。除此之外，研究區內人類活動導致地下水Cl-增加明顯。