舞陽河中下游巖溶流域水化學特征及源解析
——基于1∶5萬新晃幅水文地質調查

樊善興

（貴州省地質礦產勘查開發局一〇四地質大隊，貴州 都勻 558000）

地下水化學特征及其成因是水文地質學的重要研究內容，水化學特征可以反映地下水類型并確定離子來源，不同過程的水巖交互作用、離子交換、氧化還原轉化以及蒸發濃縮作用控制著地下水化學特征的時空變異特征[1-5]。同時，利用地下水中不同離子物質的量濃度比值關系可以更好地揭示地下水與周邊環境的相互作用過程[6-8]。目前，舞陽河中下游巖溶流域地下水化學特征及其影響因素的研究相對較少，該區域水化學特征及地下水離子來源情況尚不明確。本文基于1∶5萬新晃幅水文地質調查結果，利用研究區內50個水樣點水化學數據，開展舞陽河中下游巖溶流域地下水化學特征研究及源解析，為研究區地下水的合理利用提供科學依據。

1 研究方法

1.1 樣品采集

1 ∶5萬新晃幅水文地質調查在舞陽河中下游巖溶流域部分天然水點和機井采集了50個樣品數據，采樣點范圍覆蓋全區。水樣容器為容積500 mL的聚乙烯瓶。采回的水樣用孔徑0.45 μm的醋酸纖維膜過濾后，分裝于2個處理過的50 mL聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶中，其中用于陽離子測試分析的樣品用純硝酸酸化，使其pH小于2，而用于陰離子測試分析的樣品不予處理。

1.2 樣品分析及數據處理

利用便攜式哈希儀（型號HQ40d）對水溫、pH、氧化還原電位、溶解氧、電導率、溶解性總固體等常規水質參數進行現場測試。之后，利用戴安離子色譜儀（型號ICS2100）對采集水樣的陰離子（SO42-、Cl-、NO3-）進行測試，利用賽默飛電感耦合等離子體發射光譜儀（型號ICAP6300）對陽離子（K+、Ca2+、Na+、Mg2+）進行測試，采用酸堿滴定法對HCO3-進行分析。

2 結果與分析

2.1 水化學特征

本次采集的地下水樣品有50件，全部參與評價。所有采樣點地下水pH介于6.70～9.09，其屬于中性偏堿性水；總溶解固體（TDS）含量為61.24～656.00 mg/L，其為淡水；總硬度（以CaCO3計）為27.43～519.28 mg/L，其為軟水至適宜硬度水。按舒卡列夫分類法，研究區地下水化學類型以HCO3-Ca·Mg型居多[9]。具體水化學類型分類統計結果如表1所示。研究區內地下水的主要陽離子為Ca2+和Mg2+，陰離子大部分為HCO3-，少部分為SO42-。

表1 水樣水化學類型

2.2 成因分析

為確定研究區地下水化學組成的影響因素，繪制研究區水樣的水化學吉布斯圖，如圖1所示[10]。圖1顯示，研究區內，除1個點外，其余地下水采樣點均在吉布斯模型內；除4個點外，其余采樣點的Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.5。大部分采樣點均受巖石風化作用，表明地下水的主要離子來源為巖石風化溶解。

圖1 研究區水化學吉布斯圖

研究區地下水的主要陽離子為Ca2+、Mg2+，陰離子為HCO3-，水化學組分主要受到巖石風化影響。根據研究區地層分布情況，主要離子組成和含量與流域碳酸鹽巖組分特征密切相關。繪制研究區地表水Mg2+/Na+比值、HCO3-/Na+比值與Ca2+/Na+比值的關系圖，并以此定性分析碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發巖風化對水樣離子組分的影響，如圖2所示[11]。

圖2反映了巖石化學風化的主要貢獻端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學風化，研究區內主要的巖石化學風化反應分為兩類。

圖2 研究區地表水Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物質的量濃度比值關系

圖2反映了巖石化學風化的主要貢獻端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學風化，研究區內主要的巖石化學風化反應分為兩類。

碳酸鹽巖化學風化反應有

硅酸鹽巖化學風化反應有

經分析，碳酸鹽巖化學風化是巖溶流域巖石風化的最主要類型，根據不同碳酸鹽巖礦物化學風化的反應，可依照流域地下水中Mg2+、Ca2+和HCO3-的關系，并結合流域基巖類型及其組分特征，判別碳酸鹽巖礦物的化學風化類型。繪制研究區地下水Mg2+/Ca2+與Na+/Ca2+的關系圖，如圖3所示。總體上，研究區地下水分布于石灰巖與白云石端元之間，研究區地下水化學組分主要受白云巖和石灰巖兩個碳酸鹽巖化學風化端元控制。

圖3 研究區地下水Mg2+/Ca2+、Na+/Ca2+物質的量濃度比值關系

由式（1）可知，Ca2+和HCO3-主要來源于CaCO（3方解石）風化，Ca2+/HCO3-=1∶2；由式（2）可知，Mg2+、Ca2+和HCO3-來源于CaMg(CO3)2（白云石）風化，Ca2+/HCO3-=Mg2+/HCO3-=1∶4；由式（3）可知，Ca2+/HCO3-=1∶3，Mg2+/HCO3-=1∶6。

圖4顯示，研究區地下水Ca2+與HCO3-的比值大部分分布在1∶4至1∶3的區間；Mg2+與HCO3-的比值大部分大于1∶6，分布于1∶6至1∶4的區間，尤其集中在1∶4上下，反映了研究區碳酸鹽巖化學風化以白云石礦物風化占主導。主要原因為舞陽河中下游巖溶流域的地層巖性主要為較純的白云巖、白云質灰巖。

圖4 研究區地下水Ca2+、Mg2+和HCO3-物質的量濃度關系

3 結論

在舞陽河中下游巖溶流域，地下水的主要離子為Ca2+、Mg2+和HCO3-，水樣pH為6.70～9.09，屬中性偏堿性水，總溶解固體含量為61.24～656.00 mg/L，均值為285.6 mg/L。地下水化學類型以HCO3-Ca·Mg為主，地下水化學特征主要受水巖作用影響，少部分受大氣降水影響，幾乎不受蒸發作用影響。經Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物質的量濃度比值關系分析，研究區巖石化學風化的主要貢獻端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學風化，同時，地下水化學組分主要受白云巖和石灰巖兩個碳酸鹽巖化學風化端元控制，且碳酸鹽巖化學風化以白云石礦物風化占主導。