贛南紅層地區地下水水化學特征及成因分析

趙幸悅子, 肖攀*, 宋文龍, 黎義勇, 劉前進

(1.中國地質調查局武漢地質調查中心, 武漢 430205; 2. 海南省九三四地質大隊, ?？?570206;3. 江西省地質調查勘察院基礎地質調查所, 南昌 330201)

贛南青塘地區是典型的紅層地區,目前關于該地區水文地球化學的相關研究偏少?，F采集區內地下水樣品進行測試分析,基于水文地球化學理論,運用數理統計、Piper三線圖、Gibbs模型、水化學平衡、同位素示蹤法和離子比例系數法分析研究區地下水水化學特征及主要離子來源,揭示地區地下水水質形成規律、分布特征及控制因素,以期為該區域地下水資源合理開發及供水安全等提供理論支撐與決策依據。

1 研究區概況

研究區隸屬于贛州市寧都縣,位于寧都縣西南部,坐標范圍在115°45′E～116°00′E,26°20′N～26°30′N(圖1)。地處武夷山山脈西側、于山山脈東南側,總體地勢北高南低、東西高中間低,中部為紅層單斜盆地。區內屬亞熱帶季風型氣候區,氣候溫和濕潤,年平均氣溫18.8 ℃,雨量充沛,年平均降雨量1 928.4 mm,降雨時空分布不均勻,主要集中在4—8月,總降雨量占全年降雨量的65.6%[6]。該區地處贛江一級支流—貢江源頭,境內主要河流有梅江、青塘河,梅江發源于北部大龍山、凌云山和東部武華山,流逕長度145.2 km,流域面積2 931 km2;青塘河發源于青塘鎮羅家光山,流逕長度55 km,流域面積334.8 km2。研究區自然資源類型多樣,以豐富的地下礦產資源聞名,如石灰石、硫黃礦、煤、鎢、銅、鎂、鐵礦等,并擁有多家煤礦開采企業。

圖1 研究區含水巖組及采樣點分布圖Fig.1 Water bearing formation and sampling sites in study area

研究區位于華夏板塊南嶺東段隆起帶之坳陷處,出露地層由老到新為青白口紀-南華紀變質地層、泥盆紀-二疊紀沉積蓋層、侏羅紀碎屑巖地層、白堊紀紅層和第四系松散沉積層[6]。地下水類型有松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、碳酸鹽裂隙溶洞水、巖漿巖變質巖裂隙水。松散巖類孔隙水賦存在第四系全新統(Qh)沖積相地層中,分布于梅江、青塘河兩岸;紅層裂隙孔隙水分布在賴村-西排、劉坑-竹笮嵊等地,巖性主要為白堊系河口組(K2h)、茅店組(K2m)復成分礫巖、鈣質巖屑雜砂巖;碎屑巖類孔隙水分布于賴村北西側,巖性主要為侏羅系水北組(J1s)、羅坳組(J2l)粉砂巖、長石石英砂巖、石英質礫巖,其次呈窄條帶狀分布于排腦-鵝土丘、西排-頭石巾一帶,巖性主要為泥盆系華山嶺組(D3C1h)石英砂礫巖;碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布在研究區青塘盆地、梅窖盆地及黃貫巖溶盆地內,主要巖性為二疊系馬平組(P2m)、石炭系黃龍組(C2h)泥晶灰巖;巖漿巖變質巖裂隙水分布在區內北西部、青塘盆地南東翼高嶺-西排一帶,主要巖性為南華系下坊組(Nh2-3x)、上施組(Nh1s)變質砂巖、千枚巖。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

2.2 數據處理及分析

3 結果與討論

3.1 研究區地下水水化學特征

3.1.1 地下水基本參數特征

表1 不同地下水類型水化學參數特征值統計表Table 1 Statistical table of characteristic values of hydrochemical parameters for different groundwater types

圖2 研究區地下水Piper三線圖Fig.2 Piper graph of groundwater in study area

表2 研究區淺層地下水主要離子相關關系表Table 2 Correlation between major ions of shallow groundwater in study area

3.1.2 氫氧同位素特征

地下水中氫氧同位素特征記錄了各種環境因素影響的信息,可用于指示地下水的補給來源[8]。本文選擇贛南雨水線δD=7.85δ18O+11和全球大氣降水線(GMWL)δD=8δ18O+10與研究區地下水中D、18O關系進行對比分析(圖3),結果顯示,研究區水樣δD值范圍在-39.90 ‰～-26.10‰,平均值為-34.88‰,δ18O值范圍在-6.61‰～-4.04‰,平均值為-5.87‰,各類水樣點分布較為接近,整體位于贛南雨水線附近,表明研究區地下水起源于大氣降水。研究區地下水斜率(5.455)明顯小于贛南雨水線斜率(7.85),說明地下水受到蒸發作用影響[9]。

圖3 研究區地下水氫氧同位素關系圖Fig.3 Relationship between δD and δ18O diagram of groundwater in study area

圖3中,兩個松散巖類孔隙水偏離贛南雨水線并位于其右下方,推測地下水的補給來源曾經歷了較強烈的蒸發作用從而引起氫氧同位素富集[8]。

3.1.3 鍶同位素特征

鍶的化學性質穩定,不因物理、化學和生物過程發生同位素分餾作用,其同位素比值變化只與不同來源的鍶混合作用有關,因此鍶同位素常被用來作地球化學示蹤劑。當地下水與含水介質發生作用時,溶解進入水體中的Sr具有與該含水介質相近或相同的87Sr/86Sr比值[12]。研究表明,地下水流經不同巖性地層87Sr/86Sr同位素比值變化范圍也不同,硅酸鹽巖風化來源的Sr同位素比值一般為0.716～0.720,而碳酸鹽巖風化來源的Sr同位素比值一般為0.708～0.709[12]。

研究區地下水87Sr/86Sr比值范圍在0.709 3～0.729 8,平均值為0.716 6,包括了碳酸鹽巖和硅酸鹽礦物風化的比值范圍,說明地下水中Sr同位素組成是硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化的混合。地下水中溶解態Sr的來源還可以用Mg2+/Na+、Ca2+/Na+比值與87Sr/86Sr的分布關系來體現[10]。由圖4(a)和圖4(b)可知,研究區地下水點大致位于硅酸鹽巖風化端元和碳酸鹽巖風化端元混合區域之中,表明地下水樣中Sr同位素來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化。

圖4 研究區地下水中Mg2+/ Na+、Ca2+ / Na+與87Sr/86Sr之間的關系圖Fig.4 The relationship between Mg2+/ Na+,Ca2+/ Na+ and 87Sr/86Sr of groundwater in study area

3.2 研究區地下水水化學特征成因分析

3.2.1 風化作用

圖5 研究區地下水Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of groundwater in study area

圖6 研究區地下水Ca2+/ Na+與Mg2+ / Na+、元素比值Fig.6 Plots of Na+ versus Ca2+ / Na+ and Mg2+ / Na+ versus Ca2+ / Na+ of groundwater in study area

3.2.2 溶濾作用

飽和指數(SI)反映出水中礦物的溶解平衡過程[15],利用PHREEQC軟件計算石膏、巖鹽、白云石和方解石的飽和指數(SI),以確定其在地下水中的溶解沉淀狀態,并繪制相關離子與礦物飽和指數關系圖(圖7)。由圖7可知,研究區地下水中石膏、巖鹽、白云石和方解石均處于未飽和狀態(SI<0)。

圖7 研究區地下水飽和指數圖Fig.7 Plots of SI of groundwater in study area

為分析研究區地下水所處位置相對于硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物所處的溶解態[16-18],利用PHREEQC軟件計算相關離子活度并繪制系統礦物平衡體系圖(圖8),可以看出,研究區水樣均落在高嶺土穩定區,表明鈉長石、鉀長石等硅酸鹽礦物均未達到飽和狀態,將繼續發生溶解反應。

圖8 研究區地下水系統礦物平衡體系圖Fig.8 Stability diagrams for minerals systems of groundwater in study area

地下水中離子組成主要受大氣降水、巖石風化、蒸發濃縮和人為活動共同影響,利用水體中離子比值可反推出離子主要來源及形成過程[19]。大氣降水、硅酸鹽巖風化和巖鹽溶解是地下水中Na+、K+的主要來源,大氣降水中Na+/Cl-比值與海水接近為0.86,研究區地下水中Na+/Cl-比值在0.45～41.51[圖9(a)],均值為4.86,遠大于0.86,說明來源于大氣降水的貢獻非常小。圖9(b)中研究區地下水樣品大部分位于1∶1線上方,表明(Na++K+)含量幾乎全大于Cl-,Cl-不足以平衡(Na++K+),還有其他陰離子來平衡Na+和K+,因此鹽巖的溶解不是Na+、K+的主要來源,研究區內花崗巖類巖漿活動比較強烈,分布面積為23%,主要為二長花崗巖,其次為鉀長花崗巖,這些硅酸鹽巖的風化溶解是多出的Na+、K+的重要來源。

圖9 研究區地下水離子比值關系圖Fig.9 Relationship between the ion rates of groundwater in study area

3.2.3 陽離子交換作用

圖10 研究區地下水陽離子交換作用圖Fig.10 Cation exchange of groundwater in study area

3.2.4 人類活動影響

圖11 研究區人類活動對地下水影響程度圖Fig.11 Human impact of groundwater in study area

4 結論

(2)研究區地下水起源于大氣降水,地下水水化學特征主要受巖石風化作用控制,Sr同位素組成進一步說明地下水離子組成受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化共同控制,其中,巖漿巖變質巖裂隙水離子組成主要受硅酸鹽巖風化控制,碳酸鹽裂隙溶洞水離子組成主要受碳酸鹽巖風化控制,其余類型地下水則受以上兩種巖石風化共同作用。地下水中Na+、K+主要來源于硅酸鹽巖的溶解,Ca2+、Mg2+來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖共同溶解作用,不排除硫酸鹽巖溶解作用,碳酸鹽巖溶解作用控制區Ca2+、Mg2+主要來源于方解石的溶解。

(3)研究區地下水在徑流過程中發生了陽離子交換作用,但交換作用不強烈,陽離子交換作用以地下水中Ca2+、Mg2+置換圍巖礦物的Na+、K+為主,局部水樣點有反向的離子交換過程進行。人類活動對研究區地下水的影響較小,主要來源于區內的采礦活動和大棚蔬菜種植,受影響的水樣點主要集中在松散巖類孔隙水中。