滄州地下咸水成因分析

榮慧峰,殷文靜,楊學亮,朱旭輝,李 演

(1.石家莊經濟學院,河北 石家莊 050031;2.河北省環(huán)境地質勘查院,河北石家莊 050031)

滄州市廣泛開采利用淺層淡水和深層淡水,由于開采不合理,引發(fā)了一系列環(huán)境地質問題。淡水資源的短缺已成為制約滄州市經濟發(fā)展的一個瓶頸,為了緩解淡水資源短缺的危機,改善生態(tài)環(huán)境,咸水資源作為新水源應該也必須得到重視。開發(fā)利用地下咸水是一項變“廢”為寶、減輕危害、增加水資源、改善環(huán)境最為有效的措施之一。除肅寧、河間、任丘部分地帶分布有全淡水區(qū)外,大部分地區(qū)廣泛分布著咸水,資源豐富。

1 區(qū)域概況

滄州市位于河北省東部,東臨渤海,南與山東省及衡水市交界,北接天津市、廊坊市,西與保定市相連。地理坐標為東經 115°42′～ 117°51′,北 緯 37°28′～ 38°57′,東西長 187 km,南北寬 165 km,總面積14056 km2。本區(qū)屬半干旱地區(qū),主要為暖溫帶大陸性季風型氣候,四季分明,季間溫差變化顯著。降水特點為年內分布不均,年際變化大。滄州市地勢平坦,河流眾多。東部濱海地區(qū)地勢平坦,土地鹽堿化非常嚴重。

滄州市第四系松散堆積物厚度約為 380～550m,多為陸相堆積及海陸交互相堆積,海興一帶有火山巖堆積,現由老至新簡述如下:

下更新統(Q1):底界深度 380～550 m,為一套棕紅、黃棕色夾灰綠色粘土、亞粘土、亞砂土,其間夾有銹黃色細砂、粉細砂;中更新統(Q2):底界埋深 250～420m,分上下兩段:下段(Q21)底界為 250～420 m,為黃棕、灰綠色粘土、亞粘土、中細砂層。上段(Q22)底界為 170～350 m,為棕黃、灰綠色亞粘土、中細砂層;上更新統(Q3):底界 120～220m,為灰黃、灰、灰綠及少量淺棕黃色亞粘土、亞砂土、粉細砂層;全新統(Q4):底界 20～30m,巖性為灰黃、黃灰、灰褐色亞粘土夾細粉砂層,有 1～2層淤泥質亞粘土或泥炭,為海陸交互相沉積。

2 咸水分布特征

滄州市咸水的分布特點是分布廣,厚度大。無論水平分布還是垂直分布均屬河北平原之最,咸水幾乎覆蓋全區(qū)。咸水體由沿海到內地逐漸變薄,呈一楔形體置于淺層淡水與深層淡水之間,并在青縣東北部和狼坨子附近出現全咸區(qū)。

水平分布:本區(qū)咸水從平面上看,就其分布特點可分三大區(qū),西部地區(qū)包括任丘、肅寧及河間西部,以淡水為多,微咸水、半咸水呈孤島狀分布在淡水體之上,大于5g/L的咸水很少;中部的東光、吳橋、南皮、鹽山南部、獻縣、泊頭、河間東部、青縣、滄縣等廣大地區(qū),微咸水和半咸水分布甚廣,沿古河道河間帶呈北北東向條帶狀分布,大于 5g/L的咸水零星分布;青縣—滄州—鹽山一線以東地區(qū)廣泛分布著大于 5g/L咸水和鹽水,甚至在岐口附近有鹵水分布。在咸水體上部漂浮有薄層凸鏡體狀微咸水、半咸水。淺層咸水由于受淺層淡水的切割影響,子牙河以西地區(qū)東西方向水平連續(xù)性較差,其余地區(qū)連續(xù)性較好,而深層咸水的分布連續(xù)性相對比較好。

垂直分布:本區(qū)咸水體在垂向分布上規(guī)律大致為:河間、肅寧一帶存有封閉性咸水,咸水底界一般為 30～60 m左右;從河間東部一直到沿海地區(qū)具有連續(xù)性,西側咸水底界一般為 50m左右,延伸到滄州附近 100 m左右,再延伸到東部海興咸水底界可達 300 m,詳見圖 1:滄州市咸水分布縱斷剖面示意圖。

咸水體底板埋深受基底構造與海相層的多寡所制約,一般在構造接觸部位、海相層多的部位,底板較深。所以咸水體底板埋深由西向東并非呈斜線直下,而是呈階梯狀逐步增大。

圖1 滄州市咸水分布縱斷剖面示意圖

3 咸水成因分析

滄州市第四系咸水的形成,是河北平原第四紀時期的古氣候條件、古地理地質環(huán)境及海侵活動等各種因素綜合作用的結果。滄州有史以來共經歷了渤海海進,海興海進,黃驊海進,青縣海進,滄西海進,獻縣海進,滄東海進。滄州以渤海為中心向內陸擴展,其中獻縣海進深入內地最遠,由于海侵與海潮的影響,海水的大量鹽分停留在松散沉積層之中,同時海退以后殘留的海水保存在含水層內,致使地層易溶鹽含量增高,因此直接影響到地下水的化學成分。本區(qū)咸水的分布與海相層緊密相關,海相層密集部位咸水體發(fā)育,海侵范圍內必定有咸水分布。

3.1 從咸水入侵分析咸水成因

3.1.1 氯離子分布

地下水氯離子含量是研究咸水形成的主要指標之一。本區(qū)氯離子的分布有一定的規(guī)律性,深層咸水平面上自西向東水化學類型由硫酸?氯化物型→氯化物?硫酸鹽型→氯化物型轉變。淺層咸水氯離子含量總的趨勢是由西向東逐步增大,詳見圖 2:地下水礦化度與離子毫克當量百分數關系曲線圖。

圖2 地下水礦化度與離子毫克當量百分數關系曲線圖

從圖中還可說明影響地下水礦化度的最靈敏的水化學成分是 Cl-,其次為 Na+。據 Cl-分布特點分析,本區(qū)淺層咸水東部沿海可確認為以海相為主,蒸發(fā)濃縮使之更加礦化,而內陸則以蒸發(fā)濃縮大陸鹽化相為主。

3.1.2 土層易溶鹽的分布

本區(qū)土層易溶鹽含量的水平分布由西向東逐步增大,開始由 0.05%以下到沿海高達 2.25%,尤其南運河以東的廣大地區(qū),多次受到海進的影響,土層易溶鹽含量增高,因而形成了大片的鹽堿地。在南運河以西地區(qū),土層易溶鹽含量垂向變化是自上而下由小→大→小變化,而運東地區(qū)則是由大→小的變化。所以土層易溶鹽分布亦是海進影響的結果。土層易溶鹽垂向分布的另一特點就是晚更新世的地層含鹽量高,這完全是由于晚更新世氣候干燥,氣溫較高,強烈蒸發(fā)濃縮的結果。從土層易溶鹽的分布特點,可以確認咸水的形成主要是受到海進的影響,同時大陸鹽化作用也是咸水形成的主導因素。

3.1.3 地下水碘含量

碘含量也可作為判斷海相成因或與海相成因有關的地下水的一種方法。海相層中易溶性碘含量較高,一般為 0.1～0.5 ppm,且以海相淤泥層中含量最高,而陸相堆積物中碘含量比較低,為 0～0.1 ppm,以湖相、湖沼相淤泥質土含量相對較高。滄州東部地區(qū)湖積海積平原碘含量較高,以沿海一帶為最高,西部碘含量一般較低,這表明地下水與海相起源密切相關,受到海相沉積影響。

3.1.4 咸化系數和鈉氯系數

咸化系數〔Cl-/(HCO3-+CO3

2-)〕與鈉氯系數〔rNa+/rCl-〕為地下水主要化學成分相互之間的比例關系。它們是概略表征地下水成因類型的兩個特征系數。

(1)咸化系數分析:咸化系數是作為鑒別地下水是否受到海水入侵的標志。淡水的咸化系數小于 1,咸水的咸化系數大于 1,微咸水的咸化系數一般為 1-2,近海地區(qū)的咸化系數高。本區(qū)咸化系數的分布規(guī)律是:由沿海到內陸逐步減小,大致以南運河為界,東部咸化系數大于 3,而西部小于 3,由此可以認為,本區(qū)咸水運東受到多次海進影響,主要以海相為主,運西則以大陸鹽化相為主。

(2)鈉氯系數分析:鈉氯系數作為判斷海相成因或與海相成因有關的地下水的常用方法。一般海相成因的地下水鈉氯系數小于 1,淡水或微咸水鈉氯系數一般大于 1。本區(qū)的鈉氯系數分布以南運河為界,運東小于 1,運西大于 1,由此不難看出運東的地下咸水與海相成因有關。

3.2 從咸水的同位素特征分析成因

氘、氧的組成:氘(D)、氧 -18(18O)分別用 δ值表示。δ值是指樣品中某元素的穩(wěn)定同位素比值相對于標準相應比值的千分偏差。即

根據計算結果將數據反映在 δD-δ18O相關圖上,詳見圖 3:δD—δ18O相關圖。由圖可知,所取水樣各點,幾乎全部落在世界雨水線(δD=8δ18O+10)的右下方。根據各點所處的部位,可概括為三種情況:一是靠近海水部位如細實線所圈部分,屬海水(δD、δ18O值接近于 0)成因咸水,這里既有深層咸水也有淺層咸水;二是沿世界雨水線向上分布(δ值偏正),處在蒸發(fā)線(斜率小于 8)附近的各點,說明以大氣降水補給為主,屬蒸發(fā)濃縮型咸水;三是沿世界雨水線向下分布(δ值偏負),位于世界雨水線與蒸發(fā)線交點附近的各點,說明以大氣降水補給為主,由于氣溫效應,地下水形成的氣溫較低。

根據丹斯加爾德平均降水 δ值與平均氣溫的關系式:δ18O=0.695 t-13.6或 δD=5.6 t-100 計算出滄州市均衡試驗場滄試 6地下水形成時的氣溫約為5.47℃-5.89℃。地下水中的氧 -18與氘均為穩(wěn)定同位素,地下水的水化學成份在其演化過程中盡管水質不斷變化,但穩(wěn)定同位素的 δ值基本不變。從陸相淡水成份與海相成份比較來看,δD、δ18O值越小,海水成份所占比例就越大。我們對同位素測定結果與礦化度進行了初步分析:①滄州西部肅寧、任丘、河間西部等地淺層地下水以陸相淡水成份為主;在滄州中部及其東部地區(qū),淺層咸水既有海水成份又有陸相淡水成份,自西向東海水成份所占比例逐漸遞增,至馮家堡附近淺層地下水中海水成份已占主導地位。②第Ⅱ含水組中的咸水鹽份多來自于海相沉積和地下水溶濾作用。由于蒸發(fā)濃縮作用,礦化度比較高,但咸水形成時期的氣溫效應、演化過程的蒸發(fā)效應,致使穩(wěn)定同位素氧也發(fā)生了變化,變化幅度比較小,淡水混入程度比較低。③從地下咸水δ18O值的變化看,蒸發(fā)強度由西向東逐漸加劇,各時期的蒸發(fā)強度也有很大區(qū)別。④沿海地區(qū)形成的咸水,海水成份比例比較高,以海水為主要來源,少有淡水混入,而且蒸發(fā)強度比較大?？傊?根據本區(qū)咸水的同位素特征,咸水的形成既有海相起源,又有大陸鹽化作用,但兩種因素在不同部位所占比例不同,綜觀全區(qū)淺層咸水東部海水成份要高于中部,而西部則以大陸鹽化作用為主。

圖3 δD—δ18 O相關圖

4 結論

根據滄州市咸水的沉積環(huán)境與咸水的同位素特征,本區(qū)咸水是由多種因素綜合作用下演變形成的。東部濱海地區(qū)的咸水以海相成因類型為主,西部內陸地區(qū)以陸相成因類型為主,二者之間的中間地區(qū)為海陸交替過渡帶類型。淺層咸水除沿海地區(qū)外,主要受大陸鹽化作用影響為主。

古地理環(huán)境是咸水形成的基礎,古氣候演變是咸水形成的條件,多次海侵是咸水形成的重要因素。咸水的形成與演化貫穿于整個第四紀,并且構成了由東向西逐漸尖滅的楔形咸水體。

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