桂林新寨花崗巖地區(qū)水文地球化學(xué)特征

李 晶 劉德深 尹雅芳 吳旺發(fā) 苗 迎

（桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

桂林新寨花崗巖地區(qū)水文地球化學(xué)特征

李 晶 劉德深 尹雅芳 吳旺發(fā) 苗 迎

（桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

文章對(duì)桂林新寨花崗巖地區(qū)水質(zhì)資料進(jìn)行研究，采用 Piper圖進(jìn)行水化學(xué)分類及特征分析，結(jié)果表明該區(qū)水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。并利用PHREEQC對(duì)桂林新寨花崗巖地下水物種形成及飽和指數(shù)進(jìn)行了模擬，根據(jù)模擬計(jì)算的飽和指數(shù)說明了該區(qū)地下水的溶解平衡狀態(tài)。

花崗巖；地下水；水化學(xué)；飽和指數(shù)；桂林新寨

（一）引言

桂林新寨花崗巖地區(qū)地下水處在復(fù)雜的地理環(huán)境中，由于復(fù)雜的水-巖土-氣-有機(jī)物間的相互作用，存在著吸附交換、氧化還原、沉淀溶解、生物降解等諸多地球化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部也在不斷發(fā)生各種絡(luò)合反應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外推行利用地球化學(xué)模式 PHREEQC模擬地下水組分形成、飽和指數(shù)等研究，解決了傳統(tǒng)的水文地球化學(xué)方法對(duì)于多組分多反應(yīng)過程的定量研究困難。

（二）研究區(qū)地質(zhì)概況

桂林新寨花崗巖體侵入于寒武—奧陶地層中，泥盆系沉積其上，為加里東期侵入巖，淺成相呈巖株形式產(chǎn)出。在巖體的周圍發(fā)育著印支期和燕山期的SN向褶皺和斷裂構(gòu)造帶，其中大境—沙子斷裂靠近新寨巖體西側(cè)，栗木—恭城斷裂分布在新寨巖體東側(cè)。產(chǎn)狀主要有15o∠58o、153o∠77o、13o∠75o、97o∠74o、178o∠82o，印支、燕山期的斷裂，多呈弧形展布，具有壓扭性質(zhì)，影響著新寨巖體的斷層裂隙的分布以及晚期巖脈的侵入，這一特定的地形、地質(zhì)、構(gòu)造條件，控制了該區(qū)含水層的空間分布規(guī)律、地下水的運(yùn)動(dòng)、循環(huán)條件以及富水狀況和泉水的產(chǎn)出特征。

桂林新寨花崗巖巖性主要為中細(xì)粒斑狀角閃黑云母花崗巖，少部分為中—細(xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒黑云母花崗巖。巖體中有細(xì)?；◢弾r脈、斜長(zhǎng)花崗斑巖脈、石英閃長(zhǎng)玢巖脈、石英和重晶石脈等巖脈。

（三）研究區(qū)數(shù)據(jù)和分析方法

研究區(qū)分析資料為桂林新寨、仁木寨、磨刀石、白石底地區(qū)的水化學(xué)數(shù)據(jù)，詳見表一，首先對(duì)桂林新寨地下水進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)取樣，分析測(cè)試有關(guān)水化學(xué)參數(shù)， 再利用PHREEQC水化學(xué)模擬軟件，Piper三線圖示等方法，全面系統(tǒng)地研究地下水水化學(xué)特征。

表1 桂林新寨地區(qū)主要水化學(xué)指標(biāo)值（單位：mg/l）

（四）桂林新寨花崗巖地區(qū)水文地球化學(xué)特征

組成花崗巖區(qū)地下水的化學(xué)物質(zhì)主要通過水與花崗巖間的交換，發(fā)生水解作用，以及花崗巖在地表經(jīng)水、CO2、生物等營(yíng)力作用下發(fā)生風(fēng)化，一部分可溶組分隨降水下滲進(jìn)入到地下水中。水解作用為非全等溶解，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3進(jìn)入水中，而且形成鋁硅酸鹽殘余物。花崗巖風(fēng)化可將大氣或土壤中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橹靥妓岣x子，釋放出K+、Na+、Ca2+、Mg2+，最后沉積為碳酸鹽巖。因此，對(duì)大氣而言，花崗巖風(fēng)化作用是凈碳匯過程。此過程主要是長(zhǎng)石、黑云母和水的相互作用。以鈣長(zhǎng)石為例，化學(xué)反應(yīng)式如下：

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+2CO2+3H2O+→Al2Si2O5(HO)2(高嶺土)+Ca2++2HCO-3

1.研究區(qū)水化學(xué)piper圖

運(yùn)用國(guó)際上通用的水化學(xué)分類方法，計(jì)算主要陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)和陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-)的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，使毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于25%的離子參與水化學(xué)類型的分類。繪出研究區(qū)各樣點(diǎn)的水文化學(xué)類型圖（圖 1）。

圖1 研究區(qū)水化學(xué)piper圖解

從 piper圖可以看到，研究區(qū)五個(gè)樣點(diǎn)均處于菱形圖左側(cè)，水化學(xué)特征總體上表現(xiàn)為堿土金屬離子超過堿金屬離子，弱酸根大于強(qiáng)酸根，碳酸巖硬度大于50%，研究區(qū)五個(gè)點(diǎn)總?cè)芙夤腆w為 13.97～66.14mg/l，TDS變化較大。從三角圖中可以看出，研究區(qū)陰離子和陽離子均落在左下角，陽離子三角圖顯示研究區(qū)Ca2+均較豐富，含量百分比為24.76%～50.40%，Na+、K+偏少，分別占20.53%～30.08%和2%～13.35%，據(jù)此可初步判斷鈣長(zhǎng)石風(fēng)化較為顯著，鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石風(fēng)化作用相對(duì)不強(qiáng)，鈉、鉀離子比鈣離子較為容易流失，所以經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化后溶濾出的鈉、鉀離子含量比較低，而且深循環(huán)的鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石風(fēng)化影響因素較多，如鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石礦物活性大，易被溶濾，造成后期可溶離子偏低，并且受到溶解度的限制，K+易被植物吸收，故K+含量遠(yuǎn)小于Na+。Mg2+稍低于鈣離子，占 20.75%～44.64%，原因是桂林新寨花崗巖中 Mg2+的來源有限，而且黑云母風(fēng)化程度較低，研究區(qū)水中Mg2+被植物所吸收以及水中膠體物質(zhì)的吸附，故含量低于Ca2+。陰離子三角圖中HCO3

-+CO32-占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，含量為62.72%～89.76%，主要是地下水循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，水巖作用充分，因此析出的Ca2+較多、消耗較多的 CO2、形成的 HCO3-+CO3

2-更多、被粘土礦物吸附的堿金屬也更多，同時(shí)進(jìn)一步說明了 K+、Na+偏少的原因。SO42-只占0.00%～15.87%，除云母風(fēng)化作用不強(qiáng)烈外，也因土壤的吸收降解、膠體物質(zhì)的陰離子吸附以及研究區(qū)的地理位置和氣候特點(diǎn)所決定。研究區(qū)位于距市區(qū)較遠(yuǎn)的地方，很少受到市區(qū)污染源的影響，因此進(jìn)入本區(qū)地下水的SO42-量不大。Cl-占7.66%～21.41%，因花崗巖礦物風(fēng)化不產(chǎn)生 Cl-，故可推斷其來源于大氣降水和生物作用?？傮w看來，研究區(qū)和平村水化學(xué)類型為 HCO3-Ca·Na型，白石底河水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，仁木寨泉水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型，新寨泉水化學(xué)類型為 HCO3-Na·Mg型，磨刀石泉水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。

2.根據(jù)HPREEQC模擬分析飽和指數(shù)

根據(jù)飽和指數(shù)SI可以判斷水巖氣這一水文地球化學(xué)系統(tǒng)化學(xué)元素不斷發(fā)生相的轉(zhuǎn)化和變化的規(guī)律，即用來衡量地下水運(yùn)移中發(fā)生礦物溶解或沉淀的趨勢(shì)，利用 PHREEQC軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)含水層水樣點(diǎn)的飽和狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果如表所示。

表2 研究區(qū)主要礦物飽和指數(shù)

圖2 主要礦物飽和指數(shù)柱狀圖

從研究區(qū)地下水中礦物飽和指數(shù) SI值模擬結(jié)果可以看出，研究區(qū)地下水只有玉髓和鉀長(zhǎng)石處于相對(duì)溶解平衡的狀態(tài)，鈣-蒙脫石、高嶺石、伊利石過飽和與它們的溶解度小有直接關(guān)系，說明這些礦物的沉淀速率與其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同時(shí)它們又是長(zhǎng)石、云母等硅酸鹽的風(fēng)化的產(chǎn)物，可知長(zhǎng)石風(fēng)化強(qiáng)烈，與水的相互作用完全。當(dāng)pH＞7.4和TDS＞600mg/L時(shí)，Ca2+才與HCO3-生成碳酸鈣，發(fā)生沉淀，研究區(qū)pH和TDS與達(dá)到沉淀的要求相差甚遠(yuǎn)，故飽和指數(shù)模擬結(jié)果顯示方解石處于不飽和狀態(tài)，水對(duì)方解石仍然具有侵蝕性。其它礦物相均未達(dá)到飽和，甚至大多礦物表現(xiàn)出上萬倍未飽和，即水-巖之間還遠(yuǎn)未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行，也進(jìn)一步說明了研究區(qū)地下水的低 TDS特點(diǎn)，從研究區(qū)四個(gè)樣點(diǎn)比較可以看出，飽和指數(shù)相差無幾，表明地下水運(yùn)動(dòng)暢通，循環(huán)交替條件好，而且地下水與巖石礦物的化學(xué)反應(yīng)多是非常緩慢的，所以要達(dá)到飽和狀態(tài)也需要在長(zhǎng)時(shí)間的地下運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)，地下水若與某種礦物達(dá)到飽和狀態(tài)，必將限制該礦物的繼續(xù)溶解，因此地下水與礦物的狀態(tài)在漫長(zhǎng)的時(shí)間里應(yīng)為平衡狀態(tài)，過飽和的現(xiàn)象很少出現(xiàn)。同時(shí)，飽和指數(shù)結(jié)果說明研究區(qū)地下水以溶解作用為主。圖 2為主要礦物飽和指數(shù)柱狀圖。

（五）結(jié)論

桂林新寨花崗巖地區(qū)水化學(xué)類型主要為 HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg 型。水中以 Ca2+、Na+、Mg2+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-為主要離子，Ca2+和HCO3-含量遠(yuǎn)高于 K+、Na+、Mg2+和 Cl-、SO42-。桂林新寨地區(qū)溫度高、降水豐沛、降水稀釋效應(yīng)強(qiáng)于高溫促進(jìn)的水巖作用強(qiáng)度，地下水交替、排泄條件好，可溶性組分不易聚集，故而其離子含量偏低，決定了桂林新寨地區(qū)含水層地下水低TDS的特點(diǎn)。

PHREEQC模擬計(jì)算結(jié)果表明桂林新寨花崗巖地下水只有玉髓和鉀長(zhǎng)石處于相對(duì)溶解平衡的狀態(tài)，鈣-蒙脫石、高嶺石、伊利石過飽和與它們的溶解度小有直接關(guān)系，說明這些礦物的沉淀速率與其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同時(shí)它們又是長(zhǎng)石、云母等硅酸鹽的風(fēng)化的產(chǎn)物，可知長(zhǎng)石風(fēng)化強(qiáng)烈，與水的相互作用完全。其它礦物相均未達(dá)到飽和，即水-巖之間還遠(yuǎn)未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行。

水化學(xué)特征顯示研究區(qū)地下水化學(xué)組分的來源及含量主要是水巖相互作用的結(jié)果，即硅酸鹽礦物的分解和水解等化學(xué)風(fēng)化，其次是大氣降水下滲以及受巖性的控制和地形、地貌對(duì)水交替強(qiáng)度的影響，而人類活動(dòng)、氣候及植被等的作用亦不容忽視。

花崗巖的風(fēng)化作用同時(shí)參與了短時(shí)間尺度和長(zhǎng)時(shí)間尺度的全球碳循環(huán)，其風(fēng)化過程中需要大氣和土壤中的CO2促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，結(jié)果使水中HCO3-含量增多，最終形成碳酸鹽沉淀，說明其風(fēng)化過程對(duì)大氣而言是一個(gè)凈碳匯過程?；◢弾r風(fēng)化對(duì)碳循環(huán)影響的程度不可忽視，對(duì)于全球碳循環(huán)研究以及全球變化研究具有重要意義。

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A

1008-1151(2011)05-0095-02

2011-02-16

廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（2010105960775M40）

李晶（1979－），女，吉林榆樹人，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵滤h(huán)境化學(xué)。