川南紅層地區(qū)地下水賦存環(huán)境及水化學(xué)特征分析
——以宜賓市屏山縣為例

魏良帥， 孔德彥， 羅雲(yún)豐， 賈 逸， 舒勤峰

(1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734; 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川 眉山 620010)

0 引言

紅層(以侏羅系和白堊系砂巖、泥巖為主)長(zhǎng)期被視為“地下水資源缺乏的貧水地層”，其水資源時(shí)空分布極不均勻，資源性缺水和工程性缺水并存的現(xiàn)象極大制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，紅層找水是地下水勘查的難題之一，研究找水區(qū)的地下水賦存環(huán)境、地下水成分特征及地下水的演變規(guī)律是水文地球化學(xué)的基本任務(wù)。

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水化學(xué)分析開(kāi)展了大量研究工作，主要運(yùn)用野外調(diào)查、室內(nèi)數(shù)理統(tǒng)計(jì)及水文地球化學(xué)模擬的方法對(duì)地下水的水文特征、區(qū)域性規(guī)律進(jìn)行研究。毛文清等[1]對(duì)紅層地下水的形成環(huán)境和水文地質(zhì)類型進(jìn)行了研究，認(rèn)為地下水主要受到構(gòu)造帶控制；張廷山等[2]對(duì)川東北地區(qū)紅層地下水的賦存特征進(jìn)行了研究，并分析了地下水富集的影響因素；朱春林等[3-4]系統(tǒng)地論述了紅層中的含鹽層導(dǎo)致地下水水質(zhì)復(fù)雜、富水性差異性大的特征，總結(jié)了云南地區(qū)紅層賦存主控因素、富集條件及規(guī)律；周緒綸[5]和張福存等[6]對(duì)四川盆地紅層地下水特征和水文條件進(jìn)行了總結(jié)分析，并建議了紅層地區(qū)地下水的開(kāi)發(fā)利用模式；曾彩霞等[7]對(duì)成都青白江小流域紅層地下水水文特征、成因及富集模式進(jìn)行了研究；周中海等[8]利用GIS技術(shù)對(duì)云南楚雄地區(qū)地下水特征和類型進(jìn)行了分析，并建立了紅層地下水的區(qū)域水化學(xué)空間模型。以上學(xué)者，主要關(guān)注紅層區(qū)相對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的盆地區(qū)的水文地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)集中連片貧困缺水區(qū)地下水水化學(xué)的研究工作尚存在眾多不足。

本次研究區(qū)位于四川盆地南部南緣，金沙江北岸的屏山縣境內(nèi)，經(jīng)度104°～104°15′；緯度28°40′～28°50′，屬烏蒙山集中連片貧困缺水區(qū)，本次工作側(cè)重于川南紅層地區(qū)的地下水賦存環(huán)境及特征的研究，在開(kāi)展1:5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)分析手段分析地下水水化學(xué)特征、類型和地下水的控制性因素，查明研究區(qū)含水層地質(zhì)條件、地下水類型、地下水分布和地下水賦存環(huán)境與運(yùn)移規(guī)律，為地下水資源開(kāi)發(fā)利用提供重要的地質(zhì)基礎(chǔ)資料，對(duì)解決川南貧困缺水區(qū)居民缺水問(wèn)題，改善群眾用水，加快脫貧致富步伐，支撐國(guó)家扶貧戰(zhàn)略具有重要的意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地形南高北低，主要分布中山和低山地貌，西南部為巖溶中山峽谷地貌，高程一般1000～2000 m，相對(duì)高差500～1000 m，東西部洼地發(fā)育，總表現(xiàn)為侵蝕作用大于溶蝕作用，特點(diǎn)為沖溝發(fā)育，且呈“V”形谷，溶蝕裂隙普遍發(fā)育，亦有數(shù)量不多洞身不長(zhǎng)的溶洞。中部及東部區(qū)域多為斜坡?tīng)钪猩剑纫葬航徒鹕辰炙畮X地帶為多，高程一般1000～1500 m，相對(duì)高差300～600 m，中山區(qū)溝谷狹窄，一般為“V”型谷，坡度較陡，一般大于40°。而低山地貌區(qū)高程一般700～1200 m，相對(duì)高差100～500 m。

研究區(qū)廣大低山區(qū)地層主要為紅層，覆蓋以紫紅色、暗紫紅色、棕紅色為主的侏羅系和白堊系的砂巖、泥巖及少量薄層灰?guī)r，占整個(gè)研究區(qū)約87.80%的面積；其余以三疊系的灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁(yè)巖為主，占研究區(qū)面積的11.51%左右；在河谷地區(qū)分布少量第四系沖積、洪積等地層，主要地質(zhì)構(gòu)造為五指山-龍橋背斜，天宮堂背斜、龍華寺向斜及屏山向斜，主要斷裂為團(tuán)半石壓扭性斷裂。其地層特征和分布如表1和圖1所示。

2 研究區(qū)地下水賦存環(huán)境

2.1 地下水賦存基本條件

研究區(qū)氣候溫濕，降雨豐富，地表水文網(wǎng)發(fā)育，因而與其密切相關(guān)的淺層地下水交替循環(huán)暢通，補(bǔ)給來(lái)源充足[9]，地下水賦存環(huán)境可分為紅層區(qū)和非紅層區(qū)。在紅層分布區(qū)，地下水賦存于白堊系、侏羅系的砂巖、泥巖中，其地層多含鈣質(zhì)膠結(jié)物和透鏡體，還含有可溶鹽組分，主要為鈣質(zhì)及纖維狀、層狀、顆粒狀石膏和鈉質(zhì)芒硝等，受風(fēng)化作用影響，結(jié)構(gòu)疏松，易產(chǎn)生溶蝕孔隙和風(fēng)化裂隙，為地下水的運(yùn)移儲(chǔ)存增加了空間；在非紅層分布區(qū)，地層分布受五指山背斜、天宮堂背斜和龍華寺向斜構(gòu)造控制，在背斜翼部伴生由擠壓作用形成斷裂，巖溶發(fā)育，有利于地下水富集；地下水賦存運(yùn)移以溶洞管道流為主,中等至強(qiáng)富水，含水性極不均一，地下水枯季徑流模數(shù)6.25～8.30 L/s·km2。

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡簡(jiǎn)單，褶皺舒緩，構(gòu)造裂隙和構(gòu)造破裂面控制了區(qū)域內(nèi)風(fēng)化裂隙的發(fā)育，對(duì)地下水的富水狀況具有重要影響。地下水受到構(gòu)造形跡的影響，背斜核部的縱張裂隙發(fā)育，構(gòu)成含水層，而下部巖層裂隙發(fā)育相對(duì)較弱，構(gòu)成相對(duì)隔水層。地下水接收大氣降雨補(bǔ)給，沿構(gòu)造裂隙下滲至潛水面，遇下部相對(duì)隔水層而蓄集，再沿含水層與隔水層界面由高處向低處運(yùn)移，在溝谷切割、地勢(shì)較低或地形陡變處出露成泉(圖2a)；對(duì)于向斜構(gòu)造的影響，在向斜核部發(fā)育縱張、橫張裂隙，其順層面發(fā)育層面裂隙，地下水沿縱張、橫張裂隙下滲沿層間裂隙由兩翼向核部匯集，并在溝谷切割、地勢(shì)較低或地形陡變處出露成泉(圖2b)。

2.2 地下水賦存類型

圖2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造賦存地下水環(huán)境的模式圖

研究區(qū)地下水類型按地下水賦存條件、埋藏條件、水理性質(zhì)及水動(dòng)力特征等，結(jié)合地球物理探測(cè)驗(yàn)證，可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙層間水和碳酸鹽類巖溶洞水4種類型。

(1)松散巖類孔隙水，主要埋藏于江河兩岸松散堆積體及沖積層中，其補(bǔ)給來(lái)源主要大氣降水，一般以滲透形式向河流排泄，局部低洼地段以泉的形式排泄。

(2)基巖裂隙水，主要為風(fēng)化帶裂隙水，多在溝谷兩側(cè)或斜坡地帶以裂隙泉排泄，具“就近補(bǔ)給，就近排泄”的特點(diǎn)，構(gòu)造發(fā)育地帶下滲的降水逐步匯集到含水層與隔水層的裂隙中繼續(xù)運(yùn)移，并在地勢(shì)低洼地帶以接觸泉的形式排泄。地下水在斷裂帶附近的徑流模數(shù)>5 L/s·km2，常見(jiàn)泉水流量0.5～1.0 L/s，水量較豐富；而在遠(yuǎn)離斷裂帶的基巖中的地下水徑流模數(shù)為0.1～1.0 L/s·km2，常見(jiàn)泉水流量<0.1 L/s，水量貧乏。

(3)碎屑巖類孔隙裂隙層間水，以須家河組地層的碎屑巖作為含水層的地下水類型，砂巖是含水層，煤系、頁(yè)巖夾少量薄層細(xì)砂巖為相對(duì)隔水層。地下水多分布于背斜區(qū)，接受大氣降水和相鄰含水層的越流補(bǔ)給，水量較豐富，但地下水分布埋藏不均。

(4)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，主要分布于三疊系雷口坡組和嘉陵江組的灰?guī)r中。地下水的徑流以溶蝕裂隙、巖溶管道運(yùn)移，排泄途徑向江河排泄或向深部滲漏。

3 地下水水文地球化學(xué)特征

本次調(diào)查對(duì)研究區(qū)內(nèi)代表性地下水的水質(zhì)樣品進(jìn)行采集，共采集122組進(jìn)行檢測(cè)分析，樣品在野外不進(jìn)行預(yù)處理，樣品采集后再對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)封蠟處理，水質(zhì)樣品的保存按照《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493-2009)[10]進(jìn)行處理，檢驗(yàn)測(cè)試方法按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[11]的規(guī)定，使用離子色譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)進(jìn)行檢測(cè)分析。

3.1 地下水化學(xué)特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)的122組地下水水樣進(jìn)行水化學(xué)成分特征值統(tǒng)計(jì)分析(表2)，可知：(1)地下水的陽(yáng)離子以Al3+和Fe離子為優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子，其次為Ca2+，均值由大至小順序?yàn)锳l3+>Total Fe離子>Ca2+>Na++K+>Mg2+，其Al3+、Fe離子含量較高，是紅層中含有大量粘土礦物和鐵質(zhì)(氫)氧化物的溶解造成的；(2)陰離子主要以HCO3-為主，其次為SO42-，以陰離子均值大小順序排列為HCO3->SO42->NO3->Cl-；(3)總?cè)芙夤腆w(TDS)值位于28 ～ 668 mg/L之間，平均值為179.93 mg/L，小于1 g/L，同時(shí)TDS的標(biāo)準(zhǔn)差較大，但變異系數(shù)較小，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)地下水均屬于淡水，且徑流相對(duì)緩慢，其相對(duì)含量差別不大；(4)pH值在6.08 ～ 8.43之間，平均值為7.46，屬于弱堿性水。由于Na++K+、Ca2+、Fe離子、Al3+、HCO3-、NO3-的變異系數(shù)相對(duì)較小，說(shuō)明了研究區(qū)地下水相對(duì)較為穩(wěn)定；而Mg2+、SO42-、Cl-的變異系數(shù)較大，說(shuō)明了這些離子在研究區(qū)地下水中含量變化也較大，易隨環(huán)境變化而發(fā)生相應(yīng)變化。

表2 研究區(qū)地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

3.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可以解釋地下水化學(xué)參數(shù)之間是否存在相關(guān)關(guān)系、依存性質(zhì)及程度等，可揭示地下水來(lái)源的一致性和差異性[12-13]。利用SPSS軟件對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)分析，其結(jié)果如表3所示。由分析結(jié)果表明，研究區(qū)地下水中的Na++K+和Ca2+及Mg2+均呈正的顯著性相關(guān)關(guān)系；Ca2+和Mg2+也呈顯著性正相關(guān)，其原因可能是紅層中所含白云石礦物的溶解影響造成的[13]。SO42-與Na++K+、Mg2+呈高度線性相關(guān)(R=0.892, 0.758>0.70)，而HCO3-與Ca2+及Mg2+呈高度線性相關(guān)(R=0.958, 0.791)；總?cè)芙夤腆w(TDS)與陽(yáng)離子的相關(guān)大小依次為Ca2+(0.932) >Mg2+(0.907) >Na++K+(0.834)，而與陰離子相關(guān)性關(guān)系系數(shù)自大至小為HCO3-(0.889) >SO42-(0.776)>Cl-(0.670)>NO3-(0.537)，其中TDS與陽(yáng)離子、HCO3-和SO42-高度線性相關(guān)，說(shuō)明地下水主要以Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子為主，且易以離子形態(tài)共存于地下水中。

表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)成分Person相關(guān)系數(shù)(R)

注：以上相關(guān)系數(shù)均通過(guò)P<0.01水平上顯著雙尾檢驗(yàn)。

3.3 地下水水化學(xué)類型

將研究區(qū)122組地下水水質(zhì)樣品數(shù)據(jù)導(dǎo)入Piper三線圖中，并對(duì)各地下水類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)和地下水類型進(jìn)行分類(圖3)，并建立了地下水類型空間分布圖(圖1)。從圖3和表4可知，研究區(qū)內(nèi)水化學(xué)類型主要以HCO3--Ca2+、HCO3-·SO42--Ca2+、HCO3--Ca2+·Mg2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型為主，這4類地下水類型約占總數(shù)量的97.74%；且從圖3中可看出局部地點(diǎn)分布有HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+·Na+、HCO3-·SO42--Ca2+·Na+、HCO3-·SO42-·NO3--Ca2+、SO42-·NO3--Ca2+·Mg2+等類型，僅占有研究區(qū)總面積約2.26%。

表4 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)

3.4 地下水特征控制因素

地下水的水化學(xué)特征主要受到地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象因素、徑流路徑及條件的影響，往往多是定性的評(píng)價(jià)各影響因素對(duì)地下水的作用，而利用主成分分析可將相關(guān)關(guān)系變量轉(zhuǎn)為較少綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，研究地下水水化學(xué)特征形成的主要作用與因素，更清楚的了解其影響程度。

圖3 研究區(qū)地下水特征Piper三線圖

本文利用SPSS軟件，通過(guò)主成分分析，利用方差最大正交的旋轉(zhuǎn)分析方法，可以得到地下水各成分的特征值(表5)。由主成分因子貢獻(xiàn)率可知，前2個(gè)因子的特征值>1，且特征值之和占總特征值的84%，因此提取前2個(gè)因子，得到第一主成分和第二主成分載荷如表6所示。

表5 主成分因子貢獻(xiàn)率

注：旋轉(zhuǎn)在3次迭代后收斂。

從表5、表6可知，第一主成分F1的方差貢獻(xiàn)率為70.6%，主要與Na++K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-和TDS呈密切的正相關(guān)，其載荷分別為0.865、0.750、0.855、0.900、0.749和0.884，反映了地下水受到了含水巖層的影響，由前可知，區(qū)內(nèi)紅層主要由砂巖、泥巖等組成，通常在巖層中含有方解石、白云石和石膏脈或結(jié)晶體，其中Ca2+、Mg2+和HCO3-主要來(lái)自于巖層中方解石、白云石、石膏礦物的溶解作用；SO42-濃度在地下水中呈現(xiàn)較高數(shù)值，在陰離子組成中也較為顯著，區(qū)域內(nèi)主要形成了HCO3-·SO42--Ca2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型地下水，因此SO42-主要來(lái)自石膏、芒硝等易溶性礦物的溶解和黃鐵礦等硫化礦物的風(fēng)化、氧化作用，因此F1指示了巖石的礦物溶濾效應(yīng)對(duì)地下水的影響，反映了地層巖性對(duì)地下水的控制因素。

第二主成分F2的方差貢獻(xiàn)率為13.4%，主要與Cl-和NO3-呈密切的正相關(guān)關(guān)系，其載荷分別為0.848和0.920。研究區(qū)主要位于四川盆地南緣，酸雨頻率大于50%，呈現(xiàn)出酸雨頻率高的特點(diǎn)，這說(shuō)明了Cl-和NO3-主要來(lái)源于大氣降雨，因此F2指示了大氣降雨對(duì)地下水的影響，反映了氣象因素對(duì)地下水的影響。

對(duì)于地下水化學(xué)組分的來(lái)源、動(dòng)力過(guò)程和演化特征可利用比例系數(shù)法來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)離子毫克當(dāng)量濃度的比值進(jìn)行描述地下水的特征，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算來(lái)判斷地下水的動(dòng)力條件等[13]，各離子比值計(jì)算表(表7)。[Cl-/Ca2+]比例系數(shù)可描述地下水動(dòng)力參數(shù)，Cl-通常富集于水動(dòng)力滯緩區(qū)，Ca2+主要屬于低礦化度水質(zhì)的陽(yáng)離子特征，研究區(qū)的[Cl-/Ca2+]平均值為0.101，表明其地下水動(dòng)力條件較好，水流交替作用強(qiáng)，水巖溶濾作用充分。[SO42-/HCO3-]、[Cl-/HCO3-]和[Cl-/SO42-]的比值可反映地下水陰離子的演化過(guò)程，而研究區(qū)[SO42-/HCO3-]、[Cl-/HCO3-]和[Cl-/SO42-]的平均值分別為0.278、0.039和0.218，說(shuō)明了研究區(qū)地下水中的碳酸鹽最易溶解，主要來(lái)自于碳酸鹽礦物的溶解導(dǎo)致的，其次是硫酸鹽的溶解，主要來(lái)自于石膏和硫化礦物的溶解。對(duì)于地下水陽(yáng)離子的相互關(guān)系，低礦化度水中Ca2+占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)徑流過(guò)程中TDS增加后促使Mg2+含量增加，當(dāng)TDS進(jìn)一步增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地下水中Na+占有優(yōu)勢(shì)地位。因此，[Ca2+/Na+]和[Mg2+/Na+]的比值可判斷地下水徑流過(guò)程中是否發(fā)生離子交換作用，可反映地下水徑流演化過(guò)程中的礦化程度，研究區(qū)地下水的[Ca2+/Na+]和[Mg2+/Na+]平均值分別為10.607和1.662，可知研究區(qū)主要是Ca2+和Mg2+占優(yōu)勢(shì)，屬于低礦物度水，也側(cè)面反映出研究區(qū)地下水主要由碳酸鹽類礦物控制，其徑流動(dòng)力過(guò)程較為強(qiáng)烈。[Na+/Cl-]可表征地下水中是否具有長(zhǎng)石礦物的溶解效應(yīng)，對(duì)于低礦物水的[Na+/Cl-]比值通常大于標(biāo)準(zhǔn)海水[Na+/Cl-]平均值0.85，而研究區(qū)地下水的[Na+/Cl-] = 2.867>0.85，說(shuō)明研究區(qū)的Na+主要來(lái)自于含鹽地層(如：芒硝等)風(fēng)化-溶濾作用形成的，并不是來(lái)自于長(zhǎng)石礦物的水巖作用導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)地下水分布受到地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制，按水化學(xué)特征，以HCO3--Ca2+、HCO3-·SO42--Ca2+、HCO3--Ca2+·Mg2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型為主，占整個(gè)研究區(qū)面積97.74%。

(2)研究區(qū)地下水陽(yáng)離子以Al3+、Fe離子為主，但Ca2+控制了地下水類型，陰離子以HCO3-為主，其次為SO42-，TDS均小于1 g/L，pH均值為7.46，屬于弱堿性低礦化度淡水。

(3)研究區(qū)Na++K+、Ca2+、Fe離子、Al3+、HCO3-、NO3-的變異系數(shù)相對(duì)較小，表明研究區(qū)地下水相對(duì)較為穩(wěn)定；而Mg2+、SO42-、Cl-的變異系數(shù)較大，說(shuō)明Mg2+、SO42-、Cl-易隨環(huán)境變化而發(fā)生相應(yīng)變化。

(4)相關(guān)性分析表明研究區(qū)地下水主要以Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子為主，且易以離子形態(tài)共存于地下水中。

(5)根據(jù)主成分分析和離子比例系數(shù)分析，研究區(qū)地下水以Ca2+占優(yōu)勢(shì)，Ca2+、Mg2+和HCO3-主要來(lái)自于巖層中方解石、白云石、石膏礦物的溶解作用，Na+主要來(lái)自于芒硝等易溶鹽的溶解作用，SO42-主要來(lái)自石膏、芒硝等易溶性礦物的溶解和黃鐵礦等硫化礦物的風(fēng)化、氧化作用，Cl-和NO3-

主要來(lái)源于大氣降雨；研究區(qū)地下水徑流動(dòng)力條件較好，主要受到碳酸鹽巖的控制；而主成分分析也說(shuō)明了研究區(qū)受地層巖性和氣候降雨為主的兩大主成分因素的影響。