淺層地下水水化學(xué)和同位素地球化學(xué)特征研究
——以江漢平原西部為例

劉重芃， 張宏鑫， 何 軍， 彭 軻， 肖 攀

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205)

平原與山前接觸地帶存在不同類型水源之間的交換與轉(zhuǎn)化,同時(shí)也伴隨著復(fù)雜的水文地球化學(xué)過程,山前平原區(qū)地下水徑流條件急劇改變,水—巖相互作用隨之發(fā)生變化,研究山前平原區(qū)地下含水的結(jié)構(gòu)、地下水的成因和演化機(jī)制,對地下水資源的合理開發(fā)利用具有十分重要的意義。以江漢平原西部邊界為例,國內(nèi)多位專家學(xué)者對該地區(qū)的含水層特征、地下水功能區(qū)劃進(jìn)行了研究[1-2],何軍等在江漢平原開展了水化學(xué)和水文地球化學(xué)相關(guān)研究[3-4],取得了眾多的研究成果。但研究的手段多表現(xiàn)為水文地質(zhì)調(diào)查、水化學(xué)分析等,鮮見有環(huán)境同位素在該地區(qū)的研究,尤其是鍶同位素。環(huán)境同位素是研究流域水循環(huán)的有效手段[5],水體中氫氧穩(wěn)定同位素組成直接參與了水循環(huán)過程,是解釋地下水來源的有效示蹤劑[6]。鍶同位素被廣泛用來研究地表與地下水系統(tǒng)的水—巖反應(yīng)、物質(zhì)來源等[7-8]。本文綜合運(yùn)用水化學(xué)分析和同位素等手段,分析了江漢平原西部枝江地區(qū)淺層地下水中水化學(xué)、氫氧和鍶同位素組分的空間變化特征,探討地下水在運(yùn)移過程中的水—巖相互作用及演化過程。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處江漢平原西部丘陵向平原過渡地帶,地貌主要以崗地和平原為主,總體西北部略高于東南部,地勢由西北向東南傾斜。崗地和平原具有明顯的水平分帶性,西北仙女村一帶多為崗地,高程60～80 m；東部沮漳河?xùn)|岸分布有少量的波狀平原,為長江二、三級階地,階面高程29～59 m；東南部絕大部分為沖積平原,高程26～40 m,湖泊港渠密布，地勢相對較低。

研究區(qū)淺層均為第四系松散巖類孔隙水,主要含水巖組為第四系全新統(tǒng)孫家河組(Qhs)和更新統(tǒng)的古老背組(Qp3g)。古老背組少量分布于研究區(qū)西北部的仙女村一帶和東北部沮漳河?xùn)|岸的荊州市萬城鄉(xiāng)北部,表層為粘土和粉質(zhì)粘土,厚度一般15～22 m,下部為含泥質(zhì)的砂礫石層,厚度較薄一般為20～30 m左右,且有泥質(zhì)充填。其余大部分地區(qū)為全新統(tǒng)孫家河組含水層,巖性為粉細(xì)砂、細(xì)砂,局部含砂礫石,一般含砂量為20%～30%,常夾薄層粉砂層透鏡體,卵石最大直徑由西部的15 cm向東變?yōu)?0～30 cm。多為上潛水下承壓水兩層含水層。潛水含水層一般<8 m,中部粘土層厚度粘土一般為2.6～19.9 m,下部砂卵石層厚度一般為37.8～66.2 m。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖
Fig.1 Location map of sampling points

1.古老背組潛水含水層；2.孫家河組潛水含水層；3.孫家河組承壓含水層；4.潛水/承壓水全分析和同位素采樣點(diǎn)及編號；5.潛水/承壓水全分析采樣點(diǎn)及編號；6.地表水全分析和同位素采樣點(diǎn)及編號。

2 實(shí)驗(yàn)方法

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

采用舒卡列夫分類法對研究區(qū)地下水化學(xué)類型進(jìn)行分類[11],由Piper三線圖可以看出(圖3),研究區(qū)潛水水化學(xué)類型較為復(fù)雜,主要是HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,少量為HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3·Cl-Ca·Mg型。承壓水水化學(xué)類型則較為簡單,均為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值Table 1 Statistical characteristic of groundwater hydrochemical parameters

圖2TDS與主要陰陽離子的關(guān)系圖
Fig.2 Relationships between TDS and the main ions of groundwater

圖3 地下水piper三線圖
Fig.3 Piper diagram of groundwater

3.2 水文地球化學(xué)特征

圖4 地下水水化學(xué)Gibbs分布模式
Fig.4 Gibbs distribution model of groundwater hydrochemistry

圖5 地下水離子比值關(guān)系圖Fig.5 Ion ratio diagram of groundwater

3.3 同位素地球化學(xué)特征

研究區(qū)潛水的δD值為-42.7‰～-30.4‰,δ18O值為-7.12‰～-3.29‰,承壓水δD值為-45.9‰～-32.2‰,δ18O值為-6.84‰～-4.21‰,采集的東湖地表水樣δD和δ18O值分別為-17.4‰和-1.65‰。繪制了研究區(qū)δD-δ18O分布圖(圖7),并與全球大氣降雨線(GMWL)[16]和武漢市大氣降雨線(LMWL)[17]進(jìn)行分析。研究區(qū)所有地下水均分布于當(dāng)?shù)卮髿饨涤昃€沿線附近,受現(xiàn)代水補(bǔ)給特點(diǎn)顯著,說明該地區(qū)地下水均受到了大氣降雨的補(bǔ)給。從圖中水樣點(diǎn)分布來看,孔隙潛水的δD-δ18O關(guān)系線斜率略小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率,表明淺層孔隙潛水受到了一定程度蒸發(fā)作用的影響,研究區(qū)地形平坦,水力坡度極低,地下水徑流緩慢,地下水埋深較小,潛水易受蒸發(fā)作用影響。該地區(qū)地下水氫氧同位素與地表水差距較大,表明地下水受內(nèi)陸湖泊的補(bǔ)給影響極小。

圖7 地下水氫氧同位素關(guān)系圖
Fig.7 Hydrogen and oxygen isotope diagram of groundwater

地下水中鍶濃度的變化及鍶同位素可以用來識別地下水系統(tǒng)的主要水—巖作用過程,不同礦物中的鍶同位素組成明顯不同[18],可將87Sr/86Sr平均比值0.707 5和低Mg2+/Ca2+比值(摩爾濃度比值,約0.1)作為石灰?guī)r溶解物質(zhì)的端點(diǎn)；87Sr/86Sr比值0.709 3和較高M(jìn)g2+/Ca2+值(約1.05)作為白云巖溶解物質(zhì)的端點(diǎn)；87Sr/86Sr比值0.720 0和中等Mg2+/Ca2+值(約0.7)作為硅酸鹽巖溶解物質(zhì)的端點(diǎn)。圖8計(jì)算結(jié)果表明研究區(qū)地下水主要分布在石灰?guī)r和白云巖端點(diǎn)的混合線附近,進(jìn)一步證明了研究區(qū)潛水和承壓水的化學(xué)組分均主要為石灰?guī)r和白云巖風(fēng)化溶解來源。

圖8 地下水及地表水87Sr/86Sr與Mg2+/Ca2+關(guān)系圖
Fig.8 Relationships between87Sr/86Sr and Mg2+/Ca2+of groundwater

4 結(jié)論

(3) 孔隙水化學(xué)組分主要來源于碳酸鹽礦物(方解石、白云石)以及硫酸鹽礦物(石膏)的溶解,少量來自于鹽巖溶解。潛水和承壓水中均發(fā)生了少量的陽離子交換吸附導(dǎo)致Na+增加,但承壓水中的陽離子交換吸附作用小于潛水。

(4) 氫氧同位素證據(jù)說明研究區(qū)地下水主要受大氣降雨的補(bǔ)給,潛水受到了一定程度蒸發(fā)作用的影響。鍶同位素結(jié)果進(jìn)一步佐證了研究區(qū)潛水和承壓水化學(xué)組分主要來源于石灰?guī)r和白云巖的風(fēng)化溶解。