太原東山巖溶水系統(tǒng)鍶元素分布特征及其指示意義

蘇 慧，武亞遵，侯宏冰，李兵巖

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

1 研究背景

我國北方巖溶含水層厚度大、富水性強(qiáng)、資源量豐富，天然水資源量約為108.8×108m3/a，且水質(zhì)良好，已經(jīng)成為了北方重要的供水水源[1-4]。為合理利用和保護(hù)巖溶水資源，厘清其循環(huán)演化規(guī)律至關(guān)重要[5-8]。鍶是地球上豐度最高的堿土元素，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在水文地球化學(xué)過程中不易分餾[9-11]，常用于確定含鈣礦物的風(fēng)化速率及示蹤地下水中鈣的來源，揭示巖溶水的循環(huán)演化機(jī)理[12-13]。目前一些專家學(xué)者已經(jīng)運(yùn)用鍶元素解決了諸多實際問題，蘇小四等[14]應(yīng)用含水介質(zhì)和地下水中的Sr含量與87Sr/86Sr比值確定了鄂爾多斯沙漠高原白堊系含水層中發(fā)生的主要水-巖作用；李小倩等[15]在對河北平原高氟地下水進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)了氟含量與鍶同位素的組成有著高度了相似性，揭示了鍶同位素對研究高氟地下水的形成機(jī)理、分布規(guī)律和生態(tài)效應(yīng)有著良好的示蹤作用；范偉等[16]在分析青肯泡地區(qū)鍶富集的水文地球化學(xué)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用R-型因子分析法來探究鍶富集的形成原因。

上述研究表明，采用鍶元素揭示巖溶地下水系統(tǒng)的循環(huán)演化方面效果顯著。位于太原蘭村泉域的東山巖溶水系統(tǒng)，是蘭村泉域的主要組成部分，查明其補(bǔ)徑排條件，對泉域水資源開發(fā)和利用具有重要的指導(dǎo)意義。為此，本研究基于東山巖溶水系統(tǒng)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，在野外調(diào)查、取樣分析測試的基礎(chǔ)上，對鍶元素分布特征及其成因進(jìn)行了分析研究，并嘗試采用水化學(xué)場與地下水流場相結(jié)合的方法劃分東山巖溶水系統(tǒng)子系統(tǒng)，以期為東山巖溶地下水資源的合理開發(fā)利用和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

東山巖溶地下水系統(tǒng)是蘭村泉域不可分割的一部分，其面積為1 810 km2，其中灰?guī)r裸露面積達(dá)700 km2。系統(tǒng)總體受構(gòu)造控制，東北部受系舟山斷裂帶的制約，東部及南部受黑石窯壓性逆斷層、陽坪旺背斜的控制，西部由棋子山地壘及東山弧形斷裂帶所阻隔，北部及東部地區(qū)受元古界、太古界變質(zhì)巖基底的控制，形成了一個由隔水或弱透水邊界所包圍的巖溶地下水系統(tǒng)。研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)概況及取樣點分布圖見圖1。

系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育一條近南北向的范莊斷裂將研究區(qū)分為灰?guī)r裸露區(qū)和斷陷盆地。范莊斷裂以東為灰?guī)r裸露區(qū)，裸露型巖溶發(fā)育，地表出露中奧陶峰峰組和上、下馬家溝組灰?guī)r地層，巖溶含水巖組為下奧陶冶里組、亮甲山組地層與寒武系張夏組地層；范莊斷裂以西為斷陷盆地，東西向的馬坡地壘將其分為兩個盆地，北為大盂盆地，南為陽曲盆地，兩大盆地發(fā)育不同的巖溶類型，大盂盆地覆蓋型巖溶發(fā)育，陽曲盆地埋藏型巖溶發(fā)育，巖溶含水巖組均為中奧陶系上、下馬家溝組地層。由圖1中東山巖溶地下水等值線可知，東山巖溶地下水自東整體上向西徑流，范莊斷裂是研究區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)的邊界，為張夏組含水層向馬家溝組含水層的轉(zhuǎn)換帶，范莊斷裂以東的灰?guī)r裸露區(qū)為東山巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，范莊斷裂以西的陽曲盆地、大盂盆地為東山巖溶水系統(tǒng)的匯水區(qū)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)概況及取樣點分布圖

研究區(qū)內(nèi)有兩條主要河流，北部為楊興河，該河自東向西流，與巖溶地下水徑流方向大致相同；南部為烏河，自西向東流動，與巖溶地下水徑流方向相反。兩條河流常年干涸，只有特大洪水才有水流。

3 樣品的采集與測試

根據(jù)研究區(qū)的地下水流向選取兩個剖面①南溫川-楊興-大盂-高村-黃寨鎮(zhèn)；②南溫川-西煙-東梁-凌井店-侯村進(jìn)行地下水取樣分析。2018年共采集41個樣品(如圖1)，樣品來自于寒武系灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r巖溶含水層及變質(zhì)巖區(qū)。

采用高密度聚乙烯瓶進(jìn)行取樣，在取樣之前，清洗干凈，放在用酸洗過的塑料袋中，密封以防污染。每個取樣點取0.5 L水樣，并用0.45 μm過濾膜過濾，然后在每升水樣中加入8 mL高純度HNO3酸化。鍶元素由北京科薈測試技術(shù)有限公司測試，水化學(xué)由國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心測試。

4 結(jié)果與分析

4.1 鍶元素分布特征

根據(jù)研究區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合巖溶地下水流場，可將東山巖溶水劃分為補(bǔ)給區(qū)、寒武系含水層向奧陶系含水層的轉(zhuǎn)換帶、大盂盆地匯水區(qū)、強(qiáng)徑流帶、徑流帶和陽曲盆地匯水區(qū)。圖2為研究區(qū)巖溶水Sr2+質(zhì)量濃度與87Sr/86Sr比值分布等值線圖。

由圖2可知，研究區(qū)內(nèi)Sr2+質(zhì)量濃度高值主要集中在大盂盆地匯水區(qū)與陽曲盆地匯水區(qū)，其他區(qū)域的Sr2+質(zhì)量濃度較這兩個區(qū)域低(圖2(a))；研究區(qū)內(nèi)87Sr/86Sr比值整體上是北部、西部、南部較高，中部較低(圖2(b))。各區(qū)域Sr2+質(zhì)量濃度及87Sr/86Sr比值分布特征如下：

圖2 研究區(qū)巖溶水Sr2+質(zhì)量濃度與87Sr/86Sr比值等值線分布圖

4.2 成因分析

含水介質(zhì)中的87Sr/86Sr比值主要受其初始87Sr/86Sr比值、Rb/Sr比值和地質(zhì)年代的控制[17]。一般情況下，碳酸鹽巖礦物和硫酸鹽礦物Sr含量值較高而87Sr/86Sr比值較低；硅酸鹽礦物中的Sr含量較低而87Sr/86Sr比值較高[18]。

巖溶水中的Sr2+是含有游離CO2的地下水與富含鍶的海相碳酸鹽巖作用的結(jié)果，隨徑流途徑和時間的延長，Sr2+含量逐漸增加。巖溶地下水不同區(qū)域的Sr2+質(zhì)量濃度及87Sr/86Sr比值的分布特征差異很大，具體分析如下：

(1)在系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū)，含水介質(zhì)為寒武系鮞狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r，不考慮外界因素的影響，地下水中的Sr的來源只能是大氣降水和碳酸鹽礦物的溶解，由于雨水中Sr2+質(zhì)量濃度極低，且87Sr/86Sr比值較低，約為0.709 2，對地下水中Sr的貢獻(xiàn)極少，故地下水中的Sr分布規(guī)律應(yīng)接近碳酸鹽礦物中的Sr分布規(guī)律。而地下水中87Sr/86Sr比值隨Sr2+質(zhì)量濃度增加而減少的規(guī)律正符合碳酸鹽礦物中Sr的分布規(guī)律。樣品S-80具有Sr2+濃度高而87Sr/86Sr比值低的特征，該樣點位于一條近南北向的溝谷中，溝谷北端是一片螢石(CaF2)分布區(qū)，研究表明，鍶元素與Ca2+、F-均有較高的親和性，故在螢石中鍶元素含量較高，因此接受了來自螢石區(qū)的水補(bǔ)給的水樣，鍶元素濃度較高；

(2)位于范莊斷裂附近的寒武系含水層向奧陶系含水層的轉(zhuǎn)換帶，地下水中的Sr來自于碳酸鹽巖的溶解，因此，地下水中87Sr/86Sr比值隨Sr2+質(zhì)量濃度的增加而減少。由于區(qū)域地下水循環(huán)交替頻繁，更新速度快，地下水中的Sr難以富集，故地下水中的Sr濃度較低。

(3)大盂盆地匯水區(qū)，為地下水中各種元素的富集區(qū)，Sr存在一定程度的富集，而87Sr/86Sr比值只是高于一部分區(qū)域地下水的87Sr/86Sr比值，不存在富集現(xiàn)象，同時87Sr/86Sr比值與Sr2+質(zhì)量濃度之間沒有明顯的相關(guān)性。

(4)在強(qiáng)徑流帶，水力梯度大，巖溶地下水徑流迅速，Sr難以富集，因此該區(qū)域的巖溶地下水中Sr2+質(zhì)量濃度低于其他區(qū)域相同含水介質(zhì)的巖溶地下水的Sr2+質(zhì)量濃度。該區(qū)域的巖溶地下水含水介質(zhì)為灰?guī)r含水層，Sr來自于碳酸鹽礦物的溶解，故符合碳酸鹽礦物中Sr和87Sr/86Sr比值的分布規(guī)律，87Sr/86Sr比值隨Sr濃度的增加而減少。對于S-71樣點，87Sr/86Sr比值高，可能有來自研究區(qū)南部邊界外變質(zhì)巖區(qū)的水流混入，Sr2+濃度高，可能是有孔隙水的混入。

(5)陽曲盆地匯水區(qū)，與大盂盆地類似，該區(qū)域為各種水流匯集區(qū)域，Sr產(chǎn)生了一定程度的富集，87Sr/86Sr比值不存在富集效應(yīng)[19]。陽曲盆地和大盂盆地同為匯水區(qū)，陽曲盆地的Sr2+質(zhì)量濃度均值高于大盂盆地，但87Sr/86Sr比值卻比大盂盆地小很多，是因為與陽曲盆地相鄰的變質(zhì)巖區(qū)分布范圍遠(yuǎn)小于與大盂盆地緊鄰的變質(zhì)巖區(qū)的范圍，變質(zhì)巖中Sr2+質(zhì)量濃度低而87Sr/86Sr比值卻很高，故導(dǎo)致了這一現(xiàn)象。

4.3 徑流路徑上的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS分布特征及其指示意義

經(jīng)分析可知，區(qū)域地下水流場與Sr2+質(zhì)量濃度場與TDS場具有高度的相似性，沿徑流方向梯度變化具有一致性。為此，沿東山巖溶水徑流方向選取6條路徑(圖1)，分析了Sr2+質(zhì)量濃度與TDS的變化情況。圖3為研究區(qū)巖溶水TDS等值線分布圖，由圖3可知，在匯流路徑上，東山巖溶地下水的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS變化規(guī)律具有高度的一致性，但其變化規(guī)律與天然條件溶濾作用下Sr2+質(zhì)量濃度與TDS隨徑流路徑增加的趨勢一致，有部分異常點的出現(xiàn)。因此可知，東山巖溶地下水中的Sr2+的質(zhì)量濃度并不只是受巖石溶濾作用支配的。

圖3 研究區(qū)巖溶水TDS等值線分布圖(單位：mg/L)

圖4為沿地下水徑流路徑上的Sr2+質(zhì)量濃度及TDS變化過程線。異常點主要位于轉(zhuǎn)換帶和強(qiáng)徑流帶上。轉(zhuǎn)換帶是一條深大斷裂造成的，由斷裂東側(cè)的寒武系巖溶含水層向斷裂西側(cè)的奧陶系巖溶含水層轉(zhuǎn)換，降水可沿斷裂直接補(bǔ)給巖溶含水層，對該區(qū)域的巖溶水起到一定的稀釋作用，故位于該區(qū)域的巖溶地下水的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS較低，如圖4(a)、4(d)和4(e)所示；而在強(qiáng)徑流帶上，由于水力梯度較大，巖溶地下水更新速率較快，故在這一區(qū)域的巖溶地下水中的元素很難富集，其變化規(guī)律與天然條件溶濾作用下元素濃度隨徑流路徑增加的趨勢不一致，如圖4(a)中的強(qiáng)徑流帶；在選取的6條匯水路徑上，徑流帶上的巖溶地下水中的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS符合天然條件溶濾作用下元素濃度的變化規(guī)律，隨徑流路徑的增長元素濃度逐漸增加。選取的6條匯水路徑，分別向兩個匯水區(qū)匯聚，一條近東西向的地壘將兩個匯水區(qū)分開，匯水路徑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ向大盂盆地匯聚，匯水路徑Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ向陽曲盆地匯聚，位于該區(qū)域的巖溶地下水中的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS明顯高于其他區(qū)域，這也正符合天然條件下巖溶地下水徑流中的元素富集規(guī)律。

圖4 沿地下水徑流路徑上的Sr2+質(zhì)量濃度及TDS變化過程線

經(jīng)過以上分析，對東山巖溶水系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，從水化學(xué)角度分析東山巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)排關(guān)系，并與東山巖溶地下水流場所顯示的補(bǔ)排路徑存在高度的相似性。為此，認(rèn)為東山巖溶水系統(tǒng)存在兩個不同的子系統(tǒng)，且兩個子系統(tǒng)的Sr2+質(zhì)量濃度與TDS值存在一定程度上的差異，兩個巖溶水子系統(tǒng)分別為：(1)楊興河巖溶水子系統(tǒng)，存在的匯水路徑有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，匯水區(qū)為大盂盆地；(2)烏河巖溶水子系統(tǒng)，存在的匯水路徑有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，匯水區(qū)為陽曲盆地。

5 結(jié) 論

根據(jù)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水流場，將東山巖溶地下水劃分為補(bǔ)給區(qū)、強(qiáng)徑流帶、徑流帶、轉(zhuǎn)換帶和匯水區(qū)，在此基礎(chǔ)上，研究了Sr2+質(zhì)量濃度及87Sr/86Sr比值在不同水文地質(zhì)分區(qū)中的分布情況及其成因，得出以下結(jié)論：

(1)沿地下水徑流路徑Sr元素具有富集效應(yīng)，總體上，從補(bǔ)給區(qū)到匯水區(qū)Sr2+質(zhì)量濃度逐漸增加，但在轉(zhuǎn)換帶因降水的稀釋作用導(dǎo)致了Sr2+質(zhì)量濃度在這一區(qū)域的值較低；

(2)87Sr/86Sr比值只與含水介質(zhì)中發(fā)生的水-巖作用有關(guān)，與徑流條件無關(guān)，東山巖溶地下水中87Sr/86Sr比值是不均一的，其比值在0.710 218～0.711 496之間。北部和西部最高，均大于0.711 000，最高值達(dá)到0.711 496；南部稍低，其大部分比值大于0.710 900，最高值為0,711 098；中間最低，其87Sr/86Sr比值均小于0.710 900。

(3)根據(jù)東山巖溶地下水流場，選取了6條匯水路徑，并對其Sr2+質(zhì)量濃度與TDS值做了分析，從水化學(xué)角度確定了這6條匯水路徑，且與地下水流場所指示的巖溶地下水徑流路徑有著高度的相似性。依據(jù)鍶元素的分布特征，并結(jié)合東山巖溶地下水的補(bǔ)排路徑，將東山巖溶水系統(tǒng)劃分為楊興河巖溶水子系統(tǒng)和烏河巖溶水子系統(tǒng)。