泰萊盆地地下水化學(xué)特征分類及成因分析

田明剛，徐 建，趙 耘，鄭夢琪，徐秋林

（1.中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，濟(jì)南250000；2.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南250000）

地下水化學(xué)特征空間分布規(guī)律蘊(yùn)含了地下水在循環(huán)過程中的賦存環(huán)境、徑流途徑，能量質(zhì)量交換等重要信息。地下水在演變過程中受到蒸發(fā)、降雨、水巖相互作用、人為因素等影響，其組分在不斷的發(fā)生變化。分析水化學(xué)特征，揭示控制因素，可為地下水資源保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。

泰萊盆地位于魯中地區(qū)，區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)資源豐富，但水資源相對短缺，成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。隨著環(huán)保力度不斷加大，合理利用水資源對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。盆地四周多火成巖山地，地下水以基巖裂隙水為主，盆地中部深層巖溶發(fā)育，地下水以巖溶水和裂隙巖溶水為主，近地表為第四系孔隙水[5]。相比地表水，盆地內(nèi)地下水可利用性更高。2017年，李貴恒等利用豐水期水化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計、piper 三線圖等方法，對泰萊盆地地下水進(jìn)行了特征分類和水質(zhì)評價，指出該地區(qū)地下水具有很高的利用價值[6]。馮建國等針對該地區(qū)孔隙水進(jìn)行了細(xì)化研究，分析得出水化學(xué)組分主要受水-巖作用控制，以硅酸鹽巖溶解為主，并伴隨碳酸鹽溶解。在南、北部基巖區(qū)還受裂隙水和巖溶水補(bǔ)給影響[7]。該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，地下水除受巖性控制以外還受種植施肥、噴灑農(nóng)藥等人為因素的控制[8]，為減少控制因素，此研究在枯水期取樣測試，研究盆地各類地下水水化學(xué)特征及其控制因素。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

研究區(qū)位于山東省中南部，包括泰安市、萊蕪市、新泰市及下屬區(qū)縣，面積8 173 km2，屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候，平均氣溫在11～13 ℃之間。多年平均降水量為765.3 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 664.2～1 927.0 mm。研究區(qū)北依泰山，南至蒙山，主要地貌為山地、丘陵、盆地、平原。地勢四周高，中間低，成盆地狀，盆地整體向東南方傾斜。區(qū)域內(nèi)多水系，主要為匯河、康王河、大汶河及附屬支流等，最后由東南注入東平湖[9]，如圖1所示。

圖1 交通位置及取樣分布圖Fig.1 Traffic location and sampling distribution

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系孔隙水、碳酸巖類巖溶裂隙水、碳酸巖類巖溶水、巖漿巖與變質(zhì)巖類裂隙水。研究區(qū)四周被高山丘陵環(huán)繞，尤其在北、東、南部地區(qū)，有大范圍泰山群火成巖和變質(zhì)巖出露，風(fēng)化程度弱，裂隙發(fā)育一般，富水性差，地下水類型為巖漿巖與變質(zhì)巖類裂隙水。地下水來源主要是大氣降雨，排泄方式主要是蒸發(fā)和向巖溶水、孔隙水徑流。受地勢影響，地下水由高向低徑流，但巖層滲透性差，運(yùn)移能力弱。在研究區(qū)的西部和中間深部為寒武—奧陶系地層，巖性以灰?guī)r為主，其中摻雜白云巖、頁巖、砂巖等。該區(qū)域巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，地下水類型為碳酸鹽巖類巖溶水和巖溶裂隙水。地下水補(bǔ)給主要來自降雨入滲、河流滲漏、孔隙水入滲，排泄方式主要是蒸發(fā)、向西南徑流、越流補(bǔ)給孔隙水和人工開采。該區(qū)域發(fā)育的巖溶和斷層對局部地下水流場有一定影響，但整仍受地形控制，由高往低徑流。研究區(qū)中部淺層是坡積、殘坡積、洪坡積形成的第四系沉積物，其成分主要是片麻巖、角閃巖、灰?guī)r碎屑與泥沙形成的混合物，地下水類型是第四系孔隙水。在河谷兩側(cè)，含水層厚度50 m左右，富水性強(qiáng)，水位埋深在1～7 m，年變幅為1～3 m。隨著距河流越遠(yuǎn)，水位埋深也逐漸增大?？紫端饕艽髿饨涤?、河流滲漏、巖溶越流補(bǔ)給。地下水流運(yùn)移主要受地形控制，整體呈現(xiàn)由地勢高向地勢低洼的河谷地區(qū)徑流，最后排泄到大汶河和其支流的下游[5]。

2 樣品采集與測試

為揭示泰萊盆地地下水類型及成因，避開了受降雨影響較大的雨季，選取《山東省地下水水資源地調(diào)查與評價——泰萊盆地》項(xiàng)目中枯水期有效數(shù)據(jù)。如圖1所示，取樣點(diǎn)均勻分布于泰萊盆地，其中地下水點(diǎn)95 個（G01-G95），河水點(diǎn)5個（H1-H5）。井水在采樣前，需先抽水?dāng)?shù)分鐘，得到含水層中最新的地下水。在取樣過程中，樣品瓶先用去離子水清洗三次，再用樣品原液潤洗3次，保證所取水樣能代表含水層中水體的真實(shí)水化學(xué)特征。對本次所取水樣進(jìn)行測試項(xiàng)目包括地下水常規(guī)離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-）和pH 值、溫度、電導(dǎo)率，其中pH 值、溫度、電導(dǎo)率、HCO3-和CO32-為野外現(xiàn)場測試；Na+、K+、Ca2+、Mg2+測試方法為電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP AES-6000)；Cl-、SO42-測試方法為離子色譜法(ICS-900)。

3 聚類分析

研究區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水類型行豐富，傳統(tǒng)的分組方法會受主觀干擾，此次研究利用Q 型聚類分析法研究泰萊盆地地區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)[10-13]。首先，在聚類分析之前需要對樣本數(shù)據(jù)（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3

-、CO32-、Cl-、SO4

2-、pH 值）進(jìn)行“對稱性”檢驗(yàn)，經(jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樣本除pH值以外均有較大偏度。為滿足數(shù)據(jù)接近對稱性分布，利用零均值法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)變換[4,15]。最后對100個樣本的9個數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行聚類分析，得到分析結(jié)果如圖2所示。為了直觀地對樣品進(jìn)行分組，方便不同組之間的分析，此次研究將現(xiàn)象線設(shè)定為9和21，當(dāng)現(xiàn)象線為9時，取樣點(diǎn)被分為ABC三大組，當(dāng)現(xiàn)象線為21 時，取樣點(diǎn)被分為10 小組（A1、AR、A3、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3）。ABC 三組的位置分布和盆地巖性分布如圖3所示，A 組除河水AR 外，其余分布在泰山群火成巖地區(qū)，該地區(qū)地下水以基巖裂隙水為主；B組主要分布在碳酸鹽出露及下伏地區(qū)，地下水類型以碳酸鹽巖溶水為主；C組分布于第四系較厚的河谷地區(qū)，地下水類型以第四系孔隙水為主。由此可知聚類具有一定的分組效果，可用于進(jìn)一步分析研究。

圖2 聚類結(jié)果樹狀圖及化學(xué)成分Stiff圖Fig.2 Clustering result dendrogram and chemical composition Stiff diagram

圖3 地質(zhì)巖性及分組位置圖Fig.3 Geological lithology and component distribution map of grouping location

4 結(jié)果與討論

4.1 水化學(xué)類型

Stiff圖是一種可以將地下水中主要離子組分的含量進(jìn)行直觀表示的水化學(xué)成分圖示法[16]。對每組離子平均值繪制stiff圖，用于區(qū)分不同組分之間的水化學(xué)類型，如圖2(b)所示。在A 組中A1 和A2 組分相似，相同的是陽離子運(yùn)移Ca2+為主要組分，不同的是A1 陰離子以HCO3-為主，A2 以SO42-為主。與之相比AR 各離子含量明顯高于A1、A2，陽離子以Na++K+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主。地下水演化過程中，地下水由中主要陰離子HCO3-轉(zhuǎn)變?yōu)镾O42-和Cl-[17]，表明SO4—Ca 類型的A2的演化過程晚于HCO3—Ca 類型的A1。SO4·Cl—Na 類型AR 為河水，蒸發(fā)作用和溶濾作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A1 和A2。結(jié)合圖3，A1、A2 全部位于裂隙水分布區(qū)域，溶濾作用和蒸發(fā)作用較弱。B 組中B1、B3、B4 組分十分相似，陽離子和陰離子均以為主，為HCO3—Ca 類型水，只是礦化度略有不同。與之相比B2 略有差異，陰離子以和為主，為HCO3·SO4—Ca 類型水。B 組內(nèi)部差異不明顯。結(jié)合圖3，B 組通常位于巖溶水或下伏巖溶水分布區(qū)，水化學(xué)類型主要受溶濾作用控制，受蒸發(fā)影響較弱。C 組中C1、C2、C3 間組分差異大，其主要體現(xiàn)在陰離子含量上，C1、C2、C3 的陰離子主要成分分別為：Cl-和陽離子主要成分均為Ca2+，其水化學(xué)類型分別為Cl·SO4—Ca，HCO3·SO4—Ca，HCO3—Ca。由圖3 可知C 組主要分布在第四系較厚地區(qū)，地下水來源復(fù)雜，受蒸發(fā)作用和溶濾作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致了復(fù)雜的水化學(xué)類型。

4.2 控制因素分析

研究區(qū)內(nèi)的地下水主要來自于大氣降水，但在長期演化過程中受多重水化學(xué)作用的影響。Gibbs 圖可以有效反映出蒸發(fā)控制、巖石控制、降雨控制的作用程度[18]。如圖4所示，A1、A2 位于巖石控制區(qū)間內(nèi)，水化學(xué)成分主要受溶濾作用控制，AR 介于巖石控制和蒸發(fā)控制之間，這主要是由于河水蒸發(fā)更加強(qiáng)烈所致；如圖5所示，B 組均位于巖石控制區(qū)域，B1～B4之間區(qū)分并明顯，這由于B組主要以巖溶水和裂隙巖溶水為主，埋深大，受蒸發(fā)和降雨作用弱；相比B 組，C 組具有偏向蒸發(fā)控制的趨勢（圖6），這是由于C 組以第四系潛水為主，相比深層巖溶水，受蒸發(fā)作用影響更為強(qiáng)烈。通過C2 位置可以得出，C2 具有遠(yuǎn)高于C1 和C3 的礦化度，但并不是由蒸發(fā)造成的，而是由蒸發(fā)或溶濾沉積巖共同導(dǎo)致。本次研究未了避免降雨干擾，選取了研究區(qū)枯水期水樣，所以三組樣品受降雨控制均較弱。

圖4 A區(qū)水化學(xué)Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of water chemistry in area A

圖5 B區(qū)水化學(xué)Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of water chemistry in area B

圖6 C區(qū)水化學(xué)Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram of water chemistry in area C

通過Gibbs 圖可知，枯水期研究區(qū)地下水主要受巖石控制，進(jìn)一步分析控制巖石的類型可利用Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與離子比值端元圖[19]。由圖7(a)、圖7(b)可知，A1A2主要受硅酸鹽控制，AR 受蒸發(fā)巖控制，A1A2 主要位于泰山群火成巖地區(qū)，硅酸鹽成分占主導(dǎo)，AR 為河水，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，受蒸發(fā)巖控制；由圖7(c)、圖7(d)可知，相比A 組，B 組地下水受碳酸鹽控制更多，B1～B3 受碳酸鹽巖控制更加明顯，這是由于B組地下水位于碳酸巖巖溶發(fā)育區(qū)；以第四系潛水為主的C組，并未表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蒸發(fā)巖控制，而是更傾向于硅酸鹽控制。

圖7 離子比值端元圖Fig.7 Endmember diagram of ion ratio

4.3 基于質(zhì)量平衡模擬研究水巖相互作用

研究區(qū)內(nèi)地下水來源是大氣降水，其水化學(xué)類型主要受巖石控制，該地區(qū)主要發(fā)生溶解作用的礦物有方解石、白云石、芒硝、巖鹽和石膏。為進(jìn)一步確定礦物成分對地下水成因的影響，此次研究選取研究區(qū)雨水作為端源，在經(jīng)過礦物溶解作用后形成現(xiàn)有地下水化學(xué)組分，在此基礎(chǔ)上建立質(zhì)量平衡模型[20,21]，定量分析水化學(xué)成因，如表1所示。陳晨等在研究中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，化肥和農(nóng)藥用量較高，城鎮(zhèn)化建設(shè)，水泥路鋪設(shè)都會導(dǎo)致地下水中Cl-含量明顯提高[6]。結(jié)合此次研究，尤其是在B、C組分布區(qū)域，增設(shè)Cl-其他來源。同時自然條件下，石膏和芒硝具有共生和相同形成條件，我們默認(rèn)A、B、C 組地區(qū)石膏和芒硝的比值相同，比值由A 組計算結(jié)果近似得出。

表1 A、B、C三組質(zhì)量平衡計算 mmol/LTab.1 Mass balance calculation of A，B，C three groups

經(jīng)計算A、B、C 組的平衡質(zhì)量模型，得到由雨水演變成現(xiàn)有地下水的過程中，各物質(zhì)的溶解量見表2。根據(jù)計算結(jié)果，A 組礦物溶解礦物較B、C 組少，A1 和A2 相比，在形成過程中A1 溶解了更多的方解石，吸收了更多的CO2，但是A2卻溶解了更多的巖鹽、石膏和芒硝，其溶解量將近A1 的一倍。由于A 組所處的位置均為泰山群組火成巖地區(qū)，不應(yīng)存在自生沉積巖，固推測巖鹽、石膏、芒硝等礦物來自所在區(qū)域的風(fēng)積物，而A2溶解的巖鹽、石膏、芒硝更多，是因?yàn)锳2所在的區(qū)域海拔較低，靠近河谷，風(fēng)積物較多。B 組相比A 組白云石、方解石的溶解量和CO2的吸收量明顯增高，與離子端元分析結(jié)果一直，其主要原因是B組位于碳酸鹽巖溶區(qū)，碳酸巖溶解量較大，白云石最大達(dá)到1.42 mmol/L。B1～B4 之間各部分溶解的量各有不同，其中B2石膏、芒硝和其他來源Cl-溶解量偏高。C組受蒸發(fā)作用影響大，但其水化學(xué)成分仍來自于礦物溶解。相比B 組，C 組巖鹽、石膏、芒硝以及其他來源Cl-溶解量明顯增高，C2 的白云石、巖鹽、石膏、芒硝、其他來源Cl-的溶解量均為最大值，但CO2的吸收量是零，這表第四系潛水對方解石的溶解減弱，對易溶鹽溶解量較高。C組水具有老水的特征，在枯水期第四系潛水更多來自下伏含水層的越流補(bǔ)給。

表2 礦物質(zhì)溶解計算結(jié)果 mmol/LTab.2 Calculation results of mineral dissolution

5 結(jié)論

（1）利用聚類分析對泰萊盆地枯水期地下水化學(xué)成分進(jìn)行分類，可排除主觀干擾得到A、B、C 三組，其分別對應(yīng)泰山群火成巖裂隙水、碳酸鹽巖溶水、第四系潛水。在此基礎(chǔ)可細(xì)分成10 小組，便于樣品數(shù)量多、地下水類型復(fù)雜地區(qū)水化學(xué)特征分類及成因分析研究。

（2）通過Gibbs圖分析枯水期ABC 三組地下水主要受巖性控制，其中C 組和地表水AR 也受蒸發(fā)作用影響。通過離子比值端元圖分析得出A 組主要受硅酸鹽控制，其中地表水受蒸發(fā)巖影響；B 組受硅酸鹽和碳酸鹽控制；C 組主要受硅酸鹽控制。

（3）通過質(zhì)量平衡模擬計算出10小組的不同礦物溶解量。該地區(qū)地下水溶濾過程中，除方解石、白云石礦物外，蒸發(fā)巖類溶解量占有一定比例。離子比值端元圖中未顯示出蒸發(fā)巖具有明顯的控制作用，是因?yàn)檎舭l(fā)巖溶解過程中石膏和芒硝占據(jù)相當(dāng)大的比例，巖鹽并不占據(jù)對優(yōu)勢。除此之外，研究區(qū)內(nèi)人類活動導(dǎo)致地下水Cl-增加明顯。