百脈泉泉域巖溶水地球化學(xué)特征及成因演化

韓中陽，吳沙沙，劉詠明

（1.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南250200；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南250014）

近年來，隨著煤礦開采與城鎮(zhèn)化建設(shè)等人類活動的影響與日俱增，百脈泉泉域巖溶地下水水質(zhì)面臨惡化的威脅。為了合理開發(fā)、利用和保護百脈泉泉域巖溶地下水資源，有必要研究其地下水化學(xué)特征及其形成演化過程。常用的水化學(xué)特征研究方法有水化學(xué)統(tǒng)計法、多元統(tǒng)計分析、水文地球化學(xué)模擬等，其中多元統(tǒng)計方法在水文地球化學(xué)研究中尤為廣泛[1]。因子分析法是多元統(tǒng)計分析方法的一種，是通過因子軸旋轉(zhuǎn)，使原始變量在公因子（主成分）上的荷載重新分布，從而使原始變量在公因子上的荷載兩極分化，這樣公因子就能夠用那些荷載大的原始變量來解釋。因子分析法可用來分析地下水水化學(xué)特征的主要影響因素及其影響程度。目前，因子分析法在水文地質(zhì)學(xué)與水文地球化學(xué)中的研究日趨成熟[2]。本文在充分分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下，綜合運用水化學(xué)統(tǒng)計法、因子分析法，探究百脈泉泉域巖溶地下水水文地球化學(xué)特征及其成因演化，為百脈泉泉域的可持續(xù)利用與保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

百脈泉泉域面積約660 km2，東西以禹王山斷層和文祖斷層為界，南以變質(zhì)巖及寒武系朱砂洞組底板為界，北以奧陶系灰?guī)r頂板為界。地勢總體為南高北低，東高西低。泉域由南往北出露的地層依次為新太古代變質(zhì)巖，古生界寒武系、奧陶系石灰?guī)r、白云巖，石炭－二疊系砂頁巖夾煤層，其中奧陶系灰?guī)r約占研究區(qū)地層50%。巖溶水徑流總體趨勢由東南向西北，在南部灰?guī)r出露和裂隙巖溶發(fā)育地區(qū)受大氣降水及地表水入滲補給，徑流到章丘城區(qū)北部低洼地段受煤系地層阻擋后，沿斷裂構(gòu)造沖破薄弱隔水層上涌成泉。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1）樣品采集與分析。本次研究取巖溶地下水樣11組。地下水樣品的采集、保存與分析均依照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行。水樣采集后立即裝入預(yù)先清洗、干燥好的500 mL聚乙烯瓶中密封，所有水樣冷藏貯存，并盡快運回實驗室進行測試。水樣pH值由便攜式儀器現(xiàn)場測定，其他化學(xué)指標(biāo)如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-等全部由山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站實驗室完成。

2）研究方法。離子濃度的相對比值可以反映地下水中主要離子的形成機理和來源。利用Origin2018繪制巖溶地下水離子比例圖來識別該巖溶地下水系統(tǒng)中的主要地球化學(xué)過程；利用PHREEQC計算礦物飽和指數(shù)；統(tǒng)計分析、因子分析均由SPSS 24完成。

因子分析的適用性采用取樣適切性量數(shù)（KMO）檢測，KMO>0.5表明該數(shù)據(jù)集可以采用此方法。本次對識別矩陣采用凱撒正態(tài)化最大方差法進行旋轉(zhuǎn)[3]，并利用主成分分析法提取特征值大于1的因子。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)特征

巖溶水樣主要離子統(tǒng)計結(jié)果如表1?？梢娧芯繀^(qū)地下水表現(xiàn)出中等到高強度的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)，Na+的變異值最大，其次為K+、Cl-、SO42-、溶解性總固體（TDS）與Ca2+，這些離子的變異系數(shù)均大于1，表明這些離子含量在空間上的變化程度很大。

表1 百脈泉泉域巖溶地下水化學(xué)組成描述性統(tǒng)計

采樣點主要離子含量變化如圖1示。由圖1可見，北部排泄區(qū)1號樣品點地下水樣中SO42-、Ca2+、Na+和Cl-含量普遍高于其他地區(qū)，造成離子含量在空間上變化程度很大，這主要是1號采樣點位于排泄區(qū)城郊，受到人為污染嚴重所致。根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848—2017），區(qū)內(nèi)除1號和4號外，其余水樣均符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。其中1號樣點SO42-、Cl-、F-均達到Ⅴ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。4號水樣點F-為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 采樣點主要離子含量變化圖

研究區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)類型和分布如圖2所示。南部補給區(qū)與中部徑流區(qū)的陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主；北部排泄區(qū)的陽離子以Ca2+、Na2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主。

圖2 百脈泉泉域巖溶地下水水化學(xué)類型分布

2.2 水化學(xué)指標(biāo)因子分析

1）相關(guān)性分析。表2為各地下水水樣10個水化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)分析結(jié)果，由表2可看出，SO42-與Ca2+、Mg2+、K+、Na+、TDS具有較強正相關(guān)性，說明SO42-的增加會促進碳酸鹽巖的溶解反應(yīng)。此外，Ca2+除了和SO42-具有強相關(guān)性外，和Cl-也存在強相關(guān)性（r=0.994），說明除水巖作用以外，部分Ca2+的來源還與含Cl-污染物入滲有關(guān)。

表2 百脈泉泉域巖溶地下水樣品10個水化學(xué)變量間的相關(guān)性矩陣

除HCO3-、NO3-外，TDS與其他指標(biāo)均具有很強的相關(guān)性，其中與Ca2+的相關(guān)性最強（r=0.999），說明研究區(qū)地下水中TDS主要受碳酸鹽巖溶蝕、溶解的影響；其次為K+、Na+、Cl-、SO42-，相關(guān)系數(shù)也均大于0.9，其中與Cl-表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，則可能與生活和工農(nóng)業(yè)活動有關(guān)。

除NO3-外，pH值和所有其他指標(biāo)均為負相關(guān)，說明研究區(qū)水巖作用受pH值影響。而NO3-和所有指標(biāo)均為負相關(guān)，則說明NO3-可能來自于一些非自然的過程，例如農(nóng)業(yè)肥料、污水、化糞池和工業(yè)廢料等。

2）因子分析。根據(jù)上述各指標(biāo)的相關(guān)性分析可知，部分指標(biāo)間存在較強的相關(guān)性，反映了它們可能來自于相同的來源。對所采水樣的10項水化學(xué)指標(biāo)進行KMO（kaiser-meyer-olkin）檢驗和Bartlett球形檢驗。得到KMO檢驗值為0.656，表明數(shù)據(jù)適合做因子分析。利用SPSS軟件，對各水樣水化學(xué)數(shù)據(jù)進行R型因子分析，采用凱撒正態(tài)化最大方差旋轉(zhuǎn)法計算地下水水化學(xué)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣，見表3，根據(jù)累計方差貢獻率提取了2個主因子，其累計貢獻率達86.227%，可以反映原始數(shù)據(jù)的信息量。

表3 旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

其中，因子1方差貢獻率為73.282%。該研究區(qū)Na+可能的來源為鈉鹽礦物的風(fēng)化溶解和人為污染；Ca2+主要來源于碳酸鹽類巖石、石膏溶解；Mg2+主要來源于含鎂碳酸鹽巖白云巖的溶解，此外生活污水排放也是Mg2+來源之一。排泄區(qū)1號樣品點Cl-含量的增高是受于人為污染所致，其余大部Cl-來源于巖鹽溶解。地下水中SO42-離子的來源有含石膏或其他硫酸鹽巖石的溶解，研究區(qū)北部存在煤礦，是造成地下巖溶水明顯高SO42-的重要原因。NO3-為最常見和最容易溶解的污染物，它與農(nóng)業(yè)或城市廢物中的潛在有害溶質(zhì)密切相關(guān)，如生活污水的排放，農(nóng)業(yè)化肥的使用。TDS與水中主要離子成分有著密切關(guān)系，能夠反映地下水水質(zhì)，研究區(qū)僅有1號采樣點TDS大于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，受到人為污染所致。由上述可知，因子1代表了人類活動和自然作用共同對百脈泉泉域巖溶地下水化學(xué)成分的影響。

因子2方差貢獻率為12.944%，主要和HCO3-具有很強的正相關(guān)性（0.835）及與pH具有較強的負相關(guān)性（-0.589）。地下水中HCO3-主要來源于碳酸鹽巖的溶解，其沒有人為來源。此外，地下水中各礦物的溶解均受水中pH值的影響。因此，因子2代表了自然過程即水巖作用對地下水化學(xué)成分的影響。

2.3 地球化學(xué)過程分析

1）碳酸鹽巖溶解。碳酸鹽巖溶解是該地區(qū)主要水巖作用之一。若Ca2+和HCO3-只來源于方解石溶解，那么Ca2+與HCO3-的摩爾濃度比值將為1∶2~1∶1，如果Ca2+還來源于白云石溶解，那么Ca2+與HCO3-的摩爾濃度比也可能會是1∶4。本次研究樣品大部分落在1∶1~1∶2線之間，部分樣品落于1∶2線上，見圖3。除北部排泄區(qū)1號水樣點外，研究區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-主要來源于以石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖溶解。

圖3 HCO3-—Ca2+離子關(guān)系圖

2）巖鹽溶解。巖鹽化學(xué)成分為NaCl，如圖4。研究區(qū)大部分樣品均落于1∶1線上，說明研究區(qū)巖鹽溶解是巖溶水中Na+與Cl-的主要來源。北部排泄區(qū)1號樣品點明顯偏離，位于1∶1線上方，說明該地區(qū)Na+有其他來源。該樣點位于排泄區(qū)，人為活動強烈，地下巖溶水受到居民生活污水與農(nóng)藥化肥等人為污染。

3）石膏溶解。石膏是碳酸鹽巖地層中常見的伴生礦物，其主要成分是CaSO4，因此研究區(qū)Ca2+也可能來自石膏溶解，見圖4?？紤]到研究區(qū)北部地層中存在煤層，因而存在黃鐵礦（FeS2）氧化和方解石中和作用產(chǎn)生Ca2+和SO42-，使得Ca2+∶SO42-為1∶1~2∶1。研究區(qū)部分樣品落于2∶1線上，就是因為受到黃鐵礦氧化影響。

圖4 SO42-—Ca2+關(guān)系圖

綜上分析，研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)成分的可能礦物相為鹽巖、方解石、石膏和硬石膏。飽和指數(shù)（SI）能夠反映礦物相的飽和狀態(tài)，它能夠指示水巖作用潛在的平衡趨勢。利用PHREEQC計算該地區(qū)巖溶水中可能礦物相的飽和指數(shù)。由圖5可知，該研究區(qū)巖溶地下水中方解石處于飽和狀態(tài)，有沉淀析出的趨勢；而石膏除水樣點1外，其他均為不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-1.7~0.01；硬石膏均處于不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-2~-0.3；巖鹽均處于不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-8.72~-5.48?？芍S著水巖作用的長時間進行，石膏與硬石膏比巖鹽要早達到平衡狀態(tài)。同時巖鹽飽和指數(shù)絕對值較大，表明研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)中巖鹽溶蝕較弱，不是主要的地球化學(xué)過程。

圖5 礦物飽和指數(shù)圖

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：1）百脈泉泉域巖溶水主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-和SO42-。地下水樣品pH范圍為7.0~7.9，屬于中性~弱堿性水。研究區(qū)水質(zhì)狀況總體良好，僅北部排泄區(qū)樣品受人為污染嚴重。2）因子分析的結(jié)果表明，因子1約占總方差的73.282%，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、TDS具有較高的正荷載，代表了人為因素和自然因素共同對巖溶水的影響。因子2約占總方差的12.944%，具有較高的正荷載的HCO3-和具有較高負荷載的pH，代表了自然因素水巖作用對巖溶水的影響。3）地球化學(xué)過程分析表明，研究區(qū)巖溶水受水巖作用控制，主要為以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖溶解、石膏及硬石膏溶解，巖鹽溶解較弱，同時還受煤層中黃鐵礦氧化影響。4）北部排泄區(qū)過高的Mg2+、Cl-、SO42-、TDS等是受到人類活動如煤礦開采、工廠污水所致。