烏拉蓋盆地第四系潛水水化學(xué)特征及成因分析

周博文，常寶成，那木吉拉，李華明

（核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭， 014010）

在自然循環(huán)的過程當中，地下水中的化學(xué)組分是地下水演化的直接結(jié)果［1］，其成因與變化受氣象條件、地質(zhì)地貌、地表水體及人為因素等控制。通過研究地下水水化學(xué)特征、離子特征及影響因素，對分析地下水化學(xué)組分的形成與變化規(guī)律以及來源具有重要指導(dǎo)意義，同時對地下水可持續(xù)開采利用以及水資源保護等具有重要價值［2-3］。目前多種方法如數(shù)理統(tǒng)計、派珀三線圖解法、離子比例系數(shù)方法及相關(guān)性分析等已經(jīng)被眾多學(xué)者用于分析研究淺層或深層地下水、地表水的水化學(xué)特征，如王曉曦等［3］采用描述性統(tǒng)計、Gibbs圖解等方法研究表明灤河下游河水及沿岸地下水化學(xué)形成以蒸發(fā)濃縮作用為主，同時還受河床中碳酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物溶濾作用的影響，方曉騏等［4］采用數(shù)理統(tǒng)計、派珀三線圖解等方法研究表明棉花坑鈾礦床地熱水補給來源為大氣降水，受棉花坑斷裂帶控制，與花崗巖熱源層的能量交換充分，郝偉林等［5］采用數(shù)理統(tǒng)計、派珀三線圖解等方法研究認為谷露地熱田熱水來源于西側(cè)念青唐古拉山的雨水和冰雪融水，經(jīng)西側(cè)深大構(gòu)造運移至深部后加熱，儲集于構(gòu)造破碎帶和基巖風(fēng)化殼中，賀小黑等［6］采用派珀三線圖解法、相關(guān)性分析等方法研究表明高放廢物處置庫川井預(yù)選區(qū)地下水化學(xué)組分主要來自地層中常見的礦物高嶺石、伊利石和石膏的溶解。

本次研究區(qū)地處牧區(qū)，居民密度?。?］，其生活用水水源主要為第四系潛水，整體受污染程度低，其水化學(xué)特征尚無相關(guān)研究，筆者本次著重對研究區(qū)內(nèi)第四系潛水的水化學(xué)特征及其形成機理進行探討研究，為地方合理開采地下水、保護水資源提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景與方法

1.1 研究區(qū)背景

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗境內(nèi)東南部，為一小型中新生代坳陷盆地，氣候?qū)侔敫珊?，偏中溫帶，四季變化明顯，溫差大。烏拉蓋盆地地貌類型（圖1）主要為以烏拉蓋河及其支流形成的河谷平原、盆地北部山區(qū)至河谷一帶的山前傾斜平原、各河谷之間的河間傾斜平原及新近系隆起形成的波狀高平原，地勢整體為北、南及東側(cè)高，西側(cè)低［7］。

圖1 研究區(qū)地貌類型分布略圖Fig.1 Distribution map of geomorphic types in the study area

盆地內(nèi)出露地層主要為第四系及新近系，第四系沉積厚度介于5～120 m之間不等，在河谷平原地段沉積厚度一般大于80 m，在傾斜平原沉積厚度一般小于40 m，新近系僅在波狀高平原一帶出露，整個盆地下部為巨厚白堊系地層。盆地北部及東部為基巖出露區(qū)，巖性以侏羅系火山巖為主，零星分布氣孔狀玄武巖，玄武巖中夾雜大量方解石顆粒。

烏拉蓋河中、下游處于盆地內(nèi)，同時盆地內(nèi)又有多條枝狀河谷平原呈NW—SE向展布，地下水徑流方向為E—W、SE—NW，最終排泄至西側(cè)形成湖泊或淖爾。河谷平原中第四系中細砂、砂礫石層等儲存著豐富的地下水，分為上部潛水及下部承壓水，各河谷平原之間的河間傾斜平原、北側(cè)山前傾斜平原及山間溝谷中堆積了厚度不等的第四系坡洪積、沖湖積層，形成了富水性一般的松散巖類孔隙潛水含水層。主要接受大氣降水入滲補給以及基巖裂隙水側(cè)向補給，排泄方式以蒸發(fā)和徑流排泄為主，其次為人工開采利用。

本次重點對第四系孔隙潛水含水層水化學(xué)特征進行分析討論。

1.2 樣品采集與測試

筆者于2015年5—11月針對研究區(qū)內(nèi)第四系潛水鉆孔、民井野外現(xiàn)場共采集45組水樣（圖2），鉆孔孔深一般介于60～90 m之間，民井井深一般介于3～20 m之間，水樣采集方法嚴格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 164—2020）［8］執(zhí)行，首先用目標水蕩洗取樣瓶3次，取樣時瓶中水面與瓶蓋留有一定空隙，體積為3 000 mL，裝好水樣后用紗布包扎瓶口并蠟封，按規(guī)范要求時間送至水質(zhì)檢測單位，本次采集的水質(zhì)樣品由錫林浩特市109地勘院化驗室分析測定，分析內(nèi)容為水質(zhì)全分析，具體包括顏色、透明度、嗅和味、沉淀物、HCO3-、CO32-、Cl-、

圖2 研究區(qū)潛水樣品采集位置略圖Fig.2 Schematic diagram of the sampling location in the study area

SO42-、NO3-、NO2-、PO43-、Br-、I-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Al3+、全鐵離 子、氟離 子、侵 蝕性CO2、可溶性CO2、可溶性SiO2、耗氧量、懸浮物、灼燒殘渣、灼燒減量、pH值、可溶性固形物總量、總硬度、永久硬度、暫時硬度、負硬度和總堿度等。

1.3 研究方法

為了分析烏拉蓋盆地第四系潛水水化學(xué)類型分布及其變化規(guī)律，本次采用舒卡列夫分類方法和派珀三線圖解的方法；利用各參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果初步分析烏拉蓋盆地第四系潛水不同離子；利用相關(guān)性分析方法計算潛水中各種主要離子之間的皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)特征可指示水化學(xué)組分的來源；采用Gibbs圖解法、離子比例系數(shù)法、陽離子交替吸附作用及人類活動的影響等方法分析水中各種主要離子的最終來源以及演變過程［9-11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)主要指標結(jié)果統(tǒng)計分析

采用描述性統(tǒng)計分析方法［9-12］對研究區(qū)45組水樣的檢測結(jié)果進行統(tǒng)計計算（表1）。由表1可見，研究區(qū)潛水pH最小值為7.51，最大值為8.55，平均值為7.99，屬于弱堿性—偏堿性水，變異系數(shù)為3%，表明潛水的酸堿程度變化在空間上基本趨于穩(wěn)定；溶解性總固體濃度介于0.3～4.1g·L-1之間，平均值達1.0 g·L-1，其中大于1.0 g·L-1的水樣有18組，主要分布在北側(cè)山前一帶及西部波狀高平原周邊一帶，屬微咸水，其余地段低于1.0 g·L-1，為淡水；總硬度平均值達422.83 mg·L-1。

由表1可見，陽離子中Na+、Ca2+、Mg2+、K+和陰離子中HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-的離子平均濃度呈現(xiàn)出由高到低的規(guī)律，其中Na+和Ca2+分別占陽離子濃度的60.16%和23.38%，HCO3-和Cl-分別占陰離子濃度的60.43%和22.15%。另外溶解性總固體濃度與其他指標的變異系數(shù)波動范圍介于55%～209%之間，這一指標說明溶解性總固體變異性強且空間差異性大。

表1 研究區(qū)潛水水化學(xué)主要指標結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistics on main index results of phreatic water chemistry in the study area

2.2 常見離子與溶解性總固體濃度空間分布特征

研究區(qū)第四系潛水陰離子中濃度最高的是HCO3-，平均值約為572.46 mg·L-1，Cl-和SO42-相對偏低，平均值分別為209.78和140.72 mg·L-1；陽離子中Na+濃度遠超過其他離子，平均值為228.41 mg·L-1，Ca2+濃度居中，平均值為88.76 mg·L-1，最低的為Mg2+和K+。

2.3 水化學(xué)類型

采用舒卡列夫分類及派珀三線圖［13-15］（圖3）來劃分烏拉蓋盆地潛水水化學(xué)類型。由圖3可見，各種主要離子分布較為分散，其中鈉和鈣離子在陽離子中占比重最大，重碳酸根和氯離子在陰離子中占比重較大，硫酸根離子相對較少。地下水運動途中，隨著水化學(xué)離子的不斷變化，研究區(qū)潛水的水化學(xué)類型在上游補給區(qū)一帶以HCO3-Na·Ca型水為主，中下游徑流區(qū)一帶以HCO3·SO4-Na·Mg型水為主，靠近排泄區(qū)一帶轉(zhuǎn)變?yōu)镃l·HCO3-Na·Mg型水。

圖3 研究區(qū)潛水派珀三線圖Fig.3 Piper trigraph of phreatic water in the study area

2.4 水化學(xué)特征成因分析

2.4.1水化學(xué)主要指標相關(guān)性分析

利用SPSS18軟件對研究區(qū)潛水水化學(xué)主要指標進行了相關(guān)性分析［16-17］（表2），表2中數(shù)據(jù)為各水化學(xué)指標的Pearson系數(shù)，可推測不同離子來源是否相同。由表2分析結(jié)果可見，TDS與Na+、Mg2+、Ca2+、SO42-和Cl-顯著相關(guān)，這一標志指示溶解性總固體濃度的變化主要受這五種離子控制。另外，潛水中主要陰陽離子之間的相關(guān)性較高，如主要的3個陰離子與陽離子中鈉的相關(guān)性顯著，而主要的3個陽離子與陰離子中氯、硫酸根離子的相關(guān)性顯著，由該特征可以判定一些硫酸鹽（如石膏、芒硝等）的風(fēng)蝕和化學(xué)溶解為該地區(qū)潛水中化學(xué)組分的主要來源。

表2 研究區(qū)潛水主要離子、pH值、溶解性總固體與總硬度Pearson系數(shù)計算表Table 2 Calculation of Pearson coefficient of main ions，pH value，total dissolved solids and hardness of phreatic water in the study area

另外，總硬度與溶解性總固體濃度的相關(guān)系數(shù)為0.989，相關(guān)性顯著，即總硬度隨著溶解性總固體濃度的不斷升高而增加，原因是當水中溶解性總固體濃度升高時，離子的總濃度亦隨之增加，同時增強了離子強度及電解質(zhì)作用，然后就會相應(yīng)增加了潛水中Ca、Mg鹽巖的溶解度，使研究區(qū)潛水中鈣鎂離子濃度升高，導(dǎo)致總硬度也隨之增大。

2.4.2地下水化學(xué)控制因素分析

因地下水在循環(huán)過程期間頻繁與周邊環(huán)境發(fā)生一系列水—巖作用，導(dǎo)致水化學(xué)組分及溶解性總固體濃度發(fā)生變化。Gibbs圖是分析地下水化學(xué)類型演化過程中主要控制因素的一種主要方法，通常其主要的控制因素可分為蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化及大氣降水3種類型［10，18-21］。本次繪制了研究區(qū)潛水Gibbs圖（圖4），研究區(qū)潛水溶解性總固體濃度范圍介于298.00～4 102.00 mg·L-1之間，陽離子濃度比值范圍介于0.21～0.94之間，陰離子濃度比值范圍介于0.06～0.90之間。

由圖4可見，研究區(qū)北部、東部山前一帶潛水主要分布在巖石風(fēng)化控制范圍內(nèi)，向西側(cè)徑流、排泄區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)濃縮作用控制。受氣候影響，大氣降水作用對研究區(qū)潛水水化學(xué)成分的控制作用較小，由于山前一帶潛水受溶濾作用影響，水—巖相互作用后的礦物溶解成為水化學(xué)成分的主要來源，溶解性總固體濃度亦較低，向排泄區(qū)徑流過程中，巖層沉積顆粒逐漸變細，潛水徑流遲緩，受蒸發(fā)濃縮作用的不斷增強，使碳酸鹽濃度逐漸增高直至飽和，Cl-和Na+的濃度也隨之升高。

圖4 研究區(qū)潛水Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of phreatic water in the study area

2.5 地下水化學(xué)離子來源分析

利用水中主要離子摩爾濃度比值關(guān)系可進一步分析研究區(qū)潛水主要離子的來源及水化學(xué)演化過程［22］。由圖5可見，研究區(qū)潛水中主要離子濃度比值多數(shù)位于硅酸鹽礦物溶解—碳酸鹽礦物溶解一帶，說明研究區(qū)大部分潛水離子的來源主要受硅酸鹽及碳酸鹽礦物溶解作用控制，極少數(shù)受蒸發(fā)鹽礦物溶解影響，但也不可完全排除。

圖5 研究區(qū)潛水中鈣、鎂及重碳酸根離子與鈉離子的摩爾濃度相互比值關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of molar concentration ratio of calcium，magnesium，bicarbonate ion and sodium ion in phreatic water in the study area

2.5.1溶濾作用

此外，水化學(xué)離子比值關(guān)系可用于指示地下水中的溶濾作用（圖6）。

Cl-/TDS與溶解性總固體濃度的比值如圖6（a）所示，隨著溶解性總固體濃度的升高，其比值波動幅度較小，這一特征指示出巖石風(fēng)化控制著該地區(qū)第四系潛水化學(xué)成分的變化，僅少數(shù)點受蒸發(fā)作用影響較大。由圖6（b）（Na++K+）與Cl-當量濃度比值關(guān)系圖可見，多數(shù)水點位于1：1線附近，部分點位于兩側(cè)，可推測研究區(qū)潛水中存在巖鹽溶解，鋁硅酸鹽礦物等的溶解也伴隨產(chǎn)生。含鈣鎂礦物質(zhì)的鋁硅酸鹽或者碳酸鹽經(jīng)過風(fēng)化溶解形成水中的Mg2+、Ca2+，結(jié)合鈣鎂離子總濃度與重碳酸根及硫酸根離子當量濃度比值關(guān)系可以大致分析其來源方向［23］，如圖6（c）所示，多數(shù)點位于1：1線附近，少數(shù)點位于兩側(cè)，這種情況說明碳酸鹽和鋁硅酸鹽的溶解在研究區(qū)潛水中同時存在。HCO3-與（SO42-+Cl-）當量濃度比值關(guān)系如圖6（d）所示，多數(shù)水點的比值略大于或小于1，少數(shù)水點比值處于3～7范圍，該特征同樣指示水中鈣鎂離子主要來源為鋁硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的溶解，極少數(shù)是由蒸發(fā)巖鹽溶解引起。綜上所述，該地區(qū)第四系潛水的水化學(xué)特征形成原因主要受巖鹽的持續(xù)風(fēng)化和溶解作用控制，僅零星地段水化學(xué)形成因素受蒸發(fā)作用及蒸發(fā)巖鹽的溶解控制。

圖6 研究區(qū)潛水水化學(xué)主要離子比例系數(shù)相關(guān)圖Fig.6 Correlation diagram of main ions proportion coefficient of phreatic water chemistry in the study area

2.5.2陽離子之間的交替吸附作用

由圖7可見，沿地下水徑流方向，Ca2+和Na+的濃度均在增加，但接近排泄區(qū)時，變化規(guī)律呈反向特征，推測其原因是這兩個離子之間發(fā)生了交替吸附作用的緣故。

圖7 研究區(qū)潛水中Na+、Ca2+濃度變化曲線圖Fig.7 Variation curve of Na+and Ca2+concentration in phreatic water in the study area

為了確定是否發(fā)生陽離子交替吸附作用，可以采用Na+和Cl-兩者之間當量濃度比值［γ（Na+）/γ（Cl-）］的分析方法［11］。圖8為研究區(qū)潛水Cl-和γ（Na+）/γ（Cl-）比值關(guān)系圖，如圖8所示，僅有兩個水樣點的比值小于1，表明陽離子交替吸附作用發(fā)生于研究區(qū)絕大多數(shù)地段。理論上來講含水層巖土顆粒越細，其比表面積越大，陽離子交替吸附作用越強烈［11］。研究區(qū)含水層巖土顆粒從補給區(qū)向排泄區(qū)由粗逐漸變細，但是圖8中所示位于弱徑流區(qū)潛水水樣的γ（Na+）/γ（Cl-）比值更靠近1，而且γ（Na+）/γ（Cl-）比值與Cl-變化規(guī)律相反，說明越靠近排泄區(qū)，Na+濃度已超過了可交換陽離子的平衡濃度，與Ca2+之間的交替吸附作用就會相對減弱［11］。

圖8 研究區(qū)潛水中Cl-與γ（Na+）/γ（Cl-）比值關(guān)系圖Fig.8 Relationship diagram of Cl-and γ（Na+）/γ（Cl-）in phreatic water chemistry in the study area

2.5.3人類活動的影響

烏拉蓋盆地以牧業(yè)為主，無農(nóng)業(yè)發(fā)展，用水主要為人畜生活用水。同時研究區(qū)潛水含水層水位埋藏深度比較淺，因為多數(shù)取樣民井為大口井，其井口沒有封閉，在一定程度上，人類及牲畜的排泄物隨降水滲入井內(nèi)造成水質(zhì)污染。另外，在西部排泄區(qū)，因徑流條件差、蒸發(fā)強烈，使?jié)撍畬又械柠}分在表層聚集，形成積鹽，也是研究區(qū)內(nèi)弱徑流區(qū)或排泄區(qū)一帶潛水中離子濃度、溶解性總固體濃度及總硬度偏高的另一個重要因素。

3 結(jié)論

1）烏拉蓋盆地第四系潛水溶解性總固體濃度與總硬度大部分均較低，基本為淡水和低硬度水，僅在西部靠近排泄區(qū)及中部波狀高平原邊緣弱徑流區(qū)一帶溶解性總固體濃度與TH偏高，為微咸水和高硬度水，大多呈中性偏堿性水。常見離子的濃度差別較大，其中陽離子由大到小依次為Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，陰離子由大到小依次為HCO3＞Cl-＞SO42-。

2）沿地下水徑流路程，水化學(xué)類型、各種主要離子及溶解性總固體濃度的變化具規(guī)律性，各種主要離子及溶解性總固體濃度均不斷增加，越靠近排泄區(qū)濃度越高，水化學(xué)類型由HCO3-Na·Ca型水逐漸演變?yōu)镠CO3·Cl-Na·Mg、Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg型水。

3）烏拉蓋盆地潛水中的化學(xué)成分主要來自于硅酸鹽和碳酸鹽礦物的溶解，其形成與變化主要受溶濾作用、陽離子交替吸附作用的影響，靠近排泄區(qū)或弱徑流區(qū)一帶，蒸發(fā)濃縮作用為主要影響因子，少數(shù)地段受人類活動的影響，基本不受大氣降水的影響。