宜昌長江南岸巖溶地下水系統(tǒng)水化學(xué)特征分析

燕子琪，周 宏

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074)

我國巖溶地區(qū)面積廣闊，巖溶地下水資源豐富，具有良好的開發(fā)利用潛力。而巖溶地區(qū)巖溶含水層對(duì)環(huán)境污染異常敏感，防污性能差，地下水容易受到外界污染。水文地球化學(xué)特征分析主要是研究地下水中常規(guī)的化學(xué)成分及其溶質(zhì)的時(shí)空分布規(guī)律與動(dòng)態(tài)變化，可為地下水的合理開發(fā)利用與保護(hù)提供依據(jù)。水文地球化學(xué)的研究中，巖溶地球化學(xué)研究是其中較為重要的研究內(nèi)容，它是以巖溶地區(qū)為研究對(duì)象，研究在巖溶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的水文地球化學(xué)作用，探究其規(guī)律與應(yīng)用[1]。巖溶地球化學(xué)的研究中主要以地球化學(xué)背景、巖溶現(xiàn)象的發(fā)育及巖溶地下水化學(xué)形成與演化機(jī)制等幾個(gè)部分為主[2]。

湖北宜昌長江南岸地區(qū)屬典型的南北巖溶交界區(qū)巖溶地貌，巖溶地下水為當(dāng)?shù)刂饕┧矗芯坎煌瑤r溶含水層中地下水的水化學(xué)特征將有助于當(dāng)?shù)氐叵滤暮侠黹_發(fā)利用與保護(hù)，并可為巖溶含水層的劃分提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)宜昌長江南岸巖溶流域位于湖北省宜昌市秭歸縣境內(nèi)及周邊區(qū)域，為我國二、三級(jí)階梯交界處的鄂西山區(qū)地帶，同時(shí)也是我國南北巖溶交界地帶，區(qū)內(nèi)山巒起伏，水系發(fā)育，巖溶地貌豐富多樣，地形整體呈現(xiàn)北東、南西兩側(cè)高，中間低的形態(tài)。

研究區(qū)地處長江的中上游位置，區(qū)內(nèi)過境及包含的長江的一級(jí)支流主要有九畹溪、太平溪、茅坪河、楊家溪、卷橋河，因此可將研究區(qū)劃分為九畹溪流域、茅坪河流域、楊家溪流域和卷橋河流域四大流域。

區(qū)內(nèi)氣候?yàn)閬啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，全年降雨量約在950～1 590 mm之間，雨季為7、8月份，年均暴雨(24 h降雨量≥50 mm)日數(shù)為3.6 d，年均暴雨量為246.3 mm。研究區(qū)全年氣溫約在-8℃～40℃之間，初春氣溫回升快并常出現(xiàn)倒春寒現(xiàn)象，7、8月份氣溫常在27℃以上。

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)位于鄂西三峽地區(qū)，地層區(qū)劃隸屬揚(yáng)子地層區(qū)之上揚(yáng)子地層分區(qū)，地層出露連續(xù)、齊全。研究區(qū)地處黃陵穹窿西南緣，中元古界崆嶺群基性-超基性巖體和黃陵花崗巖巖基構(gòu)成了黃陵穹窿的基底，巖性以灰綠色巨厚層斜長角閃巖為主，夾少量含石榴斜長角閃巖、石英片巖、片麻巖、灰白色巨厚層狀片麻巖；其蓋層從震旦系至第四系出露較為齊全，在研究區(qū)內(nèi)圍繞基底依由老至新順序向西、西南、東南呈環(huán)形分布。其中，震旦系、三疊系為碳酸鹽巖沉積地層，巖性為白云巖、灰?guī)r；志留系、泥盆系、白堊系為碎屑巖地層。區(qū)內(nèi)發(fā)育有仙女山斷裂、天陽坪斷裂和九畹溪斷裂3個(gè)區(qū)域性大斷裂。

1.2 水文地質(zhì)條件

以地下水出露的地層巖性、地下水賦存的狀態(tài)與埋藏深度以及地下水資源量的豐富程度等為依據(jù)，將研究區(qū)內(nèi)賦存的地下水劃分為3類，即松散巖類孔隙水，碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水主要是指賦存于第四系砂礫石地層中的地下水，其巖性為卵狀砂礫石、砂石、亞砂土、亞黏土等，地層中賦存的地下水十分匱乏，不是區(qū)內(nèi)主要的含水層，且其賦存的水資源沒有太高的供水價(jià)值；碳酸鹽巖類巖溶水是指賦存于碳酸鹽巖地層中的地下水，該地層是區(qū)內(nèi)出露最廣的地層，而且在研究區(qū)內(nèi)三疊系嘉陵江組地層中賦存著豐富的富鍶地下水[3]，因此碳酸鹽巖類巖溶水是研究區(qū)內(nèi)體量最大、有較大供水意義的含水層，而區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類巖溶水按照含水層的巖性又分為碳酸鹽巖溶洞裂隙水和碳酸鹽巖夾碎屑巖溶洞裂隙水兩個(gè)亞類；基巖裂隙水主要是指賦存于黃陵巖體上遠(yuǎn)古代的巖漿巖、變質(zhì)巖裂隙與孔隙之中的地下水，排泄泉點(diǎn)分散且流量很小。

在研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類分布區(qū)，地下水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水，流域內(nèi)補(bǔ)給區(qū)常發(fā)育有巖溶洼地、槽谷、漏斗、落水洞等負(fù)地形，排泄區(qū)發(fā)育有溶孔、溶縫、巖溶洞穴和地下暗河等巖溶地貌。在流域內(nèi)巖溶發(fā)育程度較高的地區(qū)，巖溶水的補(bǔ)給形式以灌入式補(bǔ)給為主，大氣降水通過巖溶洼地、落水洞、漏斗等補(bǔ)給地下水，地下水在巖溶管道、巖溶裂隙構(gòu)成的導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)中賦存和運(yùn)移(徑流)，最終以巖溶大泉或地下河的形式在地表排泄。在雨強(qiáng)與降雨量較大的豐水期，降雨時(shí)巖溶大泉和地下河的流量常在短時(shí)間內(nèi)激增，而降雨過后，其排泄流量又會(huì)在短時(shí)間內(nèi)驟減至平時(shí)的基流量水平。該區(qū)域典型的巖溶地貌使得地下水中污染物的運(yùn)移更加快速和復(fù)雜，當(dāng)?shù)鼐用竦纳钗鬯c農(nóng)業(yè)用水的排放往往直接排泄于地表，最終參與到該區(qū)域巖溶地下水的循環(huán)過程中。

研究區(qū)巖溶流域水文地質(zhì)略圖和典型水文地質(zhì)剖面圖，見圖1和圖2。

圖1 宜昌長江南岸巖溶流域水文地質(zhì)略圖

圖2 宜昌長江南岸巖溶流域典型水文地質(zhì)剖面圖

2 樣品采集與測試

在2016年10月—2018年8月期間，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院依托中國地質(zhì)調(diào)查局二級(jí)項(xiàng)目“宜昌長江南岸巖溶流域水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”，在研究區(qū)內(nèi)不同巖溶含水層出露的泉點(diǎn)采集地下水樣品272個(gè)，具體采樣點(diǎn)分布如圖1所示。其中，震旦系含水層中地下水取樣點(diǎn)為45個(gè)；下寒武系含水層中地下水取樣點(diǎn)為34個(gè)；中寒武系—奧陶系含水層中地下水取樣點(diǎn)為170個(gè)；二疊系—三疊系含水層中地下水取樣點(diǎn)為23個(gè)。

本研究收集盡量靠近泉口的地下水樣品置于用待取水樣潤洗過的50 mL PE瓶中，保證容器內(nèi)無氣泡，并使用封口膜封存，及時(shí)送往中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地調(diào)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測試。用于陰離子測試的地下水樣品經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后去除原水樣中雜質(zhì)后送往實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)利用美國賽默飛ICS-2100離子色譜儀進(jìn)行檢測分析，最低檢出限為0.001 mg/L；用于金屬元素測試的地下水樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后加入1～2滴濃硝酸使水樣的pH值小于2，然后送往實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)利用美國賽默飛iCAP 7600電感耦合等離子體發(fā)射光譜ICP-OES進(jìn)行檢測分析，最低檢出限為0.001 mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 巖溶地下水水化學(xué)特征分析

巖溶地下水為宜昌長江南岸巖溶流域分布最廣的地下水類型，區(qū)域內(nèi)隔水層將巖溶流域地層劃分為四大巖溶含水層，其中碳酸鹽巖中方解石、白云石及其他礦物含量的差異影響碳酸鹽巖含水層中地下水的水-巖相互作用，因此區(qū)域內(nèi)不同含水層的巖溶地下水在離子組成上仍存在一定的差異，這一差異可在劃分區(qū)域巖溶含水層、識(shí)別地下水循環(huán)途徑及其來源過程中提供水文地球化學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)內(nèi)四大巖溶含水系統(tǒng)地下水中主要特征離子濃度統(tǒng)計(jì)值見表1,地下水中主要特征離子的Piper三線圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)巖溶地下水中主要離子組分的Piper三線圖

由表1可知：

表1 研究區(qū)四大巖溶含水系統(tǒng)地下水中主要特征離子質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)值(mg/L)

(1) 研究區(qū)巖溶地下水中主要陽離子為Ca2+、Mg2+、Na+和K+。其中，Ca2+作為巖溶地下水的特征離子主要來源于方解石、白云石礦物的溶解，在研究區(qū)所有碳酸鹽巖含水層賦存的地下水中都具有相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量濃度，所有碳酸鹽巖含水層地下水中Ca2+的平均濃度約為70.19 mg/L，總體而言研究區(qū)四大巖溶含水系統(tǒng)地下水中Ca2+濃度的差異不大，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)大氣降水較穩(wěn)定，在不同巖溶含水系統(tǒng)的淺循環(huán)地下水中溶蝕作用程度相近；Mg2+也是研究區(qū)巖溶地下水中的主要陽離子之一，震旦系(Z)燈影組和陡山沱組含水層地下水中Mg2+平均濃度分別為23.07 mg/L和26.14 mg/L，寒武系覃家廟組和石龍洞組含白云巖含水層以及婁山關(guān)組白云巖含水層地下水中Mg2+平均濃度分別為25.67 mg/L、32.05 mg/L、34.5 mg/L，而下寒武系水井沱組含水層與二疊系—三疊系含水層主要為較純的灰?guī)r，含水層地下水中Mg2+的平均濃度為9.95 mg/L和3.39 mg/L，Mg2+濃度較低;Na+和K+作為碳酸鹽巖礦物中含量較低的陽離子，一方面能夠通過陽離子交換作用進(jìn)入地下水中，另一方面也存在著人為輸入的可能。

3.2 碳酸鹽巖巖石化學(xué)成分特征分析

在研究區(qū)多個(gè)巖溶含水巖組中獲取了部分巖石樣品進(jìn)行了巖石礦物化學(xué)成分分析，其中震旦系含水層中巖石礦物樣品6個(gè)，下寒武系含水層中巖石礦物樣品4個(gè)，中寒武系—奧陶系含水層中巖石礦物樣品28個(gè)，三疊系含水層中巖石礦物樣品8個(gè)，各含水巖組中巖石化學(xué)成分含量平均值的分析結(jié)果，見表2。

表2 研究區(qū)四大巖溶含水巖組中巖石化學(xué)成分含量平均值(%)

SiO2成分在巖石化學(xué)成分分析中代表的是地層中的泥質(zhì)、硅質(zhì)的含量，在一些泥質(zhì)碳酸鹽巖和硅質(zhì)碳酸鹽巖地層中的含量較高。在研究區(qū)所采集的巖石樣品中，以下寒武系水井沱組地層中泥質(zhì)或硅質(zhì)含量最高，其次是奧陶系南津關(guān)組—牯牛潭組和石龍洞組—覃家廟組地層中泥質(zhì)含量也較高。

K2O、Na2O成分代表的是地層中的鹽巖成分，它們?cè)趲r石化學(xué)成分中的占比僅為1%左右，Na2O更是在所有巖石樣品化學(xué)成分中的占比均未超過1%，但是由于鹽巖是極易溶于水的化合物，因此地下水中這兩種離子的占比要相對(duì)高于這兩種元素在巖石化學(xué)成分中的占比。不過巖石化學(xué)成分中K+含量普遍高于Na+含量，而地下水中Na+含量卻普遍高于K+，這可能是因?yàn)榈叵滤蠳a+還具有其他的來源。因此，巖石礦物中Na+與K+是地下水中這兩種離子的部分來源，而并非全部來源。

純石灰?guī)r(純方解石)的理論化學(xué)成分為CaCO3[1]，其中CaO的質(zhì)量百分比為56%，CO2的質(zhì)量百分比為44%；純白云巖的理論化學(xué)成分為CaMg(CO3)2，其中CaO的質(zhì)量百分比為30.4%，MgO的質(zhì)量百分比為21.7%，CO2的質(zhì)量百分比為47.9%。根據(jù)碳酸鹽巖的化學(xué)成分分類[2]，碳酸鹽巖被細(xì)分成多種介于石灰?guī)r與白云巖之間的巖性類別。研究區(qū)四大巖溶含水巖組碳酸鹽巖化學(xué)成分三相圖如圖4所示。

圖4 研究區(qū)四大巖溶含水巖組碳酸鹽巖化學(xué)成分三相圖

由表2可知：CaO、MgO、SiO2為研究區(qū)四大巖溶含水巖組中巖石的主要化學(xué)成分組成，SO3作為次要化學(xué)成分，顯示著除了CaCO3和CaMg(CO3)2礦物以外，CaSO3礦物(理論成分中CaO占41.2%，SO3占58.8%)的存在在研究區(qū)某些巖溶含水巖組巖石中也占據(jù)了一定的比例，特別是下寒武系水井沱組地層巖石中。根據(jù)巖石礦物中CaO、MgO等化學(xué)成分分析的結(jié)果，可以估算出碳酸鹽巖礦物中各礦物的質(zhì)量百分比[4]。通過分析研究區(qū)各含水巖組中巖石化學(xué)成分的占比，可估算出各含水巖組中不同礦物源Ca的占比,其結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)四大巖溶含水巖組中不同礦物源Ca占比的估算結(jié)果(%)

在碳酸鹽巖巖石化學(xué)在分分析中，SiO2代表巖石中硅質(zhì)、砂質(zhì)以及泥質(zhì)的雜質(zhì)，這類硅質(zhì)物質(zhì)的溶解程度很低，對(duì)地下水中物質(zhì)的貢獻(xiàn)相應(yīng)很低。研究區(qū)各含水巖組中巖石化學(xué)成分K2O和Na2O的含量在巖石化學(xué)組成中均相當(dāng)?shù)?，即Na、K、Cl元素在所有巖樣化學(xué)組成中的質(zhì)量占比都微乎其微，這說明研究區(qū)巖層中碳酸巖鹽的含量很低，不能為巖溶地下水提供大量的Na+、K+和Cl-，因此個(gè)別巖溶地下水中過高濃度的Na+、K+和Cl-離子可能還具有其他的來源。

3.3 巖溶地下水水化學(xué)作用分析

3.3.1 Gibbs分布

Gibbs圖可以反映出地下水的主要成分是受到蒸發(fā)濃縮控制，還是巖石風(fēng)化控制，或是大氣降水控制[5]。研究區(qū)巖溶地下水的Gibbs圖如圖5所示。

圖5 研究區(qū)巖溶地下水的Gibbs圖

3.3.2 相關(guān)分析與因子分析

對(duì)研究區(qū)巖溶地下水中主要離子之間進(jìn)行了相關(guān)分析，其分析結(jié)果見表4。

表4 研究區(qū)巖溶地下水中主要離子之間的相關(guān)分析系數(shù)矩陣

由表4可知：

(1) 研究區(qū)巖溶地下水中離子之間的相關(guān)系數(shù)總體不高，多呈弱正相關(guān)關(guān)系。

表5 旋轉(zhuǎn)成分矩陣表

由表5可知：

圖6 研究區(qū)巖溶地下水中相關(guān)離子比值圖

3.4 地下水水化學(xué)特征的影響因素分析

總體來說，研究區(qū)巖溶地下水中離子含量中等，水化學(xué)類型豐富，顯示以溶濾作用為主的潛水特征。根據(jù)前文的研究認(rèn)為：巖溶地下水的物質(zhì)組成主要受巖性控制，在不同巖性的含水層中賦存的地下水，其水化學(xué)組成差異明顯；同時(shí)，水動(dòng)力條件對(duì)巖溶地下水水化學(xué)特征的影響也有所體現(xiàn)，淺循環(huán)巖溶地下水水化學(xué)特征與深循環(huán)巖溶地下水水化學(xué)特征存在明顯的差異；另外，人類活動(dòng)也會(huì)引起巖溶地下水水化學(xué)組成的變化。具體分析如下：

(2) 水動(dòng)力條件對(duì)巖溶地下水水化學(xué)特征的影響。對(duì)于多級(jí)水流系統(tǒng)而言，地下水中物質(zhì)來源的途徑相同，但水動(dòng)力條件的差異又將導(dǎo)致地下水與圍巖的反應(yīng)速率與程度不同，最終呈現(xiàn)出同一水流系統(tǒng)中不同級(jí)次的水流具有不同的水化學(xué)特征。在巖溶含水層中，復(fù)雜的巖溶介質(zhì)中賦存的地下水運(yùn)移路徑與水環(huán)境的差異巨大：賦存于表層巖溶帶中的巖溶地下水，其補(bǔ)給徑流途徑短，地下水的運(yùn)移路徑相對(duì)開放，溶蝕能力強(qiáng)的大氣降水通過裂隙發(fā)育的表層巖溶帶時(shí)，迅速與圍巖發(fā)生反應(yīng)，溶解了大量的溶質(zhì)使其進(jìn)入地下水中；處于循環(huán)深度相對(duì)較深的水流系統(tǒng)中，則在與表層巖溶帶的反應(yīng)中地下水中某些礦物已經(jīng)達(dá)到溶解飽和，因此中間系統(tǒng)的地下水水化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(2) 研究區(qū)不同巖溶含水層中巖石化學(xué)成分顯示，震旦系與寒武系石龍洞組—覃家廟組、婁山關(guān)組地層為白云巖類含水層；奧陶系南津關(guān)組—牯牛潭組與三疊系嘉陵江組地層為灰?guī)r類含水層；寒武系水井沱組地層則為雜質(zhì)含量較高的碳酸鹽巖類含水層，雜質(zhì)主要為硅質(zhì)礦物與石膏。研究區(qū)各巖溶含水層中巖石礦物組成與地下水水化學(xué)離子組成具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其礦物類型與占比極大地影響了水文地球化學(xué)過程。

(3) Gibbs圖與地下水水化學(xué)特征的因子分析和相關(guān)分析顯示：巖石風(fēng)化溶解為控制研究區(qū)巖溶地下水中物質(zhì)組成的主要因素；因子分析中3個(gè)主要公因子代表了碳酸鹽巖礦物的溶解、人類活動(dòng)的影響以及石膏礦物的溶解，指示了影響研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征的因素多樣。水文地球化學(xué)過程的分析指示研究區(qū)不同巖溶含水層中占主導(dǎo)地位的礦物溶濾作用不同。