舞陽(yáng)河中下游巖溶流域水化學(xué)特征及源解析
——基于1∶5萬(wàn)新晃幅水文地質(zhì)調(diào)查

樊善興

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇四地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000）

地下水化學(xué)特征及其成因是水文地質(zhì)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，水化學(xué)特征可以反映地下水類型并確定離子來(lái)源，不同過(guò)程的水巖交互作用、離子交換、氧化還原轉(zhuǎn)化以及蒸發(fā)濃縮作用控制著地下水化學(xué)特征的時(shí)空變異特征[1-5]。同時(shí)，利用地下水中不同離子物質(zhì)的量濃度比值關(guān)系可以更好地揭示地下水與周邊環(huán)境的相互作用過(guò)程[6-8]。目前，舞陽(yáng)河中下游巖溶流域地下水化學(xué)特征及其影響因素的研究相對(duì)較少，該區(qū)域水化學(xué)特征及地下水離子來(lái)源情況尚不明確。本文基于1∶5萬(wàn)新晃幅水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，利用研究區(qū)內(nèi)50個(gè)水樣點(diǎn)水化學(xué)數(shù)據(jù)，開展舞陽(yáng)河中下游巖溶流域地下水化學(xué)特征研究及源解析，為研究區(qū)地下水的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集

1 ∶5萬(wàn)新晃幅水文地質(zhì)調(diào)查在舞陽(yáng)河中下游巖溶流域部分天然水點(diǎn)和機(jī)井采集了50個(gè)樣品數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)范圍覆蓋全區(qū)。水樣容器為容積500 mL的聚乙烯瓶。采回的水樣用孔徑0.45 μm的醋酸纖維膜過(guò)濾后，分裝于2個(gè)處理過(guò)的50 mL聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶中，其中用于陽(yáng)離子測(cè)試分析的樣品用純硝酸酸化，使其pH小于2，而用于陰離子測(cè)試分析的樣品不予處理。

1.2 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

利用便攜式哈希儀（型號(hào)HQ40d）對(duì)水溫、pH、氧化還原電位、溶解氧、電導(dǎo)率、溶解性總固體等常規(guī)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。之后，利用戴安離子色譜儀（型號(hào)ICS2100）對(duì)采集水樣的陰離子（SO42-、Cl-、NO3-）進(jìn)行測(cè)試，利用賽默飛電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（型號(hào)ICAP6300）對(duì)陽(yáng)離子（K+、Ca2+、Na+、Mg2+）進(jìn)行測(cè)試，采用酸堿滴定法對(duì)HCO3-進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)特征

本次采集的地下水樣品有50件，全部參與評(píng)價(jià)。所有采樣點(diǎn)地下水pH介于6.70～9.09，其屬于中性偏堿性水；總?cè)芙夤腆w（TDS）含量為61.24～656.00 mg/L，其為淡水；總硬度（以CaCO3計(jì)）為27.43～519.28 mg/L，其為軟水至適宜硬度水。按舒卡列夫分類法，研究區(qū)地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg型居多[9]。具體水化學(xué)類型分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。研究區(qū)內(nèi)地下水的主要陽(yáng)離子為Ca2+和Mg2+，陰離子大部分為HCO3-，少部分為SO42-。

表1 水樣水化學(xué)類型

2.2 成因分析

為確定研究區(qū)地下水化學(xué)組成的影響因素，繪制研究區(qū)水樣的水化學(xué)吉布斯圖，如圖1所示[10]。圖1顯示，研究區(qū)內(nèi)，除1個(gè)點(diǎn)外，其余地下水采樣點(diǎn)均在吉布斯模型內(nèi)；除4個(gè)點(diǎn)外，其余采樣點(diǎn)的Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.5。大部分采樣點(diǎn)均受巖石風(fēng)化作用，表明地下水的主要離子來(lái)源為巖石風(fēng)化溶解。

圖1 研究區(qū)水化學(xué)吉布斯圖

研究區(qū)地下水的主要陽(yáng)離子為Ca2+、Mg2+，陰離子為HCO3-，水化學(xué)組分主要受到巖石風(fēng)化影響。根據(jù)研究區(qū)地層分布情況，主要離子組成和含量與流域碳酸鹽巖組分特征密切相關(guān)。繪制研究區(qū)地表水Mg2+/Na+比值、HCO3-/Na+比值與Ca2+/Na+比值的關(guān)系圖，并以此定性分析碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖風(fēng)化對(duì)水樣離子組分的影響，如圖2所示[11]。

圖2反映了巖石化學(xué)風(fēng)化的主要貢獻(xiàn)端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化，研究區(qū)內(nèi)主要的巖石化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)分為兩類。

圖2 研究區(qū)地表水Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物質(zhì)的量濃度比值關(guān)系

圖2反映了巖石化學(xué)風(fēng)化的主要貢獻(xiàn)端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化，研究區(qū)內(nèi)主要的巖石化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)分為兩類。

碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)有

硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)有

經(jīng)分析，碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化是巖溶流域巖石風(fēng)化的最主要類型，根據(jù)不同碳酸鹽巖礦物化學(xué)風(fēng)化的反應(yīng)，可依照流域地下水中Mg2+、Ca2+和HCO3-的關(guān)系，并結(jié)合流域基巖類型及其組分特征，判別碳酸鹽巖礦物的化學(xué)風(fēng)化類型。繪制研究區(qū)地下水Mg2+/Ca2+與Na+/Ca2+的關(guān)系圖，如圖3所示?？傮w上，研究區(qū)地下水分布于石灰?guī)r與白云石端元之間，研究區(qū)地下水化學(xué)組分主要受白云巖和石灰?guī)r兩個(gè)碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化端元控制。

圖3 研究區(qū)地下水Mg2+/Ca2+、Na+/Ca2+物質(zhì)的量濃度比值關(guān)系

由式（1）可知，Ca2+和HCO3-主要來(lái)源于CaCO（3方解石）風(fēng)化，Ca2+/HCO3-=1∶2；由式（2）可知，Mg2+、Ca2+和HCO3-來(lái)源于CaMg(CO3)2（白云石）風(fēng)化，Ca2+/HCO3-=Mg2+/HCO3-=1∶4；由式（3）可知，Ca2+/HCO3-=1∶3，Mg2+/HCO3-=1∶6。

圖4顯示，研究區(qū)地下水Ca2+與HCO3-的比值大部分分布在1∶4至1∶3的區(qū)間；Mg2+與HCO3-的比值大部分大于1∶6，分布于1∶6至1∶4的區(qū)間，尤其集中在1∶4上下，反映了研究區(qū)碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化以白云石礦物風(fēng)化占主導(dǎo)。主要原因?yàn)槲桕?yáng)河中下游巖溶流域的地層巖性主要為較純的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。

圖4 研究區(qū)地下水Ca2+、Mg2+和HCO3-物質(zhì)的量濃度關(guān)系

3 結(jié)論

在舞陽(yáng)河中下游巖溶流域，地下水的主要離子為Ca2+、Mg2+和HCO3-，水樣pH為6.70～9.09，屬中性偏堿性水，總?cè)芙夤腆w含量為61.24～656.00 mg/L，均值為285.6 mg/L。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg為主，地下水化學(xué)特征主要受水巖作用影響，少部分受大氣降水影響，幾乎不受蒸發(fā)作用影響。經(jīng)Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物質(zhì)的量濃度比值關(guān)系分析，研究區(qū)巖石化學(xué)風(fēng)化的主要貢獻(xiàn)端元為碳酸鹽巖和硅酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化，同時(shí)，地下水化學(xué)組分主要受白云巖和石灰?guī)r兩個(gè)碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化端元控制，且碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化以白云石礦物風(fēng)化占主導(dǎo)。