地下水化學(xué)組分對(duì)酸雨的滯后響應(yīng)
——以云岡石窟上層滯水為例

耿曉虹,蔣小偉*,閆宏彬,毛德強(qiáng),王 芮,樊 堯,張 帆,范 瀟,萬(wàn) 力

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水利部地下水保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)自然資源部淺層地?zé)崮苤攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.云岡研究院,山西 大同 037034;4.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

大氣降水通常是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,其化學(xué)組分對(duì)地下水化學(xué)組分具有重要的控制作用[1-3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染在高度工業(yè)化地區(qū)普遍發(fā)生[4-6],雨水吸收大氣中的酸性氣體如SO2和氮氧化物等污染物形成酸雨。酸雨補(bǔ)給地下水會(huì)導(dǎo)致地下水pH值下降、地下水水化學(xué)組分變化,因此研究地下水水質(zhì)對(duì)酸雨的響應(yīng)對(duì)保障供水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于雨水補(bǔ)給地下水后通常經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間才能到達(dá)地下水排泄點(diǎn)或者取樣井,故分析地下水化學(xué)組分對(duì)酸雨是否有響應(yīng)也可以加深對(duì)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)。

山西省是我國(guó)的文物大省,其中位于大同市的云岡石窟是世界文化遺產(chǎn)。由于煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速且廢氣排放不當(dāng),歷史上酸雨頻發(fā),嚴(yán)重威脅了石質(zhì)文物的保存[16]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)和云岡研究院等單位在合作開展文物保護(hù)相關(guān)科研項(xiàng)目的過(guò)程中,積累了云岡石窟不同時(shí)期部分鉆孔地下水和泉水的地下水化學(xué)數(shù)據(jù),為揭示不同類型地下水對(duì)酸雨的響應(yīng)提供了數(shù)據(jù)來(lái)源。為此,本文以云岡石窟為研究區(qū),通過(guò)對(duì)比酸雨、河水和地下水在20年時(shí)間尺度的水化學(xué)組分變化,揭示酸雨如何控制不同類型地下水的水化學(xué)演化過(guò)程。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)云岡石窟位于中國(guó)山西省大同市云岡區(qū),地理位置為東經(jīng)113°20′,北緯40°04′。研究區(qū)屬大陸性季風(fēng)半干旱氣候區(qū),多年平均降水量為393 mm,多年平均蒸發(fā)量為1 243 mm。云岡石窟山體坐落于十里河北岸砂巖陡壁之上,石窟南部為十里河一級(jí)階地、漫灘及河床(圖1)。十里河是研究區(qū)唯一的河流,地下水主要通過(guò)側(cè)向徑流的方式向十里河排泄[17]。十里河水位約為1 126 m,在其控制下區(qū)域地下水的潛水面略高于1 126 m,比云岡石窟底部低12～14 m。吳官屯機(jī)井揭露了區(qū)域內(nèi)的飽和帶地下水,推測(cè)其循環(huán)路徑為區(qū)域尺度地下水向河流的排泄。

圖1 研究區(qū)河水和地下水采樣位置圖Fig.1 Location map of river water and groundwater samples in the study area

云岡石窟頂部及其以北地表普遍分布第四系覆蓋層,其上部為粉質(zhì)黏土,透水性很差,具有較好的阻水作用[18]。由于研究區(qū)降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,大氣降水入滲量較少。云岡石窟所在山體為侏羅系云岡組中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖,發(fā)育風(fēng)化裂隙[19],大部分洞窟的底板高程約為1 140 m,顯著高于潛水面,因此云岡石窟所在山體是一個(gè)巨厚的非飽和帶,其厚度為20～40 m。由于存在不同深度的泥巖夾層,入滲的微量大氣降水在云岡石窟非飽和山體內(nèi)形成不同深度的上層滯水,其中B7鉆孔的上層滯水水位高程約為1 148 m,低于孔口標(biāo)高約24 m。在云岡石窟第二窟北壁西北角長(zhǎng)石砂巖與砂質(zhì)頁(yè)巖處,裂隙水受泥巖夾層的頂托作用,以下降泉的形式出露形成二窟泉水[16]。該泉水出露點(diǎn)標(biāo)高約為1 140 m,水頭高于當(dāng)?shù)氐叵滤皇嗝?也屬于上層滯水。二窟泉水常年不斷流,但流量的季節(jié)性波動(dòng)較大,尚不清楚其補(bǔ)給源的空間分布。由于上層滯水通常不可能來(lái)自區(qū)域尺度的地下水循環(huán),因此研究區(qū)B7鉆孔和二窟泉這兩個(gè)上層滯水為揭示地下水對(duì)補(bǔ)給區(qū)酸雨入滲的響應(yīng)提供了便利條件。

2 采樣與測(cè)試

2.1 樣品采集與數(shù)據(jù)收集

在2010—2012年承擔(dān)國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目和2020—2022年承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目期間,分別采集并測(cè)試了研究區(qū)雨水、十里河水、吳官屯機(jī)井水(對(duì)應(yīng)飽和帶地下水)、B7鉆孔水(對(duì)應(yīng)上層滯水)和二窟泉水(上層滯水形成的泉水)的水化學(xué)組分(圖1)。為了從更長(zhǎng)時(shí)間尺度分析水質(zhì)變化規(guī)律,還從相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]收集到了2003年上述水體以及20世紀(jì)60年代二窟泉水的水質(zhì)數(shù)據(jù),本次研究測(cè)試和收集的研究區(qū)不同類型水樣水化學(xué)數(shù)據(jù)共計(jì)36組(表1),其中氚同位素?cái)?shù)據(jù)3組。

2.2 樣品測(cè)試分析

此外,本次研究還委托中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所利用超低本底液體閃爍儀對(duì)2022年所采集的二窟泉水水樣、B7鉆孔上層滯水水樣和吳官屯機(jī)井飽和帶地下水水樣進(jìn)行了氚同位素測(cè)試,結(jié)果顯示水樣的3H濃度分別為(7.6±1.0) TU、(5.1±0.7) TU、(4.0±0.8) TU。

3 結(jié)果與討論

3.1 大氣降水的水化學(xué)演化特征

圖2 研究區(qū)酸雨頻率和雨水樣品中S濃度演化Fig.2 Evolution of acid rain frequency and S concen- tration of rain samples in the study area

3.2 河水和地下水的水化學(xué)特征及其演化

圖3 研究區(qū)不同年代雨水、河水和不同類型地下水的Piper圖Fig.3 Piper diagram of rain water,river water and groundwater of different types in different years in the study area

3.3 酸雨對(duì)二窟泉水水化學(xué)特征的影響

圖4 二窟泉水中S濃度與酸雨頻率演化對(duì)比圖Fig.4 Plot showing evolution of concentration of S in Cave NO.2 spring and the frequency of acid rain in the study area

3.4 酸雨的侵蝕機(jī)理

(1)

云岡石窟及其周邊表層風(fēng)化砂巖的X射線衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果表明,表層砂巖中所含硅酸鹽礦物包括鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石(鈣鈉長(zhǎng)石),風(fēng)化產(chǎn)物包括高嶺石和伊利石。由于鈣鈉長(zhǎng)石中Ca2+和Na+的比例不清楚,本文僅給出鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石與H+的反應(yīng)方程式如下[1,27]:

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Ca2+

(2)

2NaAl2Si3O8(鈉長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2+2Na+

(3)

2KAl2Si3O8(鉀長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2+2K+

(4)

上述4個(gè)反應(yīng)方程式可以合理地解釋近60年來(lái)二窟泉水中所含陽(yáng)離子Ca2+、Na+和K+濃度逐漸增加(見圖5)的原因。由于表層風(fēng)化砂巖中未檢測(cè)出含鎂硅酸鹽,因此無(wú)法解釋二窟泉水中所含Mg2+也逐漸增加的礦物來(lái)源。表層風(fēng)化砂巖未檢出含鎂礦物的原因可能為角閃石等含鎂礦物更易風(fēng)化,后續(xù)研究可以通過(guò)采集云岡石窟山體內(nèi)部風(fēng)化程度較低的砂巖確定含鎂礦物類型。

圖5 1960年以來(lái)二窟泉水中陽(yáng)離子濃度演化圖Fig.5 Evolution of cations concentration in the spring water at Cave NO.2 since 1960

根據(jù)酸雨徑流過(guò)程中發(fā)生的水-巖反應(yīng),可以推測(cè)直接淋至石質(zhì)文物表面的酸雨、被石質(zhì)文物吸附的含有SO2的水汽也可以侵蝕砂巖,從而加速石質(zhì)文物的風(fēng)化。

4 結(jié)論與建議

本文以云岡石窟地區(qū)為例,通過(guò)對(duì)比酸雨、河水和地下水在20年時(shí)間尺度的水化學(xué)組分變化,得到如下結(jié)論:

3) 20年來(lái)云岡石窟山頂鉆孔上層滯水的水化學(xué)組分濃度未發(fā)生明顯變化,指示歷史上的酸雨尚未到達(dá)該層位的上層滯水,表明石窟頂部粉土層具有良好的阻水作用。