贛南紅層地區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因分析

趙幸悅子, 肖攀*, 宋文龍, 黎義勇, 劉前進(jìn)

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 武漢 430205; 2. 海南省九三四地質(zhì)大隊(duì), ?？?570206;3. 江西省地質(zhì)調(diào)查勘察院基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查所, 南昌 330201)

贛南青塘地區(qū)是典型的紅層地區(qū),目前關(guān)于該地區(qū)水文地球化學(xué)的相關(guān)研究偏少。現(xiàn)采集區(qū)內(nèi)地下水樣品進(jìn)行測試分析,基于水文地球化學(xué)理論,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs模型、水化學(xué)平衡、同位素示蹤法和離子比例系數(shù)法分析研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及主要離子來源,揭示地區(qū)地下水水質(zhì)形成規(guī)律、分布特征及控制因素,以期為該區(qū)域地下水資源合理開發(fā)及供水安全等提供理論支撐與決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬于贛州市寧都縣,位于寧都縣西南部,坐標(biāo)范圍在115°45′E～116°00′E,26°20′N～26°30′N(圖1)。地處武夷山山脈西側(cè)、于山山脈東南側(cè),總體地勢北高南低、東西高中間低,中部為紅層單斜盆地。區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)型氣候區(qū),氣候溫和濕潤,年平均氣溫18.8 ℃,雨量充沛,年平均降雨量1 928.4 mm,降雨時(shí)空分布不均勻,主要集中在4—8月,總降雨量占全年降雨量的65.6%[6]。該區(qū)地處贛江一級(jí)支流—貢江源頭,境內(nèi)主要河流有梅江、青塘河,梅江發(fā)源于北部大龍山、凌云山和東部武華山,流逕長度145.2 km,流域面積2 931 km2;青塘河發(fā)源于青塘鎮(zhèn)羅家光山,流逕長度55 km,流域面積334.8 km2。研究區(qū)自然資源類型多樣,以豐富的地下礦產(chǎn)資源聞名,如石灰石、硫黃礦、煤、鎢、銅、鎂、鐵礦等,并擁有多家煤礦開采企業(yè)。

圖1 研究區(qū)含水巖組及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Water bearing formation and sampling sites in study area

研究區(qū)位于華夏板塊南嶺東段隆起帶之坳陷處,出露地層由老到新為青白口紀(jì)-南華紀(jì)變質(zhì)地層、泥盆紀(jì)-二疊紀(jì)沉積蓋層、侏羅紀(jì)碎屑巖地層、白堊紀(jì)紅層和第四系松散沉積層[6]。地下水類型有松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、碳酸鹽裂隙溶洞水、巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水。松散巖類孔隙水賦存在第四系全新統(tǒng)(Qh)沖積相地層中,分布于梅江、青塘河兩岸;紅層裂隙孔隙水分布在賴村-西排、劉坑-竹笮嵊等地,巖性主要為白堊系河口組(K2h)、茅店組(K2m)復(fù)成分礫巖、鈣質(zhì)巖屑雜砂巖;碎屑巖類孔隙水分布于賴村北西側(cè),巖性主要為侏羅系水北組(J1s)、羅坳組(J2l)粉砂巖、長石石英砂巖、石英質(zhì)礫巖,其次呈窄條帶狀分布于排腦-鵝土丘、西排-頭石巾一帶,巖性主要為泥盆系華山嶺組(D3C1h)石英砂礫巖;碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布在研究區(qū)青塘盆地、梅窖盆地及黃貫巖溶盆地內(nèi),主要巖性為二疊系馬平組(P2m)、石炭系黃龍組(C2h)泥晶灰?guī)r;巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水分布在區(qū)內(nèi)北西部、青塘盆地南東翼高嶺-西排一帶,主要巖性為南華系下坊組(Nh2-3x)、上施組(Nh1s)變質(zhì)砂巖、千枚巖。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征

3.1.1 地下水基本參數(shù)特征

表1 不同地下水類型水化學(xué)參數(shù)特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of characteristic values of hydrochemical parameters for different groundwater types

圖2 研究區(qū)地下水Piper三線圖Fig.2 Piper graph of groundwater in study area

表2 研究區(qū)淺層地下水主要離子相關(guān)關(guān)系表Table 2 Correlation between major ions of shallow groundwater in study area

3.1.2 氫氧同位素特征

地下水中氫氧同位素特征記錄了各種環(huán)境因素影響的信息,可用于指示地下水的補(bǔ)給來源[8]。本文選擇贛南雨水線δD=7.85δ18O+11和全球大氣降水線(GMWL)δD=8δ18O+10與研究區(qū)地下水中D、18O關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析(圖3),結(jié)果顯示,研究區(qū)水樣δD值范圍在-39.90 ‰～-26.10‰,平均值為-34.88‰,δ18O值范圍在-6.61‰～-4.04‰,平均值為-5.87‰,各類水樣點(diǎn)分布較為接近,整體位于贛南雨水線附近,表明研究區(qū)地下水起源于大氣降水。研究區(qū)地下水斜率(5.455)明顯小于贛南雨水線斜率(7.85),說明地下水受到蒸發(fā)作用影響[9]。

圖3 研究區(qū)地下水氫氧同位素關(guān)系圖Fig.3 Relationship between δD and δ18O diagram of groundwater in study area

圖3中,兩個(gè)松散巖類孔隙水偏離贛南雨水線并位于其右下方,推測地下水的補(bǔ)給來源曾經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用從而引起氫氧同位素富集[8]。

3.1.3 鍶同位素特征

鍶的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不因物理、化學(xué)和生物過程發(fā)生同位素分餾作用,其同位素比值變化只與不同來源的鍶混合作用有關(guān),因此鍶同位素常被用來作地球化學(xué)示蹤劑。當(dāng)?shù)叵滤c含水介質(zhì)發(fā)生作用時(shí),溶解進(jìn)入水體中的Sr具有與該含水介質(zhì)相近或相同的87Sr/86Sr比值[12]。研究表明,地下水流經(jīng)不同巖性地層87Sr/86Sr同位素比值變化范圍也不同,硅酸鹽巖風(fēng)化來源的Sr同位素比值一般為0.716～0.720,而碳酸鹽巖風(fēng)化來源的Sr同位素比值一般為0.708～0.709[12]。

研究區(qū)地下水87Sr/86Sr比值范圍在0.709 3～0.729 8,平均值為0.716 6,包括了碳酸鹽巖和硅酸鹽礦物風(fēng)化的比值范圍,說明地下水中Sr同位素組成是硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化的混合。地下水中溶解態(tài)Sr的來源還可以用Mg2+/Na+、Ca2+/Na+比值與87Sr/86Sr的分布關(guān)系來體現(xiàn)[10]。由圖4(a)和圖4(b)可知,研究區(qū)地下水點(diǎn)大致位于硅酸鹽巖風(fēng)化端元和碳酸鹽巖風(fēng)化端元混合區(qū)域之中,表明地下水樣中Sr同位素來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化。

圖4 研究區(qū)地下水中Mg2+/ Na+、Ca2+ / Na+與87Sr/86Sr之間的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between Mg2+/ Na+,Ca2+/ Na+ and 87Sr/86Sr of groundwater in study area

3.2 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征成因分析

3.2.1 風(fēng)化作用

圖5 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of groundwater in study area

圖6 研究區(qū)地下水Ca2+/ Na+與Mg2+ / Na+、元素比值Fig.6 Plots of Na+ versus Ca2+ / Na+ and Mg2+ / Na+ versus Ca2+ / Na+ of groundwater in study area

3.2.2 溶濾作用

飽和指數(shù)(SI)反映出水中礦物的溶解平衡過程[15],利用PHREEQC軟件計(jì)算石膏、巖鹽、白云石和方解石的飽和指數(shù)(SI),以確定其在地下水中的溶解沉淀狀態(tài),并繪制相關(guān)離子與礦物飽和指數(shù)關(guān)系圖(圖7)。由圖7可知,研究區(qū)地下水中石膏、巖鹽、白云石和方解石均處于未飽和狀態(tài)(SI<0)。

圖7 研究區(qū)地下水飽和指數(shù)圖Fig.7 Plots of SI of groundwater in study area

為分析研究區(qū)地下水所處位置相對(duì)于硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物所處的溶解態(tài)[16-18],利用PHREEQC軟件計(jì)算相關(guān)離子活度并繪制系統(tǒng)礦物平衡體系圖(圖8),可以看出,研究區(qū)水樣均落在高嶺土穩(wěn)定區(qū),表明鈉長石、鉀長石等硅酸鹽礦物均未達(dá)到飽和狀態(tài),將繼續(xù)發(fā)生溶解反應(yīng)。

圖8 研究區(qū)地下水系統(tǒng)礦物平衡體系圖Fig.8 Stability diagrams for minerals systems of groundwater in study area

地下水中離子組成主要受大氣降水、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)濃縮和人為活動(dòng)共同影響,利用水體中離子比值可反推出離子主要來源及形成過程[19]。大氣降水、硅酸鹽巖風(fēng)化和巖鹽溶解是地下水中Na+、K+的主要來源,大氣降水中Na+/Cl-比值與海水接近為0.86,研究區(qū)地下水中Na+/Cl-比值在0.45～41.51[圖9(a)],均值為4.86,遠(yuǎn)大于0.86,說明來源于大氣降水的貢獻(xiàn)非常小。圖9(b)中研究區(qū)地下水樣品大部分位于1∶1線上方,表明(Na++K+)含量幾乎全大于Cl-,Cl-不足以平衡(Na++K+),還有其他陰離子來平衡Na+和K+,因此鹽巖的溶解不是Na+、K+的主要來源,研究區(qū)內(nèi)花崗巖類巖漿活動(dòng)比較強(qiáng)烈,分布面積為23%,主要為二長花崗巖,其次為鉀長花崗巖,這些硅酸鹽巖的風(fēng)化溶解是多出的Na+、K+的重要來源。

圖9 研究區(qū)地下水離子比值關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the ion rates of groundwater in study area

3.2.3 陽離子交換作用

圖10 研究區(qū)地下水陽離子交換作用圖Fig.10 Cation exchange of groundwater in study area

3.2.4 人類活動(dòng)影響

圖11 研究區(qū)人類活動(dòng)對(duì)地下水影響程度圖Fig.11 Human impact of groundwater in study area

4 結(jié)論

(2)研究區(qū)地下水起源于大氣降水,地下水水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化作用控制,Sr同位素組成進(jìn)一步說明地下水離子組成受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化共同控制,其中,巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水離子組成主要受硅酸鹽巖風(fēng)化控制,碳酸鹽裂隙溶洞水離子組成主要受碳酸鹽巖風(fēng)化控制,其余類型地下水則受以上兩種巖石風(fēng)化共同作用。地下水中Na+、K+主要來源于硅酸鹽巖的溶解,Ca2+、Mg2+來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖共同溶解作用,不排除硫酸鹽巖溶解作用,碳酸鹽巖溶解作用控制區(qū)Ca2+、Mg2+主要來源于方解石的溶解。

(3)研究區(qū)地下水在徑流過程中發(fā)生了陽離子交換作用,但交換作用不強(qiáng)烈,陽離子交換作用以地下水中Ca2+、Mg2+置換圍巖礦物的Na+、K+為主,局部水樣點(diǎn)有反向的離子交換過程進(jìn)行。人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)地下水的影響較小,主要來源于區(qū)內(nèi)的采礦活動(dòng)和大棚蔬菜種植,受影響的水樣點(diǎn)主要集中在松散巖類孔隙水中。