湖北省九路寨生態(tài)旅游區(qū)巖溶水水化學(xué)特征及其形成機(jī)制研究

黨慧慧, 江越瀟*, 李 偉, 范 威, 劉 茜, 江 南, 王 辛, 易春瑤

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

巖溶水是維持生態(tài)平衡的重要資源,也是重要的地質(zhì)營(yíng)力,其水化學(xué)特征可以反映區(qū)域地表及地下的水文過(guò)程[1-5]。巖溶含水層富水性受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素的制約,并綜合影響了巖溶發(fā)育程度,故研究巖溶水水化學(xué)特征和形成機(jī)制至關(guān)重要。湖北省碳酸鹽巖巖溶水主要分布于鄂西南、鄂西、鄂東南和大洪山地區(qū)的碳酸鹽巖裂隙、溶隙、孔洞和管道中,總分布面積達(dá)到44 986 km2,占湖北省國(guó)土面積的24%。目前關(guān)于鄂西和鄂西南巖溶水分布特征、水文系統(tǒng)劃分、水文地球化學(xué)特征、開(kāi)采利用潛力評(píng)價(jià)等方面的研究較多[6-12],但對(duì)于黃陵背斜北部地區(qū)巖溶水的研究較少[13]。本文以湖北省九路寨生態(tài)旅游區(qū)為例,應(yīng)用水化學(xué)及同位素方法,研究巖溶水水化學(xué)特征及形成機(jī)制,可以為九路寨生態(tài)旅游區(qū)水資源管理和保護(hù)提供依據(jù),也為湖北省地下水資源研究提供素材。

1 研究區(qū)概況

?？悼h位于湖北省西北部,地理坐標(biāo):東經(jīng)110°45′～111°31′,北緯31°21′～32°06′。九路寨生態(tài)旅游區(qū)位于?？悼h西南部,總面積為58.31 km2(圖1)。該區(qū)具有典型的巖溶地貌特征,地形地貌奇特,平均海拔約1 200 m,最高海拔1 426 m,被戰(zhàn)口河、唐坪河、南門(mén)河、霸王河、鑼鼓寨河等河流所環(huán)繞。該區(qū)屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫為14.6℃,年平均日照數(shù)為1 801 h,年平均相對(duì)濕度達(dá)75%。區(qū)內(nèi)降水量隨不同年份和季節(jié)變化較大,多年平均降水量為916.72 mm(1957—2015年),降水主要集中在5—9月,7月為降水峰期。目前圍繞黃龍洞溶洞暗河和霸王河沿線,旅游區(qū)開(kāi)發(fā)了多處以巖溶地貌和水為主題的景觀,具有重要的生態(tài)旅游價(jià)值。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)位于黃陵背斜北部和神農(nóng)架斷穹東部,以崆嶺群變質(zhì)巖為基底,由南至北依次出露震旦系—志留系地層,其中寒武系—奧陶系地層分布廣泛,而震旦系和志留系地層僅分布于研究區(qū)南部和北部(圖2)。區(qū)內(nèi)地下水豐富,按埋藏條件劃分,以潛水為主,承壓水則分布于震旦系燈影組、陡山沱組含水巖組中;按含水介質(zhì)組合及其分布規(guī)律劃分,主要為碳酸鹽巖巖溶水。各巖溶系統(tǒng)的水量分布不均勻,對(duì)大氣降水的響應(yīng)較靈敏,通常補(bǔ)給區(qū)地勢(shì)較高,排泄區(qū)常年有泉水溢流。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Hydrogeological map of the study area

區(qū)內(nèi)兩套具有隔水性的地層(寒武系覃家廟組下段、寒武系石牌組和牛蹄塘組),將研究區(qū)巖溶水概化為3層:奧陶系—寒武系含水層、寒武系含水層和震旦系含水層(圖3)。其中,奧陶系—寒武系含水層的巖性主要為灰?guī)r,層間夾少量頁(yè)巖和白云巖;寒武系含水層的巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和白云質(zhì)泥巖;震旦系含水層的巖性主要為灰?guī)r,層間夾少量頁(yè)巖。從上至下,奧陶系—寒武系含水層與寒武系含水層的巖溶水總體上相對(duì)獨(dú)立,在局部具有一定的水力聯(lián)系;寒武系含水層與震旦系含水層的巖溶水聯(lián)系也較弱,在具有導(dǎo)水性的斷裂處具有一定的水力聯(lián)系。

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 The hydrogeological section of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.2 分析方法

(1) 多元統(tǒng)計(jì)方法。通過(guò)分析水樣各主要離子的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù),分析它們之間的來(lái)源和空間變化特征。

(2) 水文地球化學(xué)方法。利用Piper三線圖、Gibbs圖、主要離子比值等,分析水樣的水化學(xué)類(lèi)型、水化學(xué)組分,探討其離子來(lái)源和形成過(guò)程。

(3) 同位素方法。H、O同位素是地下水補(bǔ)給來(lái)源的有效示蹤劑[15-17],Sr同位素組成是用來(lái)研究水巖作用和混合作用的重要手段。

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)成分特征

研究區(qū)不同含水系統(tǒng)水樣的水化學(xué)特征值如表1所示。河水樣的pH值為8.31～8.67,平均值為8.47;TDS含量為238.14～294.92 mg/L,平均值為265.64 mg/L。泉水樣的pH值為7.60～8.56,平均值為8.12,整體呈弱堿性;TDS含量為160.3～388.24 mg/L,平均值為234.64 mg/L,均為淡水,水質(zhì)較好。pH值呈現(xiàn)的規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水,TDS含量呈現(xiàn)的規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水。

表1 各水樣水化學(xué)特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of hydrochemical eigenvalue of the water samples

3.2 水化學(xué)類(lèi)型

圖4 各水樣Piper三線圖Fig.4 Piper trilinear diagram of the water samples

3.3 水化學(xué)成因分析

3.3.1 Gibbs圖解

Gibbs圖可以直觀地反映天然水的水化學(xué)組分控制機(jī)制是大氣降水、巖石風(fēng)化抑或是蒸發(fā)/濃縮作用,是定性判斷水化學(xué)影響機(jī)制的一個(gè)重要手段[20-22]。將研究區(qū)所有水樣投到Gibbs圖中,可見(jiàn)這些樣點(diǎn)均落在巖石風(fēng)化區(qū)(圖5),表明區(qū)內(nèi)巖溶水的水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化影響,究其原因,大氣降水補(bǔ)給到地下之后形成地下水,在出露之前徑流于含水層中,發(fā)生了強(qiáng)烈的巖石溶濾作用。

圖5 各水樣Gibbs圖Fig.5 Gibbs plots of the water samples

3.3.2 主要離子比值

各主要離子的比值是確定水體中離子來(lái)源的重要指標(biāo)[23-24],可進(jìn)一步分析地下水各組分的主要形成過(guò)程和來(lái)源礦物。這些離子的濃度單位通常選用毫克當(dāng)量濃度(meq/L),是為了利用各離子間的電荷平衡關(guān)系。

地下水中Cl-含量比較穩(wěn)定,不會(huì)與其他離子或礦物發(fā)生化學(xué)或者物理反應(yīng),因而Cl-是表征地下水主要離子來(lái)源的一個(gè)重要參數(shù)。在Cl--Na+關(guān)系圖(圖6-a)中,河水樣幾乎全部分布在1∶1比例線下方,即Na+/Cl-比值>1,表明河水既受人類(lèi)活動(dòng)的影響,也受地下水的側(cè)滲補(bǔ)給;奧陶系—寒武系泉水樣和寒武系泉水樣分布在1∶1比例線附近,即Na+/Cl-比值接近于1,表明巖鹽的溶解是淺層巖溶水中Na+和Cl-的主要來(lái)源;震旦系泉水樣埋深較大,全部分布在1∶1比例線下方，即Na+/CI-比值>1,表明Na+的來(lái)源還受其他巖石溶濾作用的影響,比如可能還來(lái)源于鈉長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物的溶解。

圖6 各水樣中主要離子關(guān)系圖Fig.6 Correlation diagram of main ions in water samples

Mg2+/Ca2+比值可用來(lái)判斷方解石和白云石的溶解情況。在Mg2+-Ca2+關(guān)系圖(圖6-b)中,絕大部分樣點(diǎn)分布在1∶1比例線下方(Ca2+/Mg2+比值>1),部分樣點(diǎn)落在1∶2比例線下方(Ca2+/Mg2+比值>2),說(shuō)明巖溶水和河水中Mg2+、Ca2+來(lái)源較為多樣,除了來(lái)源于碳酸鹽巖中方解石和白云石的溶解,還有一部分可能來(lái)源于硅酸鹽礦物的溶解。

綜上所述,研究區(qū)巖溶水主要受控于巖石風(fēng)化作用,在形成過(guò)程中與含水層巖石發(fā)生了強(qiáng)烈的巖石溶濾作用,水化學(xué)組分可能主要來(lái)源于碳酸鹽巖中白云石、方解石等碳酸鹽礦物和石膏等膏鹽礦物的溶解,其中震旦系含水層埋深較大,其巖溶水中部分水化學(xué)組分可能還來(lái)源于鈉長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物的溶解。

3.3.3 H-O同位素

研究區(qū)泉水樣的H-O同位素含量如表2所示,奧陶系—寒武系泉水樣δ18O為-9.07‰～-8.90‰,δ2H為-57.04‰～-55.52‰;寒武系泉水樣δ18O為-9.63‰～-7.90‰,δ2H為-62.63‰～-52.54‰;震旦系泉水樣δ18O為-9.48‰～-8.87‰,δ2H為-59.70‰～-56.24‰?？傮w上,各含水層泉水樣的H-O同位素組成相似。在水樣δ2H-δ18O關(guān)系圖(圖7)中,各樣點(diǎn)總體呈線性分布,可擬合為δ2H=4.84δ18O-13.41(R2=0.69)的大氣降水線方程。與全球大氣降水線(GMWL,δ2H=8δ18O+10)[22]和宜昌大氣降水線(LMWL,δ2H=8.4δ18O+15)[25]相比,研究區(qū)大氣降水線斜率(4.84)較小,說(shuō)明研究區(qū)動(dòng)力學(xué)同位素分餾現(xiàn)象明顯,即大氣降水在蒸發(fā)、凝結(jié)過(guò)程中H-O同位素存在不平衡分餾。各樣點(diǎn)大多落于LMWL左側(cè),發(fā)生了18O的負(fù)向飄移,因?yàn)楦骱畬訋r石中含氫礦物很少,且δ2H較低,因此同位素交換反應(yīng)對(duì)巖溶水δ2H幾乎不產(chǎn)生影響,而地殼中有一系列地球化學(xué)作用可釋放出CO2,當(dāng)這些CO2進(jìn)入巖溶水后,發(fā)生18O交換時(shí),會(huì)導(dǎo)致水中δ18O降低。各含水層巖溶水的樣點(diǎn)總體呈線性分布,表明補(bǔ)給來(lái)源單一且受低溫水巖作用影響。奧陶系—寒武系含水層和寒武系含水層水力聯(lián)系緊密,埋深較淺,補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水,而震旦系含水層埋深較深,補(bǔ)給來(lái)源包括附近地下水的側(cè)向補(bǔ)給和上層地下水的越流補(bǔ)給。

表2 泉水樣H-O同位素含量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of H-O isotope content of spring water samples

圖7 泉水樣δ2H-δ18O關(guān)系圖Fig.7 δ2H-δ18O plot of spring water samples

3.3.4 Sr同位素

Sr是一種微量元素,在地殼中的含量很低但分布廣泛[26],主要分布在灰?guī)r中,其次為玄武巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖及頁(yè)巖,在砂巖與超基性巖中含量最低。研究人員通常采用87Sr/86Sr比值進(jìn)行物質(zhì)來(lái)源和成因的分析[27-28],這是由于自然界中礦物的溶解和沉淀不會(huì)使87Sr/86Sr比值產(chǎn)生分餾,使得87Sr/86Sr比值可作為高效的判別標(biāo)尺[29-30]。研究區(qū)各含水層泉水樣的Sr含量相近,但87Sr/86Sr比值存在一定差距(表3),奧陶系—寒武系泉水樣為0.712 973～0.716 845,寒武系泉水樣為0.708 772～0.715 938,震旦系泉水樣為0.725 468～0.725 915,前兩個(gè)含水層的泉水樣具有相似的Sr同位素組成,而震旦系泉水樣具有明顯較高的87Sr/86Sr比值(圖8)。

表3 泉水樣Sr同位素含量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of Sr isotope content of spring water samples

圖8 泉水樣87Sr/86Sr-1/Sr關(guān)系圖Fig.8 87Sr/86Sr-1/Sr plot of spring water samples

為反映地下水系統(tǒng)的水巖作用,Pu et al.[31]研究提出87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關(guān)系圖,認(rèn)為灰?guī)r端元具有低87Sr/86Sr比值和低Mg2+/Ca2+比值特征,白云巖端元具有低87Sr/86Sr比值和高M(jìn)g2+/Ca2+比值特征,硅酸鹽巖端元具有高87Sr/86Sr比值和中等Mg2+/Ca2+比值特征。在研究區(qū)泉水樣87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關(guān)系圖(圖9)中,震旦系泉水樣因具有高87Sr/86Sr比值,落在硅酸鹽巖端元上方,說(shuō)明其Sr同位素組成主要受硅酸鹽巖的影響;奧陶系—寒武系和寒武系泉水樣主要落在灰?guī)r端元和硅酸鹽巖端元之間區(qū)域,說(shuō)明其Sr同位素組成受灰?guī)r和硅酸鹽巖的共同影響?？赏ㄟ^(guò)下列方程[29,31]來(lái)估算地下水中硅酸鹽巖、灰?guī)r和白云巖對(duì)Sr同位素組成的貢獻(xiàn)率:

圖9 泉水樣87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關(guān)系圖Fig.9 87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+ plot of spring water samples

(87Sr/86Sr)水樣=(87Sr/86Sr)硅酸鹽巖×f硅酸鹽巖+(87Sr/86Sr)灰?guī)r×f灰?guī)r+(87Sr/86Sr)白云巖×f白云巖

(1)

(Mg2+/Ca2+)水樣=(Mg2+/Ca2+)硅酸鹽巖×f硅酸鹽巖+(Mg2+/Ca2+)灰?guī)r×f灰?guī)r+(Mg2+/Ca2+)白云巖×f白云巖

(2)

f硅酸鹽巖+f灰?guī)r+f白云巖=1

(3)

估算結(jié)果(表3)同樣顯示,震旦系泉水Sr同位素組成主要受硅酸鹽巖影響,而奧陶系—寒武系和寒武系泉水Sr同位素組成主要受灰?guī)r影響,其次為白云巖和硅酸鹽巖。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)巖溶水含水層可概化為奧陶系—寒武系含水層、寒武系含水層和震旦系含水層等3層。巖溶水和河水總體呈弱堿性,pH值呈現(xiàn)規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水;均為淡水,TDS含量呈現(xiàn)規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水;水化學(xué)類(lèi)型均為HCO3-Ca·Mg型,巖溶水與河水之間有較頻繁的水力聯(lián)系。

(2) 研究區(qū)巖溶水主要受控于巖石風(fēng)化作用,在形成過(guò)程中與含水層巖石發(fā)生了強(qiáng)烈的巖石溶濾作用,水化學(xué)組分可能主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解,其中震旦系巖溶水中部分水化學(xué)組分可能還來(lái)源于鈉長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物的溶解。

(3) H-O同位素組成表明奧陶系—寒武系含水層和寒武系含水層的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水,而震旦系含水層的補(bǔ)給來(lái)源包括附近地下水的側(cè)向補(bǔ)給和上層地下水的越流補(bǔ)給。

(4) Sr同位素組成特征證明研究區(qū)巖溶水在徑流過(guò)程中與含水層礦物發(fā)生了水巖反應(yīng)。