基于同位素与化学特征进行贵州六志岩溶大泉系统地下水研究.docx

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基于同位素与化学特征进行贵州六志岩溶大泉系统地下水研究六志岩溶大泉位于贵州省安顺市镇宁县江龙镇南侧一带，处于贵阳—安顺都市圈范围内，是未来贵州省规划发展的重心。区内以往对地下水水化学特征研究程度低，仅在20世纪80年代开展过1∶20万水文地质普查工作。随着近代社会高速发展，受人为工程活动影响，地下水化学特征及岩溶水文地质条件发生了一系列改变，因此系统的研究区内地下水化学特征及岩溶水文地质条件是十分必要。本研究是在贵州省划分的四级、五级流域的基础上，以更详细的岩溶地下水系统——六志岩溶大泉系统为研究对象。通过采集不同季节不同含水层地下水及大气降水样品（66组），针对其中主要阴阳离子浓度、δD和δ18O同位素组成、T含量以及总溶解性固体（TDS）进行对比分析，查明系统内地下水的水化学和同位素特征,为岩溶地下水资源保护以及识别系统内水化学特征和地下水来源提供依据。1、系统概况1.1地质概况[1]系统内总体地势北高南低，地形起伏较大，相对高差100～300m左右，地貌组合类型为峰丛沟谷。系统东、北西、北侧均以地表分水岭为界，南西面以吴胜堡断层为界，南侧以红纳河为界，面积102.37km2。系统内出露地层有石炭系上统空洞河组（Ck）、二叠系阳新统洒志组（P2s）、栖霞—茅口组（P2q-m）/四大寨组（P2sd）、晒瓦组（Ps）、乐平统焦灰岩组（P3jh）、吴家坪组（P3w）、大隆组（P3d）、三叠系下统罗楼组（T1l）、紫云组（T1z）、中统新苑组（T2x）、边阳组（T2b）。地质构造以近南北向构造为主，发育了一系列的南北向紧密褶皱，构成了江龙复式向斜。1.2水文地质特征[1]根据碳酸盐岩含量，将系统内含水岩组划分为纯碳酸盐岩含水岩组（碳酸盐岩占70%以上）、碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组（碳酸盐岩占30%～70%）及碎屑岩含水岩组，具体划分见表1。系统内出露的岩溶大泉包括：S296、S464、S272、S276，各泉枯季流量大于50L/s。其中，S296、S272、S276枯季流量分别为1785L/s、102.56L/s、182.23L/s，各泉点均处于六志河东岸，这些泉点的地下水主要接受北东侧大气降水补给，受近南北向展布的江龙复式向斜控制，地下水总体由北东向南西径流，其赋存与运移的空间以褶皱拉张形成的裂隙、层间裂隙为主，受六志河及近南北向断层阻隔出露于地表。S464号泉点枯季流量59.28L/s，位于六志河西岸，该泉主要接受北西侧峰丛斜坡处大气降水补给，受层间裂隙控制，地下水总体由北西向南东径流，受河谷切割出露于地表。系统北西、北东侧斜坡处为岩溶大泉的补给、径流区，地下水天然露头以表层岩溶泉为主，地下水赋存于表层岩溶带中，表层岩溶带多为三元结构，即：植被、土层及基岩（图1）。表1含水岩组划分及含水介质组合类型一览表图1六志岩溶大泉系统水文地质图2、采样与测试系统内各类水点共计66个，其中表层岩溶泉14个、地下河出口2个、岩溶下降泉43个、基岩裂隙泉6个、钻孔1个，在调查过程中采用手持便携式水质检测仪，现场对泉点的TDS、pH值、电导率、溶解氧进行测定；其次对系统内所有泉点进行采样，并送至实验室进行检测，检测项目包括HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+离子；对系统的岩溶大泉及地下水机井进行丰、枯季采样并送至有相应资质的单位做全分析测试，所采水样共14件，按《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）对地下水质量进行评价。此外对系统内S113、S136、S138、S141、S256、S272、S274、S275、S299、S303、S460共计11个岩溶泉采氢、氧稳定同位素样品，送至中国地质科学院水文地质环境地质研究所检测。表2地下水检测结果统计表图2六志岩溶大泉系统地下水Piper三线图3、分析与讨论3.1地下水化学特征根据所取水样的分析结果，总体上系统内地下水pH值6.52～8.14，属中性水至弱碱水；溶解性总固体（TDS)45.9～349.45mg/L，为淡水；总硬度（以CaCO3计）124.18～309.32mg/L，为软水至硬水。地下水中的化学成分复杂，主要化学成分为Ca2+、Mg2+、Na+、K+等阳离子以及HCO3-、SO42-、Cl-等阴离子，系统内地下水主要阴阳离子含量见表2。总体上HCO3-含量占比大，其次为Ca2+、Mg2+离子。不同含水岩组中的离子含量具有较大差异，但总体上具有一定的规律性，（1)K+、Na+离子含量表现为，碎屑岩>碳酸岩与碎屑岩互层>纯碳酸岩；（2)Ca2+、HCO3-离子含量表现为，纯碳酸岩>碳酸岩与碎屑岩互层>碎屑岩；（3)pH值表现为纯碳酸岩>碳酸岩与碎屑岩互层>碎屑岩。3.2地下水化学类型地下水化学类型与地下水中主要阴阳离子含量的毫克当量百分数有关，根据系统内地下水三线图（图2）可知，纯碳酸岩含水岩组及碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组中阴阳离子毫克当量百分数均较为集中，HCO3->70%,Cl-<20%,SO42-5%～50%;Ca2+>90%,Mg2+<40%；碎屑岩含水岩组中阳离子毫克当量百分数较为集中，Ca2+>90%,Mg2+20%～50%，阴离子毫克当量百分数百分数变化较大，HCO3-40%～90%,Cl-10%～30%,SO42-10%～40%。系统内地下水化学类型较为简单，据舒卡列夫分类法，纯碳酸岩含水岩组以HCO3-Ca型为主，其次为HCO3-Ca·Mg型；碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组为HCO3-Ca型；碎屑岩含水岩组以HCO3-Ca型为主，HCO3-Ca·Mg型次之。图4地下水HCO3-+SO42-与Ca2++Mg2+关系图（左）基岩裂隙水HCO3-+SO42-+Cl-与Ca2++Mg2++K++Na+关系图（右）表3各含水岩组枯、丰季TDS含量统计表表4典型天然水点水质变化分析对比表表5地下水氢、氧稳定同位素检测结果统计表3.3TDS分布特征地下水总溶解固体（TDS）是地下水各组分浓度的总指标，是地下水水化学长期演变的最终结果，也是表征水文地球化学作用过程的重要参数，可以集中反映区域水文地球化学特征[4,5,6]，也反映出地下水流动的特征。系统内各含水岩组枯、丰季TDS含量见表3，从均值来看，地下水中TDS含量有以下两个特征：（1)纯碳酸盐岩>碳酸岩与碎屑岩互层>碎屑岩；（2)各含水岩组地下水中TDS含量，丰季>枯季。根据TDS浓度等值线图（图3左），系统中部纯碳酸盐岩含水岩组中的TDS最高，达300mg/L以上，呈近南北向条带状分布，与构造线及地层走向基本一致，结合地下水“补、径、排”来看，该区属于地下水的径流区；而该带以东TDS含量呈下降低趋势，大部分区域TDS含量处于150～250mg/L之间，最低值为140mg/L左右，系统内大气降水TDS含量在180～230mg/L之间，结合水文地质条件分析，系统北东侧为岩溶大泉的补给区，该区TDS含量与大气降水TDS的含量基本符合。出现的最低值（140mg/L）是受碳酸岩与碎屑岩互层含水岩组及碎屑岩含水岩组造成的。从水文地质剖面图（图3右）来看，地下水中TDS含量具有以下特征：（1)补给区TDS含量与大气降水中TDS含量基本一致；（2)径流Ⅰ区TDS含量达到峰值，表明地下水在经过一定时间与围岩离子交换后，使得TDS含量增加；（3)从径流Ⅰ区到径流Ⅱ区，TDS含量呈逐渐减小趋势，与碎屑岩裂隙含水岩组有关，碎屑岩含水岩组中地下水的TDS含量基本在100mg/L以下，两者综合之后，使得该区的TDS含量呈现下降趋势；此外，在径流Ⅱ区后半段，TDS含量曲线呈现出一小波峰，与该区纯碳酸盐岩含水岩组出露面积有关；（4)排泄区TDS含量持续下降，与该区出露碎屑岩裂隙含水岩组面积有关。图5δD-δ18O关系图3.4地下水中主要阴阳离子分布特征及其指示意义地下水中主要阴离子有HCO3-、SO42-，主要阳离子有Ca2+、Mg2+，不同含水岩组阴阳离子含量均不同，但同一个水文地质单元中阴阳离子含量又是密切相关的。从图4左来看，六志岩溶大泉系统中地下水阴阳离子毫克当量比值基本收敛于1∶1理论趋势线两旁，但不同含水岩组阴阳离子毫克当量趋势线与1∶1趋势线存在着差异。纯碳酸盐岩溶水及基岩裂隙水中（Ca2++Mg2+）/（HCO3-+SO42-）值均偏离1∶1的理论趋势线，其中纯碳酸盐岩溶水斜率大于1∶1趋势线值，其线性拟合曲线服从以下公式y=1.0144x+0.2729，相关系数为R=0.9318，该趋势线与1∶1趋势线基本平行，这说明纯碳酸盐岩溶水中阴阳离子基本平衡；基岩裂隙水斜率小于1∶1趋势线值，其线性拟合曲线服从以下公式y=0.6985x+0.5632，相关系数为R=0.8837，该趋势线与1∶1趋势线呈斜交状。从分析结果来看基岩裂隙水中的K+、Na+、Cl-离子含量较大，因此将K+、Na+、Cl-离子纳入主要阴阳离子毫克当量比值中，由图4右可知，基岩裂隙水中（Ca2++Mg2++K++Na+）/（HCO3-+SO42-+Cl-）值基本趋近于1∶1的理论趋势线，其线性拟合曲线服从以下公式y=0.8676x+0.3291，相关系数为R=0.9743。这表明基岩裂隙水中的阳离子除Ca2+、Mg2+离子外，K+、Na+离子含量在阳离子毫克当量总数占比上也有所贡献。3.5人类工程活动对研究区地下水化学特征的影响研究区出露岩溶泉众多，本次仅以岩溶泉作为研究对象研究人类工程对地下水化学特征的影响。从图4左来看，各岩溶泉主要阴阳离子含量呈直线分布，并偏离至1∶1理论趋势线以上，表明有污染物或其它水体混入[2]。选择不同年代（1979年与2017年枯水期水质数据）同一水点水质资料进行对比分析（表4）可得，六志岩溶大泉系统地下水水质Ca2+、Mg2+、SO42-、总硬度、矿化度及pH呈不同程度的增大趋势，特别是SO42-离子含量增加达1.30～8.1倍；HCO3-离子含量呈减小趋势，减幅较小。这表明近40年以来，人类工程活动不断加强对系统内地下水化学组分含量有一定的影响。3.6地下水同位素特征大气降水主要来源于海水蒸发形成的蒸汽团，故大气降水的同位素组成特征取决于海水的同位素组成及海水蒸发冷凝中同位素的分馏作用，它决定了大气降水形成初期氢氧同位素组成特征。大量的研究表明，大气降水形成后，其氢氧同位素组成特征在其运移中还会随着温度和空间变化而变化，即温度效应、纬度效应、高程效应和降水效应，且大气降水的δD与δ18O呈线性关系[7,8]。氢氧同位素是研究地下水起源与演化的理想示踪剂[3]，因此可以通过地下水中氢、氧稳定同位素含量拟合的曲线与大气降水中氢、氧稳定同位素拟合的降水线进行对比，研究六志岩溶大泉系统地下水补给源。本次在六志岩溶大泉系统所采氢、氧同位素样品共计11件，检测结果见表5。根据安顺地区大气降水线方程：δD=8.34δ18O+13.49[9]。将以上11件样品检测的δD、δ18O与西南地区降水线方程对比（图5），可知：所采水样同位素组成落点处于安顺地区大气降水线附近，多数处于大气降水线的下方，表明这些岩溶下降泉的补给主要来源于大气降水补给。放射性同位素氚的测试结果用氚单位（TU）表示，1TU的含义是在1018个氢原子中含有一个氚原子[7]。六志岩溶大泉系统中，氚含量在（3.6±1.3)～（8.3±1.2)TU之间，平均值为5.4±1.2TU。根据相关资料[10]，氚含量的多少与地下水滞留时间呈反比，即含量越少，地下水滞留时间越长。选取系统内具有完整泉域的岩溶泉以其径流路径的长短结合氚含量进行分析，如图1结合图5所示，S274、S275接受北侧补给，其径流路径长约2～2.5km,S274与S275氚含量分别为6.2±1.2TU及5.7±1.2TU;S272号岩溶泉补给、径流区处于泉点的北东侧一带，结合图5分析，该泉径流路径5～7km，氚含量为4.9±1.1TU。结果表明，氚含量的多少与地下水滞留时间、径流路径长度呈反比。4、结论通过以上研究得出以下结论：（1）系统内各含水岩组地下水宏量组分含量有以下特征：（1)K+、Na+离子含量表现为碎屑岩>碳酸岩与碎屑岩互层岩>纯碳酸岩；（2)Ca2+、HCO3-离子含量表现为纯碳酸岩>碳酸岩与碎屑岩互层>碎屑岩；（3)纯碳酸盐岩溶水中阴阳离子（Ca2++Mg2+、HCO3-+SO42-）基本平衡，基岩裂隙水中的阳离子除Ca2+、Mg2+离子外，K+、Na+离子含量在阳离子毫克当量总数占比上也有所贡献。（2）系统内不同含水岩组地下水化学类型呈现出不同特征：（1)纯碳酸岩含水岩组以HCO3Ca型为主，其次为HCO3-Ca·Mg型；（2)碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组为HCO3-Ca型；（3)碎屑岩含水岩组以HCO3-Ca型为主，HCO3-Ca·Mg型次之。（3)TDS含量在不同含水岩组中有以下两个特征：（1)纯碳酸岩>碳酸岩与碎屑岩互层>碎屑岩；（2)各含水岩组地下水中TDS含量，丰季>枯季。不同含水岩组混杂对地下水TDS含量作用明显。（4）系统内地下水氢、氧稳定同位素落在安顺地区大气降水线附近，且多数处于降水线下方，表明这些岩溶下降泉的补给仍来自于大气降水。氚含量的多少与地下水滞留时间，径流路径长度呈反比。参考文献：[1]王若帆,焦恒,易瑞,等.贵州打邦河流域江龙幅1∶5万水文地质环境地质调查成果报告[R].2019.[2]王珺瑜,王家乐,靳孟贵.济南泉域岩溶水水化学特征及其成因[J].地球科学,2017,45(5):821-831.[3]李华,文章,谢先军,等.贵阳市三桥地区岩溶地下水水化学特征及其演化规律[J].地球科学,2017,42(5):804-812.[4]韩行瑞,鲁荣安,李庆松,等.岩溶水系统——山西岩溶大泉研究[M].北京:地质出版社,1993:211-229.[5]乔小娟,李国敏,都洁,等.太原市西山岩溶水系统水文地球化学特征分析.中国岩溶,2008,27(4):353-358.[6]张贵,胡文君,李倩,等.金沙江河谷巧家段地下水化学特征[J].中国岩溶,2017,36(3):339-345.[7]王恒纯.同位素水文地质概论[M].北京:地质出版社,1991.[8]石昱祯.四川省泸沽湖地区底下的水化学特征研究[J].山西建筑,2010,36(2):146-148.[9]毛庆亚,王建力,等.贵州安顺与重庆北碚大气降水中δD和δ18O特征分析[J].西南大学学报,2017,39(2):114-120.[10]吕小凡,豆敬峰,等.氘氧同位素法在周口市地下水研究中的应用[J].地下水,2017,39(5):28-30.王若帆,吉勤克补子,李强,赵良杰,焦恒,易瑞.贵州六志岩溶大泉系统地下水化学及同位素特征[J].西部探矿工程,2020,32(06):186-192.基金:中国地质调查局地质调查项目“红水河上游岩溶流域1∶5万水文地质环境地质调查”(项目编号:DD20160300);贵州省矿泉水资源成矿机理与规律研究(黔地矿科合[2018]24号);贵州深切河谷开放型岩溶流域地下水找水模式研究(黔地矿科合[2018]23号);Received:2020-01-1.