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      策克地區(qū)承壓水水化學(xué)相關(guān)性分析

      2012-09-18 07:23:52商瑋麟龐家偉馬文學(xué)
      地下水 2012年6期
      關(guān)鍵詞:白堊紀(jì)等值線(xiàn)圖承壓水

      商瑋麟,龐家偉,馬文學(xué)

      (1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430074;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院,內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

      1 區(qū)域概況

      1.1 區(qū)域地質(zhì)

      研究區(qū)域位于銀—額盆地范圍內(nèi)石板井一小黃山縫合帶以北的額濟(jì)納旗區(qū)的居?xùn)|凹陷,與北山北帶相毗鄰,其白堊紀(jì)沉積(此次研究的承壓水含水層為白堊紀(jì)沉積)作用主要受居?xùn)|1號(hào)、居?xùn)|2號(hào)斷層控制。該凹陷位于居延海凹陷的東北部,是一個(gè)東北斷東南超的中新生代單斷凹陷,面積為2570 km,凹陷的基底最大埋深6 350m。凹陷的沉積蓋層由侏羅紀(jì)、下白堊紀(jì)和新生界沉積物組成.中生界缺失三疊紀(jì)和上白堊紀(jì),侏羅紀(jì)和下白堊紀(jì)的頂?shù)酌婢鶠閰^(qū)域不整合面。居?xùn)|1號(hào)斷裂最顯著的特點(diǎn)是侏羅紀(jì)、早白堊紀(jì)沉積中心遷移作用明顯,它在侏羅紀(jì)以前已經(jīng)形成,印支運(yùn)動(dòng)晚期活動(dòng)劇烈,下降盤(pán)沉積了大套近千米的侏羅紀(jì)沉積物,侏羅紀(jì)末期構(gòu)造回返,居?xùn)|2號(hào)斷裂反轉(zhuǎn)成為逆斷層,侏羅紀(jì)沉積物自南向北逆沖,出露水面,遭受剝蝕,剝蝕量近千米;早白堊紀(jì)早期居?xùn)|1號(hào)斷裂再次恢復(fù)正斷層性質(zhì),斷層下降盤(pán)邊沉降邊沉積,堆積了800~900m的早白堊紀(jì)沉積,此時(shí)的居?xùn)|2號(hào)斷裂已取代居?xùn)|1號(hào)斷裂在凹陷北部迅速發(fā)展,演變成凹陷主控?cái)嗔?,致使下白堊紀(jì)沉積、沉降中心向西北方向遷移。目前在凹陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造大多數(shù)為斷背斜,主要發(fā)育于居?xùn)|2號(hào)斷裂的下降盤(pán),形成了準(zhǔn)扎海斷背斜帶(侏羅紀(jì))和淮北斷背斜帶(下白堊紀(jì)),這些構(gòu)造大多數(shù)形成于燕山期。本文主要研究區(qū)域白堊紀(jì)承壓水含水層的水化學(xué)特征。

      研究區(qū)承壓水含水層主要為扇中亞相即水下扇的主體部分,由扇中辮狀水道及水道間微相組成。扇中辮狀水道微相主要巖性為礫巖、含礫砂巖、中細(xì)粒砂巖及少量的泥質(zhì)巖、砂巖中常見(jiàn)泥礫,底部常見(jiàn)沖刷面,層理構(gòu)造可見(jiàn)粒序?qū)永怼K狀層理、交錯(cuò)層理,常由多個(gè)粒度大致向上變細(xì)的砂礫巖疊加形成疊合砂體。大型板狀交錯(cuò)扇中水道間微相巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥頁(yè)巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖,以水平層理為主,含介形蟲(chóng)、葉肢介及植物碎片等化石。

      1.2 水文地質(zhì)條件

      研究區(qū)地貌上表現(xiàn)為向南傾斜的戈壁地形和強(qiáng)烈剝蝕的準(zhǔn)平原地形,是蒙古人民共和國(guó)境內(nèi)戈壁阿爾泰山東端山前傾斜平原的南延部分(見(jiàn)圖1)。地形起伏不大,大約以5‰的坡降向南傾斜。區(qū)內(nèi)洪流溝谷發(fā)育,切割密度大,除少數(shù)溝谷中生長(zhǎng)有一些耐旱植物外,廣大戈壁平原上無(wú)植物生長(zhǎng)。

      圖1 區(qū)域水文簡(jiǎn)略圖

      區(qū)內(nèi)氣候干旱,年降水量小(多年平均年降水量為32.80 mm),加之泥巖與砂礫巖互層結(jié)構(gòu),透水性較差,所以大氣降水所形成的洪流對(duì)地下水補(bǔ)給量比較小,特別是對(duì)層間承壓水的補(bǔ)給,更是少之又少。該區(qū)內(nèi)潛水基本沒(méi)有,局部沖溝中含少量的水。主要是白堊系地層中的碎屑巖類(lèi)承壓水。在構(gòu)造上,表現(xiàn)為碎屑巖建造的單斜“盆地”,自北向南傾斜。由白堊系泥巖和泥質(zhì)砂礫巖組成(見(jiàn)圖2),表層覆蓋有一層厚度不大的洪積礫砂層。因受基底局部隆起作用的影響,有些地區(qū)的碎屑巖被頂托起抬升,外貌呈龍崗狀裸露地表。“盆地”北緣聳立著山勢(shì)高峻的戈壁阿爾泰山,海拔在2 000m以上,降雨量相對(duì)較大,所以在山前斷裂帶有泉群出露,沿山前呈東西條帶狀展布(見(jiàn)圖2)。工作區(qū)位于泉群下游,接受戈壁阿爾泰山基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給。隨著徑流途徑增長(zhǎng)及運(yùn)動(dòng)速度減緩,水質(zhì)有逐漸變差的趨勢(shì)。承壓水排泄于額濟(jì)納沖—湖積平原和嘎順淖爾沖湖積平原而補(bǔ)給平原區(qū)地下水。

      2 各水文地質(zhì)參數(shù)間相關(guān)性分析

      對(duì)區(qū)域上22個(gè)鉆孔(見(jiàn)圖3)的含水層厚度、滲透系數(shù)(m/d)、導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)、涌水量(m3/d)、水流梯度、礦化度之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算[1],值得注意的是:

      1)含水層厚與滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.68,表明研究區(qū)含水層越厚的地方滲透系數(shù)越小,這與區(qū)域的沉積特征有關(guān),區(qū)域承壓水含水層主要為扇中亞相即水下扇的主體部分,由扇中辮狀水道及水道間微相組成,厚度越大的地方越接近湖心沉積,因而滲透系數(shù)越小。[2]

      圖2 鉆孔SK17到戈壁阿爾泰水文地質(zhì)示意剖面圖

      2)含水層厚與水力梯度的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.51,表明研究區(qū)含水層越厚的地方水力梯度越小,而區(qū)域水力梯度主要受含水層走向、傾角控制,說(shuō)明研究區(qū)含水層越厚的地方含水層形態(tài)越平緩,這也是由區(qū)域沉積特征決定的。

      3)涌水量與水頭高之間相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.57,總體上研究區(qū)承壓水上游涌水量高于下游,下游地段承壓水為上游承壓水匯集形成,涌水量較大。

      4)水頭高與礦化度之間相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.65,總體上研究區(qū)水頭越高的地方礦化度越低,而礦化度與其余參數(shù)如水流速度的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值都較小,顯然區(qū)域礦化度分布最重要的因素為流程,流程越遠(yuǎn)礦化度越大,但是顯然除了流程和以上提及的因素,一些未提及的因素也對(duì)礦化度在研究區(qū)的分布有顯著影響。[3]

      圖3 取樣點(diǎn)分布圖

      3 區(qū)域主要影響因素與各離子濃度相關(guān)性分析

      對(duì)研究區(qū)22個(gè)鉆孔水樣的各離子濃度與水頭高度、單位厚度含水層富水性(涌水量/含水層厚度,表征單位高厚度含水層的含水量)、水流速度(modfelow計(jì)算得到)之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,值得注意的是:

      1)水頭高度與 Na+、Cl-、這些承壓水主要離子之間的相關(guān)系數(shù)均小于-0.6,與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 -0.41、-0.37,與 HCO3-的相關(guān)系數(shù)為0.012,顯然前三者受流程控制較明顯,Ca2+、Mg2+分布也受流程控制,但其他因素對(duì)承壓水Ca2+、Mg2+濃度有一定影響,而幾乎不受流程因素的控制。

      2)水流速度與 Na+、Cl-、SO42-這些承壓水主要離子之間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均小于0.1,與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 -0.35、-0.31,與 HCO3-的滲透系數(shù)為 -0.62,顯然前三者幾乎不受流速控制,Ca2+、Mg2+受流速控制較小,而受流速因素的控制比較明顯,總體上看,承壓水流速越大的地方的濃度越小,這與的性質(zhì)有關(guān)。[4]

      3)單位厚度含水層涌水量與 Na+、Cl-、這些承壓水中含量較高的離子之間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均小于0.1,與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 -0.19、-0.16,與的滲透系數(shù)為-0.35,顯然前三者幾乎不受單位厚度含水層涌水量控制,Ca2+、Mg2+略微受到單位厚度含水層涌水量控制,受單位厚度含水層涌水量因素的控制較前者明顯,但是其影響程度不及水流流速,總體上看,承壓水單位厚度含水層涌水量越大的地方的濃度越小,單位厚度含水層涌水量的地方水壓較大,因而含量較小。[5]

      4)各離子濃度間相關(guān)性分析與各離子濃度場(chǎng)圖分析

      將各離子濃度相關(guān)性分析成果列于下表,表中數(shù)字為相關(guān)系數(shù)。

      承壓水 TDS 與 Na+、Cl-、SO42-、Ca2+濃度相關(guān)系數(shù)較大,均在 0.85 以上。分析 Na+、Mg2+、Ca2+、之間的相關(guān)系數(shù),先根據(jù)潛水與承壓水的各離子濃度、TDS范圍(承壓水1000~3300 mg/l)和本地區(qū)巖土樣簡(jiǎn)要分析,列出猜測(cè)的這些離子之間可能發(fā)生的代表性化學(xué)反應(yīng)[6]:

      承壓水中 R(Na+,Ca2+)、R(Mg2+,Ca2+)較大,這生成兩對(duì)離子的礦物在研究區(qū)有較顯著的共同溶解的特性,R(Na+,)較小,生成這對(duì)離子的礦物共同溶解的特性較弱,R(Ca2+,HCO3-)和 R(Mg2+,)R(Cl-,)為負(fù),這對(duì)離子在同一區(qū)域傾向于一個(gè)溶解一個(gè)沉淀、轉(zhuǎn)化或者一方的溶解對(duì)另一方有一定的抑制作用。綜合各離子濃度及巖土成分,可能反應(yīng)為1、2、4、5、6、7,其中4、5 類(lèi)型反應(yīng)與6、8類(lèi)型反應(yīng)發(fā)生在本地區(qū)不同的區(qū)域,前兩者主要發(fā)生在水流流速較小、含水層富水性較差、礦化度較大的區(qū)域,后兩者主要發(fā)生在水流流速較小、富水性較好、礦化度較小的區(qū)域,因?yàn)閾?jù)前文分析承壓水流速越大的地方HCO3-含量越低而承壓水流速越小、富水性越差的區(qū)域HCO3-含量越高。可見(jiàn)流速、富水性、礦化度是影響濃度分布的重要因素,而HCO3-分布情況又對(duì)Mg2+、Ca2+濃度分布有一定的控制作用。[7]

      Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO42- HCO3-pH TDS Na+0.720.480.770.850.150.020.89 Ca2+ 0.770.880.73 -0.35 -0.030.89 Mg2+ 0.730.36 -0.51 -0.080.61 Cl- 0.57 -0.300.010.89 SO42- 0.27 -0.020.85 HCO3- -0.34 -0.71 pH -0.08

      如第三節(jié)所述礦化度受所處地點(diǎn)流程長(zhǎng)度控制較為明顯,但還受到未知因素控制。我們繪制出區(qū)域礦化度等值線(xiàn)圖和流場(chǎng)圖進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者均在區(qū)域內(nèi)做有規(guī)律的變化,但它們的具體形狀差別較大,推測(cè)區(qū)域礦化度分布除了受到流場(chǎng)影響外,區(qū)域巖土本身的礦物分布為最重要的因素。[8]

      對(duì)比礦化度等值線(xiàn)圖與 Na+、Ca2+、SO42-、Cl-四種主要離子的濃度等值線(xiàn)圖,(如圖4、5、6、7、8)可以發(fā)現(xiàn)它們的形狀和變化趨勢(shì)(箭頭所指為減小方向)極為相似,它們主要受流場(chǎng)及區(qū)域巖土本身礦物分布的控制。

      圖4 礦化度等值線(xiàn)圖

      圖5 Na+濃度等值線(xiàn)圖

      圖6 Ca2+濃度等值線(xiàn)圖

      圖7 濃度等值線(xiàn)圖

      圖8 Cl-濃度等值線(xiàn)圖

      對(duì)比礦化度等值線(xiàn)圖與Mg2+等值線(xiàn)圖(圖10),可以發(fā)現(xiàn)兩幅圖的大體形狀和趨勢(shì)相近,但在一些局部二者有一定差異,這種差異主要受HCO3-濃度分布的控制。[9]

      圖9 濃度等值線(xiàn)圖

      圖10 Mg2+濃度等值線(xiàn)圖

      4 結(jié)語(yǔ)

      1)區(qū)域礦化度分布主要受流場(chǎng)和區(qū)域巖土礦物分布(推測(cè))的控制。

      [1]曾濺輝.東營(yíng)凹陷第三系水一鹽作用對(duì)儲(chǔ)層空隙發(fā)育的影響.石油學(xué)報(bào).2001,7,第22卷第4期:39.

      [2]李漢業(yè).北祁連東段石炭紀(jì)巖相古地理基本特征.沉積學(xué)報(bào).1999,3,第 12 卷第 l期:89.97.

      [3]王大純,張人權(quán),史毅虹.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).地質(zhì)出版社.北京:1995.

      [4]沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社.1999.

      [5]文冬光,沈照理,鐘佐燊.水-巖相互作用的地球化學(xué)模擬理論及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.1998.12.

      [6]孫占學(xué),等.應(yīng)用水文地球化學(xué).原子能出版社.2005.

      [7]Adams S,Titus R,Pietersen K,et al1 Hydrochemical characteristics of aquifers near Sutherland in the Western Karoo ,South Africa[J].1 Journal of Hydrology.

      [8]劉寶君,曾允孚.巖相古地理基礎(chǔ)和工作方法.地質(zhì)出版社.1985.

      [9]東泵站位置對(duì)博湖水動(dòng)力特性及礦化度影響研究[R].南京:河海大學(xué).2003.

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