淶源西部地下水化學(xué)特征及成因分析

0 引言

淶源位于河北西部太行山北端,是拒馬河的發(fā)源地,其源頭為淶源西北山區(qū)[1]。拒馬河是大清河水系支流之一,為河北省內(nèi)唯一一條常年不斷流的河流,且同屬于北京五大水系之一[2]。所以研究淶源西部地下水化學(xué)特征及成因?qū)颖笔〖氨本┦泄┧踩哂兄匾饬x,并為淶源地下水開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

地下水體的來(lái)源、成因、運(yùn)移以及存在狀態(tài)等可以通過(guò)研究水文地球化學(xué)特征來(lái)揭秘[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水化學(xué)特征及成因分析做了大量研究。左禹政等運(yùn)用Gibbs圖分析了貴州省都柳江流域水體水化學(xué)成分的組成以及來(lái)源[4]。馬李豪運(yùn)用相關(guān)性分析、Piper三線圖、離子比值法等揭示了黑河流域地下水水化學(xué)離子的來(lái)源以及分布特征[5]。另外,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)蒲陽(yáng)河、懷沙河以及塔里木盆地開(kāi)展了地下水水化學(xué)特征以及成分來(lái)源研究[6-8]。Gupta S分析了對(duì)印度西孟加拉邦布爾德灣地區(qū)地下水離子主要化學(xué)組分相互關(guān)系,并對(duì)當(dāng)?shù)毓喔群蜕铒嬘盟o出了建議[9]。Srinivasamoorthy等運(yùn)用離子比值法對(duì)印度中南部地區(qū)的Pungar盆地做了離子交換,巖石風(fēng)化溶解的研究分析[10]。Abdel采用Piper圖以及多組離子比例系數(shù)等方法,分析得出非洲撒哈拉沙漠的察倫湖的水化學(xué)特征主要取決于可溶性鹽巖的溶解[11]。

本文以淶源西部為研究對(duì)象,分析區(qū)內(nèi)水化學(xué)特征及成因等。

1 研究區(qū)概況

淶源位于太行山、衡山及燕山交匯處。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū),山地氣候特點(diǎn)顯著,多年平均降雨量564.6 mm[12]。研究區(qū)主要有拒馬河和唐河兩大河流,均屬于大清河水系,拒馬河屬于常年性河流,徑流量年內(nèi)變化較大。

研究區(qū)燕山區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,巖漿巖侵入,地層發(fā)生斷裂、褶皺。區(qū)內(nèi)存在牌坊—馮村斷層、黃花灘—金山口斷層以及沙嶺—寨溝門(mén)斷裂、寨溝門(mén)—坡水?dāng)嗔训取?/p>

區(qū)內(nèi)地層主要有太古界阜平群、五臺(tái)群的變質(zhì)巖系,長(zhǎng)城系高于莊組,薊縣系、寒武系、奧陶系的灰?guī)r及白云巖等新近系存在膠結(jié)礫巖、砂頁(yè)巖、黏土夾煤層和第四系的沖洪積土、砂礫石、卵礫石等[13]。詳見(jiàn)圖1。

2 樣品采集與測(cè)試

在淶源西部地區(qū)進(jìn)行水樣點(diǎn)采樣,包含6個(gè)泉水點(diǎn)、18個(gè)機(jī)井點(diǎn)和1個(gè)地?zé)狳c(diǎn)。并將樣品送至中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,進(jìn)行水質(zhì)全分析。采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

3 分析方法

3.1 Piper三線圖

Piper三線圖可以反映地下水水化學(xué)成分各種離子的相對(duì)含量,通過(guò)三線圖可以直觀的看出各水樣點(diǎn)的水化學(xué)類型。

3.2 Gibbs圖

Gibbs圖是能直觀的反映出地下水主要離子的控制因素的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖[14]?？v坐標(biāo)為T(mén)DS的對(duì)數(shù)坐標(biāo),橫坐標(biāo)為陽(yáng)離子Na+/(Na++Ca2+)質(zhì)量濃度(mg/L)或陰離子Cl-/(Cl-+HCO-3)質(zhì)量濃度的比值。主要分為3個(gè)區(qū)域,分別為蒸發(fā)結(jié)晶作用控制區(qū),巖石風(fēng)化作用控制區(qū)和大氣降水作用控制區(qū)。

3.3 離子含量比

離子含量比作為鹽分淋溶與積累強(qiáng)度的標(biāo)志,通常用來(lái)反映地下水在水平方向上的變化特點(diǎn)。如ρ(Na+)/ρ(Cl-)接近1,則表明地下水中的Na+和Cl-受巖石風(fēng)化作用控制,Na+和Cl-幾乎全部來(lái)自巖鹽溶解[15]。

4 結(jié)果與分析

淶源研究區(qū)地下水主要離子如表1所示。

表1 淶源水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Laiyuan water chemical characteristics statistic

由表可知地下水pH為中性或弱堿性,TDS大部分分布在300~500 mg/L之間,GW-1龍門(mén)村地?zé)崴畼狱c(diǎn)TDS值為1 030 mg/L。泉水的出露地區(qū)存在松散沉積物,由于交替吸附作用,泉水的Na+均值大于機(jī)井水,Ca2++Mg2+均值小于機(jī)井水。

5 討論

5.1 水化學(xué)類型

水樣陰離子含量大體上HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3,陽(yáng)離子中Ca2+與Mg2+含量相當(dāng),且兩離子含量之和超過(guò)80%。淶源區(qū)域水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Mg·Ca型,特殊的W-1上莊村機(jī)井水樣點(diǎn)水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Mg·Ca,W-18古道村為HCO3·SO4-Ca·Mg,GW-1龍門(mén)村為SO4·Cl-Na。

5.2 物質(zhì)來(lái)源及巖石風(fēng)化

Gibbs圖如圖4所示。區(qū)內(nèi)水樣點(diǎn)TDS值分落于226~604 mg/L之間,陽(yáng)離子濃度比值小于 0.4,陰離子濃度比值小于 0.2, 泉水和機(jī)井水水樣遠(yuǎn)離蒸發(fā)結(jié)晶作用控制和大氣降水控制區(qū)域,分布在巖石風(fēng)化控制區(qū)域內(nèi),表明該區(qū)主要離子組分受巖石風(fēng)化作用控制,主要來(lái)源于巖石的風(fēng)化溶解。特殊的,GW-1龍門(mén)村地?zé)峋畼狱c(diǎn)TDS為1 030 mg/L,陽(yáng)離子質(zhì)量濃度比值處在0.9~1.0之間,陰離子質(zhì)量濃度比值處在0.6~0.7之間。

5.3 礦物的溶解

研究區(qū)內(nèi)主要離子比值關(guān)系見(jiàn)圖5。meq·L-1為單位,表示毫克當(dāng)量每升。地下水中水化學(xué)組分的來(lái)源與地下水徑流路徑、水巖相互作用有密切的關(guān)系[16,17]。從 圖5(a)中 可 以 看 出,ρ(Na+)/ρ(Cl-)的值分布在1的上下側(cè),最大值為7.8,最小為0(部分水樣Na+含量過(guò)低,甚至低于檢出限),表明研究區(qū)大部分地下水中Na+存在缺失或者缺少狀況。S-1谷家莊泉水水樣點(diǎn)Na+含量遠(yuǎn)超其余水樣點(diǎn),谷家莊出露大量的松散沉積物[18],泉水與沉積黏土礦物等接觸,Ca2+與Mg2+被吸附并釋放出Na+,交替吸附作用增加了泉水的Na+含量。GW-1龍門(mén)村地?zé)崴畼狱c(diǎn)Cl-含量遠(yuǎn)超其余水樣點(diǎn)。19個(gè)水樣點(diǎn)ρ(Na+)/ρ(Cl-)的值低于1,表明Na+含量低于Cl-,分析其原因,研究區(qū)巖性中存在大量的白云巖以及灰?guī)r等,白云巖和灰?guī)r飽和致使地下水中的Mg2+及Ca2+置換出Na+,使地下水中Na+含量偏低,甚至低于檢出限。

圖5(b)中,各水樣點(diǎn)Mg2++Ca2+的總和含量全部多于HCO-3,表明Mg2+及Ca2+的產(chǎn)生除了白云巖的溶解外,還存在其他巖性的溶解。研究區(qū)中存在大量以方解石為主要成分的灰?guī)r。方解石主要成分為CaCO3,其水解為地下水提供了更多的Ca2+,其水解反應(yīng)為:

CaCO3的水解同樣會(huì)產(chǎn)生HCO-3,但HCO-3自身的水解會(huì)使其在地下水中的含量減少,最終結(jié)果為ρ(Mg2++Ca2+)＞ρ(HCO-3)。

ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)與ρ(Na+)/ρ(Ca2+)的值通常用來(lái)表述區(qū)分地下水溶質(zhì)的大致來(lái)源,ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)及ρ(Na+)/ρ(Ca2+)的值若相對(duì)較低,則表示地下水以方解石溶解作用為主,若地下水具有較低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值以及較高的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值,則表示地下水以白云巖的風(fēng)化溶解作用為主[19]。如圖5(c)所示,研究區(qū)水樣點(diǎn)普遍具有較高的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值以及較低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值,且除GW-1龍門(mén)村地?zé)峋?其余全部在1∶1線之上,表明地下水中白云巖的風(fēng)化溶解多于灰?guī)r(方解石)。

研究區(qū)地下水陽(yáng)離子主要成分為Mg2+和Ca2+,陰離子主要成分為SO24-和HCO-3,兩類離子呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,其中SO24-來(lái)源于研究區(qū)的硬石膏[20],如圖5(d),幾乎所有地下水水樣點(diǎn)都處在1∶1線上側(cè),且接近1∶1線。表明Mg2+及Ca2+的含量略多于SO24-和HCO-3,原因由于白云巖及灰?guī)r中的Mg2+和Ca2+置換出部分Na+,致使地下水中兩種陽(yáng)離子含量偏高,過(guò)量的Mg2+、Ca2+被Cl-以及SO24-中和。

5.4 人類活動(dòng)影響

研究區(qū)地下水中存在以NH4+、NO2-和NO-3形式的氮元素。NO-3等氮元素的存在與人類生產(chǎn)生活活動(dòng)有關(guān)[21]。研究區(qū)地下水氮元素濃度(單位為mg/L)分布圖如下所示。

深層地?zé)峋瘜W(xué)成因與淺層地下水或泉水成因不盡相同,氮元素濃度分布圖由圖6(a)和圖6(b)組成,圖6(a)為包含GW-1地?zé)峋牡貪舛鹊戎稻€圖,圖6(b)不包含。兩圖對(duì)比可知,GW-1龍門(mén)村點(diǎn)附近兩圖區(qū)別較大。由于以NO-3為主的氮元素主要與人的生產(chǎn)生活有關(guān),且主要存在于淺層水中,在人口聚集區(qū)W-14北石佛為代表的淶源盆地地區(qū),氮元素含量超過(guò)其他區(qū)域,而深層GW-1地?zé)峋牡睾績(jī)H為0.03 mg/L。

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)地下水為弱堿性,TDS處在300~500 mg/L之間,適宜作為生活飲用水。

(2)研究區(qū)地下水主要離子為Mg2+、Ca2+、HCO-3、SO24-,水化學(xué)類型普遍為HCO3-Ca·Mg或HCO3-Mg·Ca型。

(3)該區(qū)主要離子組分受巖石風(fēng)化作用控制,主要來(lái)源于巖石的風(fēng)化溶解,區(qū)域內(nèi)的白云巖、灰?guī)r及硬石膏為Ca2+、Mg2+和SO24-、HCO-3的巖鹽淋濾提供了物質(zhì)條件。

(4)研究區(qū)白云巖和灰?guī)r的飽和致使地下水中的Mg2+及Ca2+置換出Na+,使地下水中Na+含量偏低,甚至低于檢出限;研究區(qū)灰?guī)r中的方解石水解為地下水提供了更多的Ca2+,最終結(jié)果為ρ(Mg2++Ca2+)＞ρ(HCO-3);較高 的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值以及較低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值,表明地下水中白云巖的風(fēng)化溶解多于灰?guī)r(方解石);由于白云巖及灰?guī)r中的Mg2+和Ca2+置換出部分Na+,致使地下水中Mg2+、Ca2+含量偏高,且SO24-則來(lái)自研究區(qū)的硬石膏溶解,過(guò)量的Mg2+、Ca2+被Cl-以及SO24-中和。

(5)氮元素主要集中在以W-14北石佛為代表的淶源盆地人口聚集區(qū),且主要處在淺層水,深層地?zé)崴械牡嘏c古生物等其他因素有關(guān)。