策克地区承压水水化学相关性分析

商玮麟，庞家伟，马文学

(1.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074;2.内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，内蒙古呼和浩特010020)

1 区域概况

1.1 区域地质

研究区域位于银—额盆地范围内石板井一小黄山缝合带以北的额济纳旗区的居东凹陷，与北山北带相毗邻，其白垩纪沉积(此次研究的承压水含水层为白垩纪沉积)作用主要受居东1号、居东2号断层控制。该凹陷位于居延海凹陷的东北部，是一个东北断东南超的中新生代单断凹陷，面积为2570 km，凹陷的基底最大埋深6 350m。凹陷的沉积盖层由侏罗纪、下白垩纪和新生界沉积物组成.中生界缺失三叠纪和上白垩纪，侏罗纪和下白垩纪的顶底面均为区域不整合面。居东1号断裂最显著的特点是侏罗纪、早白垩纪沉积中心迁移作用明显，它在侏罗纪以前已经形成，印支运动晚期活动剧烈，下降盘沉积了大套近千米的侏罗纪沉积物，侏罗纪末期构造回返，居东2号断裂反转成为逆断层，侏罗纪沉积物自南向北逆冲，出露水面，遭受剥蚀，剥蚀量近千米;早白垩纪早期居东1号断裂再次恢复正断层性质，断层下降盘边沉降边沉积，堆积了800～900m的早白垩纪沉积，此时的居东2号断裂已取代居东1号断裂在凹陷北部迅速发展，演变成凹陷主控断裂，致使下白垩纪沉积、沉降中心向西北方向迁移。目前在凹陷内发现的构造大多数为断背斜，主要发育于居东2号断裂的下降盘，形成了准扎海断背斜带(侏罗纪)和淮北断背斜带(下白垩纪)，这些构造大多数形成于燕山期。本文主要研究区域白垩纪承压水含水层的水化学特征。

研究区承压水含水层主要为扇中亚相即水下扇的主体部分，由扇中辫状水道及水道间微相组成。扇中辫状水道微相主要岩性为砾岩、含砾砂岩、中细粒砂岩及少量的泥质岩、砂岩中常见泥砾，底部常见冲刷面，层理构造可见粒序层理、块状层理、交错层理，常由多个粒度大致向上变细的砂砾岩叠加形成叠合砂体。大型板状交错扇中水道间微相岩性主要为粉砂质泥岩、泥页岩夹薄层泥质粉砂岩、细砂岩，以水平层理为主，含介形虫、叶肢介及植物碎片等化石。

1.2 水文地质条件

研究区地貌上表现为向南倾斜的戈壁地形和强烈剥蚀的准平原地形，是蒙古人民共和国境内戈壁阿尔泰山东端山前倾斜平原的南延部分(见图1)。地形起伏不大，大约以5‰的坡降向南倾斜。区内洪流沟谷发育，切割密度大，除少数沟谷中生长有一些耐旱植物外，广大戈壁平原上无植物生长。

图1 区域水文简略图

区内气候干旱，年降水量小(多年平均年降水量为32.80 mm)，加之泥岩与砂砾岩互层结构，透水性较差，所以大气降水所形成的洪流对地下水补给量比较小，特别是对层间承压水的补给，更是少之又少。该区内潜水基本没有，局部冲沟中含少量的水。主要是白垩系地层中的碎屑岩类承压水。在构造上，表现为碎屑岩建造的单斜“盆地”，自北向南倾斜。由白垩系泥岩和泥质砂砾岩组成(见图2)，表层覆盖有一层厚度不大的洪积砾砂层。因受基底局部隆起作用的影响，有些地区的碎屑岩被顶托起抬升，外貌呈龙岗状裸露地表。“盆地”北缘耸立着山势高峻的戈壁阿尔泰山，海拔在2 000m以上，降雨量相对较大，所以在山前断裂带有泉群出露，沿山前呈东西条带状展布(见图2)。工作区位于泉群下游，接受戈壁阿尔泰山基岩裂隙水侧向补给。随着径流途径增长及运动速度减缓，水质有逐渐变差的趋势。承压水排泄于额济纳冲—湖积平原和嘎顺淖尔冲湖积平原而补给平原区地下水。

2 各水文地质参数间相关性分析

对区域上22个钻孔(见图3)的含水层厚度、渗透系数(m/d)、导水系数(m2/d)、涌水量(m3/d)、水流梯度、矿化度之间的相关系数进行了计算[1]，值得注意的是:

1)含水层厚与渗透系数的相关系数达－0.68，表明研究区含水层越厚的地方渗透系数越小，这与区域的沉积特征有关，区域承压水含水层主要为扇中亚相即水下扇的主体部分，由扇中辫状水道及水道间微相组成，厚度越大的地方越接近湖心沉积，因而渗透系数越小。[2]

图2 钻孔SK17到戈壁阿尔泰水文地质示意剖面图

2)含水层厚与水力梯度的相关系数达－0.51，表明研究区含水层越厚的地方水力梯度越小，而区域水力梯度主要受含水层走向、倾角控制，说明研究区含水层越厚的地方含水层形态越平缓，这也是由区域沉积特征决定的。

3)涌水量与水头高之间相关系数达－0.57，总体上研究区承压水上游涌水量高于下游，下游地段承压水为上游承压水汇集形成，涌水量较大。

4)水头高与矿化度之间相关系数达－0.65，总体上研究区水头越高的地方矿化度越低，而矿化度与其余参数如水流速度的相关系数绝对值都较小，显然区域矿化度分布最重要的因素为流程，流程越远矿化度越大，但是显然除了流程和以上提及的因素，一些未提及的因素也对矿化度在研究区的分布有显著影响。[3]

图3 取样点分布图

3 区域主要影响因素与各离子浓度相关性分析

对研究区22个钻孔水样的各离子浓度与水头高度、单位厚度含水层富水性(涌水量/含水层厚度，表征单位高厚度含水层的含水量)、水流速度(modfelow计算得到)之间的相关系数进行了计算，值得注意的是:

1)水头高度与 Na+、Cl－、这些承压水主要离子之间的相关系数均小于－0.6，与Ca2+、Mg2+之间的相关系数为 －0.41、－0.37，与 HCO3－的相关系数为0.012，显然前三者受流程控制较明显，Ca2+、Mg2+分布也受流程控制，但其他因素对承压水Ca2+、Mg2+浓度有一定影响，而几乎不受流程因素的控制。

2)水流速度与 Na+、Cl－、SO42－这些承压水主要离子之间的相关系数绝对值均小于0.1，与Ca2+、Mg2+之间的相关系数为 －0.35、－0.31，与 HCO3－的渗透系数为 －0.62，显然前三者几乎不受流速控制，Ca2+、Mg2+受流速控制较小，而受流速因素的控制比较明显，总体上看，承压水流速越大的地方的浓度越小，这与的性质有关。[4]

3)单位厚度含水层涌水量与 Na+、Cl－、这些承压水中含量较高的离子之间的相关系数绝对值均小于0.1，与Ca2+、Mg2+之间的相关系数为 －0.19、－0.16，与的渗透系数为－0.35，显然前三者几乎不受单位厚度含水层涌水量控制，Ca2+、Mg2+略微受到单位厚度含水层涌水量控制，受单位厚度含水层涌水量因素的控制较前者明显，但是其影响程度不及水流流速，总体上看，承压水单位厚度含水层涌水量越大的地方的浓度越小，单位厚度含水层涌水量的地方水压较大，因而含量较小。[5]

4)各离子浓度间相关性分析与各离子浓度场图分析

将各离子浓度相关性分析成果列于下表，表中数字为相关系数。

承压水 TDS 与 Na+、Cl－、SO42－、Ca2+浓度相关系数较大，均在 0.85 以上。分析 Na+、Mg2+、Ca2+、之间的相关系数，先根据潜水与承压水的各离子浓度、TDS范围(承压水1000～3300 mg/l)和本地区岩土样简要分析，列出猜测的这些离子之间可能发生的代表性化学反应[6]:

承压水中 R(Na+，Ca2+)、R(Mg2+，Ca2+)较大，这生成两对离子的矿物在研究区有较显著的共同溶解的特性，R(Na+，)较小，生成这对离子的矿物共同溶解的特性较弱，R(Ca2+，HCO3－)和 R(Mg2+，)R(Cl－，)为负，这对离子在同一区域倾向于一个溶解一个沉淀、转化或者一方的溶解对另一方有一定的抑制作用。综合各离子浓度及岩土成分，可能反应为1、2、4、5、6、7，其中4、5 类型反应与6、8类型反应发生在本地区不同的区域，前两者主要发生在水流流速较小、含水层富水性较差、矿化度较大的区域，后两者主要发生在水流流速较小、富水性较好、矿化度较小的区域，因为据前文分析承压水流速越大的地方HCO3－含量越低而承压水流速越小、富水性越差的区域HCO3－含量越高。可见流速、富水性、矿化度是影响浓度分布的重要因素，而HCO3－分布情况又对Mg2+、Ca2+浓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

如第三节所述矿化度受所处地点流程长度控制较为明显，但还受到未知因素控制。我们绘制出区域矿化度等值线图和流场图进行对比，发现二者均在区域内做有规律的变化，但它们的具体形状差别较大，推测区域矿化度分布除了受到流场影响外，区域岩土本身的矿物分布为最重要的因素。[8]

对比矿化度等值线图与 Na+、Ca2+、SO42－、Cl－四种主要离子的浓度等值线图，(如图4、5、6、7、8)可以发现它们的形状和变化趋势(箭头所指为减小方向)极为相似，它们主要受流场及区域岩土本身矿物分布的控制。

图4 矿化度等值线图

图5 Na+浓度等值线图

图6 Ca2+浓度等值线图

图7 浓度等值线图

图8 Cl－浓度等值线图

对比矿化度等值线图与Mg2+等值线图(图10)，可以发现两幅图的大体形状和趋势相近，但在一些局部二者有一定差异，这种差异主要受HCO3－浓度分布的控制。[9]

图9 浓度等值线图

图10 Mg2+浓度等值线图

4 结语

1)区域矿化度分布主要受流场和区域岩土矿物分布(推测)的控制。

[1]曾溅辉.东营凹陷第三系水一盐作用对储层空隙发育的影响.石油学报.2001，7，第22卷第4期:39.

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[3]王大纯，张人权，史毅虹.水文地质学基础.地质出版社.北京:1995.

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[5]文冬光，沈照理，钟佐燊.水－岩相互作用的地球化学模拟理论及应用[M].北京:中国地质大学出版社.1998.12.

[6]孙占学，等.应用水文地球化学.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]刘宝君，曾允孚.岩相古地理基础和工作方法.地质出版社.1985.

[9]东泵站位置对博湖水动力特性及矿化度影响研究[R].南京:河海大学.2003.