甘肃南部宕昌-武山县地下水化学特征及成因分析

黄琬云，李晓，李玥樾，赵亚茜

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；2.四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，绵阳 621000)

甘肃南部宕昌-武山县位于秦岭西延部分，地质背景复杂，水资源分布不均。随着经济发展、能源开发和人口密度的增长，地下水资源的需求日益增大。已有的研究多集中在水资源现状与开发上，且多研究甘肃北部、东部和中部黄土高原地区，如赵建中[1]等对甘肃省地下水资源短缺现状以及水资源时空分布情况进行了研究。张家骥[2]等人对黄河流域甘肃段地下水资源进行评价，探讨地下水开发利用情况。李平平[3]对岷县地下水水质进行了评价，发现80%水源地水质不达标，不能直接饮用。与之相比，甘肃南部研究工作较少，尤其水文地质工作需要加强。本文利用水化学图、Gibbs图、离子比例分析、饱和指数等方法，通过对甘肃南部宕昌-武山地下水化学组分进行分析，揭示了复杂地质背景下地下水化学特征、演变规律及其形成原因，增加了甘肃南部地区水文地质方面的基础研究，也为当地合理开发与保护管理地下水资源提供理论依据。

1 研究区概况

宕昌-武山县位于甘肃南部，是甘南市、陇南市、天水市以及定西市4市交汇区，属于秦岭西延部分高山-中山地貌，紧邻中国南北分界地带。年降雨量介于150～650 mm，涉及长江、黄河两大水系，其主要流域包括白龙江、岷江、洮河、渭河。其构造格局由光盖山-迭山断裂、合作-临潭-岷县大断裂以及漳县-武山断裂3条区域大断裂控制[4]。在地层上，从中元古代到新生代发育齐全，在区内均有出露。其中白垩系在历史演化过程中，形成了一套独特的沙漠沉积，地形呈现起伏不大相对平坦的古地貌的盆地地形[5]。根据岩性特征将众多地层分类为碳酸盐岩地层、碳酸盐岩夹砂岩地层、砂岩地层以及岩浆岩地层，形成了松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水。大气降水是研究区地下水的主要补给来源，地下水径流受地势起伏以及断裂构造的控制，形成了一套北西-南东向地下水径流体系，在地形切割、径流受阻时多以泉、地下暗河的形式排泄至地表。

2 样品采集与测试

在研究区布设采样点(图1)，共采取50组水样，其中30组地下水样和20组地表水样。取样点布设主要以不同地层的井点、泉点、地下河出口和重要地表水系为主，其水化学特征具有一定代表性。根据地下水点所属地层可划分为碳酸盐岩地层地下水、砂岩地层地下水以及碳酸岩夹砂岩地层地下水，其中砂岩地层的水样点主要位于石炭系巴都组(C1b)、二叠系十里墩组(P1sl)、白垩系磨沟组(K1m)地层等。

水样中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-OES)进行测定； HCO3-使用酸碱指示剂滴定法进行测定； SO42-、Cl-、NO3-采用离子色谱仪进行测定。所有样品通过电荷平衡检验(≤5%)，各项指标的准确度符合质量要求。

3 结果与分析

3.1 水化学特征

3.1.1 水化学组成特征

各水样化学组分结果见表1所示，pH为7.05～8.36，整体呈弱碱性。TDS值变化不大，碳酸盐岩地层、碳酸盐岩夹砂岩地层和砂岩地层中分别介于237.7～291.8 mg/l、132.9～288.6 mg/l、163.9～593.5 mg/l，总体上为小于1.0 g/l的淡水。以灰岩为主的碳酸盐岩地层和碳酸盐岩夹砂岩地层中，地下水阴阳离子浓度关系相似，分别以HCO3-、SO42-和Ca2+、Mg2+为主。砂岩地层地下水中阴离子以HCO3-、SO42-为主，但阳离子含量关系多变，存在以Ca2+、Mg2+；Ca2+、Na+；Na+、Mg2+和Na+、Ca2+为主的多种情况。

碳酸盐岩地层和碳酸盐岩夹砂岩地层中各离子的变异系数相对较小，说明在该地层中各离子含量较为稳定，变化不大；而砂岩地层中各离子变异系数普遍偏大，其中Na+、Cl-的变异系数达1.67、1.25，离子含量分别为3.08～134 mg/l、1.23～35.80 mg/l。Na+、Cl-含量明显偏高的水点多位于砂岩地层中的白垩系磨沟组地层，初步判定为该套地层独特的沙漠沉积以及平坦的古构造地貌，地下水径流缓慢，同时伴随的阳离子交换吸附作用是Na+、Cl-变化明显的主要因素。

1.水系；2.取样点；3.断裂；4.志留系地层；5.石炭系地层；6.花岗岩；7.新近纪地层；8.三叠系地层；9.泥盆系地层；10.二叠系地层；11.白垩系地层；12.研究区图1 采样点分布示意图

表1 水化学分析结果

3.1.2 水化学类型特征

Piper三线图可以直观反映水体的化学组分和水化学类型[6]。如图2所示，地表水以HCO3- Ca、HCO3- Ca·Mg型水为主。碳酸盐岩地层和碳酸盐岩夹砂岩地层岩性单一、径流条件好，水化学类型以HCO3-Ca型水为主。砂岩地层中的二叠系十里墩组(P1sl)和石炭系巴都组(C1b)等地层以HCO3-Ca型水为主，但白垩系磨沟组地层地下水，受其特有的中粒度均匀厚层细砂岩的平坦地貌影响，地下水径流迟缓，水岩反应时间长，地下水化学类型存在由HCO3-Ca型水转变为HCO3-Na·Ca型水(S05→S03)的情况。

图2 宕昌-武山地区地下水与地表水Piper三线图

3.2 水化学类型成因分析

3.2.1 地下水化学控制作用

结合Gibbs图可反映水中主要离子控制因素[7,8]，主要分为大气降水、蒸发浓缩、岩石风化3类。当TDS质量浓度较低，阳离子或阴离子质量浓度比值大于0.5时，表明主要受降雨作用的控制；当TDS质量浓度较高，阳离子或阴离子浓度比值大于0.5时，表明主要受蒸发作用控制；当TDS质量浓度中等，阳离子或阴离子浓度比值小于0.5时，表明主要受岩石风化溶滤作用控制。

由图3可见，研究区不同地层的地下水化学组成均受岩石风化作用控制，而各地层虽都接受大气降水的补给，但经历了下渗、径流过程中的溶滤、混合等作用后，大气降水对地下水化学成分已没有明显影响。从各水样点分布来看，砂岩地层中水点分布相对零散，主要是由于局部砂岩地层中地下水径流相对缓慢，导致Na+含量偏高，尽管如此，零散水点仍位于岩石风化作用控制区。

3.2.2 主要离子比例关系

碳酸盐岩地层、碳酸盐岩夹砂岩地层以及砂岩地层3类含水岩组地层中的离子关系如图4所示，不同离子的比例在一定程度上说明了不同地下水化学的成因过程[9, 10]。水体中Cl-与Na+的关系见图4(a)，多数水点分布在1∶1岩盐溶解线之下，Na+浓度高于Cl-浓度，表明研究区除盐岩溶解外，可能还存在硅酸盐类矿物(长石)的溶解或阳离子交换作用。若发生硅酸盐类矿物的溶解，则会出现HCO3-+SO42-含量同时增加，而Ca2++Mg2+含量不变的情况。其中出露于白垩系磨沟组(K1m)砂岩地层中S03、S16水样点，Na+、Cl-含量明显偏高，结合图4(d)中HCO3-+SO42-与Ca2++Mg2+比例关系可见，两水点明显向上偏离1∶1线，表明白垩系磨沟组砂岩地层中硅酸盐矿物溶解是Na+、Cl-另一重要来源。而其他地层水点Na+高于Cl-浓度则主要由于阳离子交换作用，受硅酸盐矿物风化溶解影响小。图4(b)所示，多数水点位于HCO3-/(Ca2++Mg2+)的1∶1线附近，说明研究区地下水中Ca2+、Mg2+主要来源于白云石、方解石溶解。结合HCO3-与Ca2+比例关系图4(c)，Ca2+、HCO3-主要来源于方解石溶解，局部砂岩地层主要来源于白云石溶解。

图3 研究区水化学Gibbs图

利用地下水氯碱指数(CAI)可明确地下水化学演化过程中离子交换强度[11]。若地下水中Ca2+或Mg2+与含水层矿物中的Na+进行交换，则其为负值；若地下水中Na+与含水层矿物中的Ca2+或Mg2+发生离子交换，则其为正值[12,13]。

ClA-Ⅰ=[Cl-(Na+K)/Cl]

ClA-Ⅱ=[Cl-(Na+K)/(SO4+HCO3+NO3)]

图4(e)所示，所有水点的CAI-1、CAI-2均为负值，表明研究区地下水中发生Ca2+或Mg2+交换含水介质的Na+。其中砂岩地层中CAI-1、CAI-2值低于其他地层水点，表现出较强的离子交换程度。此外，[(Na++K+)- Cl-]与[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+ SO42-)]关系也可表征阳离子交换作用。[(Na++K+)- Cl-]表示除岩盐、钾盐溶解外引起的Na++K+的增加或减少，[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+ SO42-)]表示除方解石、白云石和石膏溶解外所导致的Ca2++Mg2+的增加或减少[14]。若两者线性关系的斜率为-1，则发生阳离子交换作用。由图4(f)可知，几乎所有地下水样点分布在斜率-1 线附近，并沿右侧分布，可见地下水中Na+多而Ca2++Mg2+少，表明正向阳离子交换作用在研究区广泛发生，与氯碱指数得出的结论一致。

另外，根据离子关系图可见S44地下水点明显异于其他水点，该点位于区内合作-岷县大断裂上，该断裂呈北西-南东向贯穿整个研究区，规模大、切割深，构成了明显的压力骤降区，是地下水流动的主要通道。断层两侧泥盆系-三叠系中的地下水均向断层通道发生补给，加之北西方向的地下水一直顺断层径流，不同来源地下水在断层通道内混合，形成水化学异常带。

3.2.3 矿物饱和指数

利用Phreeqc软件计算研究区地下水中主要矿物的饱和指数(SI)，判断岩盐、石膏、方解石、白云石等矿物的溶解状态[15]。

如图5所示，宕昌-武山地区所有水样点中岩盐和石膏均处于溶解状态，说明岩盐和石膏溶解是研究区内地下水矿化过程中Na+、Cl-、Ca2+、SO42-的重要物质来源。

白云石和方解石矿物饱和指数结果显示，不同地层中的溶解平衡状态存在差异，碳酸盐岩类地层中除S41泉点，其余水点中白云石和方解石均处于饱和状态，表明这两种矿物控制着碳酸盐岩地层中地下水的化学成分。而流量为85 l/s的S41泉点，强水循环交替影响是其白云石仍处于溶解状态的主要原因。砂岩地层中，地下水补给、径流、排泄关系明显影响方解石和白云石的饱和状态，当水样点位于补给区，径流时间较短时，地下水点中方解石和白云石多处于非饱和状态，如位于海拔较高位置的S35、S33、S09水点，其方解石和白云石均处于溶解状态。

图4 宕昌-武山地区地下水离子比值关系图

但白垩系磨沟组(K1m)砂岩地层受其地层背景的影响，地下水径流缓慢，循环交替条件差，方解石和白云石均达到饱和状态。同时，区域断裂带上的S44泉水中方解石和白云石处于饱和状态，与地下水补给至断层以及在断层通道内长距离径流密切相关。

4 结论

(1) 甘肃南部宕昌-武山地区水体整体呈弱碱性、矿化度低；不同地层背景下的地下水化学组分含量存在差异。碳酸盐岩地层及碳酸盐岩夹砂岩地层中阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO3-、SO42-为主，主要形成HCO3-Ca型水；砂岩地层中阴离子以HCO3-、SO42-为主，但阳离子含量关系多变，存在以Ca2+、Mg2+；Ca2+、Na+；Na+、Mg2+和Na+、Ca2+为主的多种情况，形成了HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg以及HCO3-Na·Ca型水。

图5 宕昌-武山地区地下水矿物饱和指数图

(2) 研究区碳酸盐岩地层和碳酸盐岩夹砂岩地层中，岩性较为单一，各离子变异系数相对较小，离子含量较为稳定；而砂岩地层中各离子变异系数普遍偏大，以Na+、Cl-最为突出，变化突出水点多位于白垩系磨沟组砂岩地层，主要是受该地层独特的沙漠沉积以及平坦的古构造地貌影响，地下水径流缓慢所导致。

(3) 各地层地下水中离子均受岩石风化作用控制，在地下水径流过程中，主要发生了岩盐、石膏的溶解，方解石的沉淀，白云石和长石的溶解或沉淀，以及阳离子交换作用。其中砂岩地层中离子含量受硅酸岩盐溶解影响明显，离子交换作用强于碳酸盐岩类地层。

(4) 位于构造影响带下的地下水接受了断层通道沿途不同地层地下水的侧向补给，同时长距离径流过程中，不断与围岩发生反应，使得地下水化学组分异于常值，如研究区出露于内合作-岷县大断裂上的S44泉点，各离子含量普遍偏高。