峨眉山玄武岩地下水水化学特征及水质评价

林永生 邹胜章 王佳 李军

摘要：四川昭觉县地区峨眉山玄武岩地下水资源丰富。为了查明研究区地下水水化学特征及水质状况，于2019年7～8月在峨眉山玄武岩地区采取了76组地下水样并进行水化学测试;运用水化学软件绘制Piper 三线图，并对水样进行了舒卡列夫分类;利用统计软件进行描述性分析、相关性分析;采用地下水水质量综合评价方法进行水质评价。研究结果表明：① 峨眉山玄武岩地区地下水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg 型，其次为HCO3-Ca型，地下水化学成分具有明显的空间变异性;② 地下水质量综合评价结果显示研究区的地下水质量能够满足饮用水标准的占67.1%，总体上地下水质量较好;③ 19组水样的偏硅酸大于25.0 mg/L，满足Ⅲ类水标准的有10组水样，硅酸浓度达到了天然矿泉水标准，建议进行一个完整水文年的天然饮用偏硅酸矿泉水评价工作。研究结果可为昭觉县地下水资源开发及矿泉水产业发展提供科学依据。

关 键 词：

水化学特征; 水质评价; 偏硅酸; 峨眉山玄武岩

中图法分类号： P641.6

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.004

我国玄武岩（主要指新生代玄武岩及二叠纪峨眉山玄武岩）出露面积约为13.4万km2，是全球大陆玄武岩分布的重要区域之一。其中，分布于云南、贵州及四川三省交界区域的二叠系峨眉山玄武岩，呈近似菱形分布，露头面积约3.8万km2[1-3]。玄武岩为孔隙、裂隙双重介质，在特殊的条件下，是良好的含水层[4]。20世纪80年代，我国开展的“中国玄武岩地下水研究”是第一次对玄武岩地下水进行较全面、系统的专题研究[5]。近年来，国外学者对玄武岩裂隙发育、地下水特征等进行了研究，表明地下水化学成分由于矿物溶解和水-岩相互作用，沿地下水流路径逐渐变化[6-7]。国内主要是对玄武岩地区矿泉水特征、开发潜力等进行研究，尤其是对长白山地区[8-13]、雷琼地区[14-16]新生代玄武岩进行了重点研究。而对西南二叠纪峨眉山玄武岩矿泉水，尤其是峨眉山玄武岩地下水区域水化学特征及水质量状况的研究相对较少[17-19]。

昭觉县位于四川乌蒙山区腹地，二叠纪峨眉山玄武岩分布广泛，其玄武岩地下水资源丰富。前人对昭觉县玄武岩地区地下水研究工作相对较薄弱。随着昭觉县脱贫攻坚工作的开展，为满足经济发展及产业布局对地下水资源的需要，在昭觉县开展了水文地质调查研究工作。本文探讨了昭觉北部峨眉山玄武岩地区地下水水化学特征及其地下水质量，其结果有助于地下水资源的开发利用和保护，提高昭觉县玄武岩地区地下水研究水平。

1 研究區概况

昭觉县位于四川省凉山彝族自治州中东部，县境受金沙江水系强烈切割剥蚀，东部侵蚀基准面降低，形成了西高东低的地貌类型。地貌以中山和山原为主，约占总面积的89%左右，境内最低点520 m，最高点3 878 m，相对高差3 358 m。属川西高原雅砻江温带气候区，干湿季节分明，冬季干寒，夏季湿润，多年平均气温10.9 ℃。昭觉县境内河流属长江上游金沙江水系。研究区为昭觉县北部地区。

2 研究区水文地质背景

依据研究区地层岩性、地质构造以及水动力条件，研究区地下水划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及碳酸盐岩岩溶水三大类。其中，基岩裂隙水包括了基岩孔隙裂隙层间水、碎屑岩裂隙水、岩浆岩裂隙水。

松散岩类孔隙水主要分布于河谷两岸、沟口冲积扇以及昭觉盆地、核竹盆地。碎屑岩类孔隙裂隙层间水主要分布于昭觉盆地北部、庆恒乡一带，木佛山西侧。碎屑岩裂隙水主要分布于金曲乡、昭觉盆地四周。碳酸盐岩岩溶水分布于木佛山断裂及竹核乡东部。本文主要讨论岩浆岩（峨眉山玄武岩）裂隙水（见图1）。

玄武岩地下水赋存于玄武岩类岩石的孔隙、裂隙和孔洞中。峨眉山玄武岩在研究区分布范围广，面积约271.3 km2，主要分布在补约乡-色底乡、木佛山、尔古乡南侧一带。峨眉山玄武岩组分为二段、三段。峨眉山玄武岩组二段（P3em2）厚931.20～1 082.25 m不等，分布较为广泛，主要分布于补约乡-色底乡、木佛山、尔古乡南侧，岩性以深灰色、灰褐色致密块状玄武岩、杏仁状玄武岩、斑状玄武岩、玄武质凝灰角砾熔岩为主，夹玄武质角砾岩，底部为青褐色玄武岩。峨眉山玄武岩组三段（P3em3）厚228.11 m，分布面积较小，分布于乌坡乡、竹核盆地以南、木佛山一带，呈条带状或者环状分布，岩性以暗紫色含杏仁状玄武岩、灰-灰绿色致密状玄武、杏仁状玄武岩、深灰色含杏仁安山质玄武岩组成，底部为灰紫色硅化、钠化玄武质角砾熔岩，组成多个厚度不等的韵律层。

地下水主要受大气降水入渗补给，地下水径流受地形地貌和地层结构控制。由于研究区峨眉山玄武岩厚度大，孔隙、裂隙发育，地下水沿孔隙、构造裂隙、风化裂隙等径流，向低洼地形及台地周边排泄。大多在沟壑中溢出或沿构造断裂带上升到地表，以泉的形式溢出。

3 样品采集与测试

为查明地下水化学特征以及水质状况，选取了76个泉点采样，分布见图1。采样前先用纯净水清洗采样瓶3次，再用待采样水润洗3次;现场测试水样的pH、水温、电导率等各项指标，稳定后取样;根据DD2008-01《地下水污染调查评价规范》、GB/T 14848-2017《地下水质量标准》和DZ/T 0064-93《地下水水质检查方法》[20-21]，由自然资源部岩溶地质资源环境监督检测中心对水样进行了分析测试。

各指标间的特征统计、相关性分析均采用统计软件完成，Piper 三线图采用水化学软件制作。用地下水质量综合评价法对水质进行评价。

4 地下水化学特征

4.1 常量元素分析

对研究区76个水样的8项水化学指标数据进行统计分析，统计结果见表1。

由表1可知，研究区地下水pH值为6.06～9.73，平均值为7.56。有两组水样pH值大于8.5，说明研究区地下水大部分为弱碱性。各阴离子在地下水中的平均含量为HCO3-> SO42-> Cl-，各阳离子在地下水中的平均含量为Ca2+>Mg2+>Na+>K+。

利用水化学软件绘制水化学Piper三线图（见图2），直观地确定地下水中的主要离子及特征组分。按舒卡列夫分类法，研究区地下水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型（36组），HCO3-Ca型水有16组，HCO3-Ca·Mg·Na 型16组，HCO3-Ca·Na有4组，HCO3·SO4-Mg·Na、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg各 1组。

在玄武岩地区，水岩作用主要发生的溶解反应方程式如下：

（1）全等溶解。

CaSO4·2H2O（石膏）Ca2++SO42-+2H2O;

CaCO3（方解石）+H+Ca2++HCO3-;

SiO2（石英）+2H2OH4SiO4;

CO2+H2OH2CO3;

NaClNa++Cl-;

CaCO3Ca2++CO32-;

（2）非全等溶解，硅酸盐和铝硅酸盐的非全等溶解均可使水中出现H4SiO4。

Mg2SiO4+4CO2+4H202Mg2++4HCO3-+H4SiO4

钾长石：

CaAl2Si2O8+2H++H2OAl2Si2O3（OH）4+Ca2+

硅酸的进一步离解作用可形成水中的偏硅酸：H4SiO4 H2SiO3+H++OH-。

玄武岩中的长石含量比较高，因此地下水与长石之间的水岩作用也最具有代表性，本文结合变异系数（CV）讨论。变异系数主要用于反映数据的相对离散程度，一般认为CV≤0.1为弱变异性，0.1

4.2 主要微量组分特征

微量组分主要考虑偏硅酸、F-、Hg、Sr、Al，统计分析结果见表2。从表2中可知，所取玄武岩裂隙水中偏硅酸含量为8.15～51.09 mg/L，均值为21.56 mg/L。根據我国饮用矿泉水命名标准GB 8537-2018中规定偏硅酸含量大于25 mg/L，则可命名为偏硅酸矿泉水。本次测试结果中，偏硅酸含量大于25.0 mg/L的水样有19组，因此对水质进行评价，从而得出是否有价值。锶含量为0.008～0.635 mg/L，达到天然饮用矿泉水值（0.2 mg/L）仅1组样。

F-、Al、Hg含量最高分别为3.69，2.36 mg/L和0.04 mg/L，均超过了地下水质量标准Ⅲ类标准限值，应引起注意。从表2中可看处，除偏硅酸外，微量元素含量的变异系数均较大，都表现出较强的空间变异性。

4.3 讨 论

水中离子浓度和指标之间的相关性是离子的物理、化学性质以及互相作用的结果，相关分析可以揭示地下水化学参数的相似性和差异性，并分析水源的一致性和差异性[23-26]。利用SPSS 24.0 软件Person 相关积差系数，对所采集的地下水中各离子间的相关性进行分析。

大气降水入渗地下，在径流过程中，发生水岩相互作用，会产生一部分特征组分。玄武岩中的长石含量比较高，因此地下水与长石之间的水岩作用也最具有代表性，泉水中主要阳离子Ca2+，主要来源于长石的水解过程中[17]。由表3中可以看出，Ca2+和HCO-3正相关系数达0.945，基本上呈线性分布，具有相同的变化规律，表明了具有相同的来源，印证了其主要来自于玄武岩的溶解。

Cl-是水循环中的一种保守元素，不参与化学风化，但可来自人类源，如农业化合物（碳酸钾或KCl）、含盐生活污水、动物粪便和经Cl2处理的自来水[27]。从表3中可以看出，K+和Cl-呈显著的正相关关系，表明主要来源为农业来源。

从表4中可以看出，F-和Al、Hg和Al均呈正的显著相关关系，表明这些元素可能经过相似的环境地球化学作用[28-29]。

研究区地下水中偏硅酸含量较高。偏硅酸泉水形成的主要原因为地下水与围岩的长期相互水岩作用[30]。SiO2存在于地壳中的各种岩石和矿物中，包括石英、硅铝酸盐和黏土矿物，在一般环境条件下，石英溶解非常缓慢[31]。含有CO2的大气降雨入渗玄武岩地层，通过岩层的风化、构造裂隙向下运移，与玄武岩中的铝硅酸盐、硅酸盐矿物发生较为充分的水岩作用产生了偏硅酸[18]。通常情况下，水解反应的程度越强，地下水中偏硅酸的含量越高。随着水解反应的进行，与Na+呈同类质同像可溶性SiO2也随之溶在水中，因此，Na+与偏硅酸呈正相关（见表5）。

5 地下水质量评价

水质评价工作是水资源保护、开发和利用的重要内容，对科学地认识和利用水资源具有重要的意义。据DZ/T0288-2015《区域地下水污染调查评价规范》和《区域地下水污染调查评价技术要求》，本次暂不考虑有机指标，地下水质量评价将采用GB/T 14848-2017《地下水质量标准》中提出的综合指标评价方法[32]。

根据评价方法，确定地下水水质分级，评价结果为：Ⅱ类水17点，占总数的22.4%;Ⅲ类水34点，占总数的44.7%;Ⅳ类水17点，占总数的22.4%，超标因子为Al;Ⅴ类水8点，占总数的10.5%，超标因子为Al、F、Hg。对IV、V类超标因子进行统计，发现Al超标率达31.6%，主要还是天然背景来源。

在评价结果中，满足饮用水标准的Ⅱ类水、Ⅲ类占67.1%，可以看出峨眉山玄武岩地区大部分水质较好。其中，有10组偏硅酸大于25.0 mg/L，硅酸浓度达到了天然矿泉水标准，建议进行一个完整水文年的天然饮用矿泉水评价工作。

6 结 论

（1） 昭觉北部峨眉山玄武岩地区地下水阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO3-为主，地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主，显示了该区玄武岩对水化学类型的控制。从变异系数可知，除pH 值外，其余指标均表现出较好的变异性。

（2） 对该区主要离子和微量元素进行描述性分析及相关性分析表明，Ca2+和HCO3-呈显著的正相关关系，具有相同的来源，主要来自于玄武岩的溶解。K+和Cl-呈显著的正相关关系，主要来源为农业来源。偏硅酸与Na+呈正相关，表明玄武岩中的硅酸盐矿物发生了较为充分的水岩作用产生了偏硅酸。

（3） 地下水质量评价结果显示，Ⅱ类、Ⅲ类水占总数的67.1%，Ⅳ类水占总数的22.4%，Ⅴ类占总数的10.5%。超标因子为Al、F、Hg。因此，从综合评价的结果看，研究区大部分区域地下水满足饮用标准。

（4） 偏硅酸含量大于25.0 mg/L的水样有19组，且满足Ⅲ类水标准的有10组。建议进一步利用新技术新方法，深入研究玄武岩赋水规律，同时开展一个完整水文年的天然饮用矿泉水评价，以尽快支撑当地脱贫攻坚及产业发展的的需要。

参考文献：

[1] 林建英.中国西南三省二叠纪玄武岩系的时空分布及其地质特征[J].科学通报，1985（12）：929-932.

[2] 王旺章，汪云亮，曾昭貴，等.峨眉山玄武岩母岩浆的性质及其成因类型[J].矿物岩石，1996（1）：17-23.

[3] 周利，刘文景，周晓得，等.峨眉山玄武岩化学风化研究：以龙苍沟小流域为例[J].地质科学，2019，54（1）：289-303.

[4] 陈志新，李云峰.大同市万泉河流域玄武岩地下水开发研究[J].西安工程学院学报，2002（3）：23-27.

[5] 贾福海.中国玄武岩地下水[M].北京：地质出版社，1993

[6] KULKARNI H，DEOLANKAR S B，LALWANI A，et al.Hydrogeological framework of the Deccan basalt groundwater systems，west-central India[J].Hydrogeology Journal，2000，8（4）：368-378.

[7] DAFNY E，BURG A，GVIRTZMAN H.Deduction of groundwater flow regime in a basaltic aquifer using geochemical and isotopic data：The Golan Heights，Israel case study[J].Journal of Hydrology，2006，330（3/4） ：506-524.

[8] 张勃夫.长白山靖宇矿泉水矿田形成分布特征及开发战略建议[J].吉林地质，2001（2）：58-63.

[9] 赵清华，谭文清，孙春.吉林长白山饮用天然矿泉水形成条件与资源保护[J].吉林地质，2005（4）：64-70.

[10] 陈建生，江巧宁.地下水深循环研究进展[J].水资源保护，2015，31（6）：8-17，66.

[11] 闫佰忠，肖长来，梁秀娟，等.靖宇县玄武岩区矿泉水特征组分H2SiO3成因实验：以王大山泉为例[J].吉林大学学报（地球科学版），2015，45（3）：892-898.

[12] 高月.抚松县矿泉水补给条件与形成机理研究[D].长春：吉林大学，2016.

[13] 闫佰忠，肖长来，梁秀娟，等.长白山玄武岩区盆地型地热水特征及成因模式[J].地质论评，2018，64（5）：1201-1216.

[14] 姚锦梅，周训，李娟，等.广东雷州半岛玄武岩地下水水文地球化学特征及演化模拟[J].地质通报，2007（3）：327-334.

[15] 曾敏，彭轲，何军，等.雷州半岛东部地区地下水环境特征研究[J].地下水，2018，40（6）：17-20，116.

[16] 尚子琦.雷琼地区玄武岩泉水水化学特征及成因分析[D].北京：中国地质大学（北京），2019.

[17] 胡德勇，陶小郎，崔云祥，等.峨眉山玄武岩地区优质泉水分布规律研究[J].四川地质学报，2017，37（4）：625-628.

[18] 单婷婷，徐世光，范柱国，等.昆明西山偏硅酸矿泉水特征及形成机理[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2019，44（2）：39-47.

[19] 迟帅，徐世光，郭婷婷.云南松茂区矿泉水成因研究[J].中国水运（下半月），2019，19（2）：210-211.

[20] 张荣，王中美，周向阳.黔南龙里地区岩溶地下水水化学特征及水质评价[J].水利水电技术，2019，50（5）：167-174.

[21] 张世旭，王中美，代天豪.毕节地区岩溶地下水水化学特征与水质评价[J].长江科学院院报，2019，36（5）：28-33，41.

[22] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社，2002：30-35.

[23] 林永生，裴建国，邹胜章，等.清江下游红层岩溶及其水化学特征[J].广西师范大学学报（自然科学版），2018，36（3）：113-120.

[24] 李晓姣，张岱琼，乔俊，等.基于多元统计方法的某地浅层地下水污染来源分析[J].中国环境监测，2020，36（1）：88-95.

[25] 杨森，李义连，姜凤成，等.高店子幅水化学特征及水质评价[J].地质科技情报，2019（2）：226-234.

[26] 林永生，裴建国，杜毓超，等.基于多元统计方法的岩溶地下水化学特征及影响因素分析[J].环境化学，2016，35（11）：2394-2401.

[27] 蓝家程，杨平恒，任坤，等.重庆老龙洞地下河流域氮、磷及微生物污染调查研究[J].环境科学，2014（4）：1297-1303.

[28] VITAL M，MARTíNEZ D E，BABAY P，et al.Control of the mobilization of arsenic and other natural pollutants in groundwater by calcium carbonate concretions in the Pampean Aquifer，southeast of the Buenos Aires province，Argentina[J].Science of The Total Environment，2019（674）：532-543.

[29] EGLI M，DüRRENBERGER S，FITZE P.Spatio-temporal behaviour and mass balance of fluorine in forest soils near an aluminium smelting plant：short-and long-term aspects[J]Environmental Pollution，2004，128（2）：195-207.

[30] 沈照理，王焰新.水—岩相互作用研究的回顾与展望[J].地球科学（中国地质大学学报），2002，27（2）：127-133.

[31] 沈照理.水文地球化學原理[M].北京：地质出版社，1993.

[32] 全国国土资源标准化技术委员会（SAC/TC 93）.地下水质量标准：GB/T 14848-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

（编辑：刘 媛）

Hrdrochemical characteristics and water quality assessment of

Emei Mountain basalt groundwater

LIN Yongsheng，ZOU Shengzhang，WANG Jia，LI Jun

（Key Laboratory of Karst Dynamiccs，Ministry of Natural Resources & Guangxi Zhuang Zutonomous Region MLR&GZAR，Institute of Karst Geology，CAGS，Guilin 541004，China）

Abstract：

Emei Mountain basalt groundwater resources are abundant in Zhaojue County area of Sichuan Province.In order to ascertain the groundwater hydrochemical characteristics and water quality conditions in the study area，76 groups of groundwater samples were taken from the Emei Mountain basalt region for hydrochemical testing from July to August 2019.The water chemical software was used to make a Piper′plot，and the Shoka Lev′s classification was performed on the water samples.The water chemical characteristics and sources were studied by descriptive analysis and correlation analysis using statistical software.Comprehensive assessment method of groundwater quality was used for water quality assessment.The results show that：① The groundwater chemistry type in the Emei Mountain basalt area is mainly HCO3-Ca·Mg type，followed by HCO3-Ca type，and the groundwater chemical composition has obvious spatial variability;② the comprehensive evaluation results of groundwater quality show that the quality of groundwater is generally good，and about 67.1% of the groundwater samples can meet the drinking water standards;③ the metasilicic acid of 19 groundwater samples are greater than 25.0 mg/L，and 10 groups meet the class III water standard，the silic acid concentration meet the natural mineral water standard.It is recommended to carry out a natural drinking metasilicic acid mineral water evaluation work of a complete hydrological year.The research results provide scientific basis for groundwater resources exploration and mineral water industry development in the Zhaojue County.

Key words：

hydrochemical characteristics;water quality evaluation;metasilicic acid;Emei Mountain Basalt