济南岩溶水系统Sr元素分布特征及其指示意义

李佳佳，高宗军，李常锁

(1.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266555；2.山东科技大学地质科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014)

岩石圈中的锶元素化学性质比较稳定，一般不受人为作用的影响。锶在地下水中以Sr2+的形式存在和迁移，岩石中的锶是地下水中锶的主要物源[1]。含锶矿物和富含锶的闪长岩、花岗岩、粘土岩以及碳酸盐岩石是提供锶元素物质来源的主要母岩[1]。因此，地下水中锶的浓度是地下水不断接触围岩相互作用的结果，其在一定的程度上能够反映地下水水质特征及其形成环境。20世纪九十年代以来，锶作为示踪元素在水文地质研究中得到了一定的应用：王焰新等[2]用娘子关泉域锶浓度的变化推断该地区的水动力环境。康志强[3]等人发现在纯碳酸盐岩流域范围内，岩溶水中锶浓度只受控于地下水径流条件，因而Ca/Sr值能良好的示踪岩溶区地下水循环。王增银[4]等根据延河泉岩溶水系统的水化学分析资料分析，发现Sr/Ca、Sr/Mg值可较明了的映现出岩溶水的径流规律。综上，利用微量元素Sr作为示踪元素来解决水文地质中的一些具体问题有一定的优越性。

自上个世纪50年代至今，济南泉域积累了大量的常规水化学资料[5-9]。然而，由于经济发展迅速，开采泉域时间较长，地下水环境受人为因素影响严重[10-12]，仅通过常量元素很难进一步分析济南泉水的补给来源及岩溶水之间的径流规律。近年来，研究者多采用地下水位回归分析[13]、回灌补源地下水流场形态分析[14]、地下水非稳定流数值模型[15]、示踪试验[16]等方法研究济南泉域水循环，利用天然微量元素研究济南泉域的案例少之又少。富锶的古生代海相碳酸盐岩为济南泉域岩溶区水化学的主控地层，本文笔者利用微量元素Sr对济南泉域的补给来源及径流规律做出了新的探索。

1 研究区水文地质特征

济南南部山区广泛分布巨厚的寒武—奥陶系石灰岩，总厚度达1 000余 m。石灰岩溶洞、溶孔、溶隙、溶蚀管道较为发育，济南岩溶地下水补给条件良好、储存空间巨大。济南泉域位处泰山背斜北翼的济南单斜构造，地形南高北低，加之岩层倾向总体为向北，石灰岩体在接受了南部山区地表水及大气降水的补给后，顺地势沿地层倾向由南向北径流，加之一些断裂构造的沟通，岩溶地下水径流通畅；然而，当地下水往北径流至济南火成岩体和石炭、二迭系煤系地层分布区域时，地下水受到阻碍，在围绕灰岩分布的火成岩体和石炭、二迭系煤系地层前缘地带富集，形成岩溶地下水的承压区。在较高的水头压力作用下，岩溶地下水于低洼地段沿着岩溶通道、石灰岩裂隙，穿过局部火成岩的风化裂隙及松散土层，最终涌出地面而形成泉水。

2 数据来源

本次研究工作借助于山东省地质矿产局重大科技攻关项目(2012-045)水样测试资料为依托。2012年5月份(枯水期)和9月份(丰水期)，分别在济南西、东、南3个方向上的碳酸盐岩分布区及部分碳酸盐岩隐伏埋藏区的大范围岩溶水分布区进行水样取水(取样的井深大于100 m)。本次研究范围为：北至奥陶系200～800 m埋深等值线为界，西至马山断裂带，东至文祖断裂带，南以岩溶水与基岩裂隙水的含水岩组界限为界，研究面积约1 400 km2。采样点均匀布设于整个岩溶水系统，现场采样位置见图1。

图1 采样点位置图及水文地质略图

3 Sr元素分布形态及其指示意义

3.1 Sr元素水化学分析数据

笔者根据岩溶地下水82个样品的测试结果，保留士3倍标准离差区间的数据，逐步剔除离群值得到Sr微量元素统计特征表，包括最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、算术平均值、标准离差(σ)、变异系数(Cv)、样本数(N)等。由表1可以看出，剔除的离群数据较少，说明济南泉域Sr元素分布含量变异小，主要受成土母质及径流条件影响，受人为因素影响不大。

表1 济南泉域Sr元素统计特征表 ng/ml

3.2 Sr元素分布形态及其指示意义

笔者根据《多目标区域地球化学调查规范》的要求，分别绘制枯丰水期Sr元素等值线图。根据图2、图3可见，枯水期Sr浓度富集程度最高的位置分布于研究区的北部及东北部，其次分布在党家镇、七贤镇、姚家镇附近。从“两期”的元素变化来看，丰水期相对枯水期Sr元素浓度整体下降但幅度不大，均值由0.341μg/L降为0.31μg/L。

图2 Sr元素枯水期丰度等值线图

图3 Sr元素丰水期丰度等值线图

通过对比发现，丰、枯水期一个明显的变化是：丰水期东郊姚家镇、西郊七贤镇的元素浓度高值区域向趵突泉方向汇聚延伸，初步推测东郊、西郊均为济南泉域地下水的补给来源。另外，还可以发现26号趵突泉取样点无论枯丰水期，Sr元素浓度都明显低于四周浓度值。根据补给区至排泄区Sr元素逐渐增加的规律，若推测泉水全部来源于近源补给，这显然是不正确的。笔者认为形成此现象的原因是南部山区低Sr浓度的岩溶水通过深部循环远距离补给泉水，降低了趵突泉处Sr元素的浓度。

王增银等发现地下水中Sr2+质量浓度随着地下水径流途径增长、水-岩相互作用时间增加而逐渐增高[4]。结合此发现及枯丰水期Sr元素迁移规律，初步推断济南岩溶水地下水流向见图3。

3.3 Sr元素指示意义的验证

为验证济南泉域泉水来源，笔者选用相关系数为0.394的Sr及Ba两种元素，运用PHREEQC软件的MIX模块，选取枯水期26号趵突泉采样点周边的13个取样点测试结果进行不同比例混合。经过不断试算，选取模拟混合结果最接近于26号取样点水质的mix比例，最终按照各采样点的贡献程度，用大小不同的箭头进行标示(见图4)，结果显示济南东部、西部、南部地下岩溶水对趵突泉水均有补给作用。得出的结论同上文推断有高度的一致性。

图4 取样点混合比例示意图

4 济南岩溶水径流规律研究

4.1 Sr/Ca指示的水文地质意义

在济南岩溶区，富锶的古生代海相碳酸盐岩为水化学的主控地层，此类地层的碳酸盐矿物中锶与钙有明显的共生关系。在岩溶作用进行时，将同步溶解含锶和钙的碳酸盐矿物，因此，岩溶水中Sr2+与Ca2+的浓度将同时增加。岩溶水中Ca2+很容易达到溶解平衡，而作为微量元素的锶在水中浓度相对较低因此很难达到饱和状态。而且，锶元素化学性质较稳定，生物迁移量低，除受地层自身元素丰度的影响外，地下水中的Sr2+浓度只受岩溶作用强度及水径流条件的控制，其随径流途径及水岩相互作用时间的增长而逐渐增大，该过程不受人为影响。因而，在矿物同步溶解过程中，远离平衡态的岩溶水中Ca/Sr值为常数。当水中Ca2+接近溶解平衡状态时，Sr/Ca值逐渐增大。因此，岩溶水中Sr/Ca值可被用来判断岩溶水的径流特征[3,4,17-19]。在岩性相同的流域范围内，岩溶水中Sr/Ca值越小，说明水循环径流条件越好[3]。

为了探索岩溶水系统Sr/Ca值的分布规律，笔者分析投点后作出Sr/Ca比值示意图(见图5)。为了更直观的判别所研究区径流环境，做Sr/Ca比值等值线图见图6。通过图件可以看出由南向北Sr/Ca比值逐渐增大，说明水循环径流速度由南向北呈降低趋势。南部山区主要为灰岩裸露区，直接接受大气降雨的补给，由于岩溶发育，渗透性好，导水性能强，地下水交替强烈，水-岩作用时间短，致使水中锶含量都很低，故Sr/Ca比值也低；径流条件较差的取样点大部分分布在岩溶水系统北部埋藏区，灰岩埋深较大，地下水径流条件差，水-岩作用时间长，富集锶，Sr/Ca比值较高；北部Sr/Ca极高值区代表径流滞缓区，富集Sr元素。得出的结论符合当地水文地质条件—研究区由南至北依次为间接补给区、直接补给区、汇集排泄区，呈带状北东—南西向分布。

图5 Sr/Ca比值示意图

图6 Sr/Ca比值等值线图

4.2 TDS浓度梯度场验证

以往研究表明：地下水在径流的过程中会发生溶滤作用，从而改变水中离子浓度，地层的导水能力越强，地下水径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤愈充分，易溶盐类愈贫乏,地下水的TDS愈低，同时由于径流速度愈快，溶滤作用时间越短，地下水的TDS愈低[20]。反之，地层的导水能力越差，地下水流速愈慢，地下水滞留时间愈长，与围岩溶滤等发生水文地球化学作用愈强烈，则TDS愈高。因而，地下水有规律的TDS分布特征可以反映地下水的径流情况[21]。TDS虽易受人类活动影响，但在大致方向上还是可以作为反映地下水径流的依据。

从图7看出，从南部山区至北部埋藏区，TDS与锶浓度整体呈上升趋势，大致反映了岩溶水系统从南部补给区到北部排泄区的整体过程。从图上可以看出南部山区至趵突泉TDS大致为由小变大，而越靠近趵突泉区域确是由大变小，西部和东部至趵突泉TDS变化也有此规律，若泉水全部来源于近源补给，则有违于补给区至排泄区TDS逐渐增加的规律。再次验证了泉水有远距离深层补给的结论。

图7 枯水期TDS等值线图

5 结语

研究区枯、丰水期Sr浓度富集程度最高的地区为研究区北部及东北部，其次分布在党家镇、七贤镇、姚家镇附近。隐含在微量元素Sr分布特征中的水文地质含义是十分丰富的：

(1)丰枯水期Sr元素浓度自南部山区往北至泉群路径，由低到高的形态较形象的反映了岩溶水流动的整个过程；

(2)对比“两期”元素迁移形态发现，丰水期西郊七贤镇、东郊姚家镇的Sr元素浓度高值区域向趵突泉方向延伸汇聚，说明东郊、南部山区及西郊均对济南泉群地下水有补给，并根据PHREEQC试算结果，验证了济南趵突泉水是多源补给的；

(3)枯丰水期26号趵突泉取样点Sr元素浓度均明显低于四周浓度值，说明了泉群地下水补给来源不仅仅为近源补给，还有远距离深循环补给。TDS浓度梯度场特征分析得出相同的结论；

(4)由南向北Sr/Ca、TDS浓度逐渐增大，分布规律大致相同，水循环径流速度从南部山区的补给区到北部汇集排泄区逐渐降低的趋势非常明显。

本文为岩溶水地下水径流规律的研究提供了一种新的思路，并进一步验证了Sr元素是比较理想的天然示踪剂。此种方法尽管简单，却能清晰表现出研究对象的特性和地质作用过程中变化的规律性，具有极强的可操作性。