宜昌长江南岸岩溶地下水系统水化学特征分析

燕子琪，周 宏

(中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074)

我国岩溶地区面积广阔，岩溶地下水资源丰富，具有良好的开发利用潜力。而岩溶地区岩溶含水层对环境污染异常敏感，防污性能差，地下水容易受到外界污染。水文地球化学特征分析主要是研究地下水中常规的化学成分及其溶质的时空分布规律与动态变化，可为地下水的合理开发利用与保护提供依据。水文地球化学的研究中，岩溶地球化学研究是其中较为重要的研究内容，它是以岩溶地区为研究对象，研究在岩溶动力驱动下的水文地球化学作用，探究其规律与应用[1]。岩溶地球化学的研究中主要以地球化学背景、岩溶现象的发育及岩溶地下水化学形成与演化机制等几个部分为主[2]。

湖北宜昌长江南岸地区属典型的南北岩溶交界区岩溶地貌，岩溶地下水为当地主要供水水源，研究不同岩溶含水层中地下水的水化学特征将有助于当地地下水的合理开发利用与保护，并可为岩溶含水层的划分提供依据。

1 研究区概况

研究区宜昌长江南岸岩溶流域位于湖北省宜昌市秭归县境内及周边区域，为我国二、三级阶梯交界处的鄂西山区地带，同时也是我国南北岩溶交界地带，区内山峦起伏，水系发育，岩溶地貌丰富多样，地形整体呈现北东、南西两侧高，中间低的形态。

研究区地处长江的中上游位置，区内过境及包含的长江的一级支流主要有九畹溪、太平溪、茅坪河、杨家溪、卷桥河，因此可将研究区划分为九畹溪流域、茅坪河流域、杨家溪流域和卷桥河流域四大流域。

区内气候为亚热带大陆性季风气候，四季分明，雨量充沛，全年降雨量约在950～1 590 mm之间，雨季为7、8月份，年均暴雨(24 h降雨量≥50 mm)日数为3.6 d，年均暴雨量为246.3 mm。研究区全年气温约在-8℃～40℃之间，初春气温回升快并常出现倒春寒现象，7、8月份气温常在27℃以上。

1.1 地质条件

研究区位于鄂西三峡地区，地层区划隶属扬子地层区之上扬子地层分区，地层出露连续、齐全。研究区地处黄陵穹窿西南缘，中元古界崆岭群基性-超基性岩体和黄陵花岗岩岩基构成了黄陵穹窿的基底，岩性以灰绿色巨厚层斜长角闪岩为主，夹少量含石榴斜长角闪岩、石英片岩、片麻岩、灰白色巨厚层状片麻岩；其盖层从震旦系至第四系出露较为齐全，在研究区内围绕基底依由老至新顺序向西、西南、东南呈环形分布。其中，震旦系、三叠系为碳酸盐岩沉积地层，岩性为白云岩、灰岩；志留系、泥盆系、白垩系为碎屑岩地层。区内发育有仙女山断裂、天阳坪断裂和九畹溪断裂3个区域性大断裂。

1.2 水文地质条件

以地下水出露的地层岩性、地下水赋存的状态与埋藏深度以及地下水资源量的丰富程度等为依据，将研究区内赋存的地下水划分为3类，即松散岩类孔隙水，碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水。其中，松散岩类孔隙水主要是指赋存于第四系砂砾石地层中的地下水，其岩性为卵状砂砾石、砂石、亚砂土、亚黏土等，地层中赋存的地下水十分匮乏，不是区内主要的含水层，且其赋存的水资源没有太高的供水价值；碳酸盐岩类岩溶水是指赋存于碳酸盐岩地层中的地下水，该地层是区内出露最广的地层，而且在研究区内三叠系嘉陵江组地层中赋存着丰富的富锶地下水[3]，因此碳酸盐岩类岩溶水是研究区内体量最大、有较大供水意义的含水层，而区内碳酸盐岩类岩溶水按照含水层的岩性又分为碳酸盐岩溶洞裂隙水和碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水两个亚类；基岩裂隙水主要是指赋存于黄陵岩体上远古代的岩浆岩、变质岩裂隙与孔隙之中的地下水，排泄泉点分散且流量很小。

在研究区内碳酸盐岩类分布区，地下水的补给来源主要是大气降水，流域内补给区常发育有岩溶洼地、槽谷、漏斗、落水洞等负地形，排泄区发育有溶孔、溶缝、岩溶洞穴和地下暗河等岩溶地貌。在流域内岩溶发育程度较高的地区，岩溶水的补给形式以灌入式补给为主，大气降水通过岩溶洼地、落水洞、漏斗等补给地下水，地下水在岩溶管道、岩溶裂隙构成的导水网络中赋存和运移(径流)，最终以岩溶大泉或地下河的形式在地表排泄。在雨强与降雨量较大的丰水期，降雨时岩溶大泉和地下河的流量常在短时间内激增，而降雨过后，其排泄流量又会在短时间内骤减至平时的基流量水平。该区域典型的岩溶地貌使得地下水中污染物的运移更加快速和复杂，当地居民的生活污水与农业用水的排放往往直接排泄于地表，最终参与到该区域岩溶地下水的循环过程中。

研究区岩溶流域水文地质略图和典型水文地质剖面图，见图1和图2。

图1 宜昌长江南岸岩溶流域水文地质略图

图2 宜昌长江南岸岩溶流域典型水文地质剖面图

2 样品采集与测试

在2016年10月—2018年8月期间，中国地质大学(武汉)地质调查研究院依托中国地质调查局二级项目“宜昌长江南岸岩溶流域水文地质环境地质调查”，在研究区内不同岩溶含水层出露的泉点采集地下水样品272个，具体采样点分布如图1所示。其中，震旦系含水层中地下水取样点为45个；下寒武系含水层中地下水取样点为34个；中寒武系—奥陶系含水层中地下水取样点为170个；二叠系—三叠系含水层中地下水取样点为23个。

本研究收集尽量靠近泉口的地下水样品置于用待取水样润洗过的50 mL PE瓶中，保证容器内无气泡，并使用封口膜封存，及时送往中国地质大学(武汉)地调实验室进行分析测试。用于阴离子测试的地下水样品经0.22 μm滤膜过滤后去除原水样中杂质后送往实验室，在室内利用美国赛默飞ICS-2100离子色谱仪进行检测分析，最低检出限为0.001 mg/L；用于金属元素测试的地下水样品经0.45 μm滤膜过滤后加入1～2滴浓硝酸使水样的pH值小于2，然后送往实验室，在室内利用美国赛默飞iCAP 7600电感耦合等离子体发射光谱ICP-OES进行检测分析，最低检出限为0.001 mg/L。

3 结果与分析

3.1 岩溶地下水水化学特征分析

岩溶地下水为宜昌长江南岸岩溶流域分布最广的地下水类型，区域内隔水层将岩溶流域地层划分为四大岩溶含水层，其中碳酸盐岩中方解石、白云石及其他矿物含量的差异影响碳酸盐岩含水层中地下水的水-岩相互作用，因此区域内不同含水层的岩溶地下水在离子组成上仍存在一定的差异，这一差异可在划分区域岩溶含水层、识别地下水循环途径及其来源过程中提供水文地球化学依据。

研究区内四大岩溶含水系统地下水中主要特征离子浓度统计值见表1,地下水中主要特征离子的Piper三线图如图3所示。

图3 研究区岩溶地下水中主要离子组分的Piper三线图

由表1可知：

表1 研究区四大岩溶含水系统地下水中主要特征离子质量浓度统计值(mg/L)

(1) 研究区岩溶地下水中主要阳离子为Ca2+、Mg2+、Na+和K+。其中，Ca2+作为岩溶地下水的特征离子主要来源于方解石、白云石矿物的溶解，在研究区所有碳酸盐岩含水层赋存的地下水中都具有相当的质量浓度，所有碳酸盐岩含水层地下水中Ca2+的平均浓度约为70.19 mg/L，总体而言研究区四大岩溶含水系统地下水中Ca2+浓度的差异不大，这主要是因为研究区大气降水较稳定，在不同岩溶含水系统的浅循环地下水中溶蚀作用程度相近；Mg2+也是研究区岩溶地下水中的主要阳离子之一，震旦系(Z)灯影组和陡山沱组含水层地下水中Mg2+平均浓度分别为23.07 mg/L和26.14 mg/L，寒武系覃家庙组和石龙洞组含白云岩含水层以及娄山关组白云岩含水层地下水中Mg2+平均浓度分别为25.67 mg/L、32.05 mg/L、34.5 mg/L，而下寒武系水井沱组含水层与二叠系—三叠系含水层主要为较纯的灰岩，含水层地下水中Mg2+的平均浓度为9.95 mg/L和3.39 mg/L，Mg2+浓度较低;Na+和K+作为碳酸盐岩矿物中含量较低的阳离子，一方面能够通过阳离子交换作用进入地下水中，另一方面也存在着人为输入的可能。

3.2 碳酸盐岩岩石化学成分特征分析

在研究区多个岩溶含水岩组中获取了部分岩石样品进行了岩石矿物化学成分分析，其中震旦系含水层中岩石矿物样品6个，下寒武系含水层中岩石矿物样品4个，中寒武系—奥陶系含水层中岩石矿物样品28个，三叠系含水层中岩石矿物样品8个，各含水岩组中岩石化学成分含量平均值的分析结果，见表2。

表2 研究区四大岩溶含水岩组中岩石化学成分含量平均值(%)

SiO2成分在岩石化学成分分析中代表的是地层中的泥质、硅质的含量，在一些泥质碳酸盐岩和硅质碳酸盐岩地层中的含量较高。在研究区所采集的岩石样品中，以下寒武系水井沱组地层中泥质或硅质含量最高，其次是奥陶系南津关组—牯牛潭组和石龙洞组—覃家庙组地层中泥质含量也较高。

K2O、Na2O成分代表的是地层中的盐岩成分，它们在岩石化学成分中的占比仅为1%左右，Na2O更是在所有岩石样品化学成分中的占比均未超过1%，但是由于盐岩是极易溶于水的化合物，因此地下水中这两种离子的占比要相对高于这两种元素在岩石化学成分中的占比。不过岩石化学成分中K+含量普遍高于Na+含量，而地下水中Na+含量却普遍高于K+，这可能是因为地下水中Na+还具有其他的来源。因此，岩石矿物中Na+与K+是地下水中这两种离子的部分来源，而并非全部来源。

纯石灰岩(纯方解石)的理论化学成分为CaCO3[1]，其中CaO的质量百分比为56%，CO2的质量百分比为44%；纯白云岩的理论化学成分为CaMg(CO3)2，其中CaO的质量百分比为30.4%，MgO的质量百分比为21.7%，CO2的质量百分比为47.9%。根据碳酸盐岩的化学成分分类[2]，碳酸盐岩被细分成多种介于石灰岩与白云岩之间的岩性类别。研究区四大岩溶含水岩组碳酸盐岩化学成分三相图如图4所示。

图4 研究区四大岩溶含水岩组碳酸盐岩化学成分三相图

由表2可知：CaO、MgO、SiO2为研究区四大岩溶含水岩组中岩石的主要化学成分组成，SO3作为次要化学成分，显示着除了CaCO3和CaMg(CO3)2矿物以外，CaSO3矿物(理论成分中CaO占41.2%，SO3占58.8%)的存在在研究区某些岩溶含水岩组岩石中也占据了一定的比例，特别是下寒武系水井沱组地层岩石中。根据岩石矿物中CaO、MgO等化学成分分析的结果，可以估算出碳酸盐岩矿物中各矿物的质量百分比[4]。通过分析研究区各含水岩组中岩石化学成分的占比，可估算出各含水岩组中不同矿物源Ca的占比,其结果见表3。

表3 研究区四大岩溶含水岩组中不同矿物源Ca占比的估算结果(%)

在碳酸盐岩岩石化学在分分析中，SiO2代表岩石中硅质、砂质以及泥质的杂质，这类硅质物质的溶解程度很低，对地下水中物质的贡献相应很低。研究区各含水岩组中岩石化学成分K2O和Na2O的含量在岩石化学组成中均相当低，即Na、K、Cl元素在所有岩样化学组成中的质量占比都微乎其微，这说明研究区岩层中碳酸岩盐的含量很低，不能为岩溶地下水提供大量的Na+、K+和Cl-，因此个别岩溶地下水中过高浓度的Na+、K+和Cl-离子可能还具有其他的来源。

3.3 岩溶地下水水化学作用分析

3.3.1 Gibbs分布

Gibbs图可以反映出地下水的主要成分是受到蒸发浓缩控制，还是岩石风化控制，或是大气降水控制[5]。研究区岩溶地下水的Gibbs图如图5所示。

图5 研究区岩溶地下水的Gibbs图

3.3.2 相关分析与因子分析

对研究区岩溶地下水中主要离子之间进行了相关分析，其分析结果见表4。

表4 研究区岩溶地下水中主要离子之间的相关分析系数矩阵

由表4可知：

(1) 研究区岩溶地下水中离子之间的相关系数总体不高，多呈弱正相关关系。

表5 旋转成分矩阵表

由表5可知：

图6 研究区岩溶地下水中相关离子比值图

3.4 地下水水化学特征的影响因素分析

总体来说，研究区岩溶地下水中离子含量中等，水化学类型丰富，显示以溶滤作用为主的潜水特征。根据前文的研究认为：岩溶地下水的物质组成主要受岩性控制，在不同岩性的含水层中赋存的地下水，其水化学组成差异明显；同时，水动力条件对岩溶地下水水化学特征的影响也有所体现，浅循环岩溶地下水水化学特征与深循环岩溶地下水水化学特征存在明显的差异；另外，人类活动也会引起岩溶地下水水化学组成的变化。具体分析如下：

(2) 水动力条件对岩溶地下水水化学特征的影响。对于多级水流系统而言，地下水中物质来源的途径相同，但水动力条件的差异又将导致地下水与围岩的反应速率与程度不同，最终呈现出同一水流系统中不同级次的水流具有不同的水化学特征。在岩溶含水层中，复杂的岩溶介质中赋存的地下水运移路径与水环境的差异巨大：赋存于表层岩溶带中的岩溶地下水，其补给径流途径短，地下水的运移路径相对开放，溶蚀能力强的大气降水通过裂隙发育的表层岩溶带时，迅速与围岩发生反应，溶解了大量的溶质使其进入地下水中；处于循环深度相对较深的水流系统中，则在与表层岩溶带的反应中地下水中某些矿物已经达到溶解饱和，因此中间系统的地下水水化学组成相对稳定。

4 结 论

(2) 研究区不同岩溶含水层中岩石化学成分显示，震旦系与寒武系石龙洞组—覃家庙组、娄山关组地层为白云岩类含水层；奥陶系南津关组—牯牛潭组与三叠系嘉陵江组地层为灰岩类含水层；寒武系水井沱组地层则为杂质含量较高的碳酸盐岩类含水层，杂质主要为硅质矿物与石膏。研究区各岩溶含水层中岩石矿物组成与地下水水化学离子组成具有良好的对应关系，其矿物类型与占比极大地影响了水文地球化学过程。

(3) Gibbs图与地下水水化学特征的因子分析和相关分析显示：岩石风化溶解为控制研究区岩溶地下水中物质组成的主要因素；因子分析中3个主要公因子代表了碳酸盐岩矿物的溶解、人类活动的影响以及石膏矿物的溶解，指示了影响研究区岩溶地下水水化学特征的因素多样。水文地球化学过程的分析指示研究区不同岩溶含水层中占主导地位的矿物溶滤作用不同。