地下水化学组分对酸雨的滞后响应——以云冈石窟上层滞水为例

耿晓虹,蒋小伟*,闫宏彬,毛德强,王 芮,樊 尧,张 帆,范 潇,万 力

(1.中国地质大学(北京)水利部地下水保护重点实验室,北京 100083;2.中国地质大学(北京)自然资源部浅层地热能重点实验室,北京 100083;3.云冈研究院,山西 大同 037034;4.山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061)

大气降水通常是地下水的主要补给来源,其化学组分对地下水化学组分具有重要的控制作用[1-3]。随着社会经济的快速发展,大气污染在高度工业化地区普遍发生[4-6],雨水吸收大气中的酸性气体如SO2和氮氧化物等污染物形成酸雨。酸雨补给地下水会导致地下水pH值下降、地下水水化学组分变化,因此研究地下水水质对酸雨的响应对保障供水安全具有重要的现实意义。由于雨水补给地下水后通常经过较长的循环时间才能到达地下水排泄点或者取样井,故分析地下水化学组分对酸雨是否有响应也可以加深对水文地质条件的认识。

山西省是我国的文物大省,其中位于大同市的云冈石窟是世界文化遗产。由于煤炭产业发展迅速且废气排放不当,历史上酸雨频发,严重威胁了石质文物的保存[16]。中国地质大学(北京)和云冈研究院等单位在合作开展文物保护相关科研项目的过程中,积累了云冈石窟不同时期部分钻孔地下水和泉水的地下水化学数据,为揭示不同类型地下水对酸雨的响应提供了数据来源。为此,本文以云冈石窟为研究区,通过对比酸雨、河水和地下水在20年时间尺度的水化学组分变化,揭示酸雨如何控制不同类型地下水的水化学演化过程。

1 研究区概况

本次研究区云冈石窟位于中国山西省大同市云冈区,地理位置为东经113°20′,北纬40°04′。研究区属大陆性季风半干旱气候区,多年平均降水量为393 mm,多年平均蒸发量为1 243 mm。云冈石窟山体坐落于十里河北岸砂岩陡壁之上,石窟南部为十里河一级阶地、漫滩及河床(图1)。十里河是研究区唯一的河流,地下水主要通过侧向径流的方式向十里河排泄[17]。十里河水位约为1 126 m,在其控制下区域地下水的潜水面略高于1 126 m,比云冈石窟底部低12～14 m。吴官屯机井揭露了区域内的饱和带地下水,推测其循环路径为区域尺度地下水向河流的排泄。

图1 研究区河水和地下水采样位置图Fig.1 Location map of river water and groundwater samples in the study area

云冈石窟顶部及其以北地表普遍分布第四系覆盖层,其上部为粉质黏土,透水性很差,具有较好的阻水作用[18]。由于研究区降水量少、蒸发强烈,大气降水入渗量较少。云冈石窟所在山体为侏罗系云冈组中粗粒长石石英砂岩,发育风化裂隙[19],大部分洞窟的底板高程约为1 140 m,显著高于潜水面,因此云冈石窟所在山体是一个巨厚的非饱和带,其厚度为20～40 m。由于存在不同深度的泥岩夹层,入渗的微量大气降水在云冈石窟非饱和山体内形成不同深度的上层滞水,其中B7钻孔的上层滞水水位高程约为1 148 m,低于孔口标高约24 m。在云冈石窟第二窟北壁西北角长石砂岩与砂质页岩处,裂隙水受泥岩夹层的顶托作用,以下降泉的形式出露形成二窟泉水[16]。该泉水出露点标高约为1 140 m,水头高于当地地下水水位十多米,也属于上层滞水。二窟泉水常年不断流,但流量的季节性波动较大,尚不清楚其补给源的空间分布。由于上层滞水通常不可能来自区域尺度的地下水循环,因此研究区B7钻孔和二窟泉这两个上层滞水为揭示地下水对补给区酸雨入渗的响应提供了便利条件。

2 采样与测试

2.1 样品采集与数据收集

在2010—2012年承担国家“十一五”科技支撑项目和2020—2022年承担国家重点研发计划项目期间,分别采集并测试了研究区雨水、十里河水、吴官屯机井水(对应饱和带地下水)、B7钻孔水(对应上层滞水)和二窟泉水(上层滞水形成的泉水)的水化学组分(图1)。为了从更长时间尺度分析水质变化规律,还从相关文献[20-21]收集到了2003年上述水体以及20世纪60年代二窟泉水的水质数据,本次研究测试和收集的研究区不同类型水样水化学数据共计36组(表1),其中氚同位素数据3组。

2.2 样品测试分析

此外,本次研究还委托中国地质科学院水文地质环境地质研究所利用超低本底液体闪烁仪对2022年所采集的二窟泉水水样、B7钻孔上层滞水水样和吴官屯机井饱和带地下水水样进行了氚同位素测试,结果显示水样的3H浓度分别为(7.6±1.0) TU、(5.1±0.7) TU、(4.0±0.8) TU。

3 结果与讨论

3.1 大气降水的水化学演化特征

图2 研究区酸雨频率和雨水样品中S浓度演化Fig.2 Evolution of acid rain frequency and S concen- tration of rain samples in the study area

3.2 河水和地下水的水化学特征及其演化

图3 研究区不同年代雨水、河水和不同类型地下水的Piper图Fig.3 Piper diagram of rain water,river water and groundwater of different types in different years in the study area

3.3 酸雨对二窟泉水水化学特征的影响

图4 二窟泉水中S浓度与酸雨频率演化对比图Fig.4 Plot showing evolution of concentration of S in Cave NO.2 spring and the frequency of acid rain in the study area

3.4 酸雨的侵蚀机理

(1)

云冈石窟及其周边表层风化砂岩的X射线衍射(XRD)测试结果表明,表层砂岩中所含硅酸盐矿物包括钾长石、斜长石(钙钠长石),风化产物包括高岭石和伊利石。由于钙钠长石中Ca2+和Na+的比例不清楚,本文仅给出钙长石、钠长石和钾长石与H+的反应方程式如下[1,27]:

CaAl2Si2O8(钙长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+Ca2+

(2)

2NaAl2Si3O8(钠长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2+2Na+

(3)

2KAl2Si3O8(钾长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2+2K+

(4)

上述4个反应方程式可以合理地解释近60年来二窟泉水中所含阳离子Ca2+、Na+和K+浓度逐渐增加(见图5)的原因。由于表层风化砂岩中未检测出含镁硅酸盐,因此无法解释二窟泉水中所含Mg2+也逐渐增加的矿物来源。表层风化砂岩未检出含镁矿物的原因可能为角闪石等含镁矿物更易风化,后续研究可以通过采集云冈石窟山体内部风化程度较低的砂岩确定含镁矿物类型。

图5 1960年以来二窟泉水中阳离子浓度演化图Fig.5 Evolution of cations concentration in the spring water at Cave NO.2 since 1960

根据酸雨径流过程中发生的水-岩反应,可以推测直接淋至石质文物表面的酸雨、被石质文物吸附的含有SO2的水汽也可以侵蚀砂岩,从而加速石质文物的风化。

4 结论与建议

本文以云冈石窟地区为例,通过对比酸雨、河水和地下水在20年时间尺度的水化学组分变化,得到如下结论:

3) 20年来云冈石窟山顶钻孔上层滞水的水化学组分浓度未发生明显变化,指示历史上的酸雨尚未到达该层位的上层滞水,表明石窟顶部粉土层具有良好的阻水作用。