赣南红层地区地下水水化学特征及成因分析

赵幸悦子, 肖攀*, 宋文龙, 黎义勇, 刘前进

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心, 武汉 430205; 2. 海南省九三四地质大队, 海口 570206;3. 江西省地质调查勘察院基础地质调查所, 南昌 330201)

赣南青塘地区是典型的红层地区,目前关于该地区水文地球化学的相关研究偏少。现采集区内地下水样品进行测试分析,基于水文地球化学理论,运用数理统计、Piper三线图、Gibbs模型、水化学平衡、同位素示踪法和离子比例系数法分析研究区地下水水化学特征及主要离子来源,揭示地区地下水水质形成规律、分布特征及控制因素,以期为该区域地下水资源合理开发及供水安全等提供理论支撑与决策依据。

1 研究区概况

研究区隶属于赣州市宁都县,位于宁都县西南部,坐标范围在115°45′E～116°00′E,26°20′N～26°30′N(图1)。地处武夷山山脉西侧、于山山脉东南侧,总体地势北高南低、东西高中间低,中部为红层单斜盆地。区内属亚热带季风型气候区,气候温和湿润,年平均气温18.8 ℃,雨量充沛,年平均降雨量1 928.4 mm,降雨时空分布不均匀,主要集中在4—8月,总降雨量占全年降雨量的65.6%[6]。该区地处赣江一级支流—贡江源头,境内主要河流有梅江、青塘河,梅江发源于北部大龙山、凌云山和东部武华山,流迳长度145.2 km,流域面积2 931 km2;青塘河发源于青塘镇罗家光山,流迳长度55 km,流域面积334.8 km2。研究区自然资源类型多样,以丰富的地下矿产资源闻名,如石灰石、硫黄矿、煤、钨、铜、镁、铁矿等,并拥有多家煤矿开采企业。

图1 研究区含水岩组及采样点分布图Fig.1 Water bearing formation and sampling sites in study area

研究区位于华夏板块南岭东段隆起带之坳陷处,出露地层由老到新为青白口纪-南华纪变质地层、泥盆纪-二叠纪沉积盖层、侏罗纪碎屑岩地层、白垩纪红层和第四系松散沉积层[6]。地下水类型有松散岩类孔隙水、红层裂隙孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、碳酸盐裂隙溶洞水、岩浆岩变质岩裂隙水。松散岩类孔隙水赋存在第四系全新统(Qh)冲积相地层中,分布于梅江、青塘河两岸;红层裂隙孔隙水分布在赖村-西排、刘坑-竹笮嵊等地,岩性主要为白垩系河口组(K2h)、茅店组(K2m)复成分砾岩、钙质岩屑杂砂岩;碎屑岩类孔隙水分布于赖村北西侧,岩性主要为侏罗系水北组(J1s)、罗坳组(J2l)粉砂岩、长石石英砂岩、石英质砾岩,其次呈窄条带状分布于排脑-鹅土丘、西排-头石巾一带,岩性主要为泥盆系华山岭组(D3C1h)石英砂砾岩;碳酸盐岩裂隙岩溶水分布在研究区青塘盆地、梅窖盆地及黄贯岩溶盆地内,主要岩性为二叠系马平组(P2m)、石炭系黄龙组(C2h)泥晶灰岩;岩浆岩变质岩裂隙水分布在区内北西部、青塘盆地南东翼高岭-西排一带,主要岩性为南华系下坊组(Nh2-3x)、上施组(Nh1s)变质砂岩、千枚岩。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试

2.2 数据处理及分析

3 结果与讨论

3.1 研究区地下水水化学特征

3.1.1 地下水基本参数特征

表1 不同地下水类型水化学参数特征值统计表Table 1 Statistical table of characteristic values of hydrochemical parameters for different groundwater types

图2 研究区地下水Piper三线图Fig.2 Piper graph of groundwater in study area

表2 研究区浅层地下水主要离子相关关系表Table 2 Correlation between major ions of shallow groundwater in study area

3.1.2 氢氧同位素特征

地下水中氢氧同位素特征记录了各种环境因素影响的信息,可用于指示地下水的补给来源[8]。本文选择赣南雨水线δD=7.85δ18O+11和全球大气降水线(GMWL)δD=8δ18O+10与研究区地下水中D、18O关系进行对比分析(图3),结果显示,研究区水样δD值范围在-39.90 ‰～-26.10‰,平均值为-34.88‰,δ18O值范围在-6.61‰～-4.04‰,平均值为-5.87‰,各类水样点分布较为接近,整体位于赣南雨水线附近,表明研究区地下水起源于大气降水。研究区地下水斜率(5.455)明显小于赣南雨水线斜率(7.85),说明地下水受到蒸发作用影响[9]。

图3 研究区地下水氢氧同位素关系图Fig.3 Relationship between δD and δ18O diagram of groundwater in study area

图3中,两个松散岩类孔隙水偏离赣南雨水线并位于其右下方,推测地下水的补给来源曾经历了较强烈的蒸发作用从而引起氢氧同位素富集[8]。

3.1.3 锶同位素特征

锶的化学性质稳定,不因物理、化学和生物过程发生同位素分馏作用,其同位素比值变化只与不同来源的锶混合作用有关,因此锶同位素常被用来作地球化学示踪剂。当地下水与含水介质发生作用时,溶解进入水体中的Sr具有与该含水介质相近或相同的87Sr/86Sr比值[12]。研究表明,地下水流经不同岩性地层87Sr/86Sr同位素比值变化范围也不同,硅酸盐岩风化来源的Sr同位素比值一般为0.716～0.720,而碳酸盐岩风化来源的Sr同位素比值一般为0.708～0.709[12]。

研究区地下水87Sr/86Sr比值范围在0.709 3～0.729 8,平均值为0.716 6,包括了碳酸盐岩和硅酸盐矿物风化的比值范围,说明地下水中Sr同位素组成是硅酸盐岩和碳酸盐岩风化的混合。地下水中溶解态Sr的来源还可以用Mg2+/Na+、Ca2+/Na+比值与87Sr/86Sr的分布关系来体现[10]。由图4(a)和图4(b)可知,研究区地下水点大致位于硅酸盐岩风化端元和碳酸盐岩风化端元混合区域之中,表明地下水样中Sr同位素来源于硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化。

图4 研究区地下水中Mg2+/ Na+、Ca2+ / Na+与87Sr/86Sr之间的关系图Fig.4 The relationship between Mg2+/ Na+,Ca2+/ Na+ and 87Sr/86Sr of groundwater in study area

3.2 研究区地下水水化学特征成因分析

3.2.1 风化作用

图5 研究区地下水Gibbs图Fig.5 Gibbs diagram of groundwater in study area

图6 研究区地下水Ca2+/ Na+与Mg2+ / Na+、元素比值Fig.6 Plots of Na+ versus Ca2+ / Na+ and Mg2+ / Na+ versus Ca2+ / Na+ of groundwater in study area

3.2.2 溶滤作用

饱和指数(SI)反映出水中矿物的溶解平衡过程[15],利用PHREEQC软件计算石膏、岩盐、白云石和方解石的饱和指数(SI),以确定其在地下水中的溶解沉淀状态,并绘制相关离子与矿物饱和指数关系图(图7)。由图7可知,研究区地下水中石膏、岩盐、白云石和方解石均处于未饱和状态(SI<0)。

图7 研究区地下水饱和指数图Fig.7 Plots of SI of groundwater in study area

为分析研究区地下水所处位置相对于硅酸盐和铝硅酸盐矿物所处的溶解态[16-18],利用PHREEQC软件计算相关离子活度并绘制系统矿物平衡体系图(图8),可以看出,研究区水样均落在高岭土稳定区,表明钠长石、钾长石等硅酸盐矿物均未达到饱和状态,将继续发生溶解反应。

图8 研究区地下水系统矿物平衡体系图Fig.8 Stability diagrams for minerals systems of groundwater in study area

地下水中离子组成主要受大气降水、岩石风化、蒸发浓缩和人为活动共同影响,利用水体中离子比值可反推出离子主要来源及形成过程[19]。大气降水、硅酸盐岩风化和岩盐溶解是地下水中Na+、K+的主要来源,大气降水中Na+/Cl-比值与海水接近为0.86,研究区地下水中Na+/Cl-比值在0.45～41.51[图9(a)],均值为4.86,远大于0.86,说明来源于大气降水的贡献非常小。图9(b)中研究区地下水样品大部分位于1∶1线上方,表明(Na++K+)含量几乎全大于Cl-,Cl-不足以平衡(Na++K+),还有其他阴离子来平衡Na+和K+,因此盐岩的溶解不是Na+、K+的主要来源,研究区内花岗岩类岩浆活动比较强烈,分布面积为23%,主要为二长花岗岩,其次为钾长花岗岩,这些硅酸盐岩的风化溶解是多出的Na+、K+的重要来源。

图9 研究区地下水离子比值关系图Fig.9 Relationship between the ion rates of groundwater in study area

3.2.3 阳离子交换作用

图10 研究区地下水阳离子交换作用图Fig.10 Cation exchange of groundwater in study area

3.2.4 人类活动影响

图11 研究区人类活动对地下水影响程度图Fig.11 Human impact of groundwater in study area

4 结论

(2)研究区地下水起源于大气降水,地下水水化学特征主要受岩石风化作用控制,Sr同位素组成进一步说明地下水离子组成受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化共同控制,其中,岩浆岩变质岩裂隙水离子组成主要受硅酸盐岩风化控制,碳酸盐裂隙溶洞水离子组成主要受碳酸盐岩风化控制,其余类型地下水则受以上两种岩石风化共同作用。地下水中Na+、K+主要来源于硅酸盐岩的溶解,Ca2+、Mg2+来源于硅酸盐岩和碳酸盐岩共同溶解作用,不排除硫酸盐岩溶解作用,碳酸盐岩溶解作用控制区Ca2+、Mg2+主要来源于方解石的溶解。

(3)研究区地下水在径流过程中发生了阳离子交换作用,但交换作用不强烈,阳离子交换作用以地下水中Ca2+、Mg2+置换围岩矿物的Na+、K+为主,局部水样点有反向的离子交换过程进行。人类活动对研究区地下水的影响较小,主要来源于区内的采矿活动和大棚蔬菜种植,受影响的水样点主要集中在松散岩类孔隙水中。