袁建飛，鄧國仕，徐 芬，唐業(yè)旗

(1.中國地質(zhì)調(diào)查成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

?

西昌市爾烏泉域泉水水文地球化學(xué)特征及成因

袁建飛1，鄧國仕1，徐 芬2，唐業(yè)旗1

(1.中國地質(zhì)調(diào)查成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

泉域；水文地球化學(xué)特征；氫氧同位素；水巖相互作用；成因

泉是地下水的天然露頭，其物理化學(xué)參數(shù)不僅能反映地下水的水質(zhì)問題，還能夠識(shí)別徑流途徑和揭示主要的水化學(xué)過程，如水巖相互作用過程、陽離子交換、不同含水層混合過程及人類活動(dòng)的影響[1～2]。泉水的環(huán)境同位素組成特征則能夠反映地下水補(bǔ)給來源，年齡和徑流更新能力[2～3]。目前，很多學(xué)者將水化學(xué)和穩(wěn)定同位素技術(shù)用于泉水水化學(xué)特征及成因的研究[4～6]。

烏蒙山區(qū)是中國西南貧困連片分布區(qū)，而涼山彝族自治州是烏蒙山區(qū)典型的“老、少、邊”貧困區(qū)和嚴(yán)重缺水區(qū)，泉水是當(dāng)?shù)鼐用袷滓踔潦俏ㄒ坏墓┧?。爾烏泉域地處涼山彝族自治州首府西昌市川興鎮(zhèn)東北約5 km處，區(qū)內(nèi)出露泉或泉群7處，單個(gè)泉點(diǎn)流量為1.3～120.5 L/s。該泉群是爾烏生產(chǎn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉，漁業(yè)養(yǎng)殖的唯一水源，同時(shí)也是西昌市川興鎮(zhèn)后備水源地。近年來，隨著爾烏建設(shè)規(guī)模拓展和旅游業(yè)的發(fā)展，生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加，區(qū)內(nèi)水量和水質(zhì)的研究愈發(fā)迫切。然而，爾烏泉域地區(qū)僅開展過少量地質(zhì)災(zāi)害和構(gòu)造地質(zhì)的研究，而未開展過泉水水化學(xué)和同位素特征的研究[7]。

本研究充分收集和整理爾烏泉域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，采用水化學(xué)、同位素方法分析了區(qū)內(nèi)泉水和地表水水化學(xué)類型，水化學(xué)組分特征，補(bǔ)給來源和徑流特征，探討了影響泉水主要溶質(zhì)組分的水化學(xué)過程，并建立了爾烏泉域泉水形成的成因模型。研究成果對(duì)區(qū)內(nèi)地下水資源的開發(fā)利用和管理具有重要的科學(xué)價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

爾烏泉域?qū)贅?gòu)造剝蝕侵蝕中山地貌，山體坡度15°～40°，高差200～500 m。區(qū)內(nèi)水系為東河和干河溝，其主要接受降雨和地下水補(bǔ)給，并最終匯入安寧河。河谷開闊處，有小型山間壩子，屬人口密集區(qū)及農(nóng)業(yè)強(qiáng)活動(dòng)區(qū)。區(qū)內(nèi)交通便利，西昌市至昭覺縣的307省道由此經(jīng)過。區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫16.9 ℃，年平均降雨量為1 013.5 mm，降雨集中于6—9月，占全年的76%，雨型多為暴雨，日最大降雨量199.5 mm[7]。

研究區(qū)內(nèi)出露地層自老至新分別為：白堊系飛天山組長石石英砂巖、粉砂巖夾泥巖，底部為礫巖，厚度162～1 106 m；白堊系小壩組鈣質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，灰黃色泥灰?guī)r，含石膏層，與飛天山組呈假整合或角度不整合接觸；第四系全新統(tǒng)坡洪松散堆積物。地質(zhì)構(gòu)造屬于石安村斷裂和爾烏背斜。石安村斷裂為左行走向逆斷層。該斷裂于區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)分支，其東支在爾烏泉域一帶為隱伏斷裂(圖1)。爾烏背斜發(fā)育在飛天山組內(nèi)，為南東向傾伏，對(duì)稱、開闊、直立短軸背斜。由于區(qū)域性斷裂發(fā)育，并切割了褶皺構(gòu)造，小壩組、飛天山組砂巖地層破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性、地下水賦存條件和徑流特征，將地下水劃分為基巖孔隙裂隙水和第四系孔隙水兩類。其中，基巖孔隙裂隙水主要賦存于飛天山組和小壩組砂巖、粉砂巖地層中，透水性好，且受石安村斷裂影響，于爾烏泉域一帶形成地下水集中排泄區(qū)。據(jù)1∶20萬西昌幅水文地質(zhì)普查資料，爾烏一帶發(fā)育三處常年性大泉或泉群，其流量分別為160.80 L/s、38.46 L/s和8.47 L/s[7]，并為當(dāng)?shù)鼐用耖_采引用。第四系孔隙水則零散分布于河流沖洪積松散物中，水量貧乏，未被開采利用。

2 樣品采集和測(cè)試方法

2.1 樣品采集

為系統(tǒng)地了解爾烏泉域地下水水文地球化學(xué)特征，于2015年9月對(duì)該區(qū)域出露泉點(diǎn)或泉群、地表河水開展了系統(tǒng)的水樣采集工作，共采集水樣9組27件，采樣點(diǎn)分布位置見圖1。采樣瓶為350 mL用鹽酸浸泡并用去離子水清洗干凈的聚乙烯瓶。采樣時(shí)，用水樣潤洗采樣瓶3次后，再將采樣瓶放入泉水中裝滿，并水下蓋緊瓶蓋。所有水樣當(dāng)日用0.45 μm的微孔濾膜進(jìn)行抽濾，并分成三份用于不同水化學(xué)組分的測(cè)試。其中，一份不添加任何試劑用于氫氧同位素和氚同位素測(cè)試(δD，δ18O和3H)，一份不添加任何試劑用于陰離子測(cè)試，最后一份加入優(yōu)級(jí)純的硝酸至溶液pH小于2，用于陽離子分析。所有水樣低溫保存(4 ℃)，并于采樣一周內(nèi)送相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。堿度在24 h內(nèi)采用鹽酸滴定。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖和水樣點(diǎn)分布圖(a)和水文地質(zhì)剖面圖(b)Fig.1 Simplified map of geology and sample locations (a) and hydrogeological profile (b) in the study area

2.2 測(cè)試方法

此外，采用水化學(xué)模擬軟件PHREEQC3.3.3程序計(jì)算了所采集水樣中主要礦物的飽和指數(shù)(碳酸鈣、白云石、石膏、石英、玉髓和CO2分壓)，用于分析地下水運(yùn)移過程中與圍巖礦物的平衡關(guān)系。

3 結(jié)果及討論

3.1 水化學(xué)組分特征

圖2 研究區(qū)水樣piper三線圖Fig.2 Piper diagrams of water samples in the study area

3.2δD、δ18O和3H的特征

爾烏泉域泉水的δD值介于-96.2‰和-93.8‰之間，平均值為-95.4‰；δ18O值介于-12.74‰和-12.18‰之間，平均值為-12.62‰(表1)。幾個(gè)泉水樣(除XC702外，該泉水臨近地表河流，可能受地表河水影響)的δD和δ18O值較接近，說明其相似的補(bǔ)給來源和徑流過程。

圖3 研究區(qū)所采集水樣的氫氧同位素關(guān)系曲線Fig.3 Plot of oxygen and hydrogen isotopes of water samples in the study area

編號(hào)類型流量/(L·s-1)溫度/℃pHTDSNa+K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3SiO2THδD/‰δ18O/‰3H/TU水化學(xué)類型/(mg·L-1)XC042泉水12051407491937115013191497937314501381410-953-1274<200HCO3—Ca·MgXC170泉水1501307552554129014182114862818391501912-952-1274<200HCO3·SO4—Ca·MgXC171泉水2501308002272119013681844050717331421676-962-1273<200HCO3·SO4—Ca·MgXC198河水2051507911849600139713311918616271041540-883-1185211HCO3—Ca·MgXC199河水451307902469246013501548766815211531508-929-1259<200HCO3·SO4—Ca·Mg·NaXC210泉水131528102682196013942059579415921481830-963-1269<200HCO3·SO4—Ca·MgXC534泉水51110773153080103441051071321463-1288---HCO3—Ca·MgXC535泉水211307881575940635695901801463-1277---HCO3—Ca·MgXC702泉水11015077516201000636198972031463-1306-938-1218<200HCO3—Ca·Mg

注：氫氧同位素(δD和δ18O)均以V- SMOW標(biāo)準(zhǔn)給出；pH為無量綱?！癟DS”為總?cè)芙庑怨腆w，“TH”為總硬度，“-”表示未檢測(cè)。

表2 研究區(qū)各水樣的礦物飽和指數(shù)

注：表中礦物飽和指數(shù)采用水化學(xué)模擬軟件PHREEQC計(jì)算，“-”表示未計(jì)算。

地表水的δD和δ18O平均值分別為-90.6‰和-12.22‰。地表水較泉水富集重同位素，尤其富集重的氧同位素，這可能受水域蒸發(fā)作用引起[1]。此外，由于XC702泉水是XC199河水的主要水源，致使地表水XC199與XC702泉水樣δD和δ18O值接近。

由圖3可知：爾烏泉域泉水和地表水的δD和δ18O值靠近全球大氣降水曲線(δD = 8.0δ18O + 10)[8]和西南地區(qū)降水曲線(δD = 7.54δ18O + 4.84)[9]，表明其補(bǔ)給來源為大氣降水。此外，泉水中δ18O值不存在漂移，說明地下水徑流活動(dòng)性強(qiáng)，地下水交替更新快。通過相應(yīng)的計(jì)算，得出爾烏泉域泉水的補(bǔ)給高程為2 806～2 886 m。爾烏泉水出露帶附近山峰高程均小于2 500 m，這說明泉水非本地補(bǔ)給，而是來源于遠(yuǎn)處的山峰，地下水經(jīng)歷較長的循環(huán)途徑。

除XC198水樣外，爾烏泉域泉水和接受泉水補(bǔ)給的XC199河水樣的3H含量值均小于2TU，說明地下水為非現(xiàn)代水，補(bǔ)給來源較遠(yuǎn)，且經(jīng)歷較長的徑流時(shí)間(大于60 a)[10]，這與δD和δ18O的分析結(jié)果一致。

3.3 影響地下水主要組分的水化學(xué)過程

影響地下水水化學(xué)特征的因素包括自然因素和人為因素。賦存基巖孔隙裂隙中的地下水在補(bǔ)給、運(yùn)移和排泄過程中與大氣組分、土壤、圍巖發(fā)生交換、溶解、沉淀和混合，形成化學(xué)組分不同的地下水[1～2]。此外，人類活動(dòng)(生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉)會(huì)通過土壤、巖石裂隙和孔隙等通道，影響地下水組分的組成[2]。

3.3.1 水巖相互作用

利用TDS與Cl/(Cl+HCO3)和Na/(Na+Ca)的關(guān)系圖，可將地下水水化學(xué)組分的成因類型劃分為三類：巖石風(fēng)化型，降水控制型和蒸發(fā)- 濃縮型[11]。爾烏泉域泉水受大氣降水補(bǔ)給，降水入滲后與含水層主要礦物發(fā)生反應(yīng)，溶解或沉淀部分水化學(xué)組分，形成具有不同組分特征的水溶液。由圖4可知爾烏泉域泉水和地表水為巖石風(fēng)化型，其主要組分來源于水巖相互作用過程。

圖4 研究區(qū)水樣的Gibbs關(guān)系圖Fig.4 Gibbs plot of water samples in the study area

CaCO3+ CaMg(CO3)2+ 3CO2(g) + 3H2O→2Ca2++

(1)

圖5 研究區(qū)水樣中(Ca2++Mg2+)和，(Ca2++Mg2+)和關(guān)系圖Fig.samples in the study area

2NaAlSi3O8(鈉長石)+2CO2+11H2O→4H4SiO4+

(2)

2KAlSi3O8(鉀長石)+2CO2+11H2O→4H4SiO4+

(3)

圖6 研究區(qū)采集水樣中主要礦物的飽和指數(shù)分布圖Fig.6 Plot of SIs of water samples collected from the study area

3.3.2 陽離子交換過程

(4)

圖7 研究區(qū)地下水中(Na+-Cl-)和(Ca2++Mg2+)-關(guān)系圖Fig.7 Relationship between (Na+-Cl-) and (Ca2++

3.3.3 人類活動(dòng)影響

圖8 研究區(qū)所采集水樣中與與關(guān)系圖Fig.,from the study area

3.4 爾烏泉域發(fā)育成因

圖9 爾烏泉域地下水成因模式圖Fig.9 Genetic model of groundwater in the catchment area of the Erwu spring

4 結(jié)論

(2)爾烏泉域泉水中δD和δ18O的平均值分別為-95.4‰和-12.62‰。相比之下，地表水較泉水富集重同位素，尤其富集重的氧同位素，這可能受水域蒸發(fā)作用引起。爾烏泉域泉水和地表水的δD和δ18O值靠近全球大氣降水曲線和西南地區(qū)降水曲線，說明其補(bǔ)給來源為大氣降水。氚同位素結(jié)果說明爾烏泉水為非現(xiàn)代水，補(bǔ)給來源較遠(yuǎn)，且經(jīng)歷較長的徑流時(shí)間。

(4)區(qū)域內(nèi)石安村斷裂切割了爾烏背斜，使小壩組、飛天山組砂巖地層破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育，并廣泛出露，降雨通過破碎帶和裂隙通道入滲，快速徑流，后在爾烏一帶因溝谷天然切割，形成地下水的集中排泄帶。

[ 1] 翟遠(yuǎn)征，王金生，周俊. 北京市潮白河沖積扇地下水流動(dòng)和更新模式的水化學(xué)和同位素標(biāo)記[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 21(1): 32-44. [ZHAI Y Z, WANG J S, ZHOU J. Hydrochemical and isotopic markers of flow patterns and renewal mode of groundwater in Chaobai River alluvial fan in Beijing [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2013, 21(1): 32-44. (in Chinese)]

[ 2] 袁建飛，鄧國仕，徐芬，等. 畢節(jié)市北部巖溶地下水水文地球化學(xué)特征[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016, 43(1): 12-21. [YUAN J F, DENG G S, XU F,etal. Hydrogeochemical characteristics of karst groundwater in the northern part of the city of Bijie [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(1): 12-21. (in Chinese)]

[ 3] 王海靜，張金流，劉再華，等. 基于水化學(xué)和同位素特征的四川黃龍溝泉群分類研究[J]. 地球?qū)W報(bào), 2011, 32(3): 367-372. [WANG H J, ZHANG J L, LIU Z H,etal. Classification of spring groups based on hydrochemical and isotopic features of Huanglong Ravine [J]. Acta Geoscience Sinica, 2011, 32(3): 367-372. (in Chinese)]

[ 4] 尹德超，羅明明，張亮，等. 基于流量衰減分析的次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算方法[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016, 43(3):11-16. [YIN D C, LUO M M, ZHANG L,etal. Methods of calculating recharge coefficient of precipitation event based on spring recession analysis [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(3):11-16. (in Chinese)]

[ 5] 袁建飛. 廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)水文地球化學(xué)研究[D]. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué), 2013: 74-78. [YUAN J F. Hydrogeochemistry of the geothermal systems in coastal areas of Guangdong province, south China[D]. Wuhan: China University of Geoscience, 2013: 74-78. (in Chinese)]

[ 6] 王莉驕，張有全，宮輝力，等. 北京市玉泉山泉恢復(fù)條件研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016, 43(3): 22-28. [WANG L J, ZHANG Y Q, GUO H L,etal. A study on recovery condition of Yuquanshan spring in Beijing [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(3): 22-28. (in Chinese)]

[ 7] 鄧國仕，唐業(yè)旗，袁建飛，等. 烏蒙山區(qū)1:50000西昌幅水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R]. 成都：中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 2015, 76-77. [DENG G S, TANG Y Q, YUAN J F,etal. An investigation reports of 1:50000 hydrogeology and environmental geology survey in the Wumeng Mountain [R]. Chengdu: Chengdu Center, China Geological Survey, 2015, 76-77.(in Chinese)]

[ 8] H Craig. Isotopic Variations in Meteoric Waters [J]. Science, 1961, 133: 1702-1703.

[ 9] 劉進(jìn)達(dá)，趙迎昌. 中國大氣降水穩(wěn)定同位素時(shí)空分布規(guī)律探討[J]. 勘察科學(xué)技術(shù), 1997(3): 34-39. [LIU J H, ZHAO Y C. Discussion on the stable isotope time- space distribution law of China atmospheric precipitation [J]. Site Investigation Science and Technology, 1997(3): 34-39. (in Chinese)]

[10] Cloutier V, Lefebvre R, Savard M M,etal. Hydrogeochemistry and groundwater origin of the Basses- Laurentides sedimentary rock aquifer system, St. Lawrence Lowlands, Québec, Canada [J]. Hydrogeology Journal, 2006, 14: 573-590.

[11] Gibbs R J. Mechanisms controlling world water chemistry [J]. Science, 1970, 170: 1088-1090.

[12] Deutsch W J, Siegel R. Groundwater Geochemistry: Fundamentals and Applications to Contamination [M]. CRC Press, 1997.

[13] 楊樹苗，周訓(xùn)，王曉翠，等. 云南云龍和蘭坪地區(qū)溫泉中游離二氧化碳特征[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2015, 42(4): 156-161. [YANG S M, ZHOU X, WANG X C,etal. Characteristics of free carbon dioxide in the hot springs in the Yunlong- Langping area of Yunnan [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2015, 42(4): 156-161. (in Chinese)]

[14] Gastmans D, Hutcheon L, Menegario A A,etal. Geochemical evolution of groundwater in a basaltic aquifer based on chemical and stable isotopic data: Case study from the Northeastern portion of Serra Geral Aquifer, Sao Paulo state (Brazil)[J]. Journal of Hydrology, 2016, 535: 598-611.

[15] Han Y, Wang G C, Cravotta C A,etal. Hydrogeochemical evolution of Ordovician limestone groundwater in Yanzhou, North China [J]. Hydrological Processes, 2013, 27: 2247-2257.

責(zé)任編輯：張若琳

Hydrogeochemical characteristics and genesis of springs in the catchment area of the Erwu spring of Xichang

YUAN Jianfei1, DENG Guoshi1, XU Fen2, TANG Yeqi1

(1.ChengduCenterofChinaGeologySurvey,Chengdu,Sichuan610081,China; 2.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

catchment area of a spring; hydrogeochemical characteristics; oxygen and hydrogen isotopes; water- rock interaction; genesis

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.03

2016- 08- 03;

2016- 09- 20

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(12120114030301，DD20160286)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502245)

袁建飛(1983- )，男，博士，工程師，主要從事水文地球化學(xué)和地?zé)岬刭|(zhì)的研究。E- mail: jianfeiyuan@163.com

P641.3

A

1000- 3665(2017)04- 0015- 08