劉俊芳，范雪芳，郭寶仁，郭 宇，高文玉，劉金柱

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.忻州地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 代縣 034200）

地下水組分承載了流體來(lái)源、運(yùn)移和巖石圈信息（張磊等，2016），前人通過(guò)水化學(xué)方法研究地下流體的化學(xué)特征及成因，李靜榮等（2018）研究了廣東省河源斷裂帶碳酸泉水化學(xué)特征及形成機(jī)制；楊靜等（2019a，2019b）研究了山西夏縣水化學(xué)觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境，利用水化學(xué)特征分析了夏縣溫泉水的補(bǔ)給來(lái)源和溫泉類(lèi)型。王云等（2018）對(duì)滇東南楔形構(gòu)造區(qū)內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水化學(xué)特征和氣體化學(xué)特征分析，判斷不同泉點(diǎn)的水巖作用、循環(huán)特征和逸出氣成因。胡小靜等（2018）利用水化學(xué)特征研究云南江川漁村井的地下水循環(huán)特征和補(bǔ)給來(lái)源。田雷等（2018）通過(guò)分析滇17井的水化學(xué)測(cè)項(xiàng)，得出觀測(cè)井周邊水文地質(zhì)及水文地球化學(xué)情況，認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的原因是地下應(yīng)力環(huán)境改變。在長(zhǎng)期觀測(cè)山西定襄七巖泉水氡過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其水文背景觀測(cè)資料不完整，有待完善。本文采集了定襄七巖泉的水源點(diǎn)、采樣點(diǎn)和周?chē)畼?，通過(guò)水化學(xué)離子組分、氫氧同位素特征、水巖反應(yīng)等，分析七巖泉測(cè)點(diǎn)及附近取樣點(diǎn)的水化學(xué)特征，判斷不同采樣點(diǎn)的水質(zhì)類(lèi)型、水—巖平衡狀態(tài)和泉水補(bǔ)給來(lái)源，為該臺(tái)站流體監(jiān)測(cè)及分析預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)域

定襄七巖泉位于忻定盆地南側(cè)，定襄凹陷南緣，定襄縣茶房口村南約500 m的山溝里，系舟山山地靠近系舟山北麓斷裂，七巖泉屬寒武系灰?guī)r喀斯特裂隙溶洞水，屬承壓上升泉水。泉水從基巖中沿?cái)鄬由细采w的沙礫石層溢出，含水層上部為中奧陶統(tǒng)（O2）富水灰?guī)r，下部為相對(duì)隔水的下奧陶統(tǒng)（O1）泥質(zhì)灰?guī)r。泉點(diǎn)西北側(cè)的斷裂帶，有一阻水的小型逆斷層構(gòu)成阻隔層，是造成泉水出露于地表的必要條件，定襄泉附近的石灰?guī)r、變質(zhì)巖等裂隙節(jié)理及溶洞較為發(fā)育，賦存有裂隙溶洞水，在斷層附近呈群泉溢出（見(jiàn)圖1）。定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)的年平均氣溫8.9℃，定襄泉測(cè)點(diǎn)的水溫約10.0℃且全年基本恒定，水溫高于年平均氣溫（范雪芳等，2002，2009，2010，2011）。

圖1 定襄泉區(qū)地質(zhì)（a）、水文地質(zhì)剖面（b）示意圖（范雪芳等，2007）

2 水化學(xué)分析

2.1 采樣與測(cè)試

本文選取定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)及周邊4處水點(diǎn)樣本，從泉水出露地的上游到下游依次為定襄1?！ㄏ?＃，具體采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。其中，定襄1＃為七巖泉上游蓋有井蓋的水源地，定襄2＃為井房?jī)?nèi)的測(cè)點(diǎn)，定襄3＃為測(cè)點(diǎn)井房外露天的居民抽水點(diǎn)及飲用水點(diǎn)，定襄4＃為測(cè)點(diǎn)附近居民山洞內(nèi)水槽中儲(chǔ)滿的水，定襄5＃為從山上巖石流下且出露地表的水點(diǎn)。樣品的水化學(xué)測(cè)試由中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）測(cè)定?，F(xiàn)場(chǎng)采用美國(guó)奧豪斯ST300C便攜式pH計(jì)和便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)試各采樣點(diǎn)水樣的酸堿度和電導(dǎo)率，水質(zhì)分析采用ICS-2100離子色譜儀，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)取樣點(diǎn)基本情況

表2 常量元素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （單位：mg/L）

圖2 定襄七巖泉周邊取樣點(diǎn)空間分布示意圖

2.2 水質(zhì)分析

圖3 定襄泉及其周?chē)畼铀瘜W(xué)成分分析圖

水化學(xué)類(lèi)型不同可以表征流體的成因與來(lái)源不一致，于是可以通過(guò)陰陽(yáng)離子的變化探討地下水來(lái)源和變化的影響因素。Ca2＋占比高，說(shuō)明泉水為低礦化水。在沒(méi)有人為外界干擾的地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，地下水中Cl-含量隨流程而增加，反映地下水的滲流途徑與平均滯留時(shí)間，反映地下水滲流場(chǎng)。水的電導(dǎo)率可用于衡量水中含鹽、離子成分以及雜質(zhì)等濃度特征，水中所含的溶質(zhì)和雜質(zhì)越少，其電導(dǎo)率就越低，相反電導(dǎo)率就越高（陳愛(ài)華，2013）。

與其他取樣點(diǎn)相比，定襄4＃的Ca2＋和Cl-含量、電導(dǎo)率、pH值及取樣水溫均高（見(jiàn)表1、表2），4＃為低礦化水，呈堿性，泉水流程較遠(yuǎn)，滯留時(shí)間長(zhǎng)，含溶質(zhì)和雜質(zhì)多，說(shuō)明4＃與其他取樣點(diǎn)水源不同。在水化學(xué)類(lèi)型類(lèi)似、TDS變化較小的水樣中，用離子比例分析法能反映出水樣的差異性。表3顯示，定襄泉測(cè)點(diǎn)及周?chē)w5個(gè)取樣點(diǎn)中，定襄1＃、2＃、3＃、5?；瘜W(xué)離子組分?jǐn)?shù)值非常接近，4＃離子成分明顯偏離。5個(gè)取樣點(diǎn)的離子含量、水化學(xué)類(lèi)型均顯示1＃、2＃、3＃、5＃為同一水源，4＃來(lái)源于另一水源。表3顯示，各采樣點(diǎn)均經(jīng)過(guò)一定深度的滲透循環(huán)，2＃的地下水離子比值高于其他采樣點(diǎn)，說(shuō)明2＃（測(cè)點(diǎn)）地下水滲透循環(huán)高于其他采樣點(diǎn)。4＃地下水離子比值低于其他采樣點(diǎn)，說(shuō)明4＃地下水滲透循環(huán)較淺。

表3 地下水離子比值表

2.3 水巖反應(yīng)

泉水由大氣降水進(jìn)入巖石裂隙、空隙等深循環(huán)通道，在水運(yùn)移過(guò)程中其化學(xué)成分要受到圍巖控制或上層冷水混合影響（伍劍波，2013）。水巖平衡分析用于體系開(kāi)放與封閉的判斷、時(shí)間及運(yùn)移過(guò)程的判斷。定襄泉Na-K-Mg水巖反應(yīng)平衡圖（見(jiàn)圖4）可用來(lái)評(píng)價(jià)水—巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類(lèi)型的水樣。根據(jù)樣品點(diǎn)在圖中的落點(diǎn)位置判斷該樣品所代表的水—巖平衡狀態(tài)，地下水中的線性成帶特征隱含著地下水形成、演化過(guò)程。從圖4可知（圖4中各化學(xué)元素均未添加離子符號(hào)，以方便繪制），定襄泉水及附近水樣均屬于“未成熟水”（伍劍波，2013），并且非?？拷麺g0.5端元附近，為淺層地下水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，反映出淺層的水循環(huán)特征，循環(huán)周期相對(duì)較快，水—巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行。

圖4 定襄泉及其周?chē)|(zhì)三角圖

2.4 氫氧同位素分析

氫氧同位素方法（伍劍波，2013；蘇鶴軍等，2010）是通過(guò)大氣降水確定補(bǔ)給水源的水文地球化學(xué)方法。定襄泉的氫氧同位素組成是判斷其地下水來(lái)源的主要指標(biāo)，我們對(duì)定襄泉測(cè)點(diǎn)及周?chē)畼舆M(jìn)行了氫氧同位素分析（取樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖2）。分析測(cè)試采用LWIA-24-EP氫氧穩(wěn)定同位素分析儀，結(jié)果見(jiàn)表4、圖5。

圖5 定襄泉測(cè)點(diǎn)及周?chē)畼託溲跬凰胤治?/p>

CRAIG于1961年利用大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)定義了全球大氣降水線（G MWL），具體方程式為δD＝8δ18O＋10（蘇鶴軍等，2010），參考山西太原地區(qū)大氣降水線δD＝6.42δ18O-4.66（賈振興等，2015），氫氧同位素分析定襄泉δD的范圍為-73.57‰～-65.85‰，δ18O的范圍為-10.61‰～-9.5‰（見(jiàn)表4）。定襄泉水為低礦化度水質(zhì)，代表典型的大氣降水與巖石之間的第一階段反應(yīng)，顯示了淺層的水文循環(huán)特征，利用區(qū)域降水線進(jìn)行地下水氫氧同位素組成特征分析，韓冬梅（2007）研究發(fā)現(xiàn)忻州盆地地下水的穩(wěn)定同位素D和18O基本落在太原地區(qū)大氣降水線上，以大氣降水補(bǔ)給為主。由表4可知，定襄4＃水樣的δD值為-65.85‰，δ18O值為-9.5‰，其氫氧同位素測(cè)值與其他4個(gè)水樣測(cè)值區(qū)別較大，說(shuō)明4＃采樣點(diǎn)的水與其他水樣來(lái)源不同。

表4 定襄氫氧同位素分析表

圖5顯示，定襄泉水及周?chē)畼拥臍溲跬凰乇戎笛厝虼髿饨邓€分布且靠近太原地區(qū)的大氣降水線，這些泉水補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水的淺層地下水，為大氣成因水，其水—巖反應(yīng)程度較低，循環(huán)深度不大。4＃分布在全球大氣降水線上，更靠近區(qū)域大氣降水線，且明顯區(qū)別于其他水樣，基本來(lái)源于大氣降水；其他4個(gè)水樣分布在兩條大氣降水線之間，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，但不完全受大氣降水影響，可能與地下地質(zhì)循環(huán)過(guò)程排泄補(bǔ)給有關(guān)。5＃更接近全球大氣降水線，比其他水樣更容易受大氣降水影響。3＃更接近區(qū)域大氣降水線，容易受區(qū)域大氣降水影響，因?yàn)?＃（裸露點(diǎn)）采樣點(diǎn)裸露，更容易混入雨水。1＃（蓋有井蓋）、2＃（井房?jī)?nèi)）采樣點(diǎn)相對(duì)封閉，不易混入雨水。

2.5 采樣點(diǎn)水氡分析

地下水在運(yùn)移過(guò)程中，巖石和土壤中的氡氣溶解在水中，形成水氡。從水源地上游1＃到下游5＃依次采樣并測(cè)量水氡值（見(jiàn)表5）。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同采樣點(diǎn)測(cè)得的水氡濃度值不同，水氡在徑流過(guò)程中逸散，以1＃為參照點(diǎn)，其下游的采樣點(diǎn)離參照點(diǎn)的距離與水氡測(cè)值呈負(fù)相關(guān)。

表5 不同采樣點(diǎn)的水氡測(cè)值

表5顯示，1＃和2＃的水氡均值相差16.8 Bq/L，2＃和3＃的水氡均值相差11.5 Bq/L，4＃和5＃的水氡測(cè)值都為0，表明4＃、5＃不含有水氡。由于4＃為測(cè)點(diǎn)附近居民山洞內(nèi)水槽中儲(chǔ)滿的水，5＃為從山上巖石流下且出露地表的水，日常水氡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的雨水中水氡測(cè)值為0，結(jié)合氫氧同位素和不同采樣點(diǎn)水氡測(cè)值分析，說(shuō)明4＃、5＃與其他取樣點(diǎn)水源不同，4＃為大氣降水，5＃比其他采樣點(diǎn)受大氣降水補(bǔ)給明顯，1＃、2＃、3＃均與地下地質(zhì)循環(huán)過(guò)程排泄補(bǔ)給有關(guān)，且水中溶解了氡氣，其水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水。結(jié)合水質(zhì)分析，4＃為降雨混合水徑流巖石后長(zhǎng)期積累在水槽中，可以認(rèn)為4＃來(lái)源于直接降水，5＃水源徑流巖石的時(shí)間短，為地表水。

2.6 微量元素分析

微量元素測(cè)試采用熱電的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀Series II，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 定襄泉微量元素質(zhì)量濃度

表6中微量元素質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征為Fe＞Sr＞La＞B＞Cr＞Li＞Ni，在Ba、Sr、Mn、Fe、Cu等5種微量元素中，定襄泉及附近水樣地下水微量元素的均值濃度表現(xiàn)為：Fe＞Sr＞Mn＞Cu＞Ba，除Fe元素質(zhì)量濃度變化范圍是296.2～365.1μg/L，Sr元素質(zhì)量濃度是154.8～172.6μg/L外，其余3種微量元素的濃度均值均小于2.0μg/L，即Ba元素質(zhì)量濃度變化范圍是0.008～0.042μg/L，Mn在0.005～0.162μg/L之間，Cu在0.442～1.151μg/L之間。定襄泉地下水中富含Ca2＋、Mg2＋、HCO-3等離子，3＃富含SO2-4，同時(shí)含有微量的Fe、Sr、Mn、Ba、Cu等元素，且結(jié)合水化學(xué)分析可知3＃水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水，這些物質(zhì)來(lái)源于基巖、土壤、降雨等。據(jù)調(diào)查，定襄泉周?chē)鸁o(wú)工業(yè)生產(chǎn)，當(dāng)?shù)刂饕顒?dòng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此，泉水中的金屬元素不因人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致輸入（陳雪彬等，2014）。定襄4＃的Fe、Ba、Ni、La濃度較其他采樣點(diǎn)略高，其微量元素明顯不同于其他采樣點(diǎn)，說(shuō)明4＃與其他取樣點(diǎn)的水源不同。

3 結(jié)果與討論

采用不同的水化學(xué)方法對(duì)定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)及周?chē)w的補(bǔ)給來(lái)源進(jìn)行研究，其水化學(xué)類(lèi)型、離子成分、水巖反應(yīng)、氫氧同位素、采樣點(diǎn)水氡和微量元素6個(gè)方面的分析可知定襄七巖泉水具有以下水文地球化學(xué)特征：（1）根據(jù)采樣測(cè)試結(jié)果和水質(zhì)分析，定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)類(lèi)型為Ca-Mg-HCO3。（2）根據(jù)水化學(xué)類(lèi)型、離子成分、氫氧同位素和微量元素分析，認(rèn)為定襄4＃與其他取樣點(diǎn)的水源不同。（3）根據(jù)Na-K-Mg水巖反應(yīng)平衡圖分析，認(rèn)為定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)和周?chē)w均屬于“未成熟水”，表現(xiàn)出淺層的水循環(huán)特征。泉水的水—巖反應(yīng)尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，反應(yīng)程度較低，循環(huán)深度不大。（4）根據(jù)氫氧同位素分析，認(rèn)為定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)和周?chē)w的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水。2＃（測(cè)點(diǎn)）主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，但不完全受大氣降水影響，與地下地質(zhì)循環(huán)過(guò)程排泄補(bǔ)給有關(guān)。4＃為大氣降雨水，5＃容易受大氣降水影響，3＃接近區(qū)域大氣降水線，容易受區(qū)域大氣降水影響，因?yàn)?＃采樣點(diǎn)裸露，容易混入雨水。1＃、2＃（測(cè)點(diǎn)）采樣點(diǎn)相對(duì)封閉，不易混入雨水。（5）根據(jù)采樣點(diǎn)水氡分析，結(jié)合氫氧同位素和水質(zhì)分析，認(rèn)為補(bǔ)給來(lái)源1＃、2＃（測(cè)點(diǎn)）、3＃水源為徑流巖石且逐漸積累后形成的地下水，4＃來(lái)源于直接降水，5＃水源徑流巖石的時(shí)間短，為地表水。

分析計(jì)算得到定襄七巖泉測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)類(lèi)型、水巖反應(yīng)平衡特征、補(bǔ)給來(lái)源、微量元素等水文地球化學(xué)特征，完善了定襄七巖泉的水文背景資料，可為定襄臺(tái)站的流體數(shù)據(jù)分析、異常落實(shí)提供依據(jù)，為流體地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供服務(wù)。