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        濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)Sr元素分布特征及其指示意義

        2021-08-27 02:19:48李佳佳高宗軍李常鎖
        地下水 2021年4期

        李佳佳,高宗軍,李常鎖

        (1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì),山東 青島 266555;2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),山東 濟(jì)南 250014)

        巖石圈中的鍶元素化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,一般不受人為作用的影響。鍶在地下水中以Sr2+的形式存在和遷移,巖石中的鍶是地下水中鍶的主要物源[1]。含鍶礦物和富含鍶的閃長(zhǎng)巖、花崗巖、粘土巖以及碳酸鹽巖石是提供鍶元素物質(zhì)來(lái)源的主要母巖[1]。因此,地下水中鍶的濃度是地下水不斷接觸圍巖相互作用的結(jié)果,其在一定的程度上能夠反映地下水水質(zhì)特征及其形成環(huán)境。20世紀(jì)九十年代以來(lái),鍶作為示蹤元素在水文地質(zhì)研究中得到了一定的應(yīng)用:王焰新等[2]用娘子關(guān)泉域鍶濃度的變化推斷該地區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境。康志強(qiáng)[3]等人發(fā)現(xiàn)在純碳酸鹽巖流域范圍內(nèi),巖溶水中鍶濃度只受控于地下水徑流條件,因而Ca/Sr值能良好的示蹤巖溶區(qū)地下水循環(huán)。王增銀[4]等根據(jù)延河泉巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)分析資料分析,發(fā)現(xiàn)Sr/Ca、Sr/Mg值可較明了的映現(xiàn)出巖溶水的徑流規(guī)律。綜上,利用微量元素Sr作為示蹤元素來(lái)解決水文地質(zhì)中的一些具體問(wèn)題有一定的優(yōu)越性。

        自上個(gè)世紀(jì)50年代至今,濟(jì)南泉域積累了大量的常規(guī)水化學(xué)資料[5-9]。然而,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,開(kāi)采泉域時(shí)間較長(zhǎng),地下水環(huán)境受人為因素影響嚴(yán)重[10-12],僅通過(guò)常量元素很難進(jìn)一步分析濟(jì)南泉水的補(bǔ)給來(lái)源及巖溶水之間的徑流規(guī)律。近年來(lái),研究者多采用地下水位回歸分析[13]、回灌補(bǔ)源地下水流場(chǎng)形態(tài)分析[14]、地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型[15]、示蹤試驗(yàn)[16]等方法研究濟(jì)南泉域水循環(huán),利用天然微量元素研究濟(jì)南泉域的案例少之又少。富鍶的古生代海相碳酸鹽巖為濟(jì)南泉域巖溶區(qū)水化學(xué)的主控地層,本文筆者利用微量元素Sr對(duì)濟(jì)南泉域的補(bǔ)給來(lái)源及徑流規(guī)律做出了新的探索。

        1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

        濟(jì)南南部山區(qū)廣泛分布巨厚的寒武—奧陶系石灰?guī)r,總厚度達(dá)1 000余 m。石灰?guī)r溶洞、溶孔、溶隙、溶蝕管道較為發(fā)育,濟(jì)南巖溶地下水補(bǔ)給條件良好、儲(chǔ)存空間巨大。濟(jì)南泉域位處泰山背斜北翼的濟(jì)南單斜構(gòu)造,地形南高北低,加之巖層傾向總體為向北,石灰?guī)r體在接受了南部山區(qū)地表水及大氣降水的補(bǔ)給后,順地勢(shì)沿地層傾向由南向北徑流,加之一些斷裂構(gòu)造的溝通,巖溶地下水徑流通暢;然而,當(dāng)?shù)叵滤睆搅髦翝?jì)南火成巖體和石炭、二迭系煤系地層分布區(qū)域時(shí),地下水受到阻礙,在圍繞灰?guī)r分布的火成巖體和石炭、二迭系煤系地層前緣地帶富集,形成巖溶地下水的承壓區(qū)。在較高的水頭壓力作用下,巖溶地下水于低洼地段沿著巖溶通道、石灰?guī)r裂隙,穿過(guò)局部火成巖的風(fēng)化裂隙及松散土層,最終涌出地面而形成泉水。

        2 數(shù)據(jù)來(lái)源

        本次研究工作借助于山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012-045)水樣測(cè)試資料為依托。2012年5月份(枯水期)和9月份(豐水期),分別在濟(jì)南西、東、南3個(gè)方向上的碳酸鹽巖分布區(qū)及部分碳酸鹽巖隱伏埋藏區(qū)的大范圍巖溶水分布區(qū)進(jìn)行水樣取水(取樣的井深大于100 m)。本次研究范圍為:北至奧陶系200~800 m埋深等值線為界,西至馬山斷裂帶,東至文祖斷裂帶,南以巖溶水與基巖裂隙水的含水巖組界限為界,研究面積約1 400 km2。采樣點(diǎn)均勻布設(shè)于整個(gè)巖溶水系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)采樣位置見(jiàn)圖1。

        圖1 采樣點(diǎn)位置圖及水文地質(zhì)略圖

        3 Sr元素分布形態(tài)及其指示意義

        3.1 Sr元素水化學(xué)分析數(shù)據(jù)

        筆者根據(jù)巖溶地下水82個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果,保留士3倍標(biāo)準(zhǔn)離差區(qū)間的數(shù)據(jù),逐步剔除離群值得到Sr微量元素統(tǒng)計(jì)特征表,包括最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差(σ)、變異系數(shù)(Cv)、樣本數(shù)(N)等。由表1可以看出,剔除的離群數(shù)據(jù)較少,說(shuō)明濟(jì)南泉域Sr元素分布含量變異小,主要受成土母質(zhì)及徑流條件影響,受人為因素影響不大。

        表1 濟(jì)南泉域Sr元素統(tǒng)計(jì)特征表 ng/ml

        3.2 Sr元素分布形態(tài)及其指示意義

        筆者根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》的要求,分別繪制枯豐水期Sr元素等值線圖。根據(jù)圖2、圖3可見(jiàn),枯水期Sr濃度富集程度最高的位置分布于研究區(qū)的北部及東北部,其次分布在黨家鎮(zhèn)、七賢鎮(zhèn)、姚家鎮(zhèn)附近。從“兩期”的元素變化來(lái)看,豐水期相對(duì)枯水期Sr元素濃度整體下降但幅度不大,均值由0.341μg/L降為0.31μg/L。

        圖2 Sr元素枯水期豐度等值線圖

        圖3 Sr元素豐水期豐度等值線圖

        通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),豐、枯水期一個(gè)明顯的變化是:豐水期東郊姚家鎮(zhèn)、西郊七賢鎮(zhèn)的元素濃度高值區(qū)域向趵突泉方向匯聚延伸,初步推測(cè)東郊、西郊均為濟(jì)南泉域地下水的補(bǔ)給來(lái)源。另外,還可以發(fā)現(xiàn)26號(hào)趵突泉取樣點(diǎn)無(wú)論枯豐水期,Sr元素濃度都明顯低于四周濃度值。根據(jù)補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)Sr元素逐漸增加的規(guī)律,若推測(cè)泉水全部來(lái)源于近源補(bǔ)給,這顯然是不正確的。筆者認(rèn)為形成此現(xiàn)象的原因是南部山區(qū)低Sr濃度的巖溶水通過(guò)深部循環(huán)遠(yuǎn)距離補(bǔ)給泉水,降低了趵突泉處Sr元素的濃度。

        王增銀等發(fā)現(xiàn)地下水中Sr2+質(zhì)量濃度隨著地下水徑流途徑增長(zhǎng)、水-巖相互作用時(shí)間增加而逐漸增高[4]。結(jié)合此發(fā)現(xiàn)及枯豐水期Sr元素遷移規(guī)律,初步推斷濟(jì)南巖溶水地下水流向見(jiàn)圖3。

        3.3 Sr元素指示意義的驗(yàn)證

        為驗(yàn)證濟(jì)南泉域泉水來(lái)源,筆者選用相關(guān)系數(shù)為0.394的Sr及Ba兩種元素,運(yùn)用PHREEQC軟件的MIX模塊,選取枯水期26號(hào)趵突泉采樣點(diǎn)周邊的13個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不同比例混合。經(jīng)過(guò)不斷試算,選取模擬混合結(jié)果最接近于26號(hào)取樣點(diǎn)水質(zhì)的mix比例,最終按照各采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)程度,用大小不同的箭頭進(jìn)行標(biāo)示(見(jiàn)圖4),結(jié)果顯示濟(jì)南東部、西部、南部地下巖溶水對(duì)趵突泉水均有補(bǔ)給作用。得出的結(jié)論同上文推斷有高度的一致性。

        圖4 取樣點(diǎn)混合比例示意圖

        4 濟(jì)南巖溶水徑流規(guī)律研究

        4.1 Sr/Ca指示的水文地質(zhì)意義

        在濟(jì)南巖溶區(qū),富鍶的古生代海相碳酸鹽巖為水化學(xué)的主控地層,此類地層的碳酸鹽礦物中鍶與鈣有明顯的共生關(guān)系。在巖溶作用進(jìn)行時(shí),將同步溶解含鍶和鈣的碳酸鹽礦物,因此,巖溶水中Sr2+與Ca2+的濃度將同時(shí)增加。巖溶水中Ca2+很容易達(dá)到溶解平衡,而作為微量元素的鍶在水中濃度相對(duì)較低因此很難達(dá)到飽和狀態(tài)。而且,鍶元素化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,生物遷移量低,除受地層自身元素豐度的影響外,地下水中的Sr2+濃度只受巖溶作用強(qiáng)度及水徑流條件的控制,其隨徑流途徑及水巖相互作用時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大,該過(guò)程不受人為影響。因而,在礦物同步溶解過(guò)程中,遠(yuǎn)離平衡態(tài)的巖溶水中Ca/Sr值為常數(shù)。當(dāng)水中Ca2+接近溶解平衡狀態(tài)時(shí),Sr/Ca值逐漸增大。因此,巖溶水中Sr/Ca值可被用來(lái)判斷巖溶水的徑流特征[3,4,17-19]。在巖性相同的流域范圍內(nèi),巖溶水中Sr/Ca值越小,說(shuō)明水循環(huán)徑流條件越好[3]。

        為了探索巖溶水系統(tǒng)Sr/Ca值的分布規(guī)律,筆者分析投點(diǎn)后作出Sr/Ca比值示意圖(見(jiàn)圖5)。為了更直觀的判別所研究區(qū)徑流環(huán)境,做Sr/Ca比值等值線圖見(jiàn)圖6。通過(guò)圖件可以看出由南向北Sr/Ca比值逐漸增大,說(shuō)明水循環(huán)徑流速度由南向北呈降低趨勢(shì)。南部山區(qū)主要為灰?guī)r裸露區(qū),直接接受大氣降雨的補(bǔ)給,由于巖溶發(fā)育,滲透性好,導(dǎo)水性能強(qiáng),地下水交替強(qiáng)烈,水-巖作用時(shí)間短,致使水中鍶含量都很低,故Sr/Ca比值也低;徑流條件較差的取樣點(diǎn)大部分分布在巖溶水系統(tǒng)北部埋藏區(qū),灰?guī)r埋深較大,地下水徑流條件差,水-巖作用時(shí)間長(zhǎng),富集鍶,Sr/Ca比值較高;北部Sr/Ca極高值區(qū)代表徑流滯緩區(qū),富集Sr元素。得出的結(jié)論符合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件—研究區(qū)由南至北依次為間接補(bǔ)給區(qū)、直接補(bǔ)給區(qū)、匯集排泄區(qū),呈帶狀北東—南西向分布。

        圖5 Sr/Ca比值示意圖

        圖6 Sr/Ca比值等值線圖

        4.2 TDS濃度梯度場(chǎng)驗(yàn)證

        以往研究表明:地下水在徑流的過(guò)程中會(huì)發(fā)生溶濾作用,從而改變水中離子濃度,地層的導(dǎo)水能力越強(qiáng),地下水徑流與水交替愈迅速,巖層經(jīng)受的溶濾愈充分,易溶鹽類愈貧乏,地下水的TDS愈低,同時(shí)由于徑流速度愈快,溶濾作用時(shí)間越短,地下水的TDS愈低[20]。反之,地層的導(dǎo)水能力越差,地下水流速愈慢,地下水滯留時(shí)間愈長(zhǎng),與圍巖溶濾等發(fā)生水文地球化學(xué)作用愈強(qiáng)烈,則TDS愈高。因而,地下水有規(guī)律的TDS分布特征可以反映地下水的徑流情況[21]。TDS雖易受人類活動(dòng)影響,但在大致方向上還是可以作為反映地下水徑流的依據(jù)。

        從圖7看出,從南部山區(qū)至北部埋藏區(qū),TDS與鍶濃度整體呈上升趨勢(shì),大致反映了巖溶水系統(tǒng)從南部補(bǔ)給區(qū)到北部排泄區(qū)的整體過(guò)程。從圖上可以看出南部山區(qū)至趵突泉TDS大致為由小變大,而越靠近趵突泉區(qū)域確是由大變小,西部和東部至趵突泉TDS變化也有此規(guī)律,若泉水全部來(lái)源于近源補(bǔ)給,則有違于補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)TDS逐漸增加的規(guī)律。再次驗(yàn)證了泉水有遠(yuǎn)距離深層補(bǔ)給的結(jié)論。

        圖7 枯水期TDS等值線圖

        5 結(jié)語(yǔ)

        研究區(qū)枯、豐水期Sr濃度富集程度最高的地區(qū)為研究區(qū)北部及東北部,其次分布在黨家鎮(zhèn)、七賢鎮(zhèn)、姚家鎮(zhèn)附近。隱含在微量元素Sr分布特征中的水文地質(zhì)含義是十分豐富的:

        (1)豐枯水期Sr元素濃度自南部山區(qū)往北至泉群路徑,由低到高的形態(tài)較形象的反映了巖溶水流動(dòng)的整個(gè)過(guò)程;

        (2)對(duì)比“兩期”元素遷移形態(tài)發(fā)現(xiàn),豐水期西郊七賢鎮(zhèn)、東郊姚家鎮(zhèn)的Sr元素濃度高值區(qū)域向趵突泉方向延伸匯聚,說(shuō)明東郊、南部山區(qū)及西郊均對(duì)濟(jì)南泉群地下水有補(bǔ)給,并根據(jù)PHREEQC試算結(jié)果,驗(yàn)證了濟(jì)南趵突泉水是多源補(bǔ)給的;

        (3)枯豐水期26號(hào)趵突泉取樣點(diǎn)Sr元素濃度均明顯低于四周濃度值,說(shuō)明了泉群地下水補(bǔ)給來(lái)源不僅僅為近源補(bǔ)給,還有遠(yuǎn)距離深循環(huán)補(bǔ)給。TDS濃度梯度場(chǎng)特征分析得出相同的結(jié)論;

        (4)由南向北Sr/Ca、TDS濃度逐漸增大,分布規(guī)律大致相同,水循環(huán)徑流速度從南部山區(qū)的補(bǔ)給區(qū)到北部匯集排泄區(qū)逐漸降低的趨勢(shì)非常明顯。

        本文為巖溶水地下水徑流規(guī)律的研究提供了一種新的思路,并進(jìn)一步驗(yàn)證了Sr元素是比較理想的天然示蹤劑。此種方法盡管簡(jiǎn)單,卻能清晰表現(xiàn)出研究對(duì)象的特性和地質(zhì)作用過(guò)程中變化的規(guī)律性,具有極強(qiáng)的可操作性。

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