李曉波，趙新村*，李明毅，郄亮，李星辰，楊寶萍，王延嶺，孫大偉

(1.山東省地礦局巖溶塌陷防治重點實驗室，山東 泰安 271000；2.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

巖溶水是我國許多大城市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的主要供水水源[1]。在我國北方地區(qū)由于氣候原因，地表水資源相對匱乏，地下水尤其是巖溶地下水在農(nóng)田灌溉、城市供水中地位顯得尤為重要[2-7]。目前，對泰安市巖溶水的研究多集中于地下水水質(zhì)及地下水開采引起的地質(zhì)環(huán)境問題上，汝亮、焦玉國、王祥永等[8-10]就泰安市城區(qū)塌陷成因機理、影響因素及災(zāi)害防治等內(nèi)容進行了研究；劉元晴[11]對過量開采巖溶地下水產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問題進行了分析；鄧啟軍、潘曉東等[12-13]對泰安市巖溶水文補、徑、排條件，巖溶發(fā)育特征等進行了介紹；李肖蘭、馬振民[14-15]等對區(qū)內(nèi)地下水污染現(xiàn)狀、水質(zhì)變化情況進行了分析，但對該地區(qū)巖溶水水文地球化學(xué)特征分析及形成機制研究極少報道。本文以泰安市城區(qū)巖溶水為研究對象，通過地下水樣品采集，運用數(shù)理統(tǒng)計分析、水文地球化學(xué)圖解、礦物飽和指數(shù)等方法，分析巖溶水的水化學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上研究巖溶水水化學(xué)成分的形成機制，以期為泰安市城區(qū)巖溶地下水開發(fā)利用及環(huán)境保護提供水化學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)面積約308km2。屬暖溫帶季風(fēng)大陸型性氣候，四季分明，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，多年平均氣溫為12.8℃，多年平均降水量為957.24mm(1960—2021年)。地貌類型為泰山山前沖洪積平原，地勢總體由西北向東南傾斜，地形坡度小于1/1000。受大氣環(huán)流、季風(fēng)和地形條件影響，降水量時空變化較大，呈現(xiàn)降水量年內(nèi)分配不均、年際間變化較大和降水具有連豐、連枯交替出現(xiàn)的特點。區(qū)內(nèi)地表水體主要有大汶河支流牟汶河，其他河流如芝田河、明堂河、梳洗河等，均為發(fā)源于泰山山谷的雨源性季節(jié)性河流[16-17]。

寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水是研究區(qū)的主要含水巖組，分布于研究區(qū)的大部分區(qū)域，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖和泥灰?guī)r為主。除區(qū)內(nèi)南部有零星露頭外，其余均隱伏于第四紀地層之下，地下水賦存條件較好，巖溶較發(fā)育，含水層厚度在70～80m，單位涌水量為1.30～18.18L/(s·m)，是區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)供水主要目的層，泰安市曾將其作為城區(qū)水源地供水層位。區(qū)內(nèi)巖溶水主要補給來源有兩類：一是第四系水“天窗”補給；二是區(qū)外基巖裂隙水含水層側(cè)向徑流補給。受構(gòu)造影響徑流方向為由北西向南東徑流，與地形坡度及第四系流向基本一致，排泄方式為人工開采、徑流排泄及托頂補給第四系孔隙水。

2 材料與方法

1—灰?guī)r埋藏區(qū)；2—灰?guī)r裸露區(qū)；3—變質(zhì)巖區(qū)；4—水系；5—地下水流向；6—斷裂；7—采樣點及編號圖1 研究區(qū)采樣點分布

3 結(jié)果與討論

3.1 主要水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計分析

通過對地下水中各化學(xué)成分進行數(shù)理統(tǒng)計，可以分析其變化規(guī)律[18]。研究區(qū)地下水水化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由表1可知，地下水中的pH變化范圍為6.7～7.7，平均值為7.3，均為中性水(6.5450mg/L)。

變異系數(shù)(Cv)可衡量各個組分變異程度，從而進一步說明地下水化學(xué)組分形成的復(fù)雜程度，當(dāng)Cv≥1，表示其變異性較強；當(dāng)0.1

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表 單位：mg/L

3.1.1 水化學(xué)類型及分布特征

Piper 圖是由一個等邊平行四邊形及2個等邊三角形的組成，濃度單位為當(dāng)量百分數(shù)，Piper三線圖通常用來進行水化學(xué)成分分類、水化學(xué)成分演化等研究[21-22]。從圖2左下三角形區(qū)域可以知道，研究區(qū)地下水陽離子主要以Ca2+為主，毫克當(dāng)量百分數(shù)在60%～90%之間，主要分布于菱形區(qū)1區(qū)，表明堿土金屬Ca2+、Mg2+含量大于堿金屬Na+、K+含量，Ca2+、Mg2+為研究區(qū)地下水中主要陽離子。

圖2 研究區(qū)巖溶地下水Piper 三線圖

3.1.2 水化學(xué)相關(guān)性分析

圖3 研究區(qū)巖溶水TDS與主要陰陽離子關(guān)系圖

表2 研究區(qū)巖溶地下水主要化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 地下水水化學(xué)形成作用分析

3.2.1 地下水水化學(xué)成因類型分析

Gibbs圖常用于研究水—巖相互作用對地下水化學(xué)演化機制的影響。它將天然水化學(xué)組分的控制因素分為大氣降水控制型、水巖相互作用控制型和蒸發(fā)-濃縮控制型3種[24-25]。

RWD—巖石風(fēng)化作用；ECD—大氣降水作用；APD—蒸發(fā)結(jié)晶作用圖4 研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)Gibbs分布圖

3.2.2 離子比值分析

離子比值法可以進一步判斷地下水水化學(xué)組分的控制因素與成因[26]。

Na+與Cl-之間的毫克當(dāng)量比值關(guān)系可以反映Na+和Cl-的來源[27-28]。當(dāng)Na+與Cl-毫克當(dāng)量比值等于1(式1)，表明巖鹽是地下水中Na+的主要來源；當(dāng)Na+與Cl-毫克當(dāng)量比值大于1時，表明地下水中Na+除巖鹽溶解外還有其他來源，可能是硅酸鹽溶解如鈉長石(NaAlSi3O8)(式2)；當(dāng)Na+與Cl-毫克當(dāng)量比值小于1時，表明地下水可能存在著人為污染導(dǎo)致Cl-含量增加或者存在反向陽離子交換作用導(dǎo)致地下水中Na+減少(式3)。

NaCl→Na++Cl-

(1)

2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→Al2Si2O5(OH)4+

(2)

2Na++ CaX2→Ca2++2NaX

(3)

由圖5(a)可知，研究區(qū)地下水樣主要分布在Na+/Cl-=1附近，說明研究區(qū)巖鹽溶解是地下水中Na+、Cl-主要來源，部分點位Na+/Cl-=1下方，表明研究區(qū)地下水可能存在陽離子交換作用或者存在人為污染導(dǎo)致Cl-含量增加。

圖5 研究區(qū)地下水離子比值

(4)

(5)

(6)

氯堿指數(shù)可以進一步確定地下水中陽離子交替吸附作用發(fā)生的方向及強度[34]。當(dāng)CAI-1和CAI-2均為負值時，表明地下水中的Ca2+將含水層礦物中的Na+交換出來，即發(fā)生正向陽離子交替吸附作用，反之，當(dāng)CAI-1和CAI-2均為正值時，即發(fā)生逆向陽離子交替吸附作用，導(dǎo)致地下水中Na+減少，Ca2+含量增加。

3.3 飽和指數(shù)分析

計算巖溶含水層中巖鹽(NaCl)、石膏(CaSO4·2H2O)、方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)等礦物的飽和指數(shù)(SI)，可進一步確定研究區(qū)地下水是否產(chǎn)生了溶濾作用[35-36]。利用PHREEQC軟件計算研究區(qū)地下水不同礦物的SI，當(dāng)SI<0時，表明該礦物在水溶液中未達到飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生溶解；當(dāng)SI=0，表明該礦物在水溶液中正好處于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI>0，表明該礦物在水溶液處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。由于水質(zhì)分析、礦物平衡常數(shù)和離子活度計算中存在一定的誤差，導(dǎo)致SI的計算結(jié)果存在一定的不確定性，當(dāng)SI的變化范圍在0±0.5時，可認為礦物相對水溶液處于平衡狀態(tài)[37]。

由地下水中主要礦物SI與TDS關(guān)系(圖6)可知，研究區(qū)巖溶含水層中鹽巖SI變化范圍為-8.18～-6.12，均值為-6.92；方解石的SI變化范圍為-0.75～0.42，均值為0.19；白云石的SI變化范圍為-1.50～0.48，均值為-0.04；石膏的SI變化范圍為-2.38～-0.83，均值為-1.28。地下水中石膏(CaSO4·2H2O)和巖鹽(NaCl)的SI均小于0，表明其呈溶解狀態(tài)；方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)的SI在0附近，呈溶解/沉淀狀態(tài)，且可以看出隨著TDS增大，各礦物SI均呈現(xiàn)上升趨勢。綜上所述，進一步證實碳酸鹽巖礦物中的方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)，以及蒸發(fā)巖礦物中的石膏(CaSO4·2H2O)、巖鹽(NaCl)是研究區(qū)地下水的主要離子來源。

圖6 地下水中主要礦物SI與TDS關(guān)系

3.4 人為活動影響

圖7 研究區(qū)地下水與Cl-關(guān)系圖

4 結(jié)論

(2)研究區(qū)巖溶水水化學(xué)類型以HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca 型、HCO3·SO4·Cl-Ca型為主，研究區(qū)地下水化學(xué)成因主要受到巖石風(fēng)化作用的控制，而大氣降雨和蒸發(fā)結(jié)晶的影響相對微弱，主要以碳酸鹽巖、硫酸鹽類礦物的風(fēng)化溶解為主，局部伴隨著硫酸鹽礦物的溶解，其中巖鹽、石膏尚處于不飽和狀態(tài)，方解石、白云石已達到沉淀/溶解平衡狀態(tài)。區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)成分除受水巖相互作用外，還受陽離子交替作用、人為活動的影響，導(dǎo)致地下水化學(xué)成分發(fā)生顯著變化。