桂林新寨花岗岩地区水文地球化学特征

李 晶 刘德深 尹雅芳 吴旺发 苗 迎

（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

桂林新寨花岗岩地区水文地球化学特征

李 晶 刘德深 尹雅芳 吴旺发 苗 迎

（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

文章对桂林新寨花岗岩地区水质资料进行研究，采用 Piper图进行水化学分类及特征分析，结果表明该区水化学类型为HCO3-Ca型。并利用PHREEQC对桂林新寨花岗岩地下水物种形成及饱和指数进行了模拟，根据模拟计算的饱和指数说明了该区地下水的溶解平衡状态。

花岗岩；地下水；水化学；饱和指数；桂林新寨

（一）引言

桂林新寨花岗岩地区地下水处在复杂的地理环境中，由于复杂的水-岩土-气-有机物间的相互作用，存在着吸附交换、氧化还原、沉淀溶解、生物降解等诸多地球化学或生物化学反应，内部也在不断发生各种络合反应。目前国内外推行利用地球化学模式 PHREEQC模拟地下水组分形成、饱和指数等研究，解决了传统的水文地球化学方法对于多组分多反应过程的定量研究困难。

（二）研究区地质概况

桂林新寨花岗岩体侵入于寒武—奥陶地层中，泥盆系沉积其上，为加里东期侵入岩，浅成相呈岩株形式产出。在岩体的周围发育着印支期和燕山期的SN向褶皱和断裂构造带，其中大境—沙子断裂靠近新寨岩体西侧，栗木—恭城断裂分布在新寨岩体东侧。产状主要有15º∠58º、153º∠77º、13º∠75º、97º∠74º、178º∠82º，印支、燕山期的断裂，多呈弧形展布，具有压扭性质，影响着新寨岩体的断层裂隙的分布以及晚期岩脉的侵入，这一特定的地形、地质、构造条件，控制了该区含水层的空间分布规律、地下水的运动、循环条件以及富水状况和泉水的产出特征。

桂林新寨花岗岩岩性主要为中细粒斑状角闪黑云母花岗岩，少部分为中—细粒花岗闪长岩、细粒黑云母花岗岩。岩体中有细粒花岗岩脉、斜长花岗斑岩脉、石英闪长玢岩脉、石英和重晶石脉等岩脉。

（三）研究区数据和分析方法

研究区分析资料为桂林新寨、仁木寨、磨刀石、白石底地区的水化学数据，详见表一，首先对桂林新寨地下水进行科学、系统取样，分析测试有关水化学参数， 再利用PHREEQC水化学模拟软件，Piper三线图示等方法，全面系统地研究地下水水化学特征。

表1 桂林新寨地区主要水化学指标值（单位：mg/l）

（四）桂林新寨花岗岩地区水文地球化学特征

组成花岗岩区地下水的化学物质主要通过水与花岗岩间的交换，发生水解作用，以及花岗岩在地表经水、CO2、生物等营力作用下发生风化，一部分可溶组分随降水下渗进入到地下水中。水解作用为非全等溶解，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3进入水中，而且形成铝硅酸盐残余物。花岗岩风化可将大气或土壤中的CO2转变为重碳酸根离子，释放出K+、Na+、Ca2+、Mg2+，最后沉积为碳酸盐岩。因此，对大气而言，花岗岩风化作用是净碳汇过程。此过程主要是长石、黑云母和水的相互作用。以钙长石为例，化学反应式如下：

CaAl2Si2O8(钙长石)+2CO2+3H2O+→Al2Si2O5(HO)2(高岭土)+Ca2++2HCO-3

1.研究区水化学piper图

运用国际上通用的水化学分类方法，计算主要阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)和阴离子(Cl-、SO42-、HCO3-)的毫克当量百分数，使毫克当量百分数大于25%的离子参与水化学类型的分类。绘出研究区各样点的水文化学类型图（图 1）。

图1 研究区水化学piper图解

从 piper图可以看到，研究区五个样点均处于菱形图左侧，水化学特征总体上表现为碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根大于强酸根，碳酸岩硬度大于50%，研究区五个点总溶解固体为 13.97～66.14mg/l，TDS变化较大。从三角图中可以看出，研究区阴离子和阳离子均落在左下角，阳离子三角图显示研究区Ca2+均较丰富，含量百分比为24.76%～50.40%，Na+、K+偏少，分别占20.53%～30.08%和2%～13.35%，据此可初步判断钙长石风化较为显著，钠长石和钾长石风化作用相对不强，钠、钾离子比钙离子较为容易流失，所以经过长期风化后溶滤出的钠、钾离子含量比较低，而且深循环的钾长石、钠长石风化影响因素较多，如钾长石、钠长石矿物活性大，易被溶滤，造成后期可溶离子偏低，并且受到溶解度的限制，K+易被植物吸收，故K+含量远小于Na+。Mg2+稍低于钙离子，占 20.75%～44.64%，原因是桂林新寨花岗岩中 Mg2+的来源有限，而且黑云母风化程度较低，研究区水中Mg2+被植物所吸收以及水中胶体物质的吸附，故含量低于Ca2+。阴离子三角图中HCO3

-+CO32-占绝对优势，含量为62.72%～89.76%，主要是地下水循环时间长，水岩作用充分，因此析出的Ca2+较多、消耗较多的 CO2、形成的 HCO3-+CO3

2-更多、被粘土矿物吸附的碱金属也更多，同时进一步说明了 K+、Na+偏少的原因。SO42-只占0.00%～15.87%，除云母风化作用不强烈外，也因土壤的吸收降解、胶体物质的阴离子吸附以及研究区的地理位置和气候特点所决定。研究区位于距市区较远的地方，很少受到市区污染源的影响，因此进入本区地下水的SO42-量不大。Cl-占7.66%～21.41%，因花岗岩矿物风化不产生 Cl-，故可推断其来源于大气降水和生物作用。总体看来，研究区和平村水化学类型为 HCO3-Ca·Na型，白石底河水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，仁木寨泉水化学类型为HCO3-Ca·Na型，新寨泉水化学类型为 HCO3-Na·Mg型，磨刀石泉水化学类型为HCO3-Ca型。

2.根据HPREEQC模拟分析饱和指数

根据饱和指数SI可以判断水岩气这一水文地球化学系统化学元素不断发生相的转化和变化的规律，即用来衡量地下水运移中发生矿物溶解或沉淀的趋势，利用 PHREEQC软件对研究区内含水层水样点的饱和状态进行了研究，结果如表所示。

表2 研究区主要矿物饱和指数

图2 主要矿物饱和指数柱状图

从研究区地下水中矿物饱和指数 SI值模拟结果可以看出，研究区地下水只有玉髓和钾长石处于相对溶解平衡的状态，钙-蒙脱石、高岭石、伊利石过饱和与它们的溶解度小有直接关系，说明这些矿物的沉淀速率与其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同时它们又是长石、云母等硅酸盐的风化的产物，可知长石风化强烈，与水的相互作用完全。当pH＞7.4和TDS＞600mg/L时，Ca2+才与HCO3-生成碳酸钙，发生沉淀，研究区pH和TDS与达到沉淀的要求相差甚远，故饱和指数模拟结果显示方解石处于不饱和状态，水对方解石仍然具有侵蚀性。其它矿物相均未达到饱和，甚至大多矿物表现出上万倍未饱和，即水-岩之间还远未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行，也进一步说明了研究区地下水的低 TDS特点，从研究区四个样点比较可以看出，饱和指数相差无几，表明地下水运动畅通，循环交替条件好，而且地下水与岩石矿物的化学反应多是非常缓慢的，所以要达到饱和状态也需要在长时间的地下运动过程中实现，地下水若与某种矿物达到饱和状态，必将限制该矿物的继续溶解，因此地下水与矿物的状态在漫长的时间里应为平衡状态，过饱和的现象很少出现。同时，饱和指数结果说明研究区地下水以溶解作用为主。图 2为主要矿物饱和指数柱状图。

（五）结论

桂林新寨花岗岩地区水化学类型主要为 HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg 型。水中以 Ca2+、Na+、Mg2+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-为主要离子，Ca2+和HCO3-含量远高于 K+、Na+、Mg2+和 Cl-、SO42-。桂林新寨地区温度高、降水丰沛、降水稀释效应强于高温促进的水岩作用强度，地下水交替、排泄条件好，可溶性组分不易聚集，故而其离子含量偏低，决定了桂林新寨地区含水层地下水低TDS的特点。

PHREEQC模拟计算结果表明桂林新寨花岗岩地下水只有玉髓和钾长石处于相对溶解平衡的状态，钙-蒙脱石、高岭石、伊利石过饱和与它们的溶解度小有直接关系，说明这些矿物的沉淀速率与其溶解速率相比，沉淀速率太慢，同时它们又是长石、云母等硅酸盐的风化的产物，可知长石风化强烈，与水的相互作用完全。其它矿物相均未达到饱和，即水-岩之间还远未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行。

水化学特征显示研究区地下水化学组分的来源及含量主要是水岩相互作用的结果，即硅酸盐矿物的分解和水解等化学风化，其次是大气降水下渗以及受岩性的控制和地形、地貌对水交替强度的影响，而人类活动、气候及植被等的作用亦不容忽视。

花岗岩的风化作用同时参与了短时间尺度和长时间尺度的全球碳循环，其风化过程中需要大气和土壤中的CO2促进反应进行，结果使水中HCO3-含量增多，最终形成碳酸盐沉淀，说明其风化过程对大气而言是一个净碳汇过程。花岗岩风化对碳循环影响的程度不可忽视，对于全球碳循环研究以及全球变化研究具有重要意义。

[1] 沈照理,王焰新.水-岩相互作用研究的回顾与展望[J].地球科学——中国地质大学学报，2002，27(2):127-133.

[2] 刘玉,刘德深,沈立成.云南维西花岗岩地区水文地球化学特征及形成机制研究[J].地球化学,2007,36 (2):161-170

[3] 刘玉,刘德深,沈立成.花岗岩地区碳汇计算及影响因素研究[J].地球化学,2008,37(3):281-289 .

[4] Deutsch W J.Groundwater Geochemistry Fundamentals and Applicatoins to Contamination[M].Boca Raton:Lewis publishers,1977,3,73.

[5] 王凤生,田兆成.吉林省松嫩平原土壤盐渍化过程的地下水作用[J].吉林地质,2002,21(2):79-88.

P641

A

1008-1151(2011)05-0095-02

2011-02-16

广西研究生教育创新计划资助项目（2010105960775M40）

李晶（1979－），女，吉林榆树人，桂林理工大学环境科学与工程学院硕士研究生，研究方向为地下水环境化学。