西南某地区地下水化学及同位素特征研究

2014-11-12董建楠刘淑芬季瑞利

铀矿地质 2014年4期

董建楠，刘淑芬，苏锐，季瑞利，张明

（核工业北京地质研究院，北京100029）

我国西南某地位于汶川地震影响区内，地震造成了区内地表建筑设施不同程度的破坏。为评价地震对该区水文地质条件的影响，2010年立项开展了该地区水文地质调查和地下水长期监测工作，水文地球化学及同位素水文地质研究是其中重要研究内容之一，目的是掌握该地区地下水化学特征，推测地下水的起源、形成，揭示地下水循环交替规律。

1 自然地理概况

研究区位于我国四川省北部的广元市，属于山区和丘陵区，地形起伏较大，相对高差达600m以上，区内地势南北高、中间低，中部为由西向东流动的河流。研究区属于亚热带湿润季风气候，年均降雨量1600mm，主要集中在7～9月份，约占全年降雨量的80%以上，年蒸发量略大于年降雨量。

2 水文地质条件

研究区含水层主要有第四系松散堆积层含水层组，志留系龙马溪组第2段（S1lm2）砂页岩含水层组及龙马溪组第3至第5段（S1lm3～S1lm5）泥页岩含水层组，其次有泥盆系、石炭系（D＋C）灰岩含水层组。地下水类型以裂隙水、岩溶水为主，孔隙水次之。地下水主流向为由南北两侧向中部汇流，之后主要以泉的形式排泄至河流中。

3 样品采集和测试

2010～2011年，项目组完成了17个监测井的设计、施工，其中100m深的钻孔6个，200m深的钻孔5个，300m深的钻孔6个。分别在钻孔和泉水中采集了水化学和同位素样品19组。水化学测试项目包括：K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－、NO3－、F－、CO32－、TDS、pH、Eh及微量元素等；同位素测试项目包括：氚、氘、氧－18。样品的分析测试由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

4 地下水化学特征和同位素特征分析

4.1 地下水化学特征

通过地下水化学组分测试和水化学资料整理、分析，得到研究区主要离子含量统计结果（表1）。研究发现，区内的地下水化学组分含量变化大，矿化度变化范围也较大，但主要以低矿化度为主要特征。19个样中最小值65.24mg·L－1，最大值1908.40mg·L－1，平均524.16mg·L－1。17个样品的总溶解固体（TDS）介于65.24～860.22mg·L－1之间，均为小于1g·L－1，占样品总数的90%。地下水的pH值介于7.9～9.48之间。

表1 地下水宏量组分含量及矿化度统计Table1 The statistical result of common components and TDS in groundwater

按照舒卡列夫地下水化学类型划分的原则[2]，对6种主要阴、阳离子中毫克当量大于25%的离子进行组合命名，可得出本地区地下水化学类型主要为HCO3－Na型，其次为HCO3·SO4－Na，HCO3－Mg · Ca， HCO3· SO4－Na，HCO3·SO4－Ca，HCO3·SO4－Ca·Na，HCO3－Mg·Ca·Na型。HCO3－Na型地下水占样品总数的58%，HCO3·SO4－Na与 HCO3－Mg·Ca型分别占样品总数的15%、10%。

根据宏量组分进行三角图解（图1），结合表1数据可见，区内地下水中阴离子主要为HCO3－，其毫克当量百分比占阴离子总数的43.84%～95.95%，其次为，最高可达40.86%。阳离子以 Na＋、Ca2＋为主，其中Na＋占水中阳离子总数的15.46%～99.59%，Ca2＋最高可达61.24%。

由地下水化学组分测试结果可以看出，随取样深度的增加，地下水TDS有明显升高的变化规律，而Ca2＋离子含量有降低的趋势，Na＋和HCO3－离子含量有升高的趋势。与此同时，水化学类型由HCO3－Mg·Ca或HCO3·SO4－Ca·Na型向 HCO3－Na型转化。

水化学特征的这种垂向变化，实际上是水化学组分在形成过程中，经历了多种水－岩相互作用的反映。

HCO3－离子是低矿化水的主要阴离子成分，本区地下水HCO3－离子主要来自含碳酸盐的沉积岩在有CO2存在时的溶解。溶解过程如下：

图1 地下水水化学piper三线图Fig.1 Piper diagram of groundwater

区内地下水矿化度普遍较低，与研究区降雨充沛密切相关。大部分水样中NO3－的浓度小于2.5mg·L－1，最高仅为10.2mg·L－1，均值为1.19mg·L－1。表明地下水的水质受人类活动影响很小，这与研究区位于山区、无农业活动密切相关。

图2给出了地下水矿化度与宏量组分之间的相关关系。从该图可见，矿化度与阳离子Na＋、K＋含量随TDS的增大呈线性关系递增，相关系数为0.995，相关性较好。Mg2＋、Ca2＋含量随矿化度的增大呈减小趋势，说明研究区阳离子Na＋、K＋对地下水形成作用的贡献最大。矿化度与阴离子HCO3－呈现较好的正相关关系，SO42－、Cl－随TDS的增大含量变化不明显，相关程度不显著，显示出阴离子HCO3－对地下水形成起主要作用。

各种离子含量之间呈较好线性相关的有：Na＋、K＋与 HCO3－（图3），其它离子组分含量之间的相关性很差。与前述地下水化学组分主要由Na＋、K＋和HCO3－贡献相符合。

4.2 地下水同位素特征

大气降水主要来源于海水蒸发形成的蒸汽团，故大气降水的同位素组成特征取决于海水的同位素组成及海水蒸发冷凝中同位素的分馏作用，它决定了大气降水形成初期氢氧同位素组成特征，大量的研究成果表明，大气降水形成后，其氢氧同位素组成特征在其运移中还会随着温度和空间变化而变化，即温度效应、纬度效应、高程效应和降水量效应[3]，且大气降水的δD（2H）和δ18O成线性关系。因此，可以通过地下水氢、氧稳定同位素组成与降水中相应同位素的对比，研究一个地区地下水的起源问题。

1991年原地矿部水文地质工程地质研究所得出西南地区降水线方程为：δD＝7.87δ18O＋11.09[4]。研究区地下水同位素样品分析测定结果见表2，将全部水样的δD，δ18O 值投到西南地区 δD－δ18O关系图上（图4），可以看出，其同位素组成均落在降水线附近，说明该区地下水来源于大气降水入渗补给。

图2 地下水中常规离子与TDS关系Fig.2 Relationship between common components and TDS in groundwater

图3 钾钠离子与各离子含量相关关系图Fig.3 Content relationship between K＋＋Na＋and major anions

地下水中的氚（3H）含量取决于其补给来源、埋藏及径流条件。一般潜水和浅层承压水属于现代循环水，其氚含量较高，深层承压水循环交替缓慢，氚含量低[5]。氚是氢的一种放射性同位素，氚的浓度用氚单位（TU）表示。当1018个氢同位素混合原子中含有一个氚原子时，称为一个氚单位（TU）。区内地下水样品氚测试结果列于表2，其变化范围较大，介于0.96～55.1TU，平均含量为10.48TU。取样深度为300m的钻孔水样6个，变化范围0.96～9.92TU，平均氚值为3.843TU；取样深度为200m的钻孔水样5个，地下水中氚值介于1.02～41.1TU之间，平均氚值12.322TU；100m深的浅钻5个，其地下水样氚值变化较大，为6.22～55.1TU，平均20.124TU。由此可以看出，研究区地下水中氚的含量随地下水埋深增大而减小。

图4 δD－δ18 O 关系图Fig.4 Relationship betweenδD andδ18 O

氚是放射性同位素，其含量的多少反映出地下水滞留时间的长短，对同一地区而言，其含量越小，表明地下水滞留时间越长。研究区地下水中氚的含量随埋深增大而减小，地下水样品取样深度越大，其同位素组成更低，地下水年龄更老。这一事实说明，深部地下水在年龄上小于浅部地下水，反映了深部地下水循环交替强度明显小于浅部地下水，主要原因在于：（1）浅部地下水直接接受大气降水补给；（2）研究区位于山区，地形坡度大，浅部地下水交替能力强；（3）研究区深部广泛分布的泥页岩为弱含水层，故区域地下水循环交替缓慢。这同时也进一步说明了区内地下水以垂向交替为主的特征。

5 结论

通过以上研究得出以下结论：

（1）区内地下水以低矿化度为主要特征：①TDS最小值65.24mg·L－1，最大值1908.40mg·L－1，TDS平均524.16mg·L－1，随深度增加，地下水TDS有明显升高的变化规律；②地下水类型主要为HCO3－Na型，阴离子主要由 HCO3－组成，其次为SO42－，水化学类型由 HCO3－Mg·Ca 或HCO3·SO4－Ca·Na型向 HCO3－Na型转化；③pH值介于7.9～9.48，呈碱性。随着深度的增加Ca2＋离子含量有降低趋势，Na＋和HCO3－离子含量有升高趋势；④地下水矿化度与阳离子Na＋、K＋、阴离子 HCO3－呈现较好的正相关关系，则体现了潮湿地区地下水的典型特征。

（2）地下水氢、氧稳定同位素组成均落在地区降水线附近，说明地下水源于大气降水补给，属大气降水入渗成因。