浅层地下水水化学和同位素地球化学特征研究<br/>——以江汉平原西部为例

浅层地下水水化学和同位素地球化学特征研究
——以江汉平原西部为例

2020-07-09刘重芃张宏鑫

资源环境与工程 2020年2期

刘重芃，张宏鑫，何军，彭轲，肖攀

(中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北武汉 430205)

平原与山前接触地带存在不同类型水源之间的交换与转化,同时也伴随着复杂的水文地球化学过程,山前平原区地下水径流条件急剧改变,水—岩相互作用随之发生变化,研究山前平原区地下含水的结构、地下水的成因和演化机制,对地下水资源的合理开发利用具有十分重要的意义。以江汉平原西部边界为例,国内多位专家学者对该地区的含水层特征、地下水功能区划进行了研究[1-2],何军等在江汉平原开展了水化学和水文地球化学相关研究[3-4],取得了众多的研究成果。但研究的手段多表现为水文地质调查、水化学分析等,鲜见有环境同位素在该地区的研究,尤其是锶同位素。环境同位素是研究流域水循环的有效手段[5],水体中氢氧稳定同位素组成直接参与了水循环过程,是解释地下水来源的有效示踪剂[6]。锶同位素被广泛用来研究地表与地下水系统的水—岩反应、物质来源等[7-8]。本文综合运用水化学分析和同位素等手段,分析了江汉平原西部枝江地区浅层地下水中水化学、氢氧和锶同位素组分的空间变化特征,探讨地下水在运移过程中的水—岩相互作用及演化过程。

1 研究区概况

研究区地处江汉平原西部丘陵向平原过渡地带,地貌主要以岗地和平原为主,总体西北部略高于东南部,地势由西北向东南倾斜。岗地和平原具有明显的水平分带性,西北仙女村一带多为岗地,高程60～80 m；东部沮漳河东岸分布有少量的波状平原,为长江二、三级阶地,阶面高程29～59 m；东南部绝大部分为冲积平原,高程26～40 m,湖泊港渠密布，地势相对较低。

研究区浅层均为第四系松散岩类孔隙水,主要含水岩组为第四系全新统孙家河组(Qhs)和更新统的古老背组(Qp3g)。古老背组少量分布于研究区西北部的仙女村一带和东北部沮漳河东岸的荆州市万城乡北部,表层为粘土和粉质粘土,厚度一般15～22 m,下部为含泥质的砂砾石层,厚度较薄一般为20～30 m左右,且有泥质充填。其余大部分地区为全新统孙家河组含水层,岩性为粉细砂、细砂,局部含砂砾石,一般含砂量为20%～30%,常夹薄层粉砂层透镜体,卵石最大直径由西部的15 cm向东变为20～30 cm。多为上潜水下承压水两层含水层。潜水含水层一般<8 m,中部粘土层厚度粘土一般为2.6～19.9 m,下部砂卵石层厚度一般为37.8～66.2 m。

图1 采样点位置图
Fig.1 Location map of sampling points

1.古老背组潜水含水层；2.孙家河组潜水含水层；3.孙家河组承压含水层；4.潜水/承压水全分析和同位素采样点及编号；5.潜水/承压水全分析采样点及编号；6.地表水全分析和同位素采样点及编号。

2 实验方法

3 结果与讨论

3.1 水化学特征

采用舒卡列夫分类法对研究区地下水化学类型进行分类[11],由Piper三线图可以看出(图3),研究区潜水水化学类型较为复杂,主要是HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,少量为HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3·Cl-Ca·Mg型。承压水水化学类型则较为简单,均为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型。

表1 地下水水化学参数的统计特征值Table 1 Statistical characteristic of groundwater hydrochemical parameters

图2TDS与主要阴阳离子的关系图
Fig.2 Relationships between TDS and the main ions of groundwater

图3 地下水piper三线图
Fig.3 Piper diagram of groundwater

3.2 水文地球化学特征

图4 地下水水化学Gibbs分布模式
Fig.4 Gibbs distribution model of groundwater hydrochemistry

图5 地下水离子比值关系图Fig.5 Ion ratio diagram of groundwater

3.3 同位素地球化学特征

研究区潜水的δD值为-42.7‰～-30.4‰,δ18O值为-7.12‰～-3.29‰,承压水δD值为-45.9‰～-32.2‰,δ18O值为-6.84‰～-4.21‰,采集的东湖地表水样δD和δ18O值分别为-17.4‰和-1.65‰。绘制了研究区δD-δ18O分布图(图7),并与全球大气降雨线(GMWL)[16]和武汉市大气降雨线(LMWL)[17]进行分析。研究区所有地下水均分布于当地大气降雨线沿线附近,受现代水补给特点显著,说明该地区地下水均受到了大气降雨的补给。从图中水样点分布来看,孔隙潜水的δD-δ18O关系线斜率略小于当地大气降水线斜率,表明浅层孔隙潜水受到了一定程度蒸发作用的影响,研究区地形平坦,水力坡度极低,地下水径流缓慢,地下水埋深较小,潜水易受蒸发作用影响。该地区地下水氢氧同位素与地表水差距较大,表明地下水受内陆湖泊的补给影响极小。

图7 地下水氢氧同位素关系图
Fig.7 Hydrogen and oxygen isotope diagram of groundwater

地下水中锶浓度的变化及锶同位素可以用来识别地下水系统的主要水—岩作用过程,不同矿物中的锶同位素组成明显不同[18],可将87Sr/86Sr平均比值0.707 5和低Mg2+/Ca2+比值(摩尔浓度比值,约0.1)作为石灰岩溶解物质的端点；87Sr/86Sr比值0.709 3和较高Mg2+/Ca2+值(约1.05)作为白云岩溶解物质的端点；87Sr/86Sr比值0.720 0和中等Mg2+/Ca2+值(约0.7)作为硅酸盐岩溶解物质的端点。图8计算结果表明研究区地下水主要分布在石灰岩和白云岩端点的混合线附近,进一步证明了研究区潜水和承压水的化学组分均主要为石灰岩和白云岩风化溶解来源。