山西定襄七岩泉水化学特征分析

刘俊芳，范雪芳，郭宝仁，郭 宇，高文玉，刘金柱

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.忻州地震监测中心站，山西 代县 034200）

地下水组分承载了流体来源、运移和岩石圈信息（张磊等，2016），前人通过水化学方法研究地下流体的化学特征及成因，李静荣等（2018）研究了广东省河源断裂带碳酸泉水化学特征及形成机制；杨静等（2019a，2019b）研究了山西夏县水化学观测地质环境，利用水化学特征分析了夏县温泉水的补给来源和温泉类型。王云等（2018）对滇东南楔形构造区内的观测点进行水化学特征和气体化学特征分析，判断不同泉点的水岩作用、循环特征和逸出气成因。胡小静等（2018）利用水化学特征研究云南江川渔村井的地下水循环特征和补给来源。田雷等（2018）通过分析滇17井的水化学测项，得出观测井周边水文地质及水文地球化学情况，认为观测数据变化的原因是地下应力环境改变。在长期观测山西定襄七岩泉水氡过程中，发现其水文背景观测资料不完整，有待完善。本文采集了定襄七岩泉的水源点、采样点和周围水样，通过水化学离子组分、氢氧同位素特征、水岩反应等，分析七岩泉测点及附近取样点的水化学特征，判断不同采样点的水质类型、水—岩平衡状态和泉水补给来源，为该台站流体监测及分析预报提供基础资料。

1 研究区域

定襄七岩泉位于忻定盆地南侧，定襄凹陷南缘，定襄县茶房口村南约500 m的山沟里，系舟山山地靠近系舟山北麓断裂，七岩泉属寒武系灰岩喀斯特裂隙溶洞水，属承压上升泉水。泉水从基岩中沿断层上覆盖的沙砾石层溢出，含水层上部为中奥陶统（O2）富水灰岩，下部为相对隔水的下奥陶统（O1）泥质灰岩。泉点西北侧的断裂带，有一阻水的小型逆断层构成阻隔层，是造成泉水出露于地表的必要条件，定襄泉附近的石灰岩、变质岩等裂隙节理及溶洞较为发育，赋存有裂隙溶洞水，在断层附近呈群泉溢出（见图1）。定襄七岩泉测点的年平均气温8.9℃，定襄泉测点的水温约10.0℃且全年基本恒定，水温高于年平均气温（范雪芳等，2002，2009，2010，2011）。

图1 定襄泉区地质（a）、水文地质剖面（b）示意图（范雪芳等，2007）

2 水化学分析

2.1 采样与测试

本文选取定襄七岩泉测点及周边4处水点样本，从泉水出露地的上游到下游依次为定襄1＃—定襄5＃，具体采样点分布见图2。其中，定襄1＃为七岩泉上游盖有井盖的水源地，定襄2＃为井房内的测点，定襄3＃为测点井房外露天的居民抽水点及饮用水点，定襄4＃为测点附近居民山洞内水槽中储满的水，定襄5＃为从山上岩石流下且出露地表的水点。样品的水化学测试由中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室）测定。现场采用美国奥豪斯ST300C便携式pH计和便携式电导率仪测试各采样点水样的酸碱度和电导率，水质分析采用ICS-2100离子色谱仪，测试结果见表1和表2。

表1 现场取样点基本情况

表2 常量元素实验数据 （单位：mg/L）

图2 定襄七岩泉周边取样点空间分布示意图

2.2 水质分析

图3 定襄泉及其周围水样水化学成分分析图

水化学类型不同可以表征流体的成因与来源不一致，于是可以通过阴阳离子的变化探讨地下水来源和变化的影响因素。Ca2＋占比高，说明泉水为低矿化水。在没有人为外界干扰的地下水流动系统中，地下水中Cl-含量随流程而增加，反映地下水的渗流途径与平均滞留时间，反映地下水渗流场。水的电导率可用于衡量水中含盐、离子成分以及杂质等浓度特征，水中所含的溶质和杂质越少，其电导率就越低，相反电导率就越高（陈爱华，2013）。

与其他取样点相比，定襄4＃的Ca2＋和Cl-含量、电导率、pH值及取样水温均高（见表1、表2），4＃为低矿化水，呈碱性，泉水流程较远，滞留时间长，含溶质和杂质多，说明4＃与其他取样点水源不同。在水化学类型类似、TDS变化较小的水样中，用离子比例分析法能反映出水样的差异性。表3显示，定襄泉测点及周围水体5个取样点中，定襄1＃、2＃、3＃、5＃化学离子组分数值非常接近，4＃离子成分明显偏离。5个取样点的离子含量、水化学类型均显示1＃、2＃、3＃、5＃为同一水源，4＃来源于另一水源。表3显示，各采样点均经过一定深度的渗透循环，2＃的地下水离子比值高于其他采样点，说明2＃（测点）地下水渗透循环高于其他采样点。4＃地下水离子比值低于其他采样点，说明4＃地下水渗透循环较浅。

表3 地下水离子比值表

2.3 水岩反应

泉水由大气降水进入岩石裂隙、空隙等深循环通道，在水运移过程中其化学成分要受到围岩控制或上层冷水混合影响（伍剑波，2013）。水岩平衡分析用于体系开放与封闭的判断、时间及运移过程的判断。定襄泉Na-K-Mg水岩反应平衡图（见图4）可用来评价水—岩平衡状态和区分不同类型的水样。根据样品点在图中的落点位置判断该样品所代表的水—岩平衡状态，地下水中的线性成带特征隐含着地下水形成、演化过程。从图4可知（图4中各化学元素均未添加离子符号，以方便绘制），定襄泉水及附近水样均属于“未成熟水”（伍剑波，2013），并且非常靠近Mg0.5端元附近，为浅层地下水，主要接受大气降水的补给，反映出浅层的水循环特征，循环周期相对较快，水—岩之间尚未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行。

图4 定襄泉及其周围水质三角图

2.4 氢氧同位素分析

氢氧同位素方法（伍剑波，2013；苏鹤军等，2010）是通过大气降水确定补给水源的水文地球化学方法。定襄泉的氢氧同位素组成是判断其地下水来源的主要指标，我们对定襄泉测点及周围水样进行了氢氧同位素分析（取样点分布见图2）。分析测试采用LWIA-24-EP氢氧稳定同位素分析仪，结果见表4、图5。

图5 定襄泉测点及周围水样氢氧同位素分析

CRAIG于1961年利用大气降水氢氧稳定同位素数据定义了全球大气降水线（G MWL），具体方程式为δD＝8δ18O＋10（苏鹤军等，2010），参考山西太原地区大气降水线δD＝6.42δ18O-4.66（贾振兴等，2015），氢氧同位素分析定襄泉δD的范围为-73.57‰～-65.85‰，δ18O的范围为-10.61‰～-9.5‰（见表4）。定襄泉水为低矿化度水质，代表典型的大气降水与岩石之间的第一阶段反应，显示了浅层的水文循环特征，利用区域降水线进行地下水氢氧同位素组成特征分析，韩冬梅（2007）研究发现忻州盆地地下水的稳定同位素D和18O基本落在太原地区大气降水线上，以大气降水补给为主。由表4可知，定襄4＃水样的δD值为-65.85‰，δ18O值为-9.5‰，其氢氧同位素测值与其他4个水样测值区别较大，说明4＃采样点的水与其他水样来源不同。

表4 定襄氢氧同位素分析表

图5显示，定襄泉水及周围水样的氢氧同位素比值沿全球大气降水线分布且靠近太原地区的大气降水线，这些泉水补给来源主要是大气降水的浅层地下水，为大气成因水，其水—岩反应程度较低，循环深度不大。4＃分布在全球大气降水线上，更靠近区域大气降水线，且明显区别于其他水样，基本来源于大气降水；其他4个水样分布在两条大气降水线之间，主要补给来源为大气降水，但不完全受大气降水影响，可能与地下地质循环过程排泄补给有关。5＃更接近全球大气降水线，比其他水样更容易受大气降水影响。3＃更接近区域大气降水线，容易受区域大气降水影响，因为3＃（裸露点）采样点裸露，更容易混入雨水。1＃（盖有井盖）、2＃（井房内）采样点相对封闭，不易混入雨水。

2.5 采样点水氡分析

地下水在运移过程中，岩石和土壤中的氡气溶解在水中，形成水氡。从水源地上游1＃到下游5＃依次采样并测量水氡值（见表5）。测试结果发现，不同采样点测得的水氡浓度值不同，水氡在径流过程中逸散，以1＃为参照点，其下游的采样点离参照点的距离与水氡测值呈负相关。

表5 不同采样点的水氡测值

表5显示，1＃和2＃的水氡均值相差16.8 Bq/L，2＃和3＃的水氡均值相差11.5 Bq/L，4＃和5＃的水氡测值都为0，表明4＃、5＃不含有水氡。由于4＃为测点附近居民山洞内水槽中储满的水，5＃为从山上岩石流下且出露地表的水，日常水氡观测实验测得的雨水中水氡测值为0，结合氢氧同位素和不同采样点水氡测值分析，说明4＃、5＃与其他取样点水源不同，4＃为大气降水，5＃比其他采样点受大气降水补给明显，1＃、2＃、3＃均与地下地质循环过程排泄补给有关，且水中溶解了氡气，其水源为径流岩石且逐渐积累后形成的地下水。结合水质分析，4＃为降雨混合水径流岩石后长期积累在水槽中，可以认为4＃来源于直接降水，5＃水源径流岩石的时间短，为地表水。

2.6 微量元素分析

微量元素测试采用热电的电感耦合等离子体质谱仪Series II，测试结果见表6。

表6 定襄泉微量元素质量浓度

表6中微量元素质量浓度统计特征为Fe＞Sr＞La＞B＞Cr＞Li＞Ni，在Ba、Sr、Mn、Fe、Cu等5种微量元素中，定襄泉及附近水样地下水微量元素的均值浓度表现为：Fe＞Sr＞Mn＞Cu＞Ba，除Fe元素质量浓度变化范围是296.2～365.1μg/L，Sr元素质量浓度是154.8～172.6μg/L外，其余3种微量元素的浓度均值均小于2.0μg/L，即Ba元素质量浓度变化范围是0.008～0.042μg/L，Mn在0.005～0.162μg/L之间，Cu在0.442～1.151μg/L之间。定襄泉地下水中富含Ca2＋、Mg2＋、HCO-3等离子，3＃富含SO2-4，同时含有微量的Fe、Sr、Mn、Ba、Cu等元素，且结合水化学分析可知3＃水源为径流岩石且逐渐积累后形成的地下水，这些物质来源于基岩、土壤、降雨等。据调查，定襄泉周围无工业生产，当地主要活动是农业生产，因此，泉水中的金属元素不因人类活动导致输入（陈雪彬等，2014）。定襄4＃的Fe、Ba、Ni、La浓度较其他采样点略高，其微量元素明显不同于其他采样点，说明4＃与其他取样点的水源不同。

3 结果与讨论

采用不同的水化学方法对定襄七岩泉测点及周围水体的补给来源进行研究，其水化学类型、离子成分、水岩反应、氢氧同位素、采样点水氡和微量元素6个方面的分析可知定襄七岩泉水具有以下水文地球化学特征：（1）根据采样测试结果和水质分析，定襄七岩泉测点的水质类型为Ca-Mg-HCO3。（2）根据水化学类型、离子成分、氢氧同位素和微量元素分析，认为定襄4＃与其他取样点的水源不同。（3）根据Na-K-Mg水岩反应平衡图分析，认为定襄七岩泉测点和周围水体均属于“未成熟水”，表现出浅层的水循环特征。泉水的水—岩反应尚未达到离子平衡状态，反应程度较低，循环深度不大。（4）根据氢氧同位素分析，认为定襄七岩泉测点和周围水体的补给来源主要是大气降水。2＃（测点）主要补给来源为大气降水，但不完全受大气降水影响，与地下地质循环过程排泄补给有关。4＃为大气降雨水，5＃容易受大气降水影响，3＃接近区域大气降水线，容易受区域大气降水影响，因为3＃采样点裸露，容易混入雨水。1＃、2＃（测点）采样点相对封闭，不易混入雨水。（5）根据采样点水氡分析，结合氢氧同位素和水质分析，认为补给来源1＃、2＃（测点）、3＃水源为径流岩石且逐渐积累后形成的地下水，4＃来源于直接降水，5＃水源径流岩石的时间短，为地表水。

分析计算得到定襄七岩泉测点的水质类型、水岩反应平衡特征、补给来源、微量元素等水文地球化学特征，完善了定襄七岩泉的水文背景资料，可为定襄台站的流体数据分析、异常落实提供依据，为流体地震监测预报提供服务。