昆仑山至察尔汗盐湖潜水水化学特征及演化规律

詹润泽，李环环，卢玉东，周 保，吴 靓，

（1.长安大学 水利与环境学院，陕西 西安 710054； 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054； 3.青海省地质环境监测总站，青海 西宁 810001）

地下水在参与水循环过程中，与外界环境进行物质交换，水化学特征也随之变化。 通过研究地下水水化学演化特征，可以揭示地下水与环境之间相互作用机制［1］。 国内外学者通过水化学分析及水文地球化学模拟等方法对地下水演化规律进行了研究。 Sunil等［2］利用水化学分析、相关性分析及聚类分析等方法研究了印度希瓦利克地区地下水水化学特征。 张未［3］利用水质分析、Gibbs 图等揭示了格尔木河水质演化规律。 王现国等［4-7］基于水化学分析、同位素特征分析及数值模拟等方法，研究了洛阳盆地地下水水化学特征，阐明了洛阳盆地地下水的补给来源、形成年龄以及地下水环境演化的主导因素。 张百祖等［8］通过Piper 三线图、Gibbs 图和离子比值法研究了控制疏勒河中下游盆地地下水水化学演化的主要因素。

察尔汗盐湖位于我国西北干旱区柴达木内陆盆地，是目前我国最大的钾盐、镁盐和锂盐生产基地。 随着察尔汗盐湖钾矿开采规模的扩大，地下矿产资源可采储量不断减少，潜水水位急剧下降且水质恶化，引发了盐湖萎缩、植被退化等一系列生态环境问题［9］。 要解决察尔汗盐湖潜水水位下降过程中出现的生态环境问题，需要对昆仑山至察尔汗盐湖潜水水化学特征及其影响因素有一个系统认识。 目前在察尔汗盐湖开展了一些水文地质调查工作［10-11］，但对察尔汗盐湖潜水水化学特征成因及演化规律缺乏深入认识。 笔者采用水化学分析、相关性分析、离子比值法、矿物饱和指数法及反向水文地球化学模拟等方法，探讨昆仑山至察尔汗盐湖潜水水化学特征及演化机制，以期为察尔汗盐湖矿产资源合理开发提供基础数据支撑。

1 研究区概况

察尔汗盐湖位于柴达木盆地南缘，南距昆仑山约90 km，总体呈东西向展布，面积约5 800 km2。 盐湖分为别勒滩区、达布逊区、察尔汗区和霍布逊区4 个区域，本文以昆仑山至达布逊湖为研究区（见图1），对该地区潜水水化学特征及演化机制进行研究。 研究区具有蒸发强烈、干燥少雨等气候特征。 研究区年平均气温5.4 ℃，平均相对湿度27.1%，多年平均降水量仅21.2 mm，7—9 月为雨季，降水量占全年的71%，蒸发能力高达3 560 mm。 地貌单元上从南到北可分为山区、冲洪积平原、细土平原和盐沼平原。 地表水主要为山区冰雪融水、大气降水及基岩裂隙水汇集形成的格尔木河。 山区地表径流补给主要来源于昆仑山积雪融化，平原区地下水主要补给来源为大气降水和河流。格尔木河发源于昆仑山北麓，流经格尔木市，在冲洪积平原接受降水补给，同时入渗补给地下水，在格尔木市形成泉集河，最终汇入达布逊湖［12］。 达布逊湖是察尔汗盐湖区最大的湖泊，水域呈东西走向，上游格尔木河是其地表唯一补给来源。

图1 研究区概况

研究区地下水途径冲洪积平原、细土平原和盐沼平原汇入达布逊湖，地下水可分为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。 基岩裂隙水主要分布在昆仑山北部，含水层为各类闪长岩。 冲洪积平原地下水主要为松散岩类孔隙水，主要含水层为第四系砂卵砾石层。 地下水径流过程中，受地形发生改变的影响，径流速度变缓，潜水水位埋深变浅，至细土平原地下水溢出地表，形成泉集河，最终汇入达布逊湖。

2 样品采集与测试

2020 年7 月在研究区进行多次采样，共采集水样59 组，包括昆仑山泉水2 组、冲洪积平原潜水13 组、细土平原潜水31 组及盐沼平原潜水13 组，研究区潜水水化学组分含量特征值见表1。 采集水样前，用去离子水将聚乙烯采样瓶清洗3 次，然后进行取样，采集水样密封保存、做好标记并及时送检。 水样检测由国土资源部西宁矿产资源监督检测中心完成，检测项目包括pH 值、总硬度（TH）、溶解性总固体（TDS）和常量离子含量，其中通过电感耦合等离子发射光谱仪测定，Cl-通过硝酸银容量法测定，HCO-3通过容量法测定。 所有样品均通过电荷平衡检验（≤5%）。

表1 研究区潜水水化学含量特征值

3 结果与分析

3.1 潜水水化学特征分析

由表1 可知，研究区潜水阳离子以Na+、Mg2+为主，阴离子以Cl-为主。 研究区潜水均为弱碱性，总体变化不大。 从昆仑山到达布逊湖，所采集水样的TDS总体呈上升趋势。 地下水径流过程中不断与环境进行物质交换，多种无机盐类化合物溶解进入地下水，同时下游水位埋深变浅，蒸发结晶作用增强，导致水体离子浓度逐渐升高。

通过Piper 三线图可以对研究区潜水水化学特征进行分析，见图2。 昆仑山泉水水化学类型为HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca 型；冲洪积平原潜水水化学类型较为复杂，主要为Cl·HCO3-Na·Mg·Ca 型，其占38.5%；细土平原潜水水化学类型主要为Cl·HCO3·SO4-Na·Mg·Ca 型，其占32.2%；盐沼平原潜水水化学类型以Cl-Mg·Na 型为主，其占69.2%。 此外，从昆仑山前至冲洪积平原，地下水TDS 含量大部分小于1 g／L，细土平原地下水TDS 含量大部分为1 ～2 g／L，少量大于2g／L，盐沼平原地下水TDS 含量绝大部分大于2 g／L，至达布逊湖地下水TDS 含量升至366.4 g／L，表明研究区下游潜水水质逐渐下降。 研究区潜水水化学类型在空间上具有明显分带性。

图2 研究区潜水水样Piper 三线图

3.2 潜水水化学组分相互关系

多元统计法可以对地下水进行分类，揭示潜水水化学组分形成规律［13］。 利用SPSS26.0 软件对研究区潜水水化学组分进行相关性分析，结果见表2。 TDS含量与浓度均显著相关；Cl-浓度与浓度与K+、Na+、Mg2+浓度均显著正相关，表明随着上述阳离子增加而增加，可能来自岩盐、钾镁盐岩、硫酸盐岩的溶解。浓度与K+、Ca2+、Mg2+浓度显著负相关，表明浓度随着上述阳离子含量增加而减少，可能是在地下水径流过程中与碳酸盐岩发生反应，CO2逸出地下水。

表2 研究区潜水水化学组分相关系数

3.3 潜水水化学成因分析

Gibbs 图可以反映地下水水化学成因机制。 在Gibbs 图中，横轴为Na+与Na++Ca2+或Cl-与Cl-+浓度比值，纵轴为水样的TDS 值。 若横轴值接近1 且纵轴值较大，则地下水受蒸发结晶作用影响；若横轴值在0.5 附近且纵轴值中等，则地下水受水岩作用影响；若横轴值靠近1 且纵轴值较小，则地下水受大气降水作用影响。 如图3（γ表示离子浓度）所示，研究区昆仑山泉水、冲洪积平原潜水、细土平原潜水基本在TDS 为312～5 590 mg／L、Na+与Na++Ca2+浓度比值为0.5～1.0、Cl-与浓度比值为0.2～0.9 范围内，表明昆仑山泉水、冲洪积平原潜水、细土平原潜水主要受水岩作用影响，极少部分受蒸发结晶作用影响；研究区盐沼平原潜水TDS 为445 ～366 400 mg／L、Na+与Na++Ca2+浓度比值为0.3 ～1.0、Cl-与浓度比值为0.2 ～1.0，表明盐沼平原潜水主要受蒸发结晶作用影响，极少部分受水岩作用影响。 这表明研究区蒸发结晶作用增强，大气降水对研究区潜水水化学组分的影响较小。

图3 研究区潜水水样Gibbs 图

3.4 潜水水化学组分离子比值分析

地下水循环过程中各组分含量之间的比例系数具有明显规律性，可以描述地下水化学成因及形成过程，研究区地下水各主要离子含量相互关系见图4（ρ表示离子毫克当量）。

图4 研究区潜水离子含量比值关系

研究区自昆仑山至细土平原，所采集水样ρ（Na+）／ρ（Cl-）略大于1，表明该地区地下水不仅参与了岩盐的溶解过程，而且发生了阳离子交换。 盐沼平原潜水向下偏离ρ（Na+）／ρ（Cl-）1 ∶1 线，Na+、Cl-含量快速增加，表明该地区地下水Na+、Cl-富集。

研究区盐沼平原所采集水样向上偏离ρ（Ca2++线，表明Ca2++Mg2+富集或HCO3-+SO4

2-贫化。 主要原因是，地下水流经察尔汗地区时大量钾镁盐被溶解，地下水中Mg2+浓度增大。

氯碱指数（CAI）可以表明地下水径流过程中离子交换程度。 氯碱指数为负值表示水中Ca2+、Mg2+与岩土中的Na+进行了离子交换，若为正值则表示水中Na+与岩土中的Ca2+、Mg2+进行了离子交换。 研究区自昆仑山至细土平原所采集水样大部分氯碱指数为负值，表明该地区地下水径流过程中主要阳离子交换作用为地下水中的Ca2+或Mg2+交换岩土中的Na+；盐沼平原所采集水样大部分氯碱指数为正值，表明该地区地下水径流过程中地下水中的Na+交换岩土中的Ca2+或Mg2+。

由上述分析可知，研究区潜水中K+、Na+和Cl-主要来源于岩盐、钾镁盐的溶解，Ca2+与主要来源于石膏的溶解，Mg2+主要来源于石膏和钾镁盐的溶解。研究区盐沼平原潜水水样中和Cl-浓度较高，这与表1 相吻合。

3.5 反向水文地球化学模拟

（1）矿物饱和指数。 为了了解研究区地下水水化学组分的溶解平衡状态，采用矿物饱和指数（SI）［14］对研究区潜水水样进行分析。 根据研究区水文资料以及水化学分析结果，确定了2 条反演模拟路径：SQ-1 至CHJ-1 至YZ-4、CHJ-2 至XT-1，见图1。 研究区潜水岩盐、钾盐、石膏、方解石、白云石等矿物的饱和指数见表3。 研究区潜水石膏、岩盐、钾盐和CO2（g）（气态CO2）的矿物饱和指数均小于0，表明研究区潜水这些物质处于不饱和状态；方解石、白云石的矿物饱和指数均大于0，表明研究区潜水这些物质处于饱和状态，说明方解石、白云石矿物溶解不是研究区潜水Ca2+、Mg2+和的主要来源。 2 条反演路径上的沉淀溶解规律与上述离子比值关系相符。

表3 研究区潜水矿物饱和指数

（2）路径反演。 PHREEQC 软件通过确定一条地下水径流路线上的起点与终点，建立质量平衡模型对这两点之间地下水化学组分进行反向水文地球化学模拟。 根据研究区水文资料及水化学分析结果，研究区地层富含钾盐、岩盐、白云石、石膏和方解石等矿物，考虑阳离子交换作用以及地下水径流过程中可能会有CO2溶解进入潜水，将钾盐、岩盐、白云石、石膏、方解石、CO2等作为可能矿物相进行路径反演，模拟结果见表4。

表4 研究区潜水路径反演模拟结果 mmol／L

方解石和白云石溶解均会产生Ca2+，引起同离子效应，所以方解石沉淀则白云石溶解，白云石沉淀则方解石溶解［15］。 路径1 中SQ-1 至CHJ-1 潜水发生的水岩作用：白云石沉淀，其余矿物相均溶解，发生了阳离子交换作用，导致0.113 mmol／L 的Na+离开地下水，0.056 5 mmol／L 的Ca2+进入地下水，另外CO2（g）溶解量为0.626 6 mmol／L。 路径1 中CHJ-1 至YZ-4 潜水发生的水岩作用：方解石沉淀，其余矿物相均溶解，发生了阳离子交换作用，导致2.075 0 mmol／L 的Na+离开地下水，1.037 0 mmol／L 的Ca2+进入地下水，另外CO2（g）逸出量为0.564 2 mmol／L。 路径2 中CHJ-2至XT-1 潜水发生的水岩作用：方解石沉淀，其余矿物相均溶解，发生了阳离子交换，导致4.154 0 mmol／L 的Ca2+离开地下水，8.309 mmol／L 的Na+进入地下水，另外CO2（g）逸出量为2.505 0 mmol／L。

路径反演模拟结果表明，研究区潜水径流过程中发生了方解石沉淀及CO2的逸出，潜水中常量离子的物质来源为白云石、石膏、岩盐、钾盐的溶解，以及阳离子交换等。 由于岩盐的溶解量远大于其他矿物相的，导致地下水中Na+、Mg2+、Cl-含量增加，因此研究区潜水水化学类型从HCO3·SO4·Cl-Mg·Na·Ca 型演化为Cl-Mg·Na 型。

4 结 论

研究区潜水水化学类型较为复杂，从昆仑山至察尔汗盐湖水化学类型由HCO3·SO4·Cl-Mg·Na·Ca型逐渐演化为Cl-Mg·Na 型，水质逐渐下降。 研究区潜水水化学类型在空间上具有明显分带性。 潜水水化学组分主要受水岩作用和蒸发结晶作用控制，其中昆仑山泉水、冲洪积平原潜水和细土平原潜水主要受水岩作用控制，盐沼平原潜水主要受蒸发结晶作用控制。矿物饱和指数和路径反演模拟结果表明，研究区潜水中常量离子增加的主要物质来源为方解石沉淀，CO2（g）的逸出，白云石、石膏、岩盐和钾盐的溶解，以及阳离子交换，其中Ca2+和的主要来源为石膏的溶解，K+、Na+、Mg2+和Cl-的主要来源为钾镁盐和岩盐的溶解。