可可西里盐湖水化学特征及其形成机制

付 昌 昌，刘 聪

(1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061； 2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄 050061)

0 引 言

水体在循环的过程中不断与地层及外部环境进行物质交换，其化学组分不断发生变化。因此，水化学特征是流域地质和环境变化情况的指示剂，同时也可以反映人类活动及气候变化对水体周围环境的影响程度。湖泊是青藏高原大气圈、水圈和冰冻圈联系的关键纽带，在全球变暖条件下对地表水循环过程具有重要的影响[1]。湖泊水化学特征及形成机制的研究，对于揭示该地区湖泊水循环过程、流域水岩作用及湖泊演化历史具有非常重要的作用[2]。

近年来，众多学者已经开展了青藏高原代表性湖泊的水化学特征及形成机制的研究，识别出青海湖[3]、纳木错[4]与羊卓雍错[5]等咸水湖水化学组分的形成主要受蒸发浓缩作用控制，拉昂错[6]、玛旁雍错[7]与普莫雍错[8]等淡水湖则主要受溶滤作用影响。盐湖流域位于可可西里腹地，受青藏高原气候暖湿化影响，湖泊面积持续扩张，受高寒自然条件的限制，近年来基于遥感技术分析盐湖扩张的时序变化规律及驱动因素的研究较多[9-10]，而实地采样分析开展水文地球化学演化的研究较少，但是研究盐湖流域水化学特征及成因对分析该地区水盐平衡及评价水质变化的环境效应至关重要。

本文在收集研究区已有地质和水文地质成果资料的基础上，通过测试不同水体的水化学指标和氢氧同位素，利用Gibbs图、离子比值及PHREEQC反向模拟技术，剖析了不同水体的水化学和同位素特征及其形成机制。研究成果可为高寒地区水资源开发利用及生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

盐湖流域位于青海省治多县西部、昆仑山脉南侧，处于可可西里国家自然保护区范围，北距格尔木220 km，东距青藏铁路(公路)8 km(见图1)。流域面积8 661 km2，总体地势西高东低，海拔4 460～4 800 m，主要包括卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖4个湖泊，自西向东依次分布。至2020年初，四湖总的水面面积达到748.50 km2，其中盐湖的水面面积为207.60 km2。流域北部昆仑山脉山顶分布有雪被及现代冰川，冰川面积66.79 km2。湖水主要为大气降水和冰川融水补给，而蒸发为其主要排泄方式。

图1 研究区DEM地形及采样点示意Fig.1 DEM map and the sampling sites in the study area

研究区气候呈现低温干燥、冰冻期长、雨热同期的特点。五道梁气象站为距离该区最近的监测站点，根据1960～2020年气象监测资料(中国气象科学数据共享服务网)，多年平均气温为-5.11 ℃，10月至来年4月为冰冻期，多年平均降水量为299.3 mm，5～9月为雨季，降水量占年内降水量的90%。

盐湖流域地处可可西里盆地，北界为东昆仑山南断裂，基底为三叠系巴颜喀拉山群沉积岩和燕山期花岗岩体。盆地内新生代地层由老到新包括：古近系的沱沱河组和雅西措组、新近系的五道梁组和查保玛组，其中查保玛组为火山岩，其他岩组主要为河湖相泥岩、砂岩、泥灰岩，雅西措组中夹有石膏及岩盐[11]。第四系沉积物以冰水堆积物和冲洪积的砂砾石层为主，现代湖泊边缘分布有全新统湖沼堆积的淤泥等松软沉积物。

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

采样时间为2020年10月融冰末期，对研究区内4个主要湖泊(卓乃湖、库塞湖、海丁诺尔湖、盐湖)、地下水(泉)、河水、冰川融水和大气降水分别取样，2021年7月融冰期补充采集了盐湖水样品，采样点位置如图1所示。

野外采样时，采样前先用0.45 μm滤膜进行过滤，其中阳离子和微量元素分析样品采集后滴加HNO3，使pH降到2以下；阴离子和氢氧同位素水样不加保护剂。采样后，贴标签并密封保存。采样同时，利用HANNA公司的多参数分析仪(HI9828)测试样品的水温、pH、电导率(EC)。

2.2 分析方法

样品测试由中国地质科学院水文地质环境地质研究所地下水矿泉水与环境监测中心完成。阴、阳离子测试分别利用DX-120(Dionex)型离子色谱仪和ICP-AES(iCAP 6300，Thermo)，执行DZ/T 0064-1993和GB 8538-2016标准，测试结果阴阳离子平衡相对误差小于±5%。δD和δ18O的测试利用波长扫描-光腔衰荡光谱仪(Picarro L2130i)，测试精度分别为±1‰和±0.1‰。

3 结果与分析

3.1 水化学指标统计分析

湖水pH介于8.76～9.15，呈弱碱性，TDS值介于6 410.00～13 960.00 mg/L，为咸水湖。从上游的卓乃湖到下游的盐湖，TDS值逐渐增加。各阴离子在湖水中的平均含量为Cl-> SO42->HCO3-，各阳离子在湖水中的平均含量为Na+> Mg2+>Ca2+，呈显著的富Na+，贫Mg2+和Ca2+的特征。

其他水体的TDS值明显小于湖水，变化范围为55.85～1 498.00 mg/L。其中，大气降水和冰川融水TDS值最小，其次为河水，地下水TDS值相对较大。相比于湖水，离子的含量显著减小，但各离子含量的差距相对较小。

研究区内每年的5～9月为雨季且月平均气温也在零度以上，大气降水和冰川融水大量补给湖水，至10月份，降水过程结束，气温变冷，湖面逐渐进入冰冻期，此时湖水的补给过程基本结束。此时湖水经过与补给水体的混合，水中各离子浓度相比雨季期间略小(见表1)，但主要离子浓度差异均在5%以内，水化学特征保持一致。

表1 不同水体主要离子浓度对比分析

3.2 水化学类型

利用AquaChem 4.0 软件绘制水化学类型Piper图，直观地确定水中的主要离子及特征组分(见图2)。按舒卡列夫分类法，湖水的水化学类型为Cl-Na型，Na+为最主要阳离子，占阳离子当量总浓度的82.86%，Cl-为最主要阴离子，占阴离子当量总浓度的86.37%。湖泊演化的一般趋势是淡水湖→咸水湖→盐湖→干盐湖，其水化学演化也相应的遵循碳酸盐型→硫酸盐型→硫酸镁型→氯化物型[12-13]，水化学类型表明目前研究区湖泊处于演化的晚期阶段。

图2 盐湖流域不同水体水化学类型Piper图Fig.2 Piper diagram of the different water bodies in Yanhu Lake basin

研究区内大气降水为HCO3-Ca型，冰川融水为HCO3·Cl-Ca·Mg型，地下水为Cl·SO4-Mg型，河水则主要为Cl·HCO3-Na型。由大气降水、冰川融水、河水至湖水，水化学类型由HCO3型向Cl型演化，同时伴随着盐分的增加。

4 讨 论

4.1 氢氧同位素特征及湖水来源

在水循环过程中，同位素组成的差异可用于识别水体的来源和补给过程[14]。盐湖流域不同水样点均位于当地大气降水线(LMWL)附近(见图3(a))，表明当地大气降水是研究区不同水体主要的补给来源。河水和湖水的氢氧同位素拟合线(LEL)斜率小于区域降水线的斜率，表明湖水和河水经历了一定程度的蒸发作用。

图3 盐湖流域不同水体δD～δ18O和TDS～氘盈余关系Fig.3 The relationship of δD～δ18O and TDS～d excess of the different water samples in Yanhu Lake basin

湖水、河水、地下水和冰川融水的δ18O(δD)平均值分别为-2.4‰(-23‰)、-7.6‰(-55‰)、-11.1‰(-78‰)和-11.3‰(-74‰)。湖水的氢氧同位素值偏正，其次为河水，而冰川融水和地下水氢氧同位素值偏负，表明湖水受到蒸发作用的影响最大，而冰川融水和地下水相似的同位素特征表明地下水主要受冰川融水的补给。此外，湖水δ18O(δD)值空间差异较为明显，卓乃湖、库塞湖和盐湖的δ18O(δD)值分别为-4.3‰(-32‰)、-2.7‰(-24‰)和-1.4‰(-18‰)，从上游至下游，δ18O(δD)值逐渐增大，由于流域内气温和相对湿度基本一致，因此，δ18O(δD)值的变化主要反映了湖水补给来源的差异，表明上游卓乃湖受同位素值偏负的冰川融水和地下水的补给比例更大，导致卓乃湖湖水的TDS值明显小于下游3个湖的值。

在蒸发过程中，氘盈余(d=δD-8δ18O)值大小表征着蒸发过程中的不平衡程度，随着蒸发的进行，不同水体的氘盈余值不断减小，甚至达到负值，而水中的盐分则逐渐升高，但在溶滤作用积盐过程中，d值则基本不变[15-16]。湖水、河水、地下水和冰川融水的d平均值分别为-3.7‰，8.6‰，10.4‰和16.4‰，湖水d值最小，甚至为负数，而TDS值最大，水体盐分(TDS)随d值的减小而增大，呈负相关关系(见图3(b))，表明蒸发浓缩是导致湖水盐分增加的主要作用。

4.2 水化学形成作用

Gibbs图将水体中化学组分的来源划分为3个类型，即大气降水、溶滤作用和蒸发浓缩[17-18]。图4表明，研究区湖水样点分布在蒸发浓缩作用影响区域，而冰川融水和地下水则分布在溶滤作用的影响区域。不同水体Na/(Na+Ca)分布偏右，普遍大于0.5，表明水化学演化过程中Ca2+从水体中析出，可能为Ca盐(方解石)的沉淀。

图4 研究区水样点的Gibbs图Fig.4 Gibbs diagram of the water samples in the study area

图5 不同水体主要离子当量浓度比值关系Fig.5 Equivalent ratio diagram of the major ions in the different water bodies

(1)

(2)

γ(Ca2+)/γ(Mg2+)表征着方解石和白云石在水体的溶解，比值接近1，表明白云石(CaMg(CO3)2)是Ca2+和Mg2+的来源；比值大于1，说明在此过程中同时发生了含钙盐(如方解石、石膏)的溶解作用；比值小于1，表明在蒸发浓缩作用下，发生了Ca盐的沉淀[8]。如图5(d)所示，除湖水外，大气降水、冰川融水、河水和地下水样品γ(Ca2+)/γ(Mg2+)比值均近似为1，表明这些水中Ca2+和Mg2+主要来源于白云石的溶解，而湖水γ(Ca2+)/γ(Mg2+)比值介于0.01～0.12之间，均值为0.04，指示了蒸发浓缩作用下，湖水中发生了Ca盐(方解石)的沉淀，导致γ(Ca2+)/γ(Mg2+)比值降低。

4.3 PHREEQC反向模拟

为了更深入地分析湖水化学成分的形成机制，本次研究利用PHREEQC软件对湖水的演化进行模拟，以量化控制湖水演化的主要水文地球化学过程[21-22]。前文分析表明，湖水主要为大气降水补给，因此以大气降水作为模拟起点，以盐湖水作为模拟终点；以岩盐、石膏、方解石、白云石以及离子吸附作用(NaX、CaX2、MgX2)作为矿物相，CO2作为参与反应的气体相；pH作为模拟运算中摩尔平衡参数，其可接受的不确定度范围为0.01～0.10，运行过程中结合输出模型的收敛性和稳定性进行调整。

模拟结果(见图6)显示：控制盐湖水化学演化的最主要过程是水分蒸发浓缩作用，水的摩尔转移量(48.17 mol/L)远远高于其他化学反应过程(相差102～103)；其次是岩盐的溶滤作用(0.205 mol/L)，该作用对湖水盐分的贡献大于白云石和石膏的溶解。此外，模拟结果显示，盐湖水化学形成过程中还发生了方解石的沉淀(0.021 mol/L)和Na-Mg阳离子交换。

综上所述，可可西里盐湖水化学成因主要受湖水蒸发浓缩影响，其次是岩石溶滤作用，包括岩盐、白云石、石膏矿物的溶解和方解石矿物的沉淀以及Na-Mg阳离子交换。

5 结 论

(1) 湖水为弱碱性的咸水湖，水化学类型为Cl-Na型，呈显著的富Na+，贫Ca2+和Mg2+的特征；大气降水和冰川融水分别为HCO3-Ca型和HCO3·Cl-Ca·Mg型。沿着大气降水、冰川融水、河水、地下水至湖水方向，水化学类型呈现HCO3型向Cl型演化的特点，同时伴随着盐分的增加。

(2) 氢氧同位素特征表明，盐湖流域不同水体的补给来源均为当地大气降水，并受到蒸发浓缩作用的影响，而湖水的δD和δ18O值最大，受到的蒸发浓缩作用最显著。氘盈余结果表明，湖水盐分的增加主要受蒸发浓缩作用的影响。

(3) 通过Gibbs图、离子比值和PHREEQC反向水文地球化学模拟，分别从定性和定量角度识别了盐湖流域水化学演化的主要过程。结果表明，盐湖水化学形成主要受湖水蒸发浓缩影响，其次是溶滤作用，包括岩盐、白云石、石膏矿物的溶解和方解石矿物的沉淀以及Na-Mg阳离子交换，而蒸发浓缩摩尔转移量远大于其他化学反应过程(相差102～103)。

本研究为青藏高原内陆湖水化学演化提供了理论支持，也为进一步开展可可西里地区多源补给湖泊的水盐平衡研究提供了科学依据。