百脉泉泉域岩溶水地球化学特征及成因演化

韩中阳，吴沙沙，刘咏明

（1.山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南250200；2.山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队，山东 济南250014）

近年来，随着煤矿开采与城镇化建设等人类活动的影响与日俱增，百脉泉泉域岩溶地下水水质面临恶化的威胁。为了合理开发、利用和保护百脉泉泉域岩溶地下水资源，有必要研究其地下水化学特征及其形成演化过程。常用的水化学特征研究方法有水化学统计法、多元统计分析、水文地球化学模拟等，其中多元统计方法在水文地球化学研究中尤为广泛[1]。因子分析法是多元统计分析方法的一种，是通过因子轴旋转，使原始变量在公因子（主成分）上的荷载重新分布，从而使原始变量在公因子上的荷载两极分化，这样公因子就能够用那些荷载大的原始变量来解释。因子分析法可用来分析地下水水化学特征的主要影响因素及其影响程度。目前，因子分析法在水文地质学与水文地球化学中的研究日趋成熟[2]。本文在充分分析研究区地质、水文地质条件下，综合运用水化学统计法、因子分析法，探究百脉泉泉域岩溶地下水水文地球化学特征及其成因演化，为百脉泉泉域的可持续利用与保护提供依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

百脉泉泉域面积约660 km2，东西以禹王山断层和文祖断层为界，南以变质岩及寒武系朱砂洞组底板为界，北以奥陶系灰岩顶板为界。地势总体为南高北低，东高西低。泉域由南往北出露的地层依次为新太古代变质岩，古生界寒武系、奥陶系石灰岩、白云岩，石炭－二叠系砂页岩夹煤层，其中奥陶系灰岩约占研究区地层50%。岩溶水径流总体趋势由东南向西北，在南部灰岩出露和裂隙岩溶发育地区受大气降水及地表水入渗补给，径流到章丘城区北部低洼地段受煤系地层阻挡后，沿断裂构造冲破薄弱隔水层上涌成泉。

1.2 数据来源及研究方法

1）样品采集与分析。本次研究取岩溶地下水样11组。地下水样品的采集、保存与分析均依照相关技术规范进行。水样采集后立即装入预先清洗、干燥好的500 mL聚乙烯瓶中密封，所有水样冷藏贮存，并尽快运回实验室进行测试。水样pH值由便携式仪器现场测定，其他化学指标如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-等全部由山东省地质环境监测总站实验室完成。

2）研究方法。离子浓度的相对比值可以反映地下水中主要离子的形成机理和来源。利用Origin2018绘制岩溶地下水离子比例图来识别该岩溶地下水系统中的主要地球化学过程；利用PHREEQC计算矿物饱和指数；统计分析、因子分析均由SPSS 24完成。

因子分析的适用性采用取样适切性量数（KMO）检测，KMO>0.5表明该数据集可以采用此方法。本次对识别矩阵采用凯撒正态化最大方差法进行旋转[3]，并利用主成分分析法提取特征值大于1的因子。

2 结果与讨论

2.1 水化学特征

岩溶水样主要离子统计结果如表1。可见研究区地下水表现出中等到高强度的标准差与变异系数，Na+的变异值最大，其次为K+、Cl-、SO42-、溶解性总固体（TDS）与Ca2+，这些离子的变异系数均大于1，表明这些离子含量在空间上的变化程度很大。

表1 百脉泉泉域岩溶地下水化学组成描述性统计

采样点主要离子含量变化如图1示。由图1可见，北部排泄区1号样品点地下水样中SO42-、Ca2+、Na+和Cl-含量普遍高于其他地区，造成离子含量在空间上变化程度很大，这主要是1号采样点位于排泄区城郊，受到人为污染严重所致。根据地下水质量标准（GB/T 14848—2017），区内除1号和4号外，其余水样均符合Ⅲ类水标准。其中1号样点SO42-、Cl-、F-均达到Ⅴ类地下水标准。4号水样点F-为Ⅳ类水标准。

图1 采样点主要离子含量变化图

研究区内地下水水化学类型和分布如图2所示。南部补给区与中部径流区的阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主；北部排泄区的阳离子以Ca2+、Na2+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主。

图2 百脉泉泉域岩溶地下水水化学类型分布

2.2 水化学指标因子分析

1）相关性分析。表2为各地下水水样10个水化学指标之间的相关分析结果，由表2可看出，SO42-与Ca2+、Mg2+、K+、Na+、TDS具有较强正相关性，说明SO42-的增加会促进碳酸盐岩的溶解反应。此外，Ca2+除了和SO42-具有强相关性外，和Cl-也存在强相关性（r=0.994），说明除水岩作用以外，部分Ca2+的来源还与含Cl-污染物入渗有关。

表2 百脉泉泉域岩溶地下水样品10个水化学变量间的相关性矩阵

除HCO3-、NO3-外，TDS与其他指标均具有很强的相关性，其中与Ca2+的相关性最强（r=0.999），说明研究区地下水中TDS主要受碳酸盐岩溶蚀、溶解的影响；其次为K+、Na+、Cl-、SO42-，相关系数也均大于0.9，其中与Cl-表现出较强的相关性，则可能与生活和工农业活动有关。

除NO3-外，pH值和所有其他指标均为负相关，说明研究区水岩作用受pH值影响。而NO3-和所有指标均为负相关，则说明NO3-可能来自于一些非自然的过程，例如农业肥料、污水、化粪池和工业废料等。

2）因子分析。根据上述各指标的相关性分析可知，部分指标间存在较强的相关性，反映了它们可能来自于相同的来源。对所采水样的10项水化学指标进行KMO（kaiser-meyer-olkin）检验和Bartlett球形检验。得到KMO检验值为0.656，表明数据适合做因子分析。利用SPSS软件，对各水样水化学数据进行R型因子分析，采用凯撒正态化最大方差旋转法计算地下水水化学指标旋转因子荷载矩阵，见表3，根据累计方差贡献率提取了2个主因子，其累计贡献率达86.227%，可以反映原始数据的信息量。

表3 旋转因子荷载矩阵

其中，因子1方差贡献率为73.282%。该研究区Na+可能的来源为钠盐矿物的风化溶解和人为污染；Ca2+主要来源于碳酸盐类岩石、石膏溶解；Mg2+主要来源于含镁碳酸盐岩白云岩的溶解，此外生活污水排放也是Mg2+来源之一。排泄区1号样品点Cl-含量的增高是受于人为污染所致，其余大部Cl-来源于岩盐溶解。地下水中SO42-离子的来源有含石膏或其他硫酸盐岩石的溶解，研究区北部存在煤矿，是造成地下岩溶水明显高SO42-的重要原因。NO3-为最常见和最容易溶解的污染物，它与农业或城市废物中的潜在有害溶质密切相关，如生活污水的排放，农业化肥的使用。TDS与水中主要离子成分有着密切关系，能够反映地下水水质，研究区仅有1号采样点TDS大于Ⅲ类水标准，受到人为污染所致。由上述可知，因子1代表了人类活动和自然作用共同对百脉泉泉域岩溶地下水化学成分的影响。

因子2方差贡献率为12.944%，主要和HCO3-具有很强的正相关性（0.835）及与pH具有较强的负相关性（-0.589）。地下水中HCO3-主要来源于碳酸盐岩的溶解，其没有人为来源。此外，地下水中各矿物的溶解均受水中pH值的影响。因此，因子2代表了自然过程即水岩作用对地下水化学成分的影响。

2.3 地球化学过程分析

1）碳酸盐岩溶解。碳酸盐岩溶解是该地区主要水岩作用之一。若Ca2+和HCO3-只来源于方解石溶解，那么Ca2+与HCO3-的摩尔浓度比值将为1∶2~1∶1，如果Ca2+还来源于白云石溶解，那么Ca2+与HCO3-的摩尔浓度比也可能会是1∶4。本次研究样品大部分落在1∶1~1∶2线之间，部分样品落于1∶2线上，见图3。除北部排泄区1号水样点外，研究区地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来源于以石灰岩为主的碳酸盐岩溶解。

图3 HCO3-—Ca2+离子关系图

2）岩盐溶解。岩盐化学成分为NaCl，如图4。研究区大部分样品均落于1∶1线上，说明研究区岩盐溶解是岩溶水中Na+与Cl-的主要来源。北部排泄区1号样品点明显偏离，位于1∶1线上方，说明该地区Na+有其他来源。该样点位于排泄区，人为活动强烈，地下岩溶水受到居民生活污水与农药化肥等人为污染。

3）石膏溶解。石膏是碳酸盐岩地层中常见的伴生矿物，其主要成分是CaSO4，因此研究区Ca2+也可能来自石膏溶解，见图4。考虑到研究区北部地层中存在煤层，因而存在黄铁矿（FeS2）氧化和方解石中和作用产生Ca2+和SO42-，使得Ca2+∶SO42-为1∶1~2∶1。研究区部分样品落于2∶1线上，就是因为受到黄铁矿氧化影响。

图4 SO42-—Ca2+关系图

综上分析，研究区岩溶地下水水化学成分的可能矿物相为盐岩、方解石、石膏和硬石膏。饱和指数（SI）能够反映矿物相的饱和状态，它能够指示水岩作用潜在的平衡趋势。利用PHREEQC计算该地区岩溶水中可能矿物相的饱和指数。由图5可知，该研究区岩溶地下水中方解石处于饱和状态，有沉淀析出的趋势；而石膏除水样点1外，其他均为不饱和状态，其饱和指数为-1.7~0.01；硬石膏均处于不饱和状态，其饱和指数为-2~-0.3；岩盐均处于不饱和状态，其饱和指数为-8.72~-5.48。可知随着水岩作用的长时间进行，石膏与硬石膏比岩盐要早达到平衡状态。同时岩盐饱和指数绝对值较大，表明研究区岩溶水系统中岩盐溶蚀较弱，不是主要的地球化学过程。

图5 矿物饱和指数图

4 结论

研究结果表明：1）百脉泉泉域岩溶水主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为HCO3-和SO42-。地下水样品pH范围为7.0~7.9，属于中性~弱碱性水。研究区水质状况总体良好，仅北部排泄区样品受人为污染严重。2）因子分析的结果表明，因子1约占总方差的73.282%，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、TDS具有较高的正荷载，代表了人为因素和自然因素共同对岩溶水的影响。因子2约占总方差的12.944%，具有较高的正荷载的HCO3-和具有较高负荷载的pH，代表了自然因素水岩作用对岩溶水的影响。3）地球化学过程分析表明，研究区岩溶水受水岩作用控制，主要为以灰岩为主的碳酸盐岩溶解、石膏及硬石膏溶解，岩盐溶解较弱，同时还受煤层中黄铁矿氧化影响。4）北部排泄区过高的Mg2+、Cl-、SO42-、TDS等是受到人类活动如煤矿开采、工厂污水所致。