舞阳河中下游岩溶流域水化学特征及源解析——基于1∶5万新晃幅水文地质调查

樊善兴

（贵州省地质矿产勘查开发局一〇四地质大队，贵州 都匀 558000）

地下水化学特征及其成因是水文地质学的重要研究内容，水化学特征可以反映地下水类型并确定离子来源，不同过程的水岩交互作用、离子交换、氧化还原转化以及蒸发浓缩作用控制着地下水化学特征的时空变异特征[1-5]。同时，利用地下水中不同离子物质的量浓度比值关系可以更好地揭示地下水与周边环境的相互作用过程[6-8]。目前，舞阳河中下游岩溶流域地下水化学特征及其影响因素的研究相对较少，该区域水化学特征及地下水离子来源情况尚不明确。本文基于1∶5万新晃幅水文地质调查结果，利用研究区内50个水样点水化学数据，开展舞阳河中下游岩溶流域地下水化学特征研究及源解析，为研究区地下水的合理利用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 样品采集

1 ∶5万新晃幅水文地质调查在舞阳河中下游岩溶流域部分天然水点和机井采集了50个样品数据，采样点范围覆盖全区。水样容器为容积500 mL的聚乙烯瓶。采回的水样用孔径0.45 μm的醋酸纤维膜过滤后，分装于2个处理过的50 mL聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶中，其中用于阳离子测试分析的样品用纯硝酸酸化，使其pH小于2，而用于阴离子测试分析的样品不予处理。

1.2 样品分析及数据处理

利用便携式哈希仪（型号HQ40d）对水温、pH、氧化还原电位、溶解氧、电导率、溶解性总固体等常规水质参数进行现场测试。之后，利用戴安离子色谱仪（型号ICS2100）对采集水样的阴离子（SO42-、Cl-、NO3-）进行测试，利用赛默飞电感耦合等离子体发射光谱仪（型号ICAP6300）对阳离子（K+、Ca2+、Na+、Mg2+）进行测试，采用酸碱滴定法对HCO3-进行分析。

2 结果与分析

2.1 水化学特征

本次采集的地下水样品有50件，全部参与评价。所有采样点地下水pH介于6.70～9.09，其属于中性偏碱性水；总溶解固体（TDS）含量为61.24～656.00 mg/L，其为淡水；总硬度（以CaCO3计）为27.43～519.28 mg/L，其为软水至适宜硬度水。按舒卡列夫分类法，研究区地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg型居多[9]。具体水化学类型分类统计结果如表1所示。研究区内地下水的主要阳离子为Ca2+和Mg2+，阴离子大部分为HCO3-，少部分为SO42-。

表1 水样水化学类型

2.2 成因分析

为确定研究区地下水化学组成的影响因素，绘制研究区水样的水化学吉布斯图，如图1所示[10]。图1显示，研究区内，除1个点外，其余地下水采样点均在吉布斯模型内；除4个点外，其余采样点的Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.5。大部分采样点均受岩石风化作用，表明地下水的主要离子来源为岩石风化溶解。

图1 研究区水化学吉布斯图

研究区地下水的主要阳离子为Ca2+、Mg2+，阴离子为HCO3-，水化学组分主要受到岩石风化影响。根据研究区地层分布情况，主要离子组成和含量与流域碳酸盐岩组分特征密切相关。绘制研究区地表水Mg2+/Na+比值、HCO3-/Na+比值与Ca2+/Na+比值的关系图，并以此定性分析碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩风化对水样离子组分的影响，如图2所示[11]。

图2反映了岩石化学风化的主要贡献端元为碳酸盐岩和硅酸盐岩化学风化，研究区内主要的岩石化学风化反应分为两类。

图2 研究区地表水Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物质的量浓度比值关系

图2反映了岩石化学风化的主要贡献端元为碳酸盐岩和硅酸盐岩化学风化，研究区内主要的岩石化学风化反应分为两类。

碳酸盐岩化学风化反应有

硅酸盐岩化学风化反应有

经分析，碳酸盐岩化学风化是岩溶流域岩石风化的最主要类型，根据不同碳酸盐岩矿物化学风化的反应，可依照流域地下水中Mg2+、Ca2+和HCO3-的关系，并结合流域基岩类型及其组分特征，判别碳酸盐岩矿物的化学风化类型。绘制研究区地下水Mg2+/Ca2+与Na+/Ca2+的关系图，如图3所示。总体上，研究区地下水分布于石灰岩与白云石端元之间，研究区地下水化学组分主要受白云岩和石灰岩两个碳酸盐岩化学风化端元控制。

图3 研究区地下水Mg2+/Ca2+、Na+/Ca2+物质的量浓度比值关系

由式（1）可知，Ca2+和HCO3-主要来源于CaCO（3方解石）风化，Ca2+/HCO3-=1∶2；由式（2）可知，Mg2+、Ca2+和HCO3-来源于CaMg(CO3)2（白云石）风化，Ca2+/HCO3-=Mg2+/HCO3-=1∶4；由式（3）可知，Ca2+/HCO3-=1∶3，Mg2+/HCO3-=1∶6。

图4显示，研究区地下水Ca2+与HCO3-的比值大部分分布在1∶4至1∶3的区间；Mg2+与HCO3-的比值大部分大于1∶6，分布于1∶6至1∶4的区间，尤其集中在1∶4上下，反映了研究区碳酸盐岩化学风化以白云石矿物风化占主导。主要原因为舞阳河中下游岩溶流域的地层岩性主要为较纯的白云岩、白云质灰岩。

图4 研究区地下水Ca2+、Mg2+和HCO3-物质的量浓度关系

3 结论

在舞阳河中下游岩溶流域，地下水的主要离子为Ca2+、Mg2+和HCO3-，水样pH为6.70～9.09，属中性偏碱性水，总溶解固体含量为61.24～656.00 mg/L，均值为285.6 mg/L。地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg为主，地下水化学特征主要受水岩作用影响，少部分受大气降水影响，几乎不受蒸发作用影响。经Mg2+/Na+、HCO3-/Na+和Ca2+/Na+物质的量浓度比值关系分析，研究区岩石化学风化的主要贡献端元为碳酸盐岩和硅酸盐岩化学风化，同时，地下水化学组分主要受白云岩和石灰岩两个碳酸盐岩化学风化端元控制，且碳酸盐岩化学风化以白云石矿物风化占主导。