岷江流域含石膏地层地下水水化学差异性研究

吴铭杰 李胜伟 王东辉 平世飞 王福刚

摘要：

位于岷江流域的成都平原及其南部的牧马山台地区域的白垩纪地层广泛发育石膏。石膏的溶蚀可显著影响地下水质，明确该类型区域地下水水化学特征空间分布并揭示其空间差异性原因，对地下水开发利用具有重要意义。以牧马山台地中部区域天府国际生物城区域为例，通过野外实地调查、采样数据的主成分分析和聚类分析、水化学演化过程数值模拟，对地下水质的现状和水质形成原因进行了系统研究。结果表明：该区地下水在水平分布和垂向分布上都存在着显著的差异性，引起水质在空间上差异的原因具有多因性。垂向上：浅层地下水受碳酸盐溶解/沉淀作用控制，地下水类型以HCO3-Ca（Ca·Mg）型为主，矿化度多小于0.5 g/L；深层地下水受地层中石膏空间分布的影响显著。在无石膏分布区，地下水以HCO3-Ca（Ca·Mg）类型的低矿化度水（TDS<0.5 g/L）为主；有石膏分布区，形成SO4-Ca（Ca·Na）型高矿化度水（TDS可达2.5 g/L以上）。平面上：浅层地下水水化学特征受地形地势、人为污染、局部区域石膏层埋深变浅等因素影响，但总体上水质较好，可作为当地居民的生活饮用水；深层地下水主要受地层石膏埋藏深度变化的影响，地下水水化学类型和矿化度的空间差异较大。通过水文地球化学模拟定量分析了地下水平面和垂向上的差异，所得结果与实际情况基本吻合。研究成果可为岷江流域含石膏地层区地下水水化学特征分析提供科学依据。

关 键 词：

地下水； 水化学； 石膏； 溶蚀作用； 成都平原； 岷江流域

中图法分类号： P641.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.003

0 引 言

牧马山台地位于长江上游岷江东侧，龙泉山西侧，其北部和西部为广袤的成都平原。由于地质构造运动，台地区域整体抬升，在与成都平原接壤的北部和西部，其地貌呈现明显的台阶状隆起。在牧马山台地区域，地下水是当地村民生产和生活的主要供水水源。由于台地区域地表高程高于平原区，同时受到含有石膏的特殊地質结构特征影响，该区域地下水水化学特征空间分布显示出明显的空间差异性，且对地下水质及地下工程建设具有潜在的影响。因此，对该地区地下水水化学差异性进行研究，分析其成因，可为当地地下水开发利用和地下工程建设提供科学依据［1-2］。

对地下水水化学特征的研究方法包括统计法、图解法、离子比值、水文地球化学模拟等［3-5］，不同的方法适用于不同的地质与水文地质条件。导致地下水水化学特征差异性的因素包括自然［6-7］和人为［8］两个方面。自然因素主要通过控制地下水系统的补、径、排条件和水循环过程而影响水质特征［9］。人为因素包括直接的工业、农业、生活污染，以及由于修建工程（隧道）等活动改变地下水的循环和径流条件，进而影响地下水质［10-13］。地下水由于水循环条件的差异和埋藏深度的不同，对地下水水化学特征演化产生影响［14-17］。

近年来，学者们对成都地区浅层地下水已进行了一定研究，主要包括自然与人类活动影响下的地下水水化学分布特征、地下水硝酸盐污染分布与污染来源、洪积扇与浅部地下水循环等方面［18-20］。由于地下水水化学特征随着地下水循环过程不断演化，具有时变性；此外，研究区深部地层含有膏岩和钙芒硝，膏岩和钙芒硝的溶蚀作用导致研究区浅层和深层地下水化学特征在平面和垂向分布上具有明显的差异性。膏岩和钙芒硝被溶蚀后不但会影响地下水环境，也会影响地层稳定性以及地下建筑物混凝土基础。

含膏岩地层在中国广泛分布，其中白垩系湖相石膏沉积主要分布于四川省与云南省。在岷江流域的成都平原区和其南部的牧马山台地区白垩纪地层中广泛分布含石膏地层，石膏层埋藏深度一般在150 m以内，该深度范围也是地下水循环较为活跃的空间部位。牧马山台地由于地质构造的抬升作用，其浅部和深部地下水循环具有显著差异性。同时，由于地层中的石膏在水循环过程中的溶解作用影响，使浅部和深部地下水的化学特征差异显著。牧马山台地中部的天府新区国际生物城建设过程中，大量的地质钻孔揭露的地层信息显示，该区域地下50～150 m空间范围普遍含有石膏；同时，该深度范围也是地下水水循环较活跃的空间部位，是研究含膏岩地层地下水水化学特征差异性的典型和代表性层位。

本文选择基础资料丰富的天府新区国际生物城区为研究区，开展含石膏地层地下水水化学特征的空间差异性研究。研究成果可为岷江流域含膏岩地层的地下水水化学特征分析以及研究区地下水开发利用提供依据。

1 研究区概况

成都市位于四川盆地西部，102°54′E～104°53′E，30°05′N～31°26′N之间。研究区位于成都市南部牧马山台地中部地区。牧马山台地地势西北高，东南低，高程460～550 m，多年平均降水量870.1 mm。

研究区出露地层主要为第四系及白垩系灌口组。地下水类型根据含水层介质和埋藏条件主要分为第四系松散层孔隙水、白垩系灌口组砂泥岩孔隙裂隙水。第四系松散层孔隙水分布于台地区域和周边平原区，上部为粉砂质黏土及黏质砂土，下部为弱风化含泥砂砾石层。第四系孔隙水区域上埋深一般小于40 m，单孔出水量200～5 000 m3/d3［21］，具备良好的开采条件。白垩系灌口组孔隙裂隙水含水层岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩。灌口组上部地层分布有溶孔，形成较好的储水空间，埋深一般小于60 m，地下水类型多为碳酸氢钙型，与上覆第四系孔隙潜水水力联系紧密，单孔出水量100～500 m3/d；灌口组下部较深地层分布有层间水，埋深一般大于60 m。因石膏发育，地下水多为咸水，动态变化受季节影响较大。本研究将深度60 m以内的第四系和灌口组上部含水层划为浅层地下水，60 m以下含水层划为深层地下水。天府新区国际生物城（见图1）主要工程建设层位主要为地表以下0～60 m。

根据前期调查成果，平原区第四系孔隙地下水径流方向主要受地形控制，整体由北西向南东径流（见图2）。地下水排泄方式包括蒸发、侧向径流排泄、向河流排泄及人工开采。台地区浅层地下水在北部由于受地形抬升的影响，埋深一般大于10 m，中部及南部浅层地下水埋深一般小于10 m，受局部地形控制，向附近沟谷径流；深层地下水流向主要受台地区构造条件控制，整体趋势为由北向南流动。

2 水化学特征空间差异性

2.1 特征指标差异性

在2019～2021年间采集地下水样73组，水样点分布见图1。采集水样由国土资源部长春矿产资源监督检测中心完成测试。测试结果进行离子平衡计算，误差均在±5%以内。水化学特征指标统计见表1～2。

全部水样中K++Na+、Cl-、SO2-4的变异系数分别为2.41、1.76、1.72，这些宏量离子大多来自地层矿物的溶解和累积。NO-3的变异系数较大为2.08，表明存在人为污染。变异系数数据表明地下水在空间上存在较大差异，因此需要对浅层（埋深小于60 m）和深层（埋深大于60 m）地下水特征指标分别进行统计分析。

浅层地下水的pH值在5.97～8.02之间，平均值为7.24，总体上属于中性和弱碱性水。TDS变化范围为108～1 452 mg/L，90%以上的水样为淡水（TDS小于1 g/L）。阳离子的质量浓度为Ca2+＞K++Na+＞Mg2+，阴离子的质量浓度为HCO-3＞SO2-4＞Cl-。变异系数最大为SO2-4（1.54）和NO-3（1.78），指示着区内浅层地下水受人为活动影响较大。

研究区深层地下水pH值变化范围为6.25～8.18，平均值为7.3，总体上也属于中性和弱碱性水。TDS变化范围为82～6 748 mg/L，大部分仍为淡水，有25%左右的微咸水（TDS 为1～3 g/L）和10%左右的咸水（TDS为3～10 g/L）。阳离子的质量浓度为Ca2+＞K++Na+＞Mg2+，阴离子的质量浓度为SO2-4＞HCO-3＞Cl-。离子含量较浅层水变化较大，除了SO2-4和NO-3外，K++Na+、Cl-和TDS的變异系数也较大，说明深层地下水的化学差异性更为明显。

使用SPSS 20分别计算浅层和深层地下水各组分的相关系数（见表3）。由表3可知，浅层地下水中TDS与Na+，Ca2+，Mg2+，HCO-3，SO2-4，NO-3较相关，HCO-3与Ca2+，Mg2+较相关，Ca2+与TDS存在强相关性，NO-3主要与K+，Mg2+，Cl-，F-较相关。深层地下水中TDS与Na+，Ca2+，Mg2+，HCO-3，SO2-4较相关，其中TDS与SO2-4的相关系数达到0.99；Ca2+与SO2-4，TDS强相关，Cl-与Na+，SO2-4较相关。

总体来看，浅层和深层地下水之间的化学指标存在较大差异，组成较复杂。浅层地下水中Ca2+起控制作用，深层地下水中Ca2+与SO2-4共同起主导作用。

2.2 水化学类型差异性

参考舒卡列夫分类法，浅层地下水主要为HCO3-Ca（Ca·Mg）和HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水（见图3）。HCO3-Ca（Ca·Mg）型水主要分布于研究区西部和北部，中部出现HCO3·SO4（SO4·HCO3）-Ca（Ca·Mg）型水，以及HCO3·Cl-Ca（Ca·Na）型水。研究区内出现的NO3型水位于养殖场和果园附近（图3中未标出）。ZK11出现HCO3-Na型水。深层地下水的水化学类型主要有HCO3-Ca（Ca·Mg），SO4-Ca（Ca·Na/Na·Ca），HCO3·SO4（SO4·HCO3）-Ca（Ca·Mg）型水。HCO3-Ca（Ca·Mg）型水占40%左右，且主要分布于研究区西部和北部，SO4-Ca（Ca·Na/Na·Ca）型水占比35%左右，且主要分布于下游。空慧寺附近（ZK21）存在SO4-Na型水，矿化度达100 g/L以上。HCO3·SO4（SO4·HCO3）-Ca（Ca·Mg）型水在区内零星分布。深层较浅层地下水的水化学类型呈现多样性，SO4-Ca（Ca·Na/Na·Ca）型的高矿化度水明显增多（图3虚线处）。

3 水化学空间差异性分析

3.1 物质来源差异

主成分分析法可以分析地下水化学形成的物质来源和控制因素。由表4可知，浅层地下水中第一主成分以Ca2+，Mg2+，HCO-3，SO2-4等为主，贡献率为46.52%，主要来源于碳酸盐等矿物的溶解和离子的累积；第二主成分以K+，F-，NO-3等为主，贡献率为17.51%，体现为人类农业活动影响；第三主成分以Cl-和SiO2为主，贡献率为12.08%，体现为人类生活污染和硅酸盐溶解。深层地下水中第一主成分以Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SiO2，SO2-4为主，贡献率为43.86%，主要来源于石膏等硫酸盐岩和硅酸盐岩的溶解；第二主成分以K+，F-，NO-3为主，贡献率为24.21%，深层地下水不直接受人类影响，说明浅层地下水能补给深层地下水；第三主成分以HCO-3和F-为主，贡献率为9.02%，主要来源于碳酸盐和含氟矿物的溶解。

3.2 地形地貌的控制作用

为分析研究区内地下水在平面上的差异，对浅层地下水进行聚类分析并绘制地下水的Stiff图和地下水聚类平面分布图，分别如图4，5所示。由图4可知，浅层地下水分成3类。A类水主要为TDS小于0.3 g/L的HCO3-Ca型水。B类水较A类水各组分浓度增大，主要为TDS小于0.8 g/L的HCO3或HCO3·SO4型水。C类水与A、B两类水呈现明显不同，TDS更大且水化学类型以SO4-Ca型为主；C类水中S30的水井深度为45 m，经实地调查知，该井为居民用井，烧水有水垢，石膏层埋深在该井位置相对较浅；ZK27和ZK28位于研究区东南部平原位置，TDS大于1 g/L，深度较浅，但受人类活动影响较大。

地形地貌控制着水的动力特征，从而影响地下水的离子含量特征［22］。绘制I-I′的水文地质剖面和水化学剖面（见图6）（剖面位置可见图1）。

由图6（b）可知，研究区地形由西北向东南逐渐降低，可将地形划分为波状台地高地势区、沟谷低洼区、台地下游地势稍高区和平原区。地下水流向受地势控制，由西北流向东南。第四系地下水受大气降水补给，也可补给灌口组上部地下水（一般不含石膏）。另外，石膏埋藏深度也有明显变化，可分为石膏深埋区（大于60 m）和浅埋区（小于60 m）。

由图6（a）可知，上覆的第四系含水层主要受淋滤作用，在台地的高地势区形成低矿化度的HCO3-Ca（Ca·Mg）型水，对应A类水（图4）。在研究区中下游沟谷低洼区离子逐渐累积，出现部分HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水，并且矿化度小幅变大，对应B类水。至台地下游地势又稍稍变高，也对应A类水。至东南平原区，第四系厚度变小，蒸发浓缩作用增强，加上人类活动强烈，形成部分SO4-Ca型水，对应C类水。可见，研究区局部地势对地下水化学特征形成产生影响，使浅层地下水在平面上形成差异。

由图6（c）可知，在石膏层深埋区，深层地下水灌口组上部含水层主要受第四系补给，因此地下水类型主要为HCO3-Ca（Ca·Mg）型水。随地形变化，至石膏层浅埋区，钻孔和水井大多达到石膏层，水化学类型发生变化，主要为HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）或SO4-Ca（Ca·Na）型水。地形不直接控制深层地下水的化学形成，但影响着石膏层的埋藏深度，间接导致了水化学特征的差异性。

3.3 地层岩性影响下的水化学垂向差异性

研究区内浅表地层（第四系和灌口组上部）主要由碳酸盐和硅铝酸盐矿物组成，受降水淋滤作用，反应方程如式（1）～（3）所示，因此主要表现为HCO3型水。

CaCO3+H+Ca2++HCO-3（1）

2Na（K）AlSi3O8+2CO2+11H2O

4H4SiO4+2HCO-3+2Na+（K+）+Al2Si2（OH）4（2）

CaMg（CO3）2+2H+Ca2++Mg2++2HCO-3（3）

灌口组下部地层中除碳酸盐、硅酸盐矿物外还存在石膏和钙芒硝等较易溶矿物，主要反应方程如式（4）～（6）所示［23］。石膏在灌口组下部地层中（埋深一般大于60 m）呈星点状、团块状（见图7）或层状分布，地下水在此层径流滞缓，水量较小，形成少量溶蚀孔洞，导致深层地下水水质较差。若地下水流动性强，则溶蚀后留下较多溶孔（见图8），水质将趋于良好，灌口组上部地层中多见此情况。地层中石膏和钙芒硝溶解后产生孔洞会对地层力学性质产生影响，进而影响地下工程的安全。

Na（K）ClNa+（K+）+Cl-（4）

CaSO4Ca2++SO2-4（5）

Na2SO4·CaSO4+H2O→

（Na2SO4+H2O）+CaSO4·2H2O（6）

结合部分典型钻孔数据，对分层的地下水水化学特征进行分析（见表5）。根据研究区中部ZK11钻孔所取水样分析，浅层和深层（钙芒硝层）水化学类型分别为HCO3-Ca和SO4-Na·Ca型水。研究区东部的ZK08钻孔数据显示地层中无石膏分布，浅层和深层地下水均为HCO3-Ca型水。位于研究区南部的ZK29钻孔石膏层埋藏较浅，且厚度较大，浅层受人为影响，水化学类型为HCO3·NO3-Ca·Na型水，深层水位于石膏层中，水化学类型为SO4-Ca型水。以上数据表明岩性对水化学特征的影响较大，深部含膏岩的硫酸盐岩地层的影响尤为显著。

4 地下水化学演化的水文地球化学模拟

4.1 浅层水侧向径流反应路径模拟

浅层地下水更新较快，使用PHREEQC中的反向模拟程序来定量分析矿物溶解量。反应路径选择主要考虑地下水流向、水化学组分的改变、以及路线的代表性。反应路径ZK04-ZK06-S21，起点在区内高地势区的ZK04，中间点为中部的ZK06，终点为东南部的S21，其TDS和离子浓度呈明显上升趋势且水化学类型发生变化，因而选取此路径具有代表性。反应矿物参考研究区地层XRD测试结果，选择方解石、白云石、石膏、长石等组分。

矿物饱和指数计算结果（见表6）显示，起點水样中矿物饱和指数大多小于0，且负值较大，说明矿物处于不饱和状态，有继续溶解的趋势。在反应路径过程中，各矿物的饱和指数均呈上升趋势，方解石、白云石、石膏等矿物依然处于未饱和状态，钾长石、石英等矿物达到饱和。

经选择后输出矿物转移量结果见表7。该模型能较好反映浅层地下水的水岩作用。在流动过程中，ZK04～ZK06主要体现为方解石和钙蒙脱石的溶解，ZK06～S21主要体现为方解石、伊利石和石膏的溶解。总体上体现为方解石等碳酸盐矿物的溶解，其次是硅铝酸盐和石膏的溶解。

4.2 深层水垂向渗流水岩作用模拟

为更好地模拟深层水水岩作用，利用能实现传热-流动-水化学耦合的TOUGHREACT模拟软件对深浅层地下水进行模拟。选取未达到石膏层深度的ZK01作为初始反应水，与石膏地层作用后获得反应后水样，与实际水样ZK25进行对比（见表8），地层矿物含量参考岩样XRD测试结果（见表9）。由于实际地层中地下水流速较慢，模拟采用封闭式反应。为使水岩充分反应，模拟时间设为1 000 a。

根据表8可知，反应后水样的各组分均接近于对比水样，可得知模拟过程较为接近实际。表8结果显示模拟石膏溶解的Ca2+、SO2-4浓度均稍大于实际水样ZK25，说明在实际地层中，深层地下水依然处于流动状态并与浅层地下水之间存在一定的水力联系，导致石膏达不到饱和。

5 结 论

（1） 研究区内浅层地下水主要受溶滤作用控制，水化学类型以重碳酸型水为主，水质良好；浅层地下水A、B类水可作为生活饮用水开发利用，但C类水和硝酸型水标志着局部的人为污染，需要注意地下水保护和水质监测。

（2） 深层地下水上部也以溶滤作用为主，水化学类型主要为重碳酸型，矿化度小于0.5 g/L；深层地下水下部受石膏或芒硝溶解的影响，以SO4型水为主且矿化度大于1 g/L，不宜饮用，因此居民的开采井深度不宜超过50～70 m。

（3） 由水文地球化学模拟结果可知，浅层地下水中的大部分矿物在路径上未达饱和，印证了浅层地下水水质良好；由深层水水岩作用垂向模拟可知，石膏的溶解导致深層地下水水质较差，但由于水流交换作用，石膏仍未达到饱和状态。

综上所述，地下水的水化学特征综合受局地气候、地形地貌、地层岩性特征、人类活动的综合影响。本研究以岷江流域含膏岩地层典型地区——牧马山台地中部地区为研究区，研究了该区地下水水化学在平面和垂向上的差异性分布及其形成机理，可为岷江流域含膏岩区地下水水化学特征分析和地下水的开发利用与保护提供依据。

致 谢

本研究受中国地质调查局成都地质调查中心《成都多要素城市地质调查》（DD20189210）、《成渝地区双城经济圈成绵乐发展带资源环境综合地质调查》（DD20211402）等项目的支持，对此表示衷心的感谢。

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（编辑：高小雲）

Chemical differences of groundwater in strata containing gypsum in Minjiang River basin

WU Mingjie1，2，LI Shengwei3，WANG Donghui3，PING Shifei1，2，WANG Fugang1，2

（1.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment of Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130021，China； 2.Jilin Province Key Laboratory of Water Resources and Water Environment，Changchun 130021，China； 3.Chengdu Center，China Geological Survey，Chengdu 100083，China）

Abstract：

Gypsum is widely developed in the Cretaceous strata of Chengdu Plain in the Minjiang River basin and the Mumashan Platform area.Gypsum dissolution can significantly affect underground water quality，so it is of great significance for the development and utilization of groundwater in this kind of area to clarify the spatial distribution of groundwater chemical characteristics and reveal the reasons for their spatial differences.In this study，Tianfu International Biological City in the central region of Mumashan Platform is taken as an example.Through the combination of field investigation，principal component analysis and cluster analysis of sampling data and numerical simulation of hydrochemical evolution process，this paper systematically studies the current situation and causes of groundwater quality.The results show that there are significant differences in horizontal and vertical distribution of groundwater in this area，and the causes are diverse.To the vertical differences：shallow groundwater is controlled by carbonate dissolution or sedimentation.The groundwater type is mainly HCO3- Ca（Ca · Mg），and the mineralization degree is mostly less than 0.5g/L；The deep groundwater is significantly affected by the spatial distribution of gypsum in the stratum.In the gypsum free distribution area，the groundwater is mainly HCO3-Ca（Ca · Mg） low salinity water（TDS < 0.5 g/L）；for the gypsum distribution area，SO4-Ca（Ca · Na） type high salinity water（TDS can reach more than 2.5g/L） forms.To the horizontal differences：the chemical characteristics of shallow groundwater are affected by terrain，man-made pollution，shallow buried depth of gypsum layer in local areas.The overall water quality is good for shallow groundwater and can be used as drinking water for local residents；Deep groundwater is mainly affected by the change of buried depth of gypsum formation，resulting in big spatial differences in hydrochemical types and mineralization of groundwater.Hydrogeochemical simulation quantitatively analyzes the differences of groundwater characteristics spatial distribution，and the results are basically consistent with the actual situation.The research results can provide a scientific basis for the analysis of groundwater chemical characteristics in the gypsum formation area of the Minjiang River basin and the water use planning of Tianfu New District of Chengdu City.

Key words：

groundwater；hydrochemistry；gypsum；dissolution；Chengdu Plain；Minjiang River basin