黃琬云，李曉，李玥樾，趙亞茜

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊，綿陽 621000)

甘肅南部宕昌-武山縣位于秦嶺西延部分，地質(zhì)背景復(fù)雜，水資源分布不均。隨著經(jīng)濟發(fā)展、能源開發(fā)和人口密度的增長，地下水資源的需求日益增大。已有的研究多集中在水資源現(xiàn)狀與開發(fā)上，且多研究甘肅北部、東部和中部黃土高原地區(qū)，如趙建中[1]等對甘肅省地下水資源短缺現(xiàn)狀以及水資源時空分布情況進行了研究。張家驥[2]等人對黃河流域甘肅段地下水資源進行評價，探討地下水開發(fā)利用情況。李平平[3]對岷縣地下水水質(zhì)進行了評價，發(fā)現(xiàn)80%水源地水質(zhì)不達標，不能直接飲用。與之相比，甘肅南部研究工作較少，尤其水文地質(zhì)工作需要加強。本文利用水化學(xué)圖、Gibbs圖、離子比例分析、飽和指數(shù)等方法，通過對甘肅南部宕昌-武山地下水化學(xué)組分進行分析，揭示了復(fù)雜地質(zhì)背景下地下水化學(xué)特征、演變規(guī)律及其形成原因，增加了甘肅南部地區(qū)水文地質(zhì)方面的基礎(chǔ)研究，也為當(dāng)?shù)睾侠黹_發(fā)與保護管理地下水資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

宕昌-武山縣位于甘肅南部，是甘南市、隴南市、天水市以及定西市4市交匯區(qū)，屬于秦嶺西延部分高山-中山地貌，緊鄰中國南北分界地帶。年降雨量介于150～650 mm，涉及長江、黃河兩大水系，其主要流域包括白龍江、岷江、洮河、渭河。其構(gòu)造格局由光蓋山-迭山斷裂、合作-臨潭-岷縣大斷裂以及漳縣-武山斷裂3條區(qū)域大斷裂控制[4]。在地層上，從中元古代到新生代發(fā)育齊全，在區(qū)內(nèi)均有出露。其中白堊系在歷史演化過程中，形成了一套獨特的沙漠沉積，地形呈現(xiàn)起伏不大相對平坦的古地貌的盆地地形[5]。根據(jù)巖性特征將眾多地層分類為碳酸鹽巖地層、碳酸鹽巖夾砂巖地層、砂巖地層以及巖漿巖地層，形成了松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水。大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補給來源，地下水徑流受地勢起伏以及斷裂構(gòu)造的控制，形成了一套北西-南東向地下水徑流體系，在地形切割、徑流受阻時多以泉、地下暗河的形式排泄至地表。

2 樣品采集與測試

在研究區(qū)布設(shè)采樣點(圖1)，共采取50組水樣，其中30組地下水樣和20組地表水樣。取樣點布設(shè)主要以不同地層的井點、泉點、地下河出口和重要地表水系為主，其水化學(xué)特征具有一定代表性。根據(jù)地下水點所屬地層可劃分為碳酸鹽巖地層地下水、砂巖地層地下水以及碳酸巖夾砂巖地層地下水，其中砂巖地層的水樣點主要位于石炭系巴都組(C1b)、二疊系十里墩組(P1sl)、白堊系磨溝組(K1m)地層等。

水樣中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-OES)進行測定； HCO3-使用酸堿指示劑滴定法進行測定； SO42-、Cl-、NO3-采用離子色譜儀進行測定。所有樣品通過電荷平衡檢驗(≤5%)，各項指標的準確度符合質(zhì)量要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)組成特征

各水樣化學(xué)組分結(jié)果見表1所示，pH為7.05～8.36，整體呈弱堿性。TDS值變化不大，碳酸鹽巖地層、碳酸鹽巖夾砂巖地層和砂巖地層中分別介于237.7～291.8 mg/l、132.9～288.6 mg/l、163.9～593.5 mg/l，總體上為小于1.0 g/l的淡水。以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖地層和碳酸鹽巖夾砂巖地層中，地下水陰陽離子濃度關(guān)系相似，分別以HCO3-、SO42-和Ca2+、Mg2+為主。砂巖地層地下水中陰離子以HCO3-、SO42-為主，但陽離子含量關(guān)系多變，存在以Ca2+、Mg2+；Ca2+、Na+；Na+、Mg2+和Na+、Ca2+為主的多種情況。

碳酸鹽巖地層和碳酸鹽巖夾砂巖地層中各離子的變異系數(shù)相對較小，說明在該地層中各離子含量較為穩(wěn)定，變化不大；而砂巖地層中各離子變異系數(shù)普遍偏大，其中Na+、Cl-的變異系數(shù)達1.67、1.25，離子含量分別為3.08～134 mg/l、1.23～35.80 mg/l。Na+、Cl-含量明顯偏高的水點多位于砂巖地層中的白堊系磨溝組地層，初步判定為該套地層獨特的沙漠沉積以及平坦的古構(gòu)造地貌，地下水徑流緩慢，同時伴隨的陽離子交換吸附作用是Na+、Cl-變化明顯的主要因素。

1.水系；2.取樣點；3.斷裂；4.志留系地層；5.石炭系地層；6.花崗巖；7.新近紀地層；8.三疊系地層；9.泥盆系地層；10.二疊系地層；11.白堊系地層；12.研究區(qū)圖1 采樣點分布示意圖

表1 水化學(xué)分析結(jié)果

3.1.2 水化學(xué)類型特征

Piper三線圖可以直觀反映水體的化學(xué)組分和水化學(xué)類型[6]。如圖2所示，地表水以HCO3- Ca、HCO3- Ca·Mg型水為主。碳酸鹽巖地層和碳酸鹽巖夾砂巖地層巖性單一、徑流條件好，水化學(xué)類型以HCO3-Ca型水為主。砂巖地層中的二疊系十里墩組(P1sl)和石炭系巴都組(C1b)等地層以HCO3-Ca型水為主，但白堊系磨溝組地層地下水，受其特有的中粒度均勻厚層細砂巖的平坦地貌影響，地下水徑流遲緩，水巖反應(yīng)時間長，地下水化學(xué)類型存在由HCO3-Ca型水轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3-Na·Ca型水(S05→S03)的情況。

圖2 宕昌-武山地區(qū)地下水與地表水Piper三線圖

3.2 水化學(xué)類型成因分析

3.2.1 地下水化學(xué)控制作用

結(jié)合Gibbs圖可反映水中主要離子控制因素[7,8]，主要分為大氣降水、蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化3類。當(dāng)TDS質(zhì)量濃度較低，陽離子或陰離子質(zhì)量濃度比值大于0.5時，表明主要受降雨作用的控制；當(dāng)TDS質(zhì)量濃度較高，陽離子或陰離子濃度比值大于0.5時，表明主要受蒸發(fā)作用控制；當(dāng)TDS質(zhì)量濃度中等，陽離子或陰離子濃度比值小于0.5時，表明主要受巖石風(fēng)化溶濾作用控制。

由圖3可見，研究區(qū)不同地層的地下水化學(xué)組成均受巖石風(fēng)化作用控制，而各地層雖都接受大氣降水的補給，但經(jīng)歷了下滲、徑流過程中的溶濾、混合等作用后，大氣降水對地下水化學(xué)成分已沒有明顯影響。從各水樣點分布來看，砂巖地層中水點分布相對零散，主要是由于局部砂巖地層中地下水徑流相對緩慢，導(dǎo)致Na+含量偏高，盡管如此，零散水點仍位于巖石風(fēng)化作用控制區(qū)。

3.2.2 主要離子比例關(guān)系

碳酸鹽巖地層、碳酸鹽巖夾砂巖地層以及砂巖地層3類含水巖組地層中的離子關(guān)系如圖4所示，不同離子的比例在一定程度上說明了不同地下水化學(xué)的成因過程[9, 10]。水體中Cl-與Na+的關(guān)系見圖4(a)，多數(shù)水點分布在1∶1巖鹽溶解線之下，Na+濃度高于Cl-濃度，表明研究區(qū)除鹽巖溶解外，可能還存在硅酸鹽類礦物(長石)的溶解或陽離子交換作用。若發(fā)生硅酸鹽類礦物的溶解，則會出現(xiàn)HCO3-+SO42-含量同時增加，而Ca2++Mg2+含量不變的情況。其中出露于白堊系磨溝組(K1m)砂巖地層中S03、S16水樣點，Na+、Cl-含量明顯偏高，結(jié)合圖4(d)中HCO3-+SO42-與Ca2++Mg2+比例關(guān)系可見，兩水點明顯向上偏離1∶1線，表明白堊系磨溝組砂巖地層中硅酸鹽礦物溶解是Na+、Cl-另一重要來源。而其他地層水點Na+高于Cl-濃度則主要由于陽離子交換作用，受硅酸鹽礦物風(fēng)化溶解影響小。圖4(b)所示，多數(shù)水點位于HCO3-/(Ca2++Mg2+)的1∶1線附近，說明研究區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+主要來源于白云石、方解石溶解。結(jié)合HCO3-與Ca2+比例關(guān)系圖4(c)，Ca2+、HCO3-主要來源于方解石溶解，局部砂巖地層主要來源于白云石溶解。

圖3 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖

利用地下水氯堿指數(shù)(CAI)可明確地下水化學(xué)演化過程中離子交換強度[11]。若地下水中Ca2+或Mg2+與含水層礦物中的Na+進行交換，則其為負值；若地下水中Na+與含水層礦物中的Ca2+或Mg2+發(fā)生離子交換，則其為正值[12,13]。

ClA-Ⅰ=[Cl-(Na+K)/Cl]

ClA-Ⅱ=[Cl-(Na+K)/(SO4+HCO3+NO3)]

圖4(e)所示，所有水點的CAI-1、CAI-2均為負值，表明研究區(qū)地下水中發(fā)生Ca2+或Mg2+交換含水介質(zhì)的Na+。其中砂巖地層中CAI-1、CAI-2值低于其他地層水點，表現(xiàn)出較強的離子交換程度。此外，[(Na++K+)- Cl-]與[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+ SO42-)]關(guān)系也可表征陽離子交換作用。[(Na++K+)- Cl-]表示除巖鹽、鉀鹽溶解外引起的Na++K+的增加或減少，[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+ SO42-)]表示除方解石、白云石和石膏溶解外所導(dǎo)致的Ca2++Mg2+的增加或減少[14]。若兩者線性關(guān)系的斜率為-1，則發(fā)生陽離子交換作用。由圖4(f)可知，幾乎所有地下水樣點分布在斜率-1 線附近，并沿右側(cè)分布，可見地下水中Na+多而Ca2++Mg2+少，表明正向陽離子交換作用在研究區(qū)廣泛發(fā)生，與氯堿指數(shù)得出的結(jié)論一致。

另外，根據(jù)離子關(guān)系圖可見S44地下水點明顯異于其他水點，該點位于區(qū)內(nèi)合作-岷縣大斷裂上，該斷裂呈北西-南東向貫穿整個研究區(qū)，規(guī)模大、切割深，構(gòu)成了明顯的壓力驟降區(qū)，是地下水流動的主要通道。斷層兩側(cè)泥盆系-三疊系中的地下水均向斷層通道發(fā)生補給，加之北西方向的地下水一直順斷層徑流，不同來源地下水在斷層通道內(nèi)混合，形成水化學(xué)異常帶。

3.2.3 礦物飽和指數(shù)

利用Phreeqc軟件計算研究區(qū)地下水中主要礦物的飽和指數(shù)(SI)，判斷巖鹽、石膏、方解石、白云石等礦物的溶解狀態(tài)[15]。

如圖5所示，宕昌-武山地區(qū)所有水樣點中巖鹽和石膏均處于溶解狀態(tài)，說明巖鹽和石膏溶解是研究區(qū)內(nèi)地下水礦化過程中Na+、Cl-、Ca2+、SO42-的重要物質(zhì)來源。

白云石和方解石礦物飽和指數(shù)結(jié)果顯示，不同地層中的溶解平衡狀態(tài)存在差異，碳酸鹽巖類地層中除S41泉點，其余水點中白云石和方解石均處于飽和狀態(tài)，表明這兩種礦物控制著碳酸鹽巖地層中地下水的化學(xué)成分。而流量為85 l/s的S41泉點，強水循環(huán)交替影響是其白云石仍處于溶解狀態(tài)的主要原因。砂巖地層中，地下水補給、徑流、排泄關(guān)系明顯影響方解石和白云石的飽和狀態(tài)，當(dāng)水樣點位于補給區(qū)，徑流時間較短時，地下水點中方解石和白云石多處于非飽和狀態(tài)，如位于海拔較高位置的S35、S33、S09水點，其方解石和白云石均處于溶解狀態(tài)。

圖4 宕昌-武山地區(qū)地下水離子比值關(guān)系圖

但白堊系磨溝組(K1m)砂巖地層受其地層背景的影響，地下水徑流緩慢，循環(huán)交替條件差，方解石和白云石均達到飽和狀態(tài)。同時，區(qū)域斷裂帶上的S44泉水中方解石和白云石處于飽和狀態(tài)，與地下水補給至斷層以及在斷層通道內(nèi)長距離徑流密切相關(guān)。

4 結(jié)論

(1) 甘肅南部宕昌-武山地區(qū)水體整體呈弱堿性、礦化度低；不同地層背景下的地下水化學(xué)組分含量存在差異。碳酸鹽巖地層及碳酸鹽巖夾砂巖地層中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO3-、SO42-為主，主要形成HCO3-Ca型水；砂巖地層中陰離子以HCO3-、SO42-為主，但陽離子含量關(guān)系多變，存在以Ca2+、Mg2+；Ca2+、Na+；Na+、Mg2+和Na+、Ca2+為主的多種情況，形成了HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg以及HCO3-Na·Ca型水。

圖5 宕昌-武山地區(qū)地下水礦物飽和指數(shù)圖

(2) 研究區(qū)碳酸鹽巖地層和碳酸鹽巖夾砂巖地層中，巖性較為單一，各離子變異系數(shù)相對較小，離子含量較為穩(wěn)定；而砂巖地層中各離子變異系數(shù)普遍偏大，以Na+、Cl-最為突出，變化突出水點多位于白堊系磨溝組砂巖地層，主要是受該地層獨特的沙漠沉積以及平坦的古構(gòu)造地貌影響，地下水徑流緩慢所導(dǎo)致。

(3) 各地層地下水中離子均受巖石風(fēng)化作用控制，在地下水徑流過程中，主要發(fā)生了巖鹽、石膏的溶解，方解石的沉淀，白云石和長石的溶解或沉淀，以及陽離子交換作用。其中砂巖地層中離子含量受硅酸巖鹽溶解影響明顯，離子交換作用強于碳酸鹽巖類地層。

(4) 位于構(gòu)造影響帶下的地下水接受了斷層通道沿途不同地層地下水的側(cè)向補給，同時長距離徑流過程中，不斷與圍巖發(fā)生反應(yīng)，使得地下水化學(xué)組分異于常值，如研究區(qū)出露于內(nèi)合作-岷縣大斷裂上的S44泉點，各離子含量普遍偏高。