宮萍萍

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

郭莊泉域位處晉中南地區(qū)，是由汾河斷陷盆地及西鄰呂梁山、東鄰霍山組成的匯水盆地。在該泉域中廣泛分布寒武系、奧陶系巖溶裂隙含水層，整體形態(tài)是一個(gè)沿SSW～NNE 方向延伸的條帶，泉域面積約5 600 km2。

郭莊泉域南鄰龍子祠泉域，北鄰柳林泉域，東鄰廣勝寺泉域，是山西省僅次于娘子關(guān)泉的第2 大泉。泉域邊界及范圍構(gòu)成一個(gè)完整的由西北向東南傾斜的儲(chǔ)水盆地構(gòu)造。

郭莊泉域具有補(bǔ)給面積大、補(bǔ)給條件好、徑流途徑長(zhǎng)和富水性強(qiáng)等特征，并具有獨(dú)立的補(bǔ)給、徑流、排泄的地下水循環(huán)系統(tǒng)。但隨著泉域內(nèi)巖溶水的大量開(kāi)采利用、煤礦開(kāi)采等多種因素的影響，泉水流量不斷減少，絕大部分泉眼干涸，嚴(yán)重影響郭莊泉的可持續(xù)利用。

地下水水化學(xué)研究是地下水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，對(duì)巖溶地下水系統(tǒng)水資源利用和管理，及與其有關(guān)的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與建設(shè)都具有重要的意義。

本文分析了2018 年郭莊泉域地下水中的主要離子含量和水化學(xué)特征，總結(jié)了不同類(lèi)型水的分布規(guī)律。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

根據(jù)巖性組合、含水介質(zhì)、孔隙類(lèi)型、含水特征及富水性，將調(diào)查區(qū)含水層劃分為松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組、碎屑巖類(lèi)及碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙水含水巖組和變質(zhì)巖類(lèi)裂隙水含水巖組。

1.1 松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組

松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組主要分布在河谷區(qū)，其次是低山丘陵區(qū)，另外在中高山及中山區(qū)亦有零星分布。

（1） 第4 系松散巖類(lèi)孔隙含水巖組。

第4 系松散巖類(lèi)孔隙含水巖組主要分布在汾河河谷及其較為寬展、開(kāi)闊的支流河谷的中下游地段。其次是低山丘陵區(qū)的黃土塬、梁地區(qū)。含水層厚度一般約為1～10 m，孔隙發(fā)育，有利于接受大氣降水入滲及地表水的滲漏補(bǔ)給，賦存有較豐富的孔隙潛水。

（2） 新近系松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組。

新近系松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組主要分布在低山丘陵黃土塬、梁的底部，深切溝谷局部出露。含水層以新近系上新統(tǒng)底部半膠結(jié)的砂礫石層為主，厚度約為2～5 m。礫徑大小不一，泥、砂、礫三者混雜，分選性及磨圓度較差，結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙發(fā)育，賦存孔隙潛水。含水層的分布相對(duì)穩(wěn)定，地下水的賦存條件較好，賦存相對(duì)豐富的孔隙潛水。

1.2 碎屑巖類(lèi)及碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)裂隙含水巖組

（1） 二疊系碎屑巖類(lèi)裂隙水含水巖組。

二疊系碎屑巖類(lèi)裂隙水含水巖組廣泛分布在低山丘陵區(qū)，由上石盒子組、下石盒子組和山西組一套砂巖與泥質(zhì)巖相互疊置的碎屑巖類(lèi)所組成。含水層以二疊系中粒砂巖、粗粒砂巖為主，該含水巖組地表及淺部裂隙發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重。

（2） 太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水含水巖組。

太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水含水巖組多隱伏于煤系陸相地層之下，霍州市幅西部區(qū)域大面積出露。含水層以石炭系上統(tǒng)太原組三層碎屑石灰?guī)r（K2、K3、K4），其中以C3t底部K2厚層石灰?guī)r含水層為主，賦存裂隙巖溶潛水—承壓水。由于所處地貌條件、構(gòu)造條件、埋藏深度及地下水補(bǔ)給條件等的不同，其所含水層的富水程度極不均一。

1.3 碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙水含水巖組

（1） 奧陶系巖溶裂隙水含水巖組。

為研究區(qū)內(nèi)的主要含水巖組，含水層的富水程度與所處泉域的位置、構(gòu)造部位、埋藏條件及巖溶裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)。含水層以上馬家溝組二段、三段；下馬家溝組二段、三段；峰峰組二段的灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r為主。

（2） 寒武系巖溶裂隙含水巖組。

上寒武統(tǒng)巖溶裂隙含水層巖性以中厚層狀白云巖為主，泥質(zhì)成分略高，巖溶裂隙發(fā)育程度也有所減弱，一般可視為弱含水層，在構(gòu)造發(fā)育部位，可達(dá)中等富水。中寒武張夏組巖溶裂隙含水層巖性以鮞狀灰?guī)r，白云質(zhì)鮞狀灰?guī)r為主，巖溶裂隙發(fā)育程度及富水性不均一，在條件有利部位賦存有較豐富的巖溶水。

1.4 變質(zhì)巖類(lèi)裂隙水含水巖組

變質(zhì)巖類(lèi)裂隙水含水巖組分布于東部霍山及西北部呂梁山一帶。含水層巖性為太古界、元古界變質(zhì)巖及多期侵入巖。在構(gòu)造作用及風(fēng)化剝蝕作用下，構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙較發(fā)育，賦存裂隙潛水。因位處高中山區(qū)，地勢(shì)陡峻，地下水補(bǔ)、蓄條件較差，所以含水層富水性較弱。

2 采樣及測(cè)試方法

2.1 采樣及測(cè)試

為了研究當(dāng)前第4 系松散巖類(lèi)孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水及奧陶系灰?guī)r巖溶水的水化學(xué)特征，在研究區(qū)內(nèi)共布置了56 個(gè)地下水取樣點(diǎn)，其中第四系松散巖類(lèi)孔隙水取樣點(diǎn)12 個(gè)，二疊系砂巖裂隙水取樣點(diǎn)10 個(gè)，石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水取樣點(diǎn)11 個(gè)，奧陶系灰?guī)r巖溶水取樣點(diǎn)23 個(gè)。共計(jì)取樣56 組，取樣時(shí)間為2016 年8 月。

樣品取樣后及時(shí)送交室內(nèi)，進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試項(xiàng)目包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、pH 值、總?cè)芙夤腆w（TDS）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用了統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS17.0 對(duì)地下水中的主要離子含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)和相關(guān)性分析，同時(shí)繪制了奧陶系灰?guī)r巖溶水TDS 與主要離子的相關(guān)分析折線圖。

第四系松散巖類(lèi)孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水及奧陶系灰?guī)r巖溶水的水化學(xué)三線圖如圖1 所示。

圖1 郭莊泉域地下水水化學(xué)三線圖Fig. 1 Three line diagram of groundwater hydrochemistry in Guozhuang spring field

由圖1 可以看出，主要陰陽(yáng)離子分布區(qū)域相互重合，且相對(duì)集中，部分水化學(xué)類(lèi)型相同，說(shuō)明上述含水層之間在部分地段存在水力聯(lián)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

3.1.1 第四系松散巖類(lèi)孔隙水

對(duì)研究區(qū)內(nèi)12 個(gè)取樣點(diǎn)第四系松散巖類(lèi)孔隙水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到地下水主要離子特征，見(jiàn)表1。

表1 郭莊泉域第四系松散巖類(lèi)孔隙水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值（n=12）Table 1 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Quaternary loose rocks pore water in Guozhuang spring field （n=12）

由表1 可以看出：

（1） 在陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對(duì)較高，平均值約為359.44 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為849.89 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差約為188.22，兩值均較大，變異系數(shù)較小，反映了其在孔隙水中的絕對(duì)含量較高，為地下水中的主要陰離子，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值在6.85～8.12 之間，平均值為弱堿性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。

（5） K++Na+、SO42-、HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，表明它們?cè)诳紫端械暮肯鄬?duì)較為穩(wěn)定。

3.1.2 二疊系砂巖裂隙水

對(duì)研究區(qū)內(nèi)10 個(gè)取樣點(diǎn)二疊系砂巖裂隙水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到地下水主要離子特征，見(jiàn)表2。

表2 郭莊泉域二疊系砂巖裂隙水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值（n=10）Table 2 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Permian sandstone fracture water in Guozhuang spring field （n=10）

由表2 可以看出如下內(nèi)容。

（1） 在陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對(duì)較高，平均值約為328.46 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為95.28 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為727.96 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差約為283.19，兩值均較大，為地下水中的主要陰離子，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.06～8.22 之間，為弱堿性。

（4） K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。

（5） HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，表明其在裂隙水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.1.3 石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水

對(duì)研究區(qū)內(nèi)11 個(gè)取樣點(diǎn)石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到地下水主要離子特征，見(jiàn)表3。

表3 郭莊泉域石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值（n=11）Table 3 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Carboniferous Taiyuan Formation limestone fracture karst water in Guozhuang spring field （n=11）

由表3 可以看出如下內(nèi)容。

（1） 在陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對(duì)較高，平均值約為308.38 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為59.83 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為581.67 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差約為82.66，兩值均較大，為地下水中的主要陰離子，Cl-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.21～8.1 之間，為弱堿性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。

（5） K++Na+、HCO3-、SO42變異系數(shù)相對(duì)較小，表明它們?cè)诹严端械暮肯鄬?duì)較為穩(wěn)定。

3.1.4 奧陶系灰?guī)r巖溶水

對(duì)研究區(qū)內(nèi)23 個(gè)取樣點(diǎn)奧陶系灰?guī)r巖溶水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到地下水主要離子特征，見(jiàn)表4。

表4 郭莊泉域奧陶系灰?guī)r巖溶水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值（n=23）Table 4 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Carboniferous Taiyuan Formation limestone fracture karst water in Guozhuang spring field （n=23）

由表4 可以看出如下內(nèi)容。

（1） 在陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對(duì)較高，平均值約為247.01 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為112.36 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高， 平均值約為637.73 mg/L， 標(biāo)準(zhǔn)差為262.61 mg/L，反映了其在巖溶水中的絕對(duì)含量較高，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.32～8.21，為弱堿性。

（4） K++Na+、Mg2+、SO42-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。

（5） Ca2+、Cl-、HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，表明它們?cè)趲r溶水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.2 相關(guān)分析

相關(guān)分析可揭示地下水水化學(xué)參數(shù)的相似、相異性，以及地下水來(lái)源的一致性和差異性。

通過(guò)奧陶系灰?guī)r巖溶水TDS 與主要離子成分的相關(guān)分析表明，主要與K++Na+及SO42-離子的相關(guān)性好，相關(guān)性指數(shù)R2分別為0.593 4、0.574 2。

與其他離子含量的相關(guān)性較小，說(shuō)明奧陶系灰?guī)r巖溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影響較大，受其他離子含量的影響較小。

郭莊泉域巖溶水TDS 與主要離子成分相關(guān)分析如圖2 所示。

圖2 郭莊泉域巖溶水TDS 與主要離子成分相關(guān)分析Fig. 2 Correlation analysis between TDS and main ion composition of karst water in Guozhuang spring field

與第四系松散巖類(lèi)孔隙水相比得到如下內(nèi)容。

（1） 奧陶系灰?guī)r巖溶水的TDS 值略低于第四系水的TDS 值。

（2） 陽(yáng)離子K++Na+濃度高于第四系水。

（3） Ca2+、Mg2+濃度略低于第四系水。

（4） 陰離子Cl-、HCO3-濃度低于第四系水。

（5） SO42-濃度明顯高于第四系水。

與二疊系砂巖裂隙水相比得到如下內(nèi)容。

（1） TDS 值低于裂隙水。

（2） 陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+濃度均低于裂隙水。

（3） 陰離子Cl-、SO42-濃度略高于裂隙水。

（4） HCO3-濃度低于裂隙水。

與石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水相比得到如下內(nèi)容。

（1） TDS 值略高于太灰水。

（2） 陽(yáng)離子K++Na+、Ca2+、Mg2+濃度均略高于太灰水。

（3） 陰離子HCO3-氯離子濃度低于太灰水。

（4） Cl-、SO42-濃度明顯高于太灰水。

3.3 奧陶系灰?guī)r巖溶水水化學(xué)類(lèi)型及分布規(guī)律

郭莊泉域奧陶系灰?guī)r巖溶水水化學(xué)特征及分布如圖3 所示。

圖3 2017 年郭莊泉域奧陶系灰?guī)r巖溶水水化學(xué)圖Fig. 3 Hydrochemical map of Ordovician karst water in Guozhuang spring field in 2017

由圖3 可以看出如下內(nèi)容。

（1） 調(diào)查區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水水化學(xué)類(lèi)型大致分為6 種，其中，SO4—Na+K·Ca 型不僅水樣點(diǎn)最多，占總奧灰水樣點(diǎn)的45.5%，且分布也最廣，主要分布調(diào)查區(qū)東部大部分區(qū)域，包含南關(guān)、霍州市、師莊鄉(xiāng)、和平鎮(zhèn)、麻姑頭東一帶，TDS 值約為1 200～1 500 mg/L，處于泉域的徑流—排泄區(qū)。

（2） SO4·HCO3—Na+K 型奧灰水主要分布在調(diào)查區(qū)西部康城、康和、桑原、汾西、佃坪、盈村一帶，TDS 值約為600～1 300 mg/L，處于泉域的補(bǔ)給區(qū)。

（3） SO4·HCO3—Ca·Mg 型水主要分布在調(diào)查區(qū)南部劉家垣、趙城一帶，TDS 值<900 mg/L。

（4） SO4·HCO3—Na+K·Ca 型水主要分布在調(diào)查區(qū)西北部泉域邊界附近，TDS 值約為900～1 200 mg/L。

（5） HCO3- Ca·Mg 型水主要分布在泉域東南角辛置一帶，TDS 值<900 mg/L。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） 第四系松散巖類(lèi)孔隙水K++Na+和SO42-含量相對(duì)較高。K++Na+、SO42-、HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，在孔隙水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定；Ca2+、Mg2+離子變異系數(shù)相對(duì)較大。

（2） 二疊系砂巖裂隙水K++Na+和SO42-含量相對(duì)較高。HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，在裂隙水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定；Ca2+、Mg2+離子變異系數(shù)相對(duì)較大。

（3） 石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶水K++Na+和SO42-含量相對(duì)較高。K++Na+、HCO3-、SO42-變異系數(shù)相對(duì)較小，在裂隙水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定；Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數(shù)均較大，是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。

（4） 奧陶系灰?guī)r巖溶水K++Na+和SO42-含量相對(duì)較高。Ca2+、Cl-、HCO3-變異系數(shù)相對(duì)較小，在巖溶水中的含量相對(duì)較為穩(wěn)定；K++Na+、Mg2+、SO42-的變異系數(shù)均較大。

（5） 通過(guò)相關(guān)性的分析可以看出，TDS 與K++Na+及SO42-的相關(guān)性好，與其他離子的相關(guān)性較?。粖W陶系灰?guī)r巖溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影響較大，而受其他離子含量的影響較小。

（6） 現(xiàn)階段調(diào)查區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水主要以SO4—Na+K·Ca 型水為主，分布也最廣。