黨慧慧, 江越瀟*, 李 偉, 范 威, 劉 茜, 江 南, 王 辛, 易春瑤

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

巖溶水是維持生態(tài)平衡的重要資源,也是重要的地質(zhì)營力,其水化學特征可以反映區(qū)域地表及地下的水文過程[1-5]。巖溶含水層富水性受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素的制約,并綜合影響了巖溶發(fā)育程度,故研究巖溶水水化學特征和形成機制至關重要。湖北省碳酸鹽巖巖溶水主要分布于鄂西南、鄂西、鄂東南和大洪山地區(qū)的碳酸鹽巖裂隙、溶隙、孔洞和管道中,總分布面積達到44 986 km2,占湖北省國土面積的24%。目前關于鄂西和鄂西南巖溶水分布特征、水文系統(tǒng)劃分、水文地球化學特征、開采利用潛力評價等方面的研究較多[6-12],但對于黃陵背斜北部地區(qū)巖溶水的研究較少[13]。本文以湖北省九路寨生態(tài)旅游區(qū)為例,應用水化學及同位素方法,研究巖溶水水化學特征及形成機制,可以為九路寨生態(tài)旅游區(qū)水資源管理和保護提供依據(jù),也為湖北省地下水資源研究提供素材。

1 研究區(qū)概況

?？悼h位于湖北省西北部,地理坐標:東經(jīng)110°45′～111°31′,北緯31°21′～32°06′。九路寨生態(tài)旅游區(qū)位于?？悼h西南部,總面積為58.31 km2(圖1)。該區(qū)具有典型的巖溶地貌特征,地形地貌奇特,平均海拔約1 200 m,最高海拔1 426 m,被戰(zhàn)口河、唐坪河、南門河、霸王河、鑼鼓寨河等河流所環(huán)繞。該區(qū)屬北亞熱帶大陸性季風氣候,四季分明,年平均氣溫為14.6℃,年平均日照數(shù)為1 801 h,年平均相對濕度達75%。區(qū)內(nèi)降水量隨不同年份和季節(jié)變化較大,多年平均降水量為916.72 mm(1957—2015年),降水主要集中在5—9月,7月為降水峰期。目前圍繞黃龍洞溶洞暗河和霸王河沿線,旅游區(qū)開發(fā)了多處以巖溶地貌和水為主題的景觀,具有重要的生態(tài)旅游價值。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)位于黃陵背斜北部和神農(nóng)架斷穹東部,以崆嶺群變質(zhì)巖為基底,由南至北依次出露震旦系—志留系地層,其中寒武系—奧陶系地層分布廣泛,而震旦系和志留系地層僅分布于研究區(qū)南部和北部(圖2)。區(qū)內(nèi)地下水豐富,按埋藏條件劃分,以潛水為主,承壓水則分布于震旦系燈影組、陡山沱組含水巖組中;按含水介質(zhì)組合及其分布規(guī)律劃分,主要為碳酸鹽巖巖溶水。各巖溶系統(tǒng)的水量分布不均勻,對大氣降水的響應較靈敏,通常補給區(qū)地勢較高,排泄區(qū)常年有泉水溢流。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.2 Hydrogeological map of the study area

區(qū)內(nèi)兩套具有隔水性的地層(寒武系覃家廟組下段、寒武系石牌組和牛蹄塘組),將研究區(qū)巖溶水概化為3層:奧陶系—寒武系含水層、寒武系含水層和震旦系含水層(圖3)。其中,奧陶系—寒武系含水層的巖性主要為灰?guī)r,層間夾少量頁巖和白云巖;寒武系含水層的巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和白云質(zhì)泥巖;震旦系含水層的巖性主要為灰?guī)r,層間夾少量頁巖。從上至下,奧陶系—寒武系含水層與寒武系含水層的巖溶水總體上相對獨立,在局部具有一定的水力聯(lián)系;寒武系含水層與震旦系含水層的巖溶水聯(lián)系也較弱,在具有導水性的斷裂處具有一定的水力聯(lián)系。

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 The hydrogeological section of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2 分析方法

(1) 多元統(tǒng)計方法。通過分析水樣各主要離子的最大值、最小值、平均值、標準差和變異系數(shù)等統(tǒng)計學參數(shù),分析它們之間的來源和空間變化特征。

(2) 水文地球化學方法。利用Piper三線圖、Gibbs圖、主要離子比值等,分析水樣的水化學類型、水化學組分,探討其離子來源和形成過程。

(3) 同位素方法。H、O同位素是地下水補給來源的有效示蹤劑[15-17],Sr同位素組成是用來研究水巖作用和混合作用的重要手段。

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學成分特征

研究區(qū)不同含水系統(tǒng)水樣的水化學特征值如表1所示。河水樣的pH值為8.31～8.67,平均值為8.47;TDS含量為238.14～294.92 mg/L,平均值為265.64 mg/L。泉水樣的pH值為7.60～8.56,平均值為8.12,整體呈弱堿性;TDS含量為160.3～388.24 mg/L,平均值為234.64 mg/L,均為淡水,水質(zhì)較好。pH值呈現(xiàn)的規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水,TDS含量呈現(xiàn)的規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水。

表1 各水樣水化學特征值統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of hydrochemical eigenvalue of the water samples

3.2 水化學類型

圖4 各水樣Piper三線圖Fig.4 Piper trilinear diagram of the water samples

3.3 水化學成因分析

3.3.1 Gibbs圖解

Gibbs圖可以直觀地反映天然水的水化學組分控制機制是大氣降水、巖石風化抑或是蒸發(fā)/濃縮作用,是定性判斷水化學影響機制的一個重要手段[20-22]。將研究區(qū)所有水樣投到Gibbs圖中,可見這些樣點均落在巖石風化區(qū)(圖5),表明區(qū)內(nèi)巖溶水的水化學組分主要受巖石風化影響,究其原因,大氣降水補給到地下之后形成地下水,在出露之前徑流于含水層中,發(fā)生了強烈的巖石溶濾作用。

圖5 各水樣Gibbs圖Fig.5 Gibbs plots of the water samples

3.3.2 主要離子比值

各主要離子的比值是確定水體中離子來源的重要指標[23-24],可進一步分析地下水各組分的主要形成過程和來源礦物。這些離子的濃度單位通常選用毫克當量濃度(meq/L),是為了利用各離子間的電荷平衡關系。

地下水中Cl-含量比較穩(wěn)定,不會與其他離子或礦物發(fā)生化學或者物理反應,因而Cl-是表征地下水主要離子來源的一個重要參數(shù)。在Cl--Na+關系圖(圖6-a)中,河水樣幾乎全部分布在1∶1比例線下方,即Na+/Cl-比值>1,表明河水既受人類活動的影響,也受地下水的側(cè)滲補給;奧陶系—寒武系泉水樣和寒武系泉水樣分布在1∶1比例線附近,即Na+/Cl-比值接近于1,表明巖鹽的溶解是淺層巖溶水中Na+和Cl-的主要來源;震旦系泉水樣埋深較大,全部分布在1∶1比例線下方，即Na+/CI-比值>1,表明Na+的來源還受其他巖石溶濾作用的影響,比如可能還來源于鈉長石等硅酸鹽礦物的溶解。

圖6 各水樣中主要離子關系圖Fig.6 Correlation diagram of main ions in water samples

Mg2+/Ca2+比值可用來判斷方解石和白云石的溶解情況。在Mg2+-Ca2+關系圖(圖6-b)中,絕大部分樣點分布在1∶1比例線下方(Ca2+/Mg2+比值>1),部分樣點落在1∶2比例線下方(Ca2+/Mg2+比值>2),說明巖溶水和河水中Mg2+、Ca2+來源較為多樣,除了來源于碳酸鹽巖中方解石和白云石的溶解,還有一部分可能來源于硅酸鹽礦物的溶解。

綜上所述,研究區(qū)巖溶水主要受控于巖石風化作用,在形成過程中與含水層巖石發(fā)生了強烈的巖石溶濾作用,水化學組分可能主要來源于碳酸鹽巖中白云石、方解石等碳酸鹽礦物和石膏等膏鹽礦物的溶解,其中震旦系含水層埋深較大,其巖溶水中部分水化學組分可能還來源于鈉長石等硅酸鹽礦物的溶解。

3.3.3 H-O同位素

研究區(qū)泉水樣的H-O同位素含量如表2所示,奧陶系—寒武系泉水樣δ18O為-9.07‰～-8.90‰,δ2H為-57.04‰～-55.52‰;寒武系泉水樣δ18O為-9.63‰～-7.90‰,δ2H為-62.63‰～-52.54‰;震旦系泉水樣δ18O為-9.48‰～-8.87‰,δ2H為-59.70‰～-56.24‰?？傮w上,各含水層泉水樣的H-O同位素組成相似。在水樣δ2H-δ18O關系圖(圖7)中,各樣點總體呈線性分布,可擬合為δ2H=4.84δ18O-13.41(R2=0.69)的大氣降水線方程。與全球大氣降水線(GMWL,δ2H=8δ18O+10)[22]和宜昌大氣降水線(LMWL,δ2H=8.4δ18O+15)[25]相比,研究區(qū)大氣降水線斜率(4.84)較小,說明研究區(qū)動力學同位素分餾現(xiàn)象明顯,即大氣降水在蒸發(fā)、凝結(jié)過程中H-O同位素存在不平衡分餾。各樣點大多落于LMWL左側(cè),發(fā)生了18O的負向飄移,因為各含水層巖石中含氫礦物很少,且δ2H較低,因此同位素交換反應對巖溶水δ2H幾乎不產(chǎn)生影響,而地殼中有一系列地球化學作用可釋放出CO2,當這些CO2進入巖溶水后,發(fā)生18O交換時,會導致水中δ18O降低。各含水層巖溶水的樣點總體呈線性分布,表明補給來源單一且受低溫水巖作用影響。奧陶系—寒武系含水層和寒武系含水層水力聯(lián)系緊密,埋深較淺,補給來源主要為大氣降水,而震旦系含水層埋深較深,補給來源包括附近地下水的側(cè)向補給和上層地下水的越流補給。

表2 泉水樣H-O同位素含量統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of H-O isotope content of spring water samples

圖7 泉水樣δ2H-δ18O關系圖Fig.7 δ2H-δ18O plot of spring water samples

3.3.4 Sr同位素

Sr是一種微量元素,在地殼中的含量很低但分布廣泛[26],主要分布在灰?guī)r中,其次為玄武巖、花崗巖、花崗閃長巖及頁巖,在砂巖與超基性巖中含量最低。研究人員通常采用87Sr/86Sr比值進行物質(zhì)來源和成因的分析[27-28],這是由于自然界中礦物的溶解和沉淀不會使87Sr/86Sr比值產(chǎn)生分餾,使得87Sr/86Sr比值可作為高效的判別標尺[29-30]。研究區(qū)各含水層泉水樣的Sr含量相近,但87Sr/86Sr比值存在一定差距(表3),奧陶系—寒武系泉水樣為0.712 973～0.716 845,寒武系泉水樣為0.708 772～0.715 938,震旦系泉水樣為0.725 468～0.725 915,前兩個含水層的泉水樣具有相似的Sr同位素組成,而震旦系泉水樣具有明顯較高的87Sr/86Sr比值(圖8)。

表3 泉水樣Sr同位素含量統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of Sr isotope content of spring water samples

圖8 泉水樣87Sr/86Sr-1/Sr關系圖Fig.8 87Sr/86Sr-1/Sr plot of spring water samples

為反映地下水系統(tǒng)的水巖作用,Pu et al.[31]研究提出87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關系圖,認為灰?guī)r端元具有低87Sr/86Sr比值和低Mg2+/Ca2+比值特征,白云巖端元具有低87Sr/86Sr比值和高Mg2+/Ca2+比值特征,硅酸鹽巖端元具有高87Sr/86Sr比值和中等Mg2+/Ca2+比值特征。在研究區(qū)泉水樣87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關系圖(圖9)中,震旦系泉水樣因具有高87Sr/86Sr比值,落在硅酸鹽巖端元上方,說明其Sr同位素組成主要受硅酸鹽巖的影響;奧陶系—寒武系和寒武系泉水樣主要落在灰?guī)r端元和硅酸鹽巖端元之間區(qū)域,說明其Sr同位素組成受灰?guī)r和硅酸鹽巖的共同影響?？赏ㄟ^下列方程[29,31]來估算地下水中硅酸鹽巖、灰?guī)r和白云巖對Sr同位素組成的貢獻率:

圖9 泉水樣87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+關系圖Fig.9 87Sr/86Sr-Mg2+/Ca2+ plot of spring water samples

(87Sr/86Sr)水樣=(87Sr/86Sr)硅酸鹽巖×f硅酸鹽巖+(87Sr/86Sr)灰?guī)r×f灰?guī)r+(87Sr/86Sr)白云巖×f白云巖

(1)

(Mg2+/Ca2+)水樣=(Mg2+/Ca2+)硅酸鹽巖×f硅酸鹽巖+(Mg2+/Ca2+)灰?guī)r×f灰?guī)r+(Mg2+/Ca2+)白云巖×f白云巖

(2)

f硅酸鹽巖+f灰?guī)r+f白云巖=1

(3)

估算結(jié)果(表3)同樣顯示,震旦系泉水Sr同位素組成主要受硅酸鹽巖影響,而奧陶系—寒武系和寒武系泉水Sr同位素組成主要受灰?guī)r影響,其次為白云巖和硅酸鹽巖。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)巖溶水含水層可概化為奧陶系—寒武系含水層、寒武系含水層和震旦系含水層等3層。巖溶水和河水總體呈弱堿性,pH值呈現(xiàn)規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水;均為淡水,TDS含量呈現(xiàn)規(guī)律為:河水>震旦系泉水>寒武系泉水>奧陶系—寒武系泉水;水化學類型均為HCO3-Ca·Mg型,巖溶水與河水之間有較頻繁的水力聯(lián)系。

(2) 研究區(qū)巖溶水主要受控于巖石風化作用,在形成過程中與含水層巖石發(fā)生了強烈的巖石溶濾作用,水化學組分可能主要來源于碳酸鹽巖的溶解,其中震旦系巖溶水中部分水化學組分可能還來源于鈉長石等硅酸鹽礦物的溶解。

(3) H-O同位素組成表明奧陶系—寒武系含水層和寒武系含水層的補給來源主要為大氣降水,而震旦系含水層的補給來源包括附近地下水的側(cè)向補給和上層地下水的越流補給。

(4) Sr同位素組成特征證明研究區(qū)巖溶水在徑流過程中與含水層礦物發(fā)生了水巖反應。