古堆泉域岩溶地下水水化学特征及成因

引用本文

唐春雷, 申豪勇, 赵春红, 王志恒, 谢浩, 赵一, 梁永平. 古堆泉域岩溶地下水水化学特征及成因[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 4874-4883.

TANG Chun-lei, SHEN Hao-yong, ZHAO Chun-hong, WANG Zhi-heng, XIE Hao, ZHAO Yi, LIANG Yong-ping. Hydrochemical Characteristics and Formation Causes of Ground Karst Water Systems in Gudui Spring Catchment[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 4874-4883.

古堆泉域岩溶地下水水化学特征及成因

唐春雷^1,2,3,4, 申豪勇^1,4, 赵春红^1,4, 王志恒^1,4, 谢浩^1,4, 赵一^1,4, 梁永平^1,4

1. 中国地质科学院岩溶地质研究所自然资源部岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004;
2. 太原理工大学水利科学与工程学院, 太原 030024;
3. 联合国教科文组织国际岩溶研究中心, 桂林 541004;
4. 广西岩溶资源环境工程技术研究中心, 桂林 541004

收稿日期: 2022-10-15; 修订日期: 2022-11-21

基金项目: 广西自然科学基金项目(2021GXNSFAA220071)；中国地质调查项目(DD20221758)

作者简介: 唐春雷(1984~), 男, 博士研究生, 副研究员, 主要研究方向为北方岩溶泉域环境地质问题, E-mail: yourfriendtcl@163.com

通信作者: 梁永平, E-mail: lyp0261@karst.ac.cn

摘要: 古堆泉为山西省著名岩溶大泉之一，是唯一的中低温温泉，具有悠久的开发观赏历史，凝聚着丰厚的人文积淀.以古堆泉域岩溶地下水为研究对象，通过系统地样品采集与同位素分析，综合运用水化学(Durov图、离子比例、Gibbs图和氢氧同位素)同位素方法分析地下水水化学特征和地下水系统径流特征.古堆泉域岩溶地下水的⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr值在0.709~0.717之间，Mg/(Mg+Ca)值在0.27~0.74之间.通过分析Sr同位素组成和Mg/(Mg+Ca)、1/Sr变化特征，得出古堆泉域岩溶地下水为深部热水与浅部冷水的混合水，中条山南梁泉岩溶水子系统呈现碳酸盐岩地层径流特征，佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统和侯马盆地深循环子系统呈现碳酸盐岩地层与火成岩地层径流特征，塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统呈现碳酸盐岩地层与古老硅铝质岩地层径流特征.通过2014年样品与2021年相同位置取样点的氢氧同位素比对分析，得出古堆泉口水样变化原因是其受三泉水库补给随时间的积累的结果，三泉水库的变化原因是受引黄水的影响.研究区岩溶地下水水化学类型可分为SO₄-Na、SO₄-Ca、HCO₃-Na、HCO₃-Mg、HCO₃-Ca和Cl-Na型.岩溶地下水水化学类型从HCO₃-Ca·Mg→HCO₃·SO₄-Ca·Mg→SO₄·HCO₃-Na·Ca→SO₄·Cl-Na·Ca呈现明显的水化学成分分带.

关键词: 北方岩溶水化学特征氢氧同位素 Sr同位素 Durov图 Gibbs图

Hydrochemical Characteristics and Formation Causes of Ground Karst Water Systems in Gudui Spring Catchment

TANG Chun-lei^1,2,3,4 , SHEN Hao-yong^1,4 , ZHAO Chun-hong^1,4 , WANG Zhi-heng^1,4 , XIE Hao^1,4 , ZHAO Yi^1,4 , LIANG Yong-ping^1,4

1. Key Laboratory of Karst Dynamics, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Ministry of Natural Resources, Guilin 541004, China;
2. College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;
3. International Research Centre on Karst under the Auspices of United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, Guilin 541004, China;
4. Guangxi Karst Resources and Environment Research Center of Engineering Technology, Guilin 541004, China

Abstract: As one of the famous karst springs in Shanxi Province, the Gudui spring is the only medium-low temperature hot spring, with a long history of development and a rich cultural accumulation. The karst groundwater in the Gudui spring catchment was taken as the research object. Through systematic sample collection and isotope analysis, hydrochemistry (Durov map, ion ratio, Gibbs map, and hydrogen and oxygen isotope) methods were comprehensively used to analyze groundwater hydrochemistry and groundwater system runoff characteristics. The⁸⁷Sr/⁸⁶Sr value of karst groundwater in the Gudui spring catchment was 0.709 to 0.717, and the Mg/(Mg+Ca) value was 0.27 to 0.74. By analyzing the Sr isotope composition and Mg/(Mg+Ca) and 1/Sr variation characteristics, it was concluded that the karst groundwater in the Gudui spring catchment was a mixture of deep hot water and shallow cold water. The karst water subsystem of Nanliang spring presented the characteristics of carbonate stratum runoff. The karst water subsystem of Fuling Mountain Gaoxian Haitou spring and the deep circulation subsystem of Houma Basin exhibited the runoff characteristics of carbonate rock and igneous rock strata. The karst water subsystem of Taiershan Jiuyuanshan Gudui spring presented the runoff characteristics of carbonate rock and ancient silicoaluminate strata. The δ¹⁸O value in karst groundwater of Guodui spring area ranged from -11.46‰ to -7.81‰, and the average value was -10.08‰. The range of the δD value was -83.7‰ to -60.8‰, and the average value was -73.6‰. This showed that karst groundwater in the spring area was the result of mixing of various types of water. Through comparative analysis of hydrogen and oxygen isotopes of 2014 and 2021 sampling points at the same location, it was concluded that the change in water samples at the Guduiquan resulted from the gradual accumulation of water supplied by Sanquan Reservoir. The change in Sanquan Reservoir was due to the influence of Yellow River diversion. The karst groundwater in the spring area were characterized by large calcium ion, magnesium ion, and sodium ion values; a small potassium ion value; a large sulfate value; and a small chloride value. The hydrochemical types of karst groundwater in Gudui spring catchment could be divided into SO₄-Na, SO₄-Ca, HCO₃-Na, HCO₃-Mg, HCO₃-Ca, and Cl-Na. The hydrochemical types of karst groundwater showed evident hydrochemical composition zoning from HCO₃-Ca·Mg→HCO₃·SO₄-Ca·Mg→SO₄·HCO₃-Na·Ca→SO₄·Cl-Na·Ca. According to the comprehensive analysis of hydrochemical isotope and hydrogeological conditions, the karst water subsystem of Nanliang spring was primarily recharged by rainfall infiltration in the exposed limestone area and river infiltration, and its karst groundwater was recharged by runoff from south to north to the karst water subsystem of Fuling Mountain Gaoxian Haitou spring and the deep circulation subsystem of Houma Basin. The karst water subsystem of Taier Jiuyuan Mountain Gudui spring received rainfall infiltration supplement and upstream runoff supplement from the exposed limestone area. Its karst groundwater flowed from north to south and received the supply of Sanquan Reservoir from Yellow River water in the natural discharge area of Gudui spring.

Key words: karst in northern China hydrochemical characteristics hydrogen and oxygen isotopes strontium isotope Durov diagram Gibbs chart

地下水水环境演化是水-岩作用研究的热点之一^[1~4].地下水系统中蕴含着环境变化的重要信息, 连接大气圈、生物圈和岩石圈的重要媒介.地下水水环境是研究地下水及其赋存空间环境在内外动力地质作用和人为活动作用影响下所形成的状态及其变化.地下水环境演化过程中, 地下水具有环境和气候信息的存储功能.地下水既受环境的影响, 又反过来影响环境^[5].岩溶水文地球化学是研究岩溶地下水状态及其变化的重要手段, 以地球科学系统理论为指导, 它既要研究岩溶系统的地球化学背景条件, 也要研究岩溶发育特征、岩溶水量、水质特征和其形成、演化的机制^[6].水化学类型法^[7~9]、统计学方法^[10~12]、同位素分析方法^[13~16]和水文地球化学模拟^[17~19]等逐渐应用于水文地球化学研究.

20世纪八九十年代, 我国水文地质学者对岩溶水系统结构、水资源要素、泉域边界和泉水流量衰减进行了系统的研究^[20].近年来, 在人类活动和气候变化的双重影响下岩溶水系统的水动力场和水化学场等都发生了很大改变, 出现了水质变差, 泉水流量衰减甚至枯竭等一系列的环境问题, 引起有关学者的关注^[21~24].有研究利用水化学模拟和数值模拟等方法研究古堆泉地下水水位及主要污染因子的演化规律^[25~27].申豪勇等^[28]通过对古堆泉域岩溶地下水系统的地质结构特征、水文地质结构特征和岩溶地下水循环演化规律分析, 厘定古堆泉域岩溶地下水系统面积为2 942 km², 并将古堆泉域岩溶水系统分为4个子系统, 分别为中条山南梁泉岩溶水子系统、佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统、侯马盆地深循环子系统和塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统.在新厘定的岩溶地下水系统边界条件下, 利用多种同位素结合水化学特征研究古堆岩溶地下水的文献鲜见报道.古堆泉域岩溶水是工农业生产和城市水源地, 研究其水化学和同位素环境特征, 查明水环境特征及成因, 对合理开发利用岩溶地下水资源与生态保护具有重要的意义.

1 研究区概况

古堆泉(“古水”或“鼓水”)又称“石鼓神泓”, 是山西省内发育的19个岩溶大泉之一, 而且是唯一的中低温温泉.古堆泉形成于公元前466年晋南发生的一次大地震, 周围有大小泉眼29个, 其中龙王泉、琵琶泉、莲花泉最大, 照面泉, 涌珠泉、方池泉、洗脸盆泉和怪泉次之.诸泉汇流, 经冯家村、三泉、李村和南北王等注入汾河(图 1).泉水出露高程约450 m, 泉水温度23~25℃^[29].古堆泉出露于山西省新绛县三泉镇古堆村的九原山西麓冯古庄断裂带上, 为断裂构造上升泉.泉域内地层由老到新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系和第四系(图 1).含水层包括松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水这4种类型.在九原山-汾阳岭-塔儿山隆起带, 岩溶地下水接受区内碳酸盐岩裸露区和覆盖区的降水入渗补给, 岩溶水沿隆起带径流至九原山地段, 天然条件下由古堆泉水排泄.1970年以前泉水流量一般稳定在1.20~1.30 m³·s^-1, 近年来, 由于超量开采地下水, 泉水的补给量的减少等原因, 1980年泉水流量为0.72 m³·s^-1, 1988年衰减到0.15 m³·s^-1, 至2000年已经基本干枯.

图 1 古堆泉域水文地质和采样点示意 Fig. 1 Hydrogeological map and sampling sites of Gudui spring catchment

2 材料与方法

通过开展野外地质、水文地质补充调查, 查明古堆泉域水文地质条件, 于2021年8~9月取样46组, 其中岩溶泉水3组, 岩溶热水2组, 岩溶井水34组, 地表水2组, 火成岩裂隙水4组, 水库1组.样品采集按照《水质采样技术指导》(HJ 494-2009) 进行取样.pH、温度和电导率等指标由美国Eureka Manta4.0多参数水质仪现场测定.Ca²⁺和HCO₃^-由德国默克测试盒现场滴定.化学分析在国土资源部太原矿产资源监督检测中心实验室完成, 由PHS-3C pH计、可见光光度计和离子色谱仪等测定.²H/¹⁸O同位素由中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部重点实验室完成, 采用美国Picarro液体水同位素分析仪(L2130-i)进行测定, 精度分别为±2.0‰和±0.1‰; ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值在中国地质调查局武汉地质调查中心实验室测试完成, 采用阳离子树脂交换法分离和纯化锶, 用德国赛默飞热电离质谱仪(TRITON Plus)进行测定.所有水样阴阳离子平衡相对误差小于5%, 利用Aquachem软件绘制Durov; 利用Origin软件绘制离子比例系数、Gibbs和同位素分析.

3 结果与讨论 3.1 岩溶地下水补给来源

氢氧同位素是研究地下水起源与演化的理想示踪剂, 可利用地下水中的稳定氢氧同位素识别研究区地下水补给来源^[30~33].研究区的39个水样品δ¹⁸O值范围为-11.46‰~-7.81‰, 平均值为-10.08‰, δD值范围为-83.7‰~-60.8‰, 平均值为-73.6‰.如图 2所示古堆泉域岩溶水δ¹⁸O与δD值位于全球大气降水线(GWML)的左下方, 表明古堆岩溶水接受古水和现代水的混合补给.古堆泉口岩溶井地下水(GD32)由于受到地表水三泉水库(GD34)的补给, δ¹⁸O与δD值与三泉水库和孔隙水接近.间接说明泉口现在主要接受地表水和孔隙水的补给, 其原因是区域岩溶地下水位下降, 岩溶地下水流场发生变化, 在古堆泉口附近出现地表水、松散层孔隙水补给岩溶地下水的现象.

图 2 古堆泉域岩溶地下水δD-δ¹⁸O关系 Fig. 2 Relationship between δD and δ¹⁸O of karst groundwater in Gudui spring catchment

分析Sr同位素组成和Mg/(Mg+Ca)、1/Sr变化规律, 加深对岩溶水补给来源及运移过程的认识.如图 3所示沉积碳酸盐岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值通常在0.706~0.710之间^[34~36], 灰岩端元的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值约为0.706, 白云岩端元的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值约为0.710^[37].大陆地壳古老硅铝质岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值通常在0.720左右^[38].古堆泉域岩溶地下水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化于0.709~0.717之间, Mg/(Mg+Ca)值在0.27~0.74之间.显示出白云岩地层与古老硅铝质岩径流特征, 说明古堆泉域岩溶地下水为深部热水与浅部的岩溶地下水的混合水.利用⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与1/Sr关系揭示岩溶地下水的动力条件(图 4), 可将泉域岩溶地下水分为东部裸露区岩溶冷水(中条山南梁泉岩溶水子系统)、火成岩入侵区岩溶热水(佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统和侯马盆地深循环子系统)和排泄区低温岩溶热水(塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统).

图 3 古堆泉域岩溶地下水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与Mg/(Mg+Ca)关系 Fig. 3 Relationship between⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and Mg/(Mg+Ca) of karst groundwater in Gudui spring catchment

图 4 古堆泉域岩溶地下水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与1/Sr关系 Fig. 4 Relationship between⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and 1/Sr of karst groundwater in Gudui spring catchment

3.2 水化学特征

岩溶地下水化学特征不但受到区域内的地层岩性、地质构造和水动力条件等因素的控制, 同时还受人类活动直接或间接的影响, 而岩溶地下水的水化学特征能很好地保存和反演这些复杂的信息^[39~43].

据本次工作所取得的岩溶水(热水)、地表水和火成岩裂隙井水样分析结果, 得出岩溶水(热水)的pH值为7.48~8.06, 均值为7.70. ρ(Ca²⁺) 范围为19.3~647.6 mg·L^-1, 均值为100.8 mg·L^-1. ρ(Mg²⁺) 范围为13.3~120.6 mg·L^-1, 均值为35.7 mg·L^-1. ρ(K⁺+Na^-) 范围为3.6~476.4 mg·L^-1, 均值为105.1 mg·L^-1. ρ(SO₄^2-)范围为14.4~2 247.0mg·L^-1, 均值为285.5 mg·L^-1.

地表水、火成岩裂隙井水样的pH值为7.7~8.1, 均值为7.9. ρ(Ca²⁺) 范围为34.4~83.1 mg·L^-1, 均值为55.9 mg·L^-1. ρ(Mg²⁺) 范围为12.7~33.8mg·L^-1, 均值为22.9mg·L^-1. ρ(K⁺+Na^-) 范围为14.4~141.6 mg·L^-1, 均值为63.7mg·L^-1. ρ(SO₄^2-) 范围为12.2~167.0 mg·L^-1, 均值为80.3 mg·L^-1(表 1、图 1和图 5).

表 1 古堆泉域岩溶地下水水化学类型 Table 1 Hydrochemical types of karst groundwater in Guodui spring catchment

编号	水点类型	水温/℃	pH	ρ/mg·L^-1							水化学类型
编号	水点类型	水温/℃	pH	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	Cl^-	SO₄^2-	HCO₃^-	水化学类型
GD01	岩溶泉	23.9	7.96	60.5	13.3	1.1	2.5	3.3	42.2	191.5	HCO₃-Ca·Mg
GD02	岩溶井	25.0	7.85	58.6	29.2	2.6	83.3	23.7	156.3	303.8	HCO₃·SO₄-Na·Ca·Mg
GD03	岩溶井	24.5	8.02	41.2	27.9	3.1	152.2	101.2	170.6	245.6	HCO₃·SO₄·Cl-Na
GD04	岩溶井	24.5	7.73	19.3	17.3	0.9	94.4	9.8	42.5	303.8	HCO₃-Na
GD05	岩溶井	24.5	7.69	77.9	36.2	1.9	68.6	21.1	194.6	303.8	HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg
GD06	岩溶井	24.5	7.48	140.1	48.8	3.8	99.2	50.6	448.0	273.7	SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg
GD07	岩溶井	24.3	7.66	112.2	38.1	2.5	49.4	25.7	290.8	256.0	SO₄·HCO₃-Ca·Mg
GD08	岩溶井	24.7	7.54	75.9	24.7	1.1	7.5	6.8	43.2	308.0	HCO₃-Ca·Mg
GD09	岩溶井	23.9	7.81	69.6	17.5	1.1	4.3	5.9	31.4	258.0	HCO₃-Ca·Mg
GD10	岩溶井	25.0	7.65	109.5	83.0	3.6	223.8	43.6	610.6	472.4	SO₄·HCO₃-Na·Mg
GD11	岩溶井	24.5	7.66	109.3	35.7	7.6	205.8	153.7	435.9	233.1	SO₄·Cl-Na·Ca
GD12	岩溶井	24.5	7.59	81.6	34.5	4.6	113.5	39.5	271.9	301.7	SO₄·HCO₃-Na·Ca
GD13	岩溶井	24.5	7.69	84.8	20.0	1.0	12.7	12.6	51.8	298.6	HCO₃-Ca·Mg
GD14	岩溶井	24.5	7.51	141.7	50.7	2.6	71.2	23.1	405.2	322.6	SO₄·HCO₃-Ca·Mg
GD15	热水	48.1	7.76	148.4	39.5	14.5	264.9	157.1	703.4	216.4	SO₄-Na·Ca
GD16	热水	42.7	7.19	647.6	120.6	17.7	254.1	138.4	2247.0	187.3	SO₄-Ca
GD17	岩溶井	24.7	7.65	91.2	38.0	3.6	69.7	41.2	260.0	251.8	SO₄·HCO₃-Ca·Mg·Na
GD18	岩溶井	23.9	7.51	85.8	40.0	3.0	92.7	51.0	272.4	270.5	SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg
GD19	岩溶井	25.0	7.48	106.1	39.6	3.4	62.1	26.0	299.6	249.7	SO₄·HCO₃-Ca·Mg
GD20	岩溶井	24.5	7.51	87.9	35.3	3.5	92.9	33.6	290.0	266.4	SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg
GD21	裂隙水	18.1	8.04	36.5	32.3	0.5	100.2	45.4	94.8	312.2	HCO₃-Na·Mg
GD22	岩溶井	38.4	7.53	147.4	35.3	22.3	454.1	606.6	444.5	216.4	Cl·SO₄-Na
GD23	岩溶井	30.4	7.61	110.6	39.3	7.7	145.3	107.4	370.1	265.3	SO₄·HCO₃-Na·Ca
GD24	岩溶井	28.1	7.64	107.1	35.9	8.5	162.8	170.3	312.7	249.7	SO₄·Cl·HCO₃-Na·Ca
GD25	岩溶井	24.0	7.52	111.7	37.0	6.2	104.5	105.5	302.5	253.9	SO₄·HCO₃-Ca·Na
GD26	岩溶井	24.9	7.57	107.5	38.4	7.5	127.5	111.7	320.1	259.1	SO₄·HCO₃-Na·Ca
GD27	岩溶井	22.2	7.64	70.4	32.1	3.4	75.8	53.5	163.6	274.7	HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg
GD28	岩溶井	22.4	7.62	92.1	36.6	5.0	93.0	86.9	240.3	258.0	SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg
GD29	岩溶井	24.4	7.86	102.7	39.1	5.7	98.9	95.1	290.3	253.9	SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg
GD30	裂隙水	17.3	7.86	60.9	17.3	0.9	23.3	6.7	20.2	303.8	HCO₃-Ca·Mg
GD31	裂隙水	17.1	8.09	34.4	17.6	1.1	45.4	7.7	12.2	276.8	HCO₃-Na·Ca·Mg
GD32	岩溶井	20.2	7.68	85.5	36.1	6.3	103.4	111.2	175.4	308.0	HCO₃·SO₄·Cl-Na·Ca
GD33	岩溶井	20.1	8.02	32.0	54.2	0.4	41.2	16.0	77.0	330.9	HCO₃-Mg
GD34	水库	30.4	7.74	50.0	33.8	4.6	137.0	154.4	167.0	203.9	Cl·SO₄·HCO₃-Na
GD35	岩溶井	15.8	7.68	69.3	19.1	1.7	8.1	8.9	60.7	228.9	HCO₃-Ca·Mg
GD36	岩溶井	20.0	8.03	62.4	25.4	2.1	58.9	16.2	129.8	264.3	HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg
GD37	岩溶井	18.1	8.06	45.2	15.2	1.2	53.1	11.2	28.2	283.0	HCO₃-Na·Ca
GD38	岩溶井	18.9	8.04	36.6	13.5	0.7	41.0	6.3	14.4	245.6	HCO₃-Ca·Mg
GD39	岩溶井	21.7	8.05	53.1	23.4	3.0	46.0	8.7	85.8	266.4	HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg
GD40	岩溶井	20.6	7.65	86.3	30.7	2.2	42.1	21.0	161.6	283.0	HCO₃·SO₄-Ca·Mg
GD41	岩溶泉	19.4	7.84	62.1	33.4	1.9	12.5	8.3	45.0	322.6	HCO₃-Ca·Mg
GD42	岩溶井	20.0	7.56	107.4	33.8	8.3	118.8	47.4	361.7	289.3	SO₄·HCO₃-Na·Ca
GD43	岩溶泉	18.1	7.75	54.7	20.0	1.5	18.2	9.3	41.5	249.7	HCO₃-Ca·Mg
GD44	裂隙水	18.9	7.84	74.1	16.9	1.5	21.8	7.3	66.8	274.7	HCO₃-Ca
GD45	地表水	21.7	7.69	46.1	12.7	2.3	114.8	37.7	116.8	297.6	HCO₃·SO₄-Na·Ca
GD46	地表水	21.7	7.72	83.1	19.1	2.1	40.2	17.7	119.5	266.4	HCO₃·SO₄-Ca

表 1 古堆泉域岩溶地下水水化学类型 Table 1 Hydrochemical types of karst groundwater in Guodui spring catchment

图 5 岩溶地下水的Durov图 Fig. 5 Durov diagram of karst groundwater

按照舒卡列夫分类法, 研究区碳酸盐岩含水岩组地下水主要类型是SO₄-Na类包括: SO₄·Cl·HCO₃-Na·Ca、SO₄·Cl-Na·Ca、SO₄·HCO₃-Na·Ca、SO₄·HCO₃-Na·Mg和SO₄-Na·Ca型; SO₄-Ca类包括SO₄·HCO₃-Ca·Mg、SO₄·HCO₃-Ca·Mg·Na、SO₄·HCO₃-Ca·Na、SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg和SO₄-Ca型; HCO₃-Na类包括: HCO₃-Na、HCO₃·SO₄·Cl-Na、HCO₃·SO₄·Cl-Na·Ca、HCO₃·SO₄-Na·Ca、HCO₃·SO₄-Na·Ca·Mg、HCO₃-Na·Ca、HCO₃-Na·Mg和HCO₃-Na·Ca·Mg型; HCO₃-Mg类包括: HCO₃-Mg型; HCO₃-Ca类包括: HCO₃·SO₄-Ca、HCO₃·SO₄-Ca·Mg、HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg、HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg型; Cl-Na类包括Cl·SO₄·HCO₃-Na和Cl·SO₄-Na型; 岩溶地下水水化学类型从HCO₃-Ca·MgHCO₃·SO₄-Ca·MgSO₄·HCO₃-Na·CaSO₄·Cl-Na·Ca呈现明显的水化学成分分带.

中条山南梁泉岩溶水子系统主要为HCO₃-Ca·Mg型(GD01、GD08、GD09、GD13、GD30、GD35和GD41).佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统从补给区到排泄区的水化学类型依次为HCO₃·SO₄-Ca·Mg (GD14)HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg (GD36) HCO₃·SO₄-Na·Ca·Mg (GD02) SO₄·HCO₃- Na·Ca (GD12)SO₄·HCO₃-Na·Mg (GD10).侯马盆地深循环子系统从补给区到排泄区的水化学类型依次为HCO₃·SO₄·Cl-Na (GD03) SO₄·HCO₃- Na·Ca (GD42) SO₄- Na·Ca (GD15).塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统从补给区到排泄区的水化学类型依次为：补给区为HCO₃-Ca·Mg (GD30)或者HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg (GD39) 径流区为SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg (GD20和GD18) 或者SO₄·HCO₃-Ca·Mg (GD19)或者SO₄·HCO₃-Ca·Mg·Na (GD17) 径流区为SO₄·HCO₃-Ca·Na (GD25)或者SO₄·HCO₃-Na·Ca(GD23和GD26)或者SO₄·Cl·HCO₃-Na·Ca(GD24)或者Cl·SO₄-Na (GD22) 排泄区为SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg (GD28和GD29)或者HCO₃·SO₄·Cl-Na·Mg(GD32).从补给区径流区排泄区明显的特征是阳离子Na增加, 阴离子SO₄与Cl增加.古堆泉(GD32)水化学类型为HCO₃·SO₄·Cl-Na·Mg, 阴离子HCO₃比例增加明显受到地表水或者松散层补给.

3.3 主要离子来源

Gibbs图是宏观地反映水中主要离子的控制因素的一种分析方法, 一般将主要的控制因素分为蒸发结晶作用、岩石风化作用和降水作用这3种^{[44, 45]}.通常碳酸盐岩在CO₂和H₂O的参与下容易发生岩溶作用, 研究区岩溶地下水pH值为7.2~8.1, ρ(Ca²⁺) 范围为19.3~647.6 mg·L^-1, 均值为99.8 mg·L^-1. ρ(Mg²⁺) 范围为13.3~120.6 mg·L^-1, 均值为35.6 mg·L^-1. ρ(Ca²⁺) 范围为2.5~454.1 mg·L^-1, 均值为98.2 mg·L^-1. ρ(Cl^-) 范围为3.3~606.6 mg·L^-1, 均值为35.6 mg·L^-1. ρ(HCO₃^-) 范围为187.3~472.4 mg·L^-1, 均值为272.2 mg·L^-1.这说明石灰岩和白云岩溶解作用形成Ca²⁺、Mg²⁺和HCO₃^-, 其中石灰岩的溶解速率比白云岩快, 所以Mg²⁺比Ca²⁺少.其次, 研究区地下水中Ca²⁺另一主要来源为石膏的溶解.如图 6所示古堆泉域岩溶地下水水化学形成主要控制因素为碳酸盐岩风化与蒸发结晶作用.古堆泉域岩溶地下水化学组分主要受方解石(文石)、白云石和石膏等矿物影响.

图 6 地下水和地表水Gibbs图 Fig. 6 Gibbs diagram of groundwater and surface water

如图 7(a)显示SO₄²⁺+Cl^-与HCO₃^-关系, 如果点位于1∶1直线上侧, 说明地下水水化学形成的作用为碳酸盐岩的溶解; 如果点位于1∶1直线下侧则说明伴随有蒸发岩的溶解.由图可见古堆泉域岩溶地下水以碳酸盐岩和蒸发岩(石膏, NaCl等)的溶解为主, 本次所取样品中约60%的岩溶地下水伴随有蒸发岩的溶解; 如图 7(b)显示SO₄²⁺+HCO₃^-与Ca²⁺+Mg²⁺关系, 岩溶地下水样品近似呈直线分布并偏离至1∶1线以上, 表明岩溶地下水以碳酸盐岩风化与蒸发结晶作用为主.如图 7(c)显示Na⁺+K⁺-Cl^-与Ca²⁺+Mg²⁺-SO₄²⁺-HCO₃^-关系, 径流区部分点位于阳离子交换线附近, 说明地下水水化学形成除方解石(文石)、白云石和石膏的溶解, 还有阳离子交换作用.如图 7(d)显示Ca²⁺/Na⁺与HCO₃^-/Na⁺关系, 揭示地下水循环过程中不同物质(蒸发岩、硅酸盐岩、降水和碳酸盐岩)来源的影响.此图说明古堆泉域大部分岩溶地下水主要为降水、蒸发岩与碳酸盐岩相互作用.

图 7 古堆泉域岩溶地下水离子关系 Fig. 7 Ion relationship of karst groundwater in Gudui spring catchment

在岩溶水循环过程中, Sr²⁺浓度随着径流途径和水岩交互作用的时间而增加, 相比之下Ca²⁺浓度却受制于溶解平衡, 因此, 不同来源的水的Sr²⁺/Ca²⁺值不同, 径流途径和水岩交互作用的时间越长, 其值越大, 反之越小^{[46, 47]}.如图 8所示古堆泉域岩溶地下水总体上Sr²⁺/Ca²⁺值, 总体呈现为：佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统>侯马盆地深循环子系统>塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统>中条山南梁泉岩溶水子系统.如图 9所示锶钙比与溶解性总固体(TDS)呈明显的线性相关关系, 沿着地下水主径流带, 从补给区到排泄区, 锶钙比逐渐升高.岩溶热水游离于线性关系右侧, 表明这些样品溶解性总固体的增加要快于锶钙比的增加, 其径流路径远, 含水层埋藏深度大.TDS是反映水质的综合指标.研究区39个岩溶水样品ρ(TDS)范围为244.0~3 548.0 mg·L^-1, 均值为748.1mg·L^-1.TDS值总体呈现为岩溶地下水补给区 < 径流, 排泄区 < 深埋滞留区.

图 8 古堆泉域岩溶地下水Sr²⁺与Ca²⁺关系 Fig. 8 Relationship between Sr²⁺and Ca²⁺ of karst groundwater in Gudui spring catchment

图 9 古堆泉域岩溶地下水Sr²⁺/Ca²⁺与TDS关系 Fig. 9 Relationship between Sr²⁺/Ca²⁺ and TDS of karst groundwater in Gudui spring catchment

3.4 不同时期水化学取样

通过不同年份相同取样点位置的水样测试比对分析(见表 2), 得出水化学方面, 新绛县三泉水库水样(GD34)相差最大, 其次为翼城县上河煤业岩溶井水样(GD09).GD34水样点主要表现在Na⁺和Cl^-的增加.GD09水样点主要表现在Na⁺和SO₄^2-的增加.氢氧同位素方面如图 10所示, 三泉镇古堆村泉口岩溶井(GD32)水样相差最大, 其次为新绛县三泉水库.GD32点水样氢氧同位素变化是其受三泉水库补给随时间的积累的结果.三泉水库的氢氧同位素变化是受引黄水的影响.

表 2 古堆泉域岩溶地下水不同时期水化学取样 Table 2 Hydrochemical sampling of karst groundwater during different periods in Gudui spring catchment

编号	pH	ρ/mg·L^-1									δ¹⁸O/‰	δD/‰
编号	pH	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	HCO₃^-	SO₄^2-	Cl^-	NO₃^-	Sr²⁺	δ¹⁸O/‰	δD/‰
GD01_2014	7.74	64.8	14.0	1.3	2.2	211.0	30.1	6.7	11.4	0.1	-10.0	-68.0
GD01_2021	7.96	60.5	13.3	1.1	2.5	191.5	42.2	3.3	15.8	0.1	-10.2	-68.9
GD06_2014	7.62	146.0	48.4	3.1	88.8	274.0	446.0	56.0	2.9	1.0	-10.2	-75.0
GD06_2021	7.48	140.1	48.8	3.8	99.2	273.7	448.0	50.6	5.9	1.6	-10.2	-74.9
GD09_2014	7.68	86.5	15.3	1.2	8.2	286.0	41.4	7.7	7.9	0.6	-10.4	-73.0
GD09_2021	7.81	69.6	17.5	1.1	4.3	258.0	31.4	5.9	7.7	0.2	-10.7	-74.5
GD15_2014	7.78	150.0	41.5	13.0	203.0	252.0	607.0	153.0	0.2	1.9	-11.4	-83.0
GD15_2021	7.76	148.4	39.5	14.5	264.9	216.4	703.4	157.1	0.1	2.7	-11.5	-83.7
GD29_2014	7.90	107.0	41.5	5.9	95.5	252.0	273.0	104.0	4.4	1.9	-10.5	-75.0
GD29-2021	7.86	102.7	39.1	5.7	98.9	253.9	290.3	95.1	9.6	2.0	-10.4	-75.1
GD32_2014	7.96	101.0	39.6	6.0	91.7	282.0	239.0	93.8	8.9	1.6	-9.8	-71.0
GD32_2021	7.68	85.5	36.1	6.3	103.4	308.0	175.4	111.2	7.2	1.4	-7.8	-60.8
GD34_2014	7.49	51.9	24.3	9.9	75.2	168.0	149.0	85.2	0.8	0.5	-7.7	-59.0
GD34_2021	7.74	50.0	33.8	4.6	137.0	203.9	167.0	154.4	1.2	0.9	-8.1	-62.1
GD41_2014	7.80	74.7	27.2	1.2	10.0	293.0	64.0	10.5	4.2	0.2	-9.1	-64.0
GD41_2021	7.84	62.1	33.4	1.9	12.5	322.6	45.0	8.3	7.1	0.4	-9.0	-63.4

表 2 古堆泉域岩溶地下水不同时期水化学取样 Table 2 Hydrochemical sampling of karst groundwater during different periods in Gudui spring catchment

图 10 不同时期岩溶地下水δD-δ¹⁸O关系 Fig. 10 Relationship between δD and δ¹⁸O of karst groundwater in different periods in Gudui spring catchment

4 结论

(1) 研究区的39个水样品δ¹⁸O值范围为-11.46‰~-7.81‰, 平均值为-10.08‰, δD值范围为-83.7‰~-60.8‰, 平均值为-73.6‰, 体现了泉域岩溶地下水是各种类型水混合的结果.通过2014年样品与2021年相同位置取样点的氢氧同位素比对分析, 得出古堆泉口水样变化原因是其受三泉水库补给随时间的积累的结果.三泉水库的变化原因是受引黄水的影响.

(2) 通过分析Sr同位素组成和Mg/(Mg+Ca)、1/Sr变化规律, 得出古堆泉域岩溶地下水为深部热水与浅部岩溶水的混合水; 中条山南梁泉岩溶水子系统为碳酸盐岩地层径流特征; 佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统和侯马盆地深循环子系统为碳酸盐岩地层与火成岩地层径流特征; 塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统为碳酸盐岩地层与古老硅铝质岩地层径流特征.

(3) 古堆泉域岩溶地下水的pH值为7.48~8.06, 均值为7.70. ρ(Ca²⁺) 范围为19.3~647.6 mg·L^-1, 均值为100.8 mg·L^-1. ρ(Mg²⁺) 范围为13.3~120.6 mg·L^-1, 均值为35.7 mg·L^-1. ρ(K⁺+Na^-) 范围为3.6~476.4 mg·L^-1, 均值为105.1 mg·L^-1. ρ(SO₄^2-)范围为14.4~2 247.0 mg·L^-1, 均值为285.5 mg·L^-1. 泉域岩溶地下水总体特征表现为阳离子Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺浓度大, ρ(K⁺)值小; 阴离子SO₄^2-浓度大, Cl^-浓度小.

(4) 研究区岩溶地下水水化学类型可分为SO₄-Na类、SO₄-Ca类、HCO₃-Na类、HCO₃-Mg类、HCO₃-Ca类和Cl-Na类; 岩溶地下水水化学类型从HCO₃-Ca·MgHCO₃·SO₄-Ca·Mg SO₄·HCO₃-Na·CaSO₄·Cl-Na·Ca呈现明显的水化学成分分带.

(5) 水化学同位素结合水文地质条件综合分析得出, 中条山南梁泉岩溶水子系统主要接受裸露灰岩区降雨入渗补给和河流入渗补给, 其岩溶地下水由南向北径流, 最后侧向径流补给佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统和侯马盆地深循环子系统.塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统接受裸露灰岩区降雨入渗补给和上游方向径流补给, 其岩溶地下水由北向南径流, 由于区域地下水位下降, 在古堆泉口区域主要接受三泉水库引黄水的补给.

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环境科学 2023, Vol. 44 Issue (9): 4874-4883	PDF