河南省某大型水源地巖溶水水化學(xué)及同位素特征

蔡月梅，蔡五田，劉金巍，邊 超，呂永高，劉江濤，曹月婷，李敬杰

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

某地下水水源地為河南省某市的主要供水水源地之一，是第四系覆蓋型巖溶水源地。其共有15口開(kāi)采井，呈東西向延伸(圖1)，井深163～296 m，水源地日開(kāi)采量9.7×104m3，為一大型地下水水源地。近年來(lái)，在水源地周邊淺層第四系孔隙水水井中季節(jié)性地檢出了微量重金屬備受有關(guān)部門和水文地質(zhì)工作者的關(guān)注。為此，弄清水源地巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給途徑及其與上覆第四系含水層的關(guān)系，識(shí)別重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，成為濟(jì)源青多水源地地下水保護(hù)的重要任務(wù)。2012—2013年，焦艷軍等在研究區(qū)采集水化學(xué)及同位素樣品14組，研究表明大氣降水是研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，淺層第四系孔隙水來(lái)源于大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，北部山區(qū)為盆地中深層孔隙水和巖溶地下水的補(bǔ)給區(qū)。

為查明重金屬的污染來(lái)源，評(píng)估水源地污染風(fēng)險(xiǎn)，2015年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心依托地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，基本查明了水源地周邊的地質(zhì)條件、含水層巖性和結(jié)構(gòu)，第四系含水層與巖溶含水層的接觸關(guān)系、地下水及地表水的水質(zhì)狀況等。本文以水源地開(kāi)采井巖溶地下水為受體，運(yùn)用水分子穩(wěn)定同位素和溶液的無(wú)機(jī)離子作為示蹤劑進(jìn)行研究，從溶質(zhì)(Cl-、Ca2+、Mg2+和Sr2+等)和溶劑(水分子穩(wěn)定同位素D和18O)的變化關(guān)系分析水源地巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源、水文地球化學(xué)作用過(guò)程等特征。

1 研究區(qū)概況

水源地位于山前傾斜盆地，地勢(shì)呈北西高，東南低，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨，秋季旱澇交替、冬季寒冷少雪的特點(diǎn)。年平均氣溫14.2 ℃，年降水量600～700 mm，多集中于7—9月，區(qū)內(nèi)水面蒸發(fā)量1 580～1 860 mm。

對(duì)水源地有重要影響的地表水體主要為東西側(cè)兩條南北向河流。包氣帶巖性為第四系沖積物，地面坡度在25°以下，周邊基巖斷裂構(gòu)造發(fā)育、以高角度斷層為主，基巖呈斷塊狀分布。在盆地北緣，出露第四系松散堆積物，下伏石炭系、二疊系煤層及奧陶系灰?guī)r。在水源地開(kāi)采區(qū)，裂隙巖溶含水巖組頂板直接與第四系孔隙含水巖組接觸，第四系厚度約50 m。以水源地開(kāi)采區(qū)為中心，第四系沉積物向西、向北、向南變深至80～100 m，在斷裂部位可大于150 m；在東南部第四系厚度可達(dá)200 m；往東厚度逐漸變薄、直至奧陶系灰?guī)r出露。水源地附近第四系卵礫石層廣泛分布，呈蜂窩狀或帶狀分布，厚度幾十米到上百米。在水源地開(kāi)采區(qū)及其北、北東約1 km的范圍內(nèi)，卵礫石層與奧灰直接接觸，是第四系含水層與奧灰含水層存在水力溝通的物質(zhì)基礎(chǔ)[1～3]。

2 樣品及分析方法

圖1 水源地開(kāi)采井位置分布示意圖Fig.1 Location of the wellfield

樣品名稱經(jīng)度緯度出水量/(m3·h-1)井深/m穩(wěn)定同位素/‰δ18OδD#1112°33′16.8″35°07′55.0″210273-9.05-63.09#2112°33′01.0″35°07′57.4″130250-9.05-64.20#3112°32′59.4″35°07′57.6″210214-8.96-62.42#4112°32′58.0″35°07′57.7″210219-9.23-64.87#5112°32′55.2″35°07′58.2″210249-8.99-62.66#6112°32′58.9″35°07′58.1″210163-9.09-64.68#7112°33′02.8″35°07′57.1″340213-9.06-64.27#8112°33′14.2″35°08′01.4″210220-9.45-64.51#9112°33′04.4″35°07′56.8″210220-9.26-64.29#10112°33′02.3″35°07′56.8″210230-9.16-64.47#11112°33′06.9″35°07′56.5″210235-9.10-64.05#12112°33′02.5″35°07′54.9″210225-9.16-64.27#13112°32′57.8″35°07′58.1″210260-9.00-63.49#14112°32′48.4″35°07′59.0″210236-8.92-64.20#15112°32′47.4″35°07′54.3″210296-9.53-65.69

表2 水源地樣品水化學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Major ions data of the groundwater samples from the public water-supply wells

3 水文地球化學(xué)特征

3.1 宏量組分與溶解性總固體(TDS)之間的關(guān)系

圖2 主要陽(yáng)離子和陰離子與TDS之間的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between major ions and TDS of groundwater from the public water-supply wells

硬石膏文石方解石白云石石膏巖鹽#1-1.910.200.350.68-1.61-8.09#2-1.87-0.140.000.02-1.57-8.15#3-1.880.190.340.70-3.01-8.30#4-1.980.170.320.65-1.68-8.56#5-1.910.020.160.32-1.60-8.22#6-2.030.270.410.81-1.73-8.59#7-1.920.050.190.41-1.62-8.42#8-1.950.230.370.78-1.65-8.47#9-1.990.100.240.49-1.69-8.59#10-1.960.220.360.75-1.66-8.46#11-1.920.050.200.42-1.62-8.40#12-1.960.120.260.55-1.66-8.48#13-1.960.220.360.76-1.65-8.48#14-1.950.040.180.40-1.65-8.46#15-1.880.230.380.77-1.57-8.28

3.2 Ca和Mg與Sr之間的關(guān)系

圖3 Ca和Mg與Sr之間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Ca/Mg and Sr of groundwater in the public water-supply wells

通過(guò)圖3中Ca—Sr以及Mg—Sr之間的關(guān)系，可將水源地水井大致分為兩組：第一組為東邊五個(gè)水井，分別為#1、#2、#5、#3以及#15；第二組為其余十個(gè)水井，主要位于水源地西側(cè)。從圖中可以看出，第一組隨Ca和Mg離子濃度的升高，Sr濃度基本不變；第二組隨著Ca和Mg離子濃度的增大，Sr濃度升高，但第一組的Sr濃度要高于第二組，造成這兩組樣點(diǎn)Sr濃度的差異性可能是由于水-巖相互作用不同引起的[6]。根據(jù)已有調(diào)查資料，水源地周邊第四系厚度為40～100 m，且裂隙巖溶含水巖組頂板直接下伏于第四系孔隙含水巖組之下，因此水源地15口井均為巖溶水，其鍶濃度的差異可能受到徑流途徑不同的影響。第一組樣點(diǎn)鍶濃度較高，且隨著TDS的增大，鍶濃度基本不變；第二組樣點(diǎn)中Ca與Sr及Mg與Sr同步增長(zhǎng)，說(shuō)明白云石[CaMg(CO3)2]溶解過(guò)程中，鍶是同時(shí)釋放出來(lái)的，SrCO3應(yīng)該是白云石的伴生礦物，但Sr/Ca的比值隨著Ca2+濃度增大而逐漸增大，Sr/Mg的比值隨著Mg2+濃度增大趨于不變，因此Mg的增長(zhǎng)速度大于Ca，表明脫白云巖化作用中伴隨著方解石沉淀[7]。

3.3 NO3離子和Na離子與Cl離子之間的關(guān)系

圖4 NO3離子和Na離子與Cl離子之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between NO3/Na and Cl of groundwater in the public water-supply wells

4 氫氧同位素特征

由青多地下水水源地15口井樣品繪制δD-δ18O關(guān)系圖(圖5)。在圖5上，標(biāo)出全球大氣降水線和河南平原大氣降水線[10～11]對(duì)比。由于河南平原地處半干旱內(nèi)陸地區(qū)，蒸發(fā)作用較強(qiáng)烈，受同位素分餾作用影響，區(qū)域大氣降水線斜率明顯小于全球大氣降水線斜率[10]。研究區(qū)曾做過(guò)地表水和地下水氫氧穩(wěn)定同位素的調(diào)查[11]，深層地下水的δ18O值為-9.98‰～-8.31‰，平均補(bǔ)給高程為585～1 225 m，該高程區(qū)間和研究區(qū)北部山區(qū)的高程基本一致。統(tǒng)計(jì)顯示，水源地開(kāi)采井的δ18O值為-9.53‰～-8.92‰，與前人分析研究區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)一致，說(shuō)明該水源地巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源主要是北部山區(qū)的大氣降水。

圖5 水源地地下水δD和δ18O之間的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between δD and δ18O of groundwater in the public water-supply wells

根據(jù)水源地井分布位置及δD-δ18O之間的關(guān)系圖，可將15口井分為4組：A域?yàn)?1、#5和#3；B域?yàn)?2、#4、#6、#7、#9、#10、#11和#12；C域?yàn)?13和#14；D域?yàn)?15。所有樣點(diǎn)均位于區(qū)域平原大氣降水線附近，說(shuō)明青多水源地地下水主要來(lái)源于大氣降水，同位素值的分布范圍，說(shuō)明水源地巖溶水的補(bǔ)給發(fā)源于北部山區(qū)。但由于補(bǔ)給環(huán)境(平均補(bǔ)給高程)及開(kāi)采含水層的深度不同，水源地井同位素值表現(xiàn)出一定的差異性[18]。

A域#1、#3、#5三口井的位置從西向東位于同一直線上。在δD-δ18O關(guān)系圖上3個(gè)樣點(diǎn)的穩(wěn)定同位素值相近，表明這3口井具有相近的補(bǔ)給來(lái)源[12]；雖然#3、#4和#15三個(gè)井位置集中，但這3個(gè)井的同位素值差異較大，井深分別為214 m、219 m和296 m，但在δD-δ18O圖上，表明同一位置、不同深度的同位素具有分層效應(yīng)。例如#15井，井深最大、氫氧同位素值最小，樣點(diǎn)位于大氣降水線左側(cè)，推測(cè)該樣品循環(huán)深度大，其平均補(bǔ)給高程要明顯高于#3、#4井；B域樣點(diǎn)均位于河南平原大氣降水線附近，且氫氧同位素值表現(xiàn)出不同程度的蒸發(fā)效應(yīng)，大氣降水線原起點(diǎn)位置可能完全不同[13～14]，但補(bǔ)給高程相差不大。B域樣點(diǎn)的氫氧穩(wěn)定同位素值表現(xiàn)出一定程度的蒸發(fā)效應(yīng)，可能受兩方面影響：①在山地補(bǔ)給區(qū)，存在多條河道，河道水流由于流程不同，補(bǔ)給時(shí)間不同，其在入滲補(bǔ)給時(shí)的蒸發(fā)效應(yīng)存在差異，這種差異會(huì)在現(xiàn)代水入滲補(bǔ)給時(shí)保留下來(lái)[16～17]。②在盆地東北部區(qū)，沿北西—南東走向，隱伏裂隙巖溶水水位逐漸降低，所有水位均低于河流地表水河床水位，河流地表水可以向西補(bǔ)給巖溶含水層[3](河水：δD=-59.64‰，δ18O=-8.37‰)。

值得注意的是，C域樣點(diǎn)位于#8和#12之間(井深在236～260 m，B域樣點(diǎn)的井深在163～250 m，根據(jù)物探解譯結(jié)果[15]，#12和#13之間存在斷層，#8、#9、#13和#14井位于斷層下盤，且該斷層為正斷層。因此，雖然C域樣點(diǎn)與B域組樣點(diǎn)位置相近，補(bǔ)給環(huán)境相同，但受地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，氫氧同位素值表現(xiàn)出一定差異性。#9與B域其它樣點(diǎn)的補(bǔ)給來(lái)源相似，且受蒸發(fā)作用影響較小，代表當(dāng)?shù)厣絽^(qū)大氣降水的同位素特征。

5 結(jié)論

從青多水源地巖溶地下水水化學(xué)和同位素特征分析得出以下結(jié)論：

(1)水源地巖溶水水化學(xué)鈣、鎂離子主要來(lái)自碳酸鹽巖中文石、方解石、白云石的溶解，隨著白云石溶解作用的加強(qiáng)，鍶的溶解作用也加強(qiáng)，但方解石溶解作用減弱。

(2)水源地東側(cè)5口井樣品的Sr含量高于西側(cè)10口井，說(shuō)明東側(cè)生產(chǎn)井樣品明顯比西側(cè)井經(jīng)歷的徑流途徑長(zhǎng)；東側(cè)生產(chǎn)井的Sr含量變化不大，推測(cè)開(kāi)采區(qū)一帶沉積層中含鍶礦物缺失，側(cè)面反映出兩側(cè)沉積地層的差異。

(3)水源地地下水主要補(bǔ)給來(lái)源之一是北部山區(qū)，但也可能受到盆地東北部地表水、地下水的補(bǔ)給。

(4)從樣品中氫氧同位素值可以推斷，東側(cè)生產(chǎn)井樣品#1、#3和#5的平均補(bǔ)給高程較低，#15的平均補(bǔ)給高程最高。

(6)水源地西側(cè)10口井的Sr含量和氫氧同位素值的分布具有相似性，它們相互之間可以存在水力聯(lián)系；同理，水源地東側(cè)的#1、#3、#5號(hào)井相互之間也存在水力聯(lián)系。東側(cè)生產(chǎn)井#15因開(kāi)采深度大，目前和其他井處于無(wú)水力聯(lián)系狀態(tài)。