新疆塔城莫合臺洼地富鍶水成因分析

欒志剛，周金玲，馬仲民，王云飛，王建剛

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830002)

1 研究區(qū)概況

莫合臺洼地位于塔城額敏縣東南，烏日克下亦山東段南麓白楊河與布爾闊臺河兩沖洪積扇間，其西側(cè)布爾闊臺河扇緣陡坎處地下水溢出，且在地勢低洼處形成沼澤濕地，而東側(cè)白楊河沖洪積扇緣與洼地接壤部位，無地下水溢出，洼地兩側(cè)扇坡以稀疏的梭梭、白刺等荒漠植被為主；沼澤濕地是當(dāng)?shù)啬吓_鎮(zhèn)的天然優(yōu)質(zhì)冬牧場，主要生長著芨芨草、蘆葦、紅柳、胡楊等。目前洼地東西兩側(cè)扇坡部分荒漠地帶，已改造種植人工滴灌沙棘林，面積達(dá)5萬畝，是全國最大的人工灌溉沙棘示范基地。

沙棘灌溉水源全部取自當(dāng)?shù)氐叵滤∷?00眼，近年來，地下水開采量在700～1 000萬 m3/a。除個別機(jī)井水位有所下降，大部分取水井水位變化不大，靠近西南角附近的機(jī)井水位還存在上升波動狀態(tài)，多年平均地下水位下降<0.3 m/a，說明洼地區(qū)內(nèi)地下水開采屬未超采狀態(tài)，地下水開采量處于允許開采范圍內(nèi)。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洼地區(qū)約30%機(jī)井抽取的地下水中富含有益微量元素-鍶，部分樣品鍶含量≥0.40 mg/L，最高可達(dá)3.63 mg/L。按照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB8537-2018)中各項(xiàng)指標(biāo)限值進(jìn)行天然飲用礦泉水評價，其結(jié)果可滿足天然飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)的井水樣點(diǎn)13個，其中，承壓自流井有5個，主要分布在西扇扇緣及洼地西部，非自流井8個。因此，本次在規(guī)模性水質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造發(fā)展和沉積環(huán)境背景，關(guān)注水化學(xué)特征與微量元素鍶的變化關(guān)系，研究洼地區(qū)儲水構(gòu)造體系與地下水補(bǔ)徑排關(guān)系，探究富鍶水中鍶的來源；對洼地區(qū)富鍶水的空間分布及富鍶水靶區(qū)的確定及合理開發(fā)具有指導(dǎo)意義，富鍶礦泉水及富鍶土地資源開發(fā)將會成為當(dāng)?shù)仂柟堂撠毘晒闹еa(chǎn)業(yè)。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

2.1 構(gòu)造

莫合臺地區(qū)處于準(zhǔn)噶爾弧形構(gòu)造的西翼與塔爾巴哈臺山區(qū)域東西向構(gòu)造的斜接復(fù)合部位，受歷次構(gòu)造運(yùn)動影響，褶皺、斷裂均較發(fā)育，見圖1。這些構(gòu)造帶以南北向擠壓形成的東西向和北東—南西向構(gòu)造形跡為主，對區(qū)域構(gòu)造形態(tài)、沉積建造、巖漿活動、成礦作用及水文地質(zhì)條件具有明顯的控制作用。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

從構(gòu)造綱要圖可看出莫合臺洼地受喀喇蘇(F28)、莫合臺(F1)和莫合臺東(F3)三條斷裂控制而形成地塹。地勢低洼，受第三系以來冰間期暖濕氣候影響，第四紀(jì)沖洪積堆積物在低洼地帶沉積，據(jù)鉆探及物探分析解譯，在莫合臺鎮(zhèn)南部靠近斷陷谷地最低洼處其沉積厚度20～40 m，受基底起伏影響，在莫合臺鎮(zhèn)東北部靠近三角洼地頂部山前扇緣，其基底埋深加大，同一地形標(biāo)高處，靠北基底埋深大于南部約百米，即基底大致呈北凹南凸分布，形成一半封閉的凹槽構(gòu)造，使后期地表水入滲與地下水的循環(huán)轉(zhuǎn)化運(yùn)移過程中，受構(gòu)造環(huán)境影響，部分水在此雍堵，利于地下水流場的靜止緩流，促使沉積作用的加強(qiáng)和水化學(xué)元素的富集，逐漸形成了現(xiàn)代意義上的儲水構(gòu)造帶。

2.2 地層巖性

洼地北側(cè)的烏日克下亦山區(qū)紅色斷塊山體主要由古生界—中生界火山碎屑巖及侵入花崗巖組成?；液谏蚝诰G色的泥盆系及石炭系的淺海相沉積變質(zhì)巖包裹在其周圍，從影像圖上看，其分布狀態(tài)猶如一個淡紅色錐型漏斗被東西兩側(cè)灰黑色(古生界)變質(zhì)巖體包裹托起。在烏日克下亦山前南麓第三系泥巖、砂巖與侏羅系呈角度不整合接觸。

在莫合臺洼地及邊緣，第四紀(jì)松散堆積物，覆蓋在起伏不平的第三系基底之上。其厚度在20～200 m，成因以殘坡積、沖洪積、湖積與沼澤堆積為主，殘坡積物成分與附近基巖一致，在變質(zhì)巖區(qū)，其坡積物角礫直徑相對較小，10 cm左右。而在花崗巖區(qū)的崩坡積物，直徑一般較大，多10～30 cm，在北部山前坡腳最大的崩落物有1～5 m；沖洪積物廣泛分布于洼地東、西兩扇和北部山前傾斜礫質(zhì)平原上，分布厚度40～160 m。東、西兩扇地層巖性為灰黑色礫石和卵礫石；北部山前礫質(zhì)平原區(qū)，則主要由肉紅色花崗質(zhì)碎石、卵礫石夾少量的粉細(xì)砂、粉土組成；湖積與沼澤堆積物在莫合臺洼地地表以下26～72 m深度內(nèi)分布，巖性為灰色含礫砂層和黃褐色含礫夾粘土互層，厚度40～50 m。

3 莫合臺水化學(xué)環(huán)境及水文地質(zhì)特征

3.1 地下水形成及補(bǔ)徑排條件

就區(qū)域而言，山區(qū)是各種水源涵養(yǎng)補(bǔ)給場所，谷地及洼地區(qū)是聚集地下水的賦存分布運(yùn)移轉(zhuǎn)化區(qū)。

F1(莫合臺)和F3 (莫合臺東)兩大斷裂帶在莫合臺低地交匯，均為儲水導(dǎo)水?dāng)嗔眩現(xiàn)1導(dǎo)水儲水特性強(qiáng)于F3，但兩斷裂對促使山區(qū)地下水與洼地地下水的補(bǔ)排關(guān)系更為直接密切，使莫合臺洼地儲水構(gòu)造帶不但接受東北和北部山前暴雨洪流及基巖裂隙水的入滲，同時也接受西北豐富的山區(qū)降水轉(zhuǎn)化形成的地下徑流的補(bǔ)給，且受西北部豐富的降水補(bǔ)給源的影響，其西北地下徑流的補(bǔ)給量成為其主要補(bǔ)給源，見圖2。

圖2 洼地區(qū)地下水埋深及地下水位等值線圖

由地下水流場圖可看出，本區(qū)地下潛水主要流向是由西向東，同時受北部和東北部山前基底及地表暴雨洪流入滲形成的地下水與基巖裂隙水的影響，地下水流場在北部呈偏南轉(zhuǎn)向，同時由于儲水構(gòu)造帶西部及西南部位于隱伏的F1斷裂構(gòu)造帶上，該斷裂性質(zhì)為張扭性，具富水貯水的水文地質(zhì)特性，使由西而來的地下水在此富集，并與由北部和東北部相對的山前基巖裂隙水及山前戈壁礫質(zhì)帶暴雨洪流向洼地區(qū)匯流中滲漏生成的地下水在此匯流，造成地下水流向也發(fā)生向南部下游偏轉(zhuǎn)。

3.2 地下水水化學(xué)環(huán)境特征

莫合臺洼地地下水流方向與區(qū)域地下水流方向基本一致，保持著由西部高地向東部洼地匯流的態(tài)勢。在莫合臺鎮(zhèn)西南地帶地下水承接西北山區(qū)基巖裂隙水質(zhì)特征，保持著優(yōu)質(zhì)的HCO3-Ca型水，礦化度一般小于0.2 g/L，地下水化學(xué)成分中大部分單項(xiàng)指標(biāo)為Ⅰ類、Ⅱ類，個別為Ⅲ類，屬未污染水質(zhì)，且由于洼地西扇區(qū)第四紀(jì)地層巖性以松散粗礫碎屑物為主，地下水補(bǔ)徑排通暢，水化學(xué)環(huán)境良好。

到洼地區(qū)，潛水位埋深一般小于6 m，因其地表巖層的透水性，上部潛水宜受地表灌溉水或降水垂向入滲的淋濾和蒸發(fā)濃縮等的影響，造成淺層地下水環(huán)境較為脆弱敏感，存在高礦化的傾向，所以在洼地區(qū)地下水淺埋區(qū)的潛水水質(zhì)礦化度普遍偏高，且在地表土壤次生鹽漬化現(xiàn)象明顯。因此，洼地區(qū)淺層地下水環(huán)境較為敏感脆弱。而深部承壓水水化學(xué)環(huán)境由于受地表環(huán)境影響較小，地下水化學(xué)組分含量低于淺層潛水，水質(zhì)適用于集中式生活飲用水及工農(nóng)業(yè)用水。

地下水穿過洼地到東扇，其地下水流向在北部山前開始向南偏轉(zhuǎn)，基本保持向東南白楊河下游方向逕流而去，同時，從其水化學(xué)類型主要呈現(xiàn)出HCO3-Ca·Na型和Cl·HCO3-Ca(Mg)型、Cl·SO4-Ca·Na型來看，由于東扇地下水埋深均大于6 m，潛水蒸發(fā)濃縮作用基本對其無影響，但其礦化度出現(xiàn)局部高值，從現(xiàn)有機(jī)井水質(zhì)檢測資料，該地帶礦化度1～4 g/L的面積多達(dá)10 km2，其鍶含量基本在1 mg/L以上，水化學(xué)類型大多以SO4·Cl-Ca或Cl·SO4-Ca型為主。結(jié)合該地帶第四紀(jì)覆蓋基底呈南高北低的半封閉盆狀儲水構(gòu)造特征和地下水流場在此帶受新水源補(bǔ)給影響偏轉(zhuǎn)南的狀態(tài)，推測該地帶地下水受底部基底南高雍堵，使地下水徑流不暢，水循環(huán)相對滯緩，促使沉積作用的加強(qiáng)和水化學(xué)元素的富集，造成水質(zhì)礦化度和鍶含量均較高，特別是地下水中的氯離子、硫酸根離子等易溶鹽指標(biāo)可達(dá)Ⅳ類或Ⅴ類，水質(zhì)級別明顯增高，說明此地帶地下水環(huán)境相對封閉，增大了地下水化學(xué)組分沉淀富集的機(jī)率，易形成微量元素富集的水環(huán)境區(qū)。

4 富鍶水來源及成因分析

4.1 巖石化學(xué)成分

自然界中鍶Sr易與其它元素結(jié)合形成化合物，通過對烏日可下亦山區(qū)黑色火山碎屑巖石和紅色花崗巖兩大主要巖體礦物質(zhì)的化學(xué)成分中鍶的檢測結(jié)果顯示，黑色火山碎屑巖石中鍶含量達(dá)474.7 ug/g，紅色花崗巖中鍶含量是22.3 ug/g，圍巖中鍶含量是侵入紅色花崗巖的21倍。受氣候風(fēng)化、降水溶解等各類物理化學(xué)作用，鍶元素分解成為可溶鹽類化合物，通過水的運(yùn)移轉(zhuǎn)化進(jìn)入地下水中(見圖3)。

圖3 莫合臺北部烏日可下亦山區(qū)紅色侵入巖與黑色火山碎屑巖

在莫合臺洼地東扇(ZK1)和西扇扇緣(ZK2)兩個勘探孔的地層巖性及含水層中分別取51組巖樣和8組不同深度內(nèi)含水層的水樣，其分析結(jié)果:東扇ZK1地層巖性受東北山區(qū)黑色碎屑巖體主導(dǎo)，其鍶含量明顯高于西扇受紅色花崗巖體主導(dǎo)的沉積物，經(jīng)檢測分析，東扇ZK1的鍶含量值基本在250～400 mg/kg，而西扇扇緣ZK2的鍶含量值基本在150～250 mg/kg；其地下水中鍶含量ZK1混合后的水總體是ZK2混合后的3倍以上。由此可見，巖石化學(xué)成分中鍶含量的大小對水中鍶的含量具有較強(qiáng)的影響。

4.2 構(gòu)造成因

由區(qū)域構(gòu)造圖可知，在莫合臺洼地發(fā)育有F1和F3兩組隱伏斷裂，這兩組隱伏斷裂直接控制了該區(qū)三角形洼地的東西邊界，見圖1。

從斷裂的走向上，F(xiàn)1斷裂與向北東延伸可與東北部山區(qū)段額敏——和豐公路F33斷裂相接，F(xiàn)33斷裂穿過東北部山區(qū)東南側(cè)，順斷裂，巖石強(qiáng)烈破碎，破碎帶寬約100～300 m，并有脈狀花崗斑巖順斷裂侵入，斷裂兩側(cè)產(chǎn)狀相頂，巖性變化也較大，一方面說明當(dāng)時發(fā)生過較大的左行剪切錯動，另一方面也為后期山區(qū)地下水匯集、儲存及向平原運(yùn)移過程中水巖化學(xué)作用提供了地質(zhì)環(huán)境條件。同時，在F33斷裂東南部還發(fā)育著白楊河復(fù)向斜的次級構(gòu)造，受后期燕山運(yùn)動，特別是第三紀(jì)以來的喜瑪拉雅運(yùn)動造成的侏羅系及第三系褶皺隆起，使東北部山區(qū)的暴雨洪流形成的季節(jié)性水流到山前受該斷裂帶東南部東西向褶皺隆起的影響，促使季節(jié)水流在流向白楊河河谷方向時受阻后逆轉(zhuǎn)向西，大致順斷裂走向(見遙感影像圖片)，由東北向西南沿白楊河西部沖洪積扇頂面往莫合臺洼地逕流。并在徑流過程中不斷入滲補(bǔ)給白楊河西部洪積扇下的地下水，成為白楊河西部洪積扇靠近山前帶地下水的一個重要補(bǔ)給來源。其富含Sr水源可追蹤至北部山區(qū)古生界和中生界地層上發(fā)育的東西向和北東——南西向縱橫交錯的斷裂的基巖裂隙水，其礦化度高的可達(dá)3.77 g/L，水化學(xué)類型為SO4-Na型，鍶含量達(dá)3.35 mg/L。但這些裂隙泉水量很小，隨季節(jié)變化，干旱季節(jié)基本干涸。主要依靠暴雨形成季節(jié)性洪流，這些季節(jié)性洪流同時攜帶著高富鍶的基巖裂隙水依地勢流向白楊河河谷方向，但由于在白楊河右岸受侏羅和第三系隆起阻擋，折轉(zhuǎn)向西南沿扇頂表面很多平行梳狀小支流匯向莫合臺洼地(見圖4遙感影像圖所示)，這些洪流在下泄過程中部分滲入地下，為莫合臺洼地地下富鍶水的形成提供了必要的物質(zhì)來源。

圖4 莫合臺洼地區(qū)影像圖片

因此，莫合臺洼地由于接受了不同方向山前暴雨洪流及基巖裂隙水的入滲補(bǔ)給，造成洼地區(qū)地下水質(zhì)化學(xué)成分存在較大差異。即洼地西部地下水中鍶含量相對較低，其在運(yùn)移擴(kuò)散過程中對洼地東部高富鍶水有一定的淡化作用，而洼地淺表層的潛水，因其水位埋藏淺受地面蒸發(fā)濃縮作用影響，使地下潛水存在水位埋深淺處地下水鍶含量高，而水位埋深較大的主要補(bǔ)給源西部鍶含量很低，東南部排泄區(qū)的鍶含量也相對低于洼地潛水區(qū)和東北部鍶源富集區(qū)，形成洼地區(qū)不同程度的鍶富集帶。基底構(gòu)造與地下水富鍶程度分布平面位置示意圖見圖5。

圖5 基底構(gòu)造與地下水富鍶程度分布平面位置示意圖

5 結(jié)語

(1)烏日克下亦山東段南麓莫合臺洼地北部山前地帶，第四紀(jì)覆蓋層厚度受基底地形起伏變化影響，厚度在50～200 m，形成了南高北低，中部相對低洼的半封閉的儲水構(gòu)造帶。

(2)區(qū)域地質(zhì)背景條件、地下水補(bǔ)徑排和洼地區(qū)儲水構(gòu)造特征等水化學(xué)環(huán)境造就了洼地地下富鍶水，框定了鍶來源途徑及富鍶水的空間分布特征。

(3)得出儲水構(gòu)造帶是莫合臺洼地區(qū)高富鍶水集中分布區(qū)。但受地下水補(bǔ)給來源及水中鍶含量高低的影響，造成評價區(qū)鍶含量的差異。洼地西部水質(zhì)滿足《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》(GB8537-2018)中各項(xiàng)指標(biāo)限值要求，東部水質(zhì)滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084-2005)，研究成果為當(dāng)?shù)氐母绘J水土開發(fā)規(guī)劃提供了地質(zhì)依據(jù)，正在形成當(dāng)?shù)仂柟堂撠毘晒闹еa(chǎn)業(yè)。