昆侖山至察爾汗鹽湖潛水水化學特征及演化規(guī)律

詹潤澤，李環(huán)環(huán)，盧玉東，周 保，吳 靚，

（1.長安大學 水利與環(huán)境學院，陜西 西安 710054； 2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，青海 西寧 810001）

地下水在參與水循環(huán)過程中，與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換，水化學特征也隨之變化。 通過研究地下水水化學演化特征，可以揭示地下水與環(huán)境之間相互作用機制［1］。 國內(nèi)外學者通過水化學分析及水文地球化學模擬等方法對地下水演化規(guī)律進行了研究。 Sunil等［2］利用水化學分析、相關性分析及聚類分析等方法研究了印度希瓦利克地區(qū)地下水水化學特征。 張未［3］利用水質(zhì)分析、Gibbs 圖等揭示了格爾木河水質(zhì)演化規(guī)律。 王現(xiàn)國等［4-7］基于水化學分析、同位素特征分析及數(shù)值模擬等方法，研究了洛陽盆地地下水水化學特征，闡明了洛陽盆地地下水的補給來源、形成年齡以及地下水環(huán)境演化的主導因素。 張百祖等［8］通過Piper 三線圖、Gibbs 圖和離子比值法研究了控制疏勒河中下游盆地地下水水化學演化的主要因素。

察爾汗鹽湖位于我國西北干旱區(qū)柴達木內(nèi)陸盆地，是目前我國最大的鉀鹽、鎂鹽和鋰鹽生產(chǎn)基地。 隨著察爾汗鹽湖鉀礦開采規(guī)模的擴大，地下礦產(chǎn)資源可采儲量不斷減少，潛水水位急劇下降且水質(zhì)惡化，引發(fā)了鹽湖萎縮、植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題［9］。 要解決察爾汗鹽湖潛水水位下降過程中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，需要對昆侖山至察爾汗鹽湖潛水水化學特征及其影響因素有一個系統(tǒng)認識。 目前在察爾汗鹽湖開展了一些水文地質(zhì)調(diào)查工作［10-11］，但對察爾汗鹽湖潛水水化學特征成因及演化規(guī)律缺乏深入認識。 筆者采用水化學分析、相關性分析、離子比值法、礦物飽和指數(shù)法及反向水文地球化學模擬等方法，探討昆侖山至察爾汗鹽湖潛水水化學特征及演化機制，以期為察爾汗鹽湖礦產(chǎn)資源合理開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

察爾汗鹽湖位于柴達木盆地南緣，南距昆侖山約90 km，總體呈東西向展布，面積約5 800 km2。 鹽湖分為別勒灘區(qū)、達布遜區(qū)、察爾汗區(qū)和霍布遜區(qū)4 個區(qū)域，本文以昆侖山至達布遜湖為研究區(qū)（見圖1），對該地區(qū)潛水水化學特征及演化機制進行研究。 研究區(qū)具有蒸發(fā)強烈、干燥少雨等氣候特征。 研究區(qū)年平均氣溫5.4 ℃，平均相對濕度27.1%，多年平均降水量僅21.2 mm，7—9 月為雨季，降水量占全年的71%，蒸發(fā)能力高達3 560 mm。 地貌單元上從南到北可分為山區(qū)、沖洪積平原、細土平原和鹽沼平原。 地表水主要為山區(qū)冰雪融水、大氣降水及基巖裂隙水匯集形成的格爾木河。 山區(qū)地表徑流補給主要來源于昆侖山積雪融化，平原區(qū)地下水主要補給來源為大氣降水和河流。格爾木河發(fā)源于昆侖山北麓，流經(jīng)格爾木市，在沖洪積平原接受降水補給，同時入滲補給地下水，在格爾木市形成泉集河，最終匯入達布遜湖［12］。 達布遜湖是察爾汗鹽湖區(qū)最大的湖泊，水域呈東西走向，上游格爾木河是其地表唯一補給來源。

圖1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地下水途徑?jīng)_洪積平原、細土平原和鹽沼平原匯入達布遜湖，地下水可分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。 基巖裂隙水主要分布在昆侖山北部，含水層為各類閃長巖。 沖洪積平原地下水主要為松散巖類孔隙水，主要含水層為第四系砂卵礫石層。 地下水徑流過程中，受地形發(fā)生改變的影響，徑流速度變緩，潛水水位埋深變淺，至細土平原地下水溢出地表，形成泉集河，最終匯入達布遜湖。

2 樣品采集與測試

2020 年7 月在研究區(qū)進行多次采樣，共采集水樣59 組，包括昆侖山泉水2 組、沖洪積平原潛水13 組、細土平原潛水31 組及鹽沼平原潛水13 組，研究區(qū)潛水水化學組分含量特征值見表1。 采集水樣前，用去離子水將聚乙烯采樣瓶清洗3 次，然后進行取樣，采集水樣密封保存、做好標記并及時送檢。 水樣檢測由國土資源部西寧礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，檢測項目包括pH 值、總硬度（TH）、溶解性總固體（TDS）和常量離子含量，其中通過電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定，Cl-通過硝酸銀容量法測定，HCO-3通過容量法測定。 所有樣品均通過電荷平衡檢驗（≤5%）。

表1 研究區(qū)潛水水化學含量特征值

3 結果與分析

3.1 潛水水化學特征分析

由表1 可知，研究區(qū)潛水陽離子以Na+、Mg2+為主，陰離子以Cl-為主。 研究區(qū)潛水均為弱堿性，總體變化不大。 從昆侖山到達布遜湖，所采集水樣的TDS總體呈上升趨勢。 地下水徑流過程中不斷與環(huán)境進行物質(zhì)交換，多種無機鹽類化合物溶解進入地下水，同時下游水位埋深變淺，蒸發(fā)結晶作用增強，導致水體離子濃度逐漸升高。

通過Piper 三線圖可以對研究區(qū)潛水水化學特征進行分析，見圖2。 昆侖山泉水水化學類型為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca 型；沖洪積平原潛水水化學類型較為復雜，主要為Cl·HCO3-Na·Mg·Ca 型，其占38.5%；細土平原潛水水化學類型主要為Cl·HCO3·SO4-Na·Mg·Ca 型，其占32.2%；鹽沼平原潛水水化學類型以Cl-Mg·Na 型為主，其占69.2%。 此外，從昆侖山前至沖洪積平原，地下水TDS 含量大部分小于1 g／L，細土平原地下水TDS 含量大部分為1 ～2 g／L，少量大于2g／L，鹽沼平原地下水TDS 含量絕大部分大于2 g／L，至達布遜湖地下水TDS 含量升至366.4 g／L，表明研究區(qū)下游潛水水質(zhì)逐漸下降。 研究區(qū)潛水水化學類型在空間上具有明顯分帶性。

圖2 研究區(qū)潛水水樣Piper 三線圖

3.2 潛水水化學組分相互關系

多元統(tǒng)計法可以對地下水進行分類，揭示潛水水化學組分形成規(guī)律［13］。 利用SPSS26.0 軟件對研究區(qū)潛水水化學組分進行相關性分析，結果見表2。 TDS含量與濃度均顯著相關；Cl-濃度與濃度與K+、Na+、Mg2+濃度均顯著正相關，表明隨著上述陽離子增加而增加，可能來自巖鹽、鉀鎂鹽巖、硫酸鹽巖的溶解。濃度與K+、Ca2+、Mg2+濃度顯著負相關，表明濃度隨著上述陽離子含量增加而減少，可能是在地下水徑流過程中與碳酸鹽巖發(fā)生反應，CO2逸出地下水。

表2 研究區(qū)潛水水化學組分相關系數(shù)

3.3 潛水水化學成因分析

Gibbs 圖可以反映地下水水化學成因機制。 在Gibbs 圖中，橫軸為Na+與Na++Ca2+或Cl-與Cl-+濃度比值，縱軸為水樣的TDS 值。 若橫軸值接近1 且縱軸值較大，則地下水受蒸發(fā)結晶作用影響；若橫軸值在0.5 附近且縱軸值中等，則地下水受水巖作用影響；若橫軸值靠近1 且縱軸值較小，則地下水受大氣降水作用影響。 如圖3（γ表示離子濃度）所示，研究區(qū)昆侖山泉水、沖洪積平原潛水、細土平原潛水基本在TDS 為312～5 590 mg／L、Na+與Na++Ca2+濃度比值為0.5～1.0、Cl-與濃度比值為0.2～0.9 范圍內(nèi)，表明昆侖山泉水、沖洪積平原潛水、細土平原潛水主要受水巖作用影響，極少部分受蒸發(fā)結晶作用影響；研究區(qū)鹽沼平原潛水TDS 為445 ～366 400 mg／L、Na+與Na++Ca2+濃度比值為0.3 ～1.0、Cl-與濃度比值為0.2 ～1.0，表明鹽沼平原潛水主要受蒸發(fā)結晶作用影響，極少部分受水巖作用影響。 這表明研究區(qū)蒸發(fā)結晶作用增強，大氣降水對研究區(qū)潛水水化學組分的影響較小。

圖3 研究區(qū)潛水水樣Gibbs 圖

3.4 潛水水化學組分離子比值分析

地下水循環(huán)過程中各組分含量之間的比例系數(shù)具有明顯規(guī)律性，可以描述地下水化學成因及形成過程，研究區(qū)地下水各主要離子含量相互關系見圖4（ρ表示離子毫克當量）。

圖4 研究區(qū)潛水離子含量比值關系

研究區(qū)自昆侖山至細土平原，所采集水樣ρ（Na+）／ρ（Cl-）略大于1，表明該地區(qū)地下水不僅參與了巖鹽的溶解過程，而且發(fā)生了陽離子交換。 鹽沼平原潛水向下偏離ρ（Na+）／ρ（Cl-）1 ∶1 線，Na+、Cl-含量快速增加，表明該地區(qū)地下水Na+、Cl-富集。

研究區(qū)鹽沼平原所采集水樣向上偏離ρ（Ca2++線，表明Ca2++Mg2+富集或HCO3-+SO4

2-貧化。 主要原因是，地下水流經(jīng)察爾汗地區(qū)時大量鉀鎂鹽被溶解，地下水中Mg2+濃度增大。

氯堿指數(shù)（CAI）可以表明地下水徑流過程中離子交換程度。 氯堿指數(shù)為負值表示水中Ca2+、Mg2+與巖土中的Na+進行了離子交換，若為正值則表示水中Na+與巖土中的Ca2+、Mg2+進行了離子交換。 研究區(qū)自昆侖山至細土平原所采集水樣大部分氯堿指數(shù)為負值，表明該地區(qū)地下水徑流過程中主要陽離子交換作用為地下水中的Ca2+或Mg2+交換巖土中的Na+；鹽沼平原所采集水樣大部分氯堿指數(shù)為正值，表明該地區(qū)地下水徑流過程中地下水中的Na+交換巖土中的Ca2+或Mg2+。

由上述分析可知，研究區(qū)潛水中K+、Na+和Cl-主要來源于巖鹽、鉀鎂鹽的溶解，Ca2+與主要來源于石膏的溶解，Mg2+主要來源于石膏和鉀鎂鹽的溶解。研究區(qū)鹽沼平原潛水水樣中和Cl-濃度較高，這與表1 相吻合。

3.5 反向水文地球化學模擬

（1）礦物飽和指數(shù)。 為了了解研究區(qū)地下水水化學組分的溶解平衡狀態(tài)，采用礦物飽和指數(shù)（SI）［14］對研究區(qū)潛水水樣進行分析。 根據(jù)研究區(qū)水文資料以及水化學分析結果，確定了2 條反演模擬路徑：SQ-1 至CHJ-1 至YZ-4、CHJ-2 至XT-1，見圖1。 研究區(qū)潛水巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石、白云石等礦物的飽和指數(shù)見表3。 研究區(qū)潛水石膏、巖鹽、鉀鹽和CO2（g）（氣態(tài)CO2）的礦物飽和指數(shù)均小于0，表明研究區(qū)潛水這些物質(zhì)處于不飽和狀態(tài)；方解石、白云石的礦物飽和指數(shù)均大于0，表明研究區(qū)潛水這些物質(zhì)處于飽和狀態(tài)，說明方解石、白云石礦物溶解不是研究區(qū)潛水Ca2+、Mg2+和的主要來源。 2 條反演路徑上的沉淀溶解規(guī)律與上述離子比值關系相符。

表3 研究區(qū)潛水礦物飽和指數(shù)

（2）路徑反演。 PHREEQC 軟件通過確定一條地下水徑流路線上的起點與終點，建立質(zhì)量平衡模型對這兩點之間地下水化學組分進行反向水文地球化學模擬。 根據(jù)研究區(qū)水文資料及水化學分析結果，研究區(qū)地層富含鉀鹽、巖鹽、白云石、石膏和方解石等礦物，考慮陽離子交換作用以及地下水徑流過程中可能會有CO2溶解進入潛水，將鉀鹽、巖鹽、白云石、石膏、方解石、CO2等作為可能礦物相進行路徑反演，模擬結果見表4。

表4 研究區(qū)潛水路徑反演模擬結果 mmol／L

方解石和白云石溶解均會產(chǎn)生Ca2+，引起同離子效應，所以方解石沉淀則白云石溶解，白云石沉淀則方解石溶解［15］。 路徑1 中SQ-1 至CHJ-1 潛水發(fā)生的水巖作用：白云石沉淀，其余礦物相均溶解，發(fā)生了陽離子交換作用，導致0.113 mmol／L 的Na+離開地下水，0.056 5 mmol／L 的Ca2+進入地下水，另外CO2（g）溶解量為0.626 6 mmol／L。 路徑1 中CHJ-1 至YZ-4 潛水發(fā)生的水巖作用：方解石沉淀，其余礦物相均溶解，發(fā)生了陽離子交換作用，導致2.075 0 mmol／L 的Na+離開地下水，1.037 0 mmol／L 的Ca2+進入地下水，另外CO2（g）逸出量為0.564 2 mmol／L。 路徑2 中CHJ-2至XT-1 潛水發(fā)生的水巖作用：方解石沉淀，其余礦物相均溶解，發(fā)生了陽離子交換，導致4.154 0 mmol／L 的Ca2+離開地下水，8.309 mmol／L 的Na+進入地下水，另外CO2（g）逸出量為2.505 0 mmol／L。

路徑反演模擬結果表明，研究區(qū)潛水徑流過程中發(fā)生了方解石沉淀及CO2的逸出，潛水中常量離子的物質(zhì)來源為白云石、石膏、巖鹽、鉀鹽的溶解，以及陽離子交換等。 由于巖鹽的溶解量遠大于其他礦物相的，導致地下水中Na+、Mg2+、Cl-含量增加，因此研究區(qū)潛水水化學類型從HCO3·SO4·Cl-Mg·Na·Ca 型演化為Cl-Mg·Na 型。

4 結 論

研究區(qū)潛水水化學類型較為復雜，從昆侖山至察爾汗鹽湖水化學類型由HCO3·SO4·Cl-Mg·Na·Ca型逐漸演化為Cl-Mg·Na 型，水質(zhì)逐漸下降。 研究區(qū)潛水水化學類型在空間上具有明顯分帶性。 潛水水化學組分主要受水巖作用和蒸發(fā)結晶作用控制，其中昆侖山泉水、沖洪積平原潛水和細土平原潛水主要受水巖作用控制，鹽沼平原潛水主要受蒸發(fā)結晶作用控制。礦物飽和指數(shù)和路徑反演模擬結果表明，研究區(qū)潛水中常量離子增加的主要物質(zhì)來源為方解石沉淀，CO2（g）的逸出，白云石、石膏、巖鹽和鉀鹽的溶解，以及陽離子交換，其中Ca2+和的主要來源為石膏的溶解，K+、Na+、Mg2+和Cl-的主要來源為鉀鎂鹽和巖鹽的溶解。