董建楠，劉淑芬，蘇 銳，季瑞利，張 明

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

我國西南某地位于汶川地震影響區(qū)內(nèi)，地震造成了區(qū)內(nèi)地表建筑設(shè)施不同程度的破壞。為評價(jià)地震對該區(qū)水文地質(zhì)條件的影響，2010年立項(xiàng)開展了該地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查和地下水長期監(jiān)測工作，水文地球化學(xué)及同位素水文地質(zhì)研究是其中重要研究內(nèi)容之一，目的是掌握該地區(qū)地下水化學(xué)特征，推測地下水的起源、形成，揭示地下水循環(huán)交替規(guī)律。

1 自然地理概況

研究區(qū)位于我國四川省北部的廣元市，屬于山區(qū)和丘陵區(qū)，地形起伏較大，相對高差達(dá)600m以上，區(qū)內(nèi)地勢南北高、中間低，中部為由西向東流動(dòng)的河流。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均降雨量1600mm，主要集中在7～9月份，約占全年降雨量的80%以上，年蒸發(fā)量略大于年降雨量。

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)含水層主要有第四系松散堆積層含水層組，志留系龍馬溪組第2段 （S1lm2）砂頁巖含水層組及龍馬溪組第3至第5段 （S1lm3～S1lm5）泥頁巖含水層組，其次有泥盆系、石炭系 （D＋C）灰?guī)r含水層組。地下水類型以裂隙水、巖溶水為主，孔隙水次之。地下水主流向?yàn)橛赡媳眱蓚?cè)向中部匯流，之后主要以泉的形式排泄至河流中。

3 樣品采集和測試

2010～2011年，項(xiàng)目組完成了17個(gè)監(jiān)測井的設(shè)計(jì)、施工，其中100m深的鉆孔6個(gè)，200m深的鉆孔5個(gè)，300m深的鉆孔6個(gè)。分別在鉆孔和泉水中采集了水化學(xué)和同位素樣品19組。水化學(xué)測試項(xiàng)目包括：K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－、NO3－、F－、CO32－、TDS、pH、Eh及微量元素等；同位素測試項(xiàng)目包括：氚、氘、氧－18。樣品的分析測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。

4 地下水化學(xué)特征和同位素特征分析

4.1 地下水化學(xué)特征

通過地下水化學(xué)組分測試和水化學(xué)資料整理、分析，得到研究區(qū)主要離子含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果 （表1）。研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)的地下水化學(xué)組分含量變化大，礦化度變化范圍也較大，但主要以低礦化度為主要特征。19個(gè)樣中最小值65.24mg·L－1，最大值1908.40mg·L－1，平均524.16mg·L－1。17個(gè)樣品的總?cè)芙夤腆w （TDS）介于65.24～860.22mg·L－1之間，均為小于1g·L－1，占樣品總數(shù)的90%。地下水的pH值介于7.9～9.48之間。

表1 地下水宏量組分含量及礦化度統(tǒng)計(jì)Table1 The statistical result of common components and TDS in groundwater

按照舒卡列夫地下水化學(xué)類型劃分的原則[2]，對6種主要陰、陽離子中毫克當(dāng)量大于25%的離子進(jìn)行組合命名，可得出本地區(qū)地下水化學(xué)類型主要為HCO3－Na型，其次為HCO3·SO4－Na，HCO3－Mg · Ca， HCO3· SO4－Na，HCO3·SO4－Ca，HCO3·SO4－Ca·Na，HCO3－Mg·Ca·Na型。HCO3－Na型地下水占樣品總數(shù)的58%，HCO3·SO4－Na與 HCO3－Mg·Ca型分別占樣品總數(shù)的15%、10%。

根據(jù)宏量組分進(jìn)行三角圖解 （圖1），結(jié)合表1數(shù)據(jù)可見，區(qū)內(nèi)地下水中陰離子主要為HCO3－，其毫克當(dāng)量百分比占陰離子總數(shù)的43.84%～95.95%，其次為，最高可達(dá)40.86%。陽離子以 Na＋、Ca2＋為主，其中Na＋占水中陽離子總數(shù)的15.46%～99.59%，Ca2＋最高可達(dá)61.24%。

由地下水化學(xué)組分測試結(jié)果可以看出，隨取樣深度的增加，地下水TDS有明顯升高的變化規(guī)律，而Ca2＋離子含量有降低的趨勢，Na＋和HCO3－離子含量有升高的趨勢。與此同時(shí)，水化學(xué)類型由HCO3－Mg·Ca或HCO3·SO4－Ca·Na型向 HCO3－Na型轉(zhuǎn)化。

水化學(xué)特征的這種垂向變化，實(shí)際上是水化學(xué)組分在形成過程中，經(jīng)歷了多種水－巖相互作用的反映。

HCO3－離子是低礦化水的主要陰離子成分，本區(qū)地下水HCO3－離子主要來自含碳酸鹽的沉積巖在有CO2存在時(shí)的溶解。溶解過程如下：

圖1 地下水水化學(xué)piper三線圖Fig.1 Piper diagram of groundwater

區(qū)內(nèi)地下水礦化度普遍較低，與研究區(qū)降雨充沛密切相關(guān)。大部分水樣中NO3－的濃度小于2.5mg·L－1，最高僅為10.2mg·L－1，均值為1.19mg·L－1。表明地下水的水質(zhì)受人類活動(dòng)影響很小，這與研究區(qū)位于山區(qū)、無農(nóng)業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)。

圖2給出了地下水礦化度與宏量組分之間的相關(guān)關(guān)系。從該圖可見，礦化度與陽離子Na＋、K＋含量隨TDS的增大呈線性關(guān)系遞增，相關(guān)系數(shù)為0.995，相關(guān)性較好。Mg2＋、Ca2＋含量隨礦化度的增大呈減小趨勢，說明研究區(qū)陽離子Na＋、K＋對地下水形成作用的貢獻(xiàn)最大。礦化度與陰離子HCO3－呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，SO42－、Cl－隨TDS的增大含量變化不明顯，相關(guān)程度不顯著，顯示出陰離子HCO3－對地下水形成起主要作用。

各種離子含量之間呈較好線性相關(guān)的有：Na＋、K＋與 HCO3－（圖3），其它離子組分含量之間的相關(guān)性很差。與前述地下水化學(xué)組分主要由Na＋、K＋和HCO3－貢獻(xiàn)相符合。

4.2 地下水同位素特征

大氣降水主要來源于海水蒸發(fā)形成的蒸汽團(tuán)，故大氣降水的同位素組成特征取決于海水的同位素組成及海水蒸發(fā)冷凝中同位素的分餾作用，它決定了大氣降水形成初期氫氧同位素組成特征，大量的研究成果表明，大氣降水形成后，其氫氧同位素組成特征在其運(yùn)移中還會(huì)隨著溫度和空間變化而變化，即溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)和降水量效應(yīng)[3]，且大氣降水的δD（2H）和δ18O成線性關(guān)系。因此，可以通過地下水氫、氧穩(wěn)定同位素組成與降水中相應(yīng)同位素的對比，研究一個(gè)地區(qū)地下水的起源問題。

1991年原地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所得出西南地區(qū)降水線方程為：δD＝7.87δ18O＋11.09[4]。研究區(qū)地下水同位素樣品分析測定結(jié)果見表2，將全部水樣的δD，δ18O 值投到西南 地區(qū) δD－δ18O關(guān)系圖上（圖4），可以看出，其同位素組成均落在降水線附近，說明該區(qū)地下水來源于大氣降水入滲補(bǔ)給。

圖2 地下水中常規(guī)離子與TDS關(guān)系Fig.2 Relationship between common components and TDS in groundwater

圖3 鉀鈉離子與各離子含量相關(guān)關(guān)系圖Fig.3 Content relationship between K＋＋Na＋and major anions

地下水中的氚 （3H）含量取決于其補(bǔ)給來源、埋藏及徑流條件。一般潛水和淺層承壓水屬于現(xiàn)代循環(huán)水，其氚含量較高，深層承壓水循環(huán)交替緩慢，氚含量低[5]。氚是氫的一種放射性同位素，氚的濃度用氚單位（TU）表示。當(dāng)1018個(gè)氫同位素混合原子中含有一個(gè)氚原子時(shí)，稱為一個(gè)氚單位 （TU）。區(qū)內(nèi)地下水樣品氚測試結(jié)果列于表2，其變化范圍較大，介于0.96～55.1TU，平均含量為10.48TU。取樣深度為300m的鉆孔水樣6個(gè)，變化范圍0.96～9.92TU，平均氚值為3.843TU；取樣深度為200m的鉆孔水樣5個(gè)，地下水中氚值介于1.02～41.1TU之間，平均氚值12.322TU；100m深的淺鉆5個(gè)，其地下水樣氚值變化較大，為6.22～55.1TU，平均20.124TU。由此可以看出，研究區(qū)地下水中氚的含量隨地下水埋深增大而減小。

圖4 δD－δ18 O 關(guān)系圖Fig.4 Relationship betweenδD andδ18 O

氚是放射性同位素，其含量的多少反映出地下水滯留時(shí)間的長短，對同一地區(qū)而言，其含量越小，表明地下水滯留時(shí)間越長。研究區(qū)地下水中氚的含量隨埋深增大而減小，地下水樣品取樣深度越大，其同位素組成更低，地下水年齡更老。這一事實(shí)說明，深部地下水在年齡上小于淺部地下水，反映了深部地下水循環(huán)交替強(qiáng)度明顯小于淺部地下水，主要原因在于：（1）淺部地下水直接接受大氣降水補(bǔ)給；（2）研究區(qū)位于山區(qū)，地形坡度大，淺部地下水交替能力強(qiáng)；（3）研究區(qū)深部廣泛分布的泥頁巖為弱含水層，故區(qū)域地下水循環(huán)交替緩慢。這同時(shí)也進(jìn)一步說明了區(qū)內(nèi)地下水以垂向交替為主的特征。

5 結(jié)論

通過以上研究得出以下結(jié)論：

（1）區(qū)內(nèi)地下水以低礦化度為主要特征：①TDS最小值65.24mg·L－1，最大值1908.40mg·L－1，TDS平均524.16mg·L－1，隨深度增加，地下水TDS有明顯升高的變化規(guī)律；②地下水類型主要為HCO3－Na型，陰離子主要由 HCO3－組成，其次為SO42－，水 化 學(xué) 類 型 由 HCO3－Mg·Ca 或HCO3·SO4－Ca·Na型向 HCO3－Na型轉(zhuǎn)化；③pH值介于7.9～9.48，呈堿性。隨著深度的增加Ca2＋離子含量有降低趨勢，Na＋和HCO3－離子含量有升高趨勢；④地下水礦化度與陽離子Na＋、K＋、陰離子 HCO3－呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，則體現(xiàn)了潮濕地區(qū)地下水的典型特征。

（2）地下水氫、氧穩(wěn)定同位素組成均落在地區(qū)降水線附近，說明地下水源于大氣降水補(bǔ)給，屬大氣降水入滲成因。

表2 研究區(qū)地下水環(huán)境同位素分析測試結(jié)果Table2 The mesuered isotopic result of groundwater in the study area

續(xù)表2

（3）地下水中氚的含量隨地下水埋深增大而減小，說明深部地下水在年齡上小于淺部地下水，反映了深部地下水循環(huán)交替強(qiáng)度明顯小于淺部地下水，也說明了區(qū)內(nèi)地下水以垂向交替為主的特征。

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[5]萬軍偉，劉存富，晁念英，等 .同位素水文學(xué)理論與實(shí)踐 [M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.