魏良帥， 孔德彥， 羅雲(yún)豐， 賈 逸， 舒勤峰

(1. 中國地質科學院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心,四川 成都 611734; 3.四川省地質礦產勘查開發(fā)局九一五水文地質工程地質隊，四川 眉山 620010)

0 引言

紅層(以侏羅系和白堊系砂巖、泥巖為主)長期被視為“地下水資源缺乏的貧水地層”，其水資源時空分布極不均勻，資源性缺水和工程性缺水并存的現(xiàn)象極大制約了區(qū)域經濟的發(fā)展，紅層找水是地下水勘查的難題之一，研究找水區(qū)的地下水賦存環(huán)境、地下水成分特征及地下水的演變規(guī)律是水文地球化學的基本任務。

近些年，國內外學者對地下水化學分析開展了大量研究工作，主要運用野外調查、室內數(shù)理統(tǒng)計及水文地球化學模擬的方法對地下水的水文特征、區(qū)域性規(guī)律進行研究。毛文清等[1]對紅層地下水的形成環(huán)境和水文地質類型進行了研究，認為地下水主要受到構造帶控制；張廷山等[2]對川東北地區(qū)紅層地下水的賦存特征進行了研究，并分析了地下水富集的影響因素；朱春林等[3-4]系統(tǒng)地論述了紅層中的含鹽層導致地下水水質復雜、富水性差異性大的特征，總結了云南地區(qū)紅層賦存主控因素、富集條件及規(guī)律；周緒綸[5]和張福存等[6]對四川盆地紅層地下水特征和水文條件進行了總結分析，并建議了紅層地區(qū)地下水的開發(fā)利用模式；曾彩霞等[7]對成都青白江小流域紅層地下水水文特征、成因及富集模式進行了研究；周中海等[8]利用GIS技術對云南楚雄地區(qū)地下水特征和類型進行了分析，并建立了紅層地下水的區(qū)域水化學空間模型。以上學者，主要關注紅層區(qū)相對經濟發(fā)達的盆地區(qū)的水文地質問題，對集中連片貧困缺水區(qū)地下水水化學的研究工作尚存在眾多不足。

本次研究區(qū)位于四川盆地南部南緣，金沙江北岸的屏山縣境內，經度104°～104°15′；緯度28°40′～28°50′，屬烏蒙山集中連片貧困缺水區(qū)，本次工作側重于川南紅層地區(qū)的地下水賦存環(huán)境及特征的研究，在開展1:5萬水文地質調查基礎上，利用統(tǒng)計分析手段分析地下水水化學特征、類型和地下水的控制性因素，查明研究區(qū)含水層地質條件、地下水類型、地下水分布和地下水賦存環(huán)境與運移規(guī)律，為地下水資源開發(fā)利用提供重要的地質基礎資料，對解決川南貧困缺水區(qū)居民缺水問題，改善群眾用水，加快脫貧致富步伐，支撐國家扶貧戰(zhàn)略具有重要的意義。

1 研究區(qū)地質背景

研究區(qū)地形南高北低，主要分布中山和低山地貌，西南部為巖溶中山峽谷地貌，高程一般1000～2000 m，相對高差500～1000 m，東西部洼地發(fā)育，總表現(xiàn)為侵蝕作用大于溶蝕作用，特點為沖溝發(fā)育，且呈“V”形谷，溶蝕裂隙普遍發(fā)育，亦有數(shù)量不多洞身不長的溶洞。中部及東部區(qū)域多為斜坡狀中山，尤以岷江和金沙江分水嶺地帶為多，高程一般1000～1500 m，相對高差300～600 m，中山區(qū)溝谷狹窄，一般為“V”型谷，坡度較陡，一般大于40°。而低山地貌區(qū)高程一般700～1200 m，相對高差100～500 m。

研究區(qū)廣大低山區(qū)地層主要為紅層，覆蓋以紫紅色、暗紫紅色、棕紅色為主的侏羅系和白堊系的砂巖、泥巖及少量薄層灰?guī)r，占整個研究區(qū)約87.80%的面積；其余以三疊系的灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁巖為主，占研究區(qū)面積的11.51%左右；在河谷地區(qū)分布少量第四系沖積、洪積等地層，主要地質構造為五指山-龍橋背斜，天宮堂背斜、龍華寺向斜及屏山向斜，主要斷裂為團半石壓扭性斷裂。其地層特征和分布如表1和圖1所示。

2 研究區(qū)地下水賦存環(huán)境

2.1 地下水賦存基本條件

研究區(qū)氣候溫濕，降雨豐富，地表水文網發(fā)育，因而與其密切相關的淺層地下水交替循環(huán)暢通，補給來源充足[9]，地下水賦存環(huán)境可分為紅層區(qū)和非紅層區(qū)。在紅層分布區(qū)，地下水賦存于白堊系、侏羅系的砂巖、泥巖中，其地層多含鈣質膠結物和透鏡體，還含有可溶鹽組分，主要為鈣質及纖維狀、層狀、顆粒狀石膏和鈉質芒硝等，受風化作用影響，結構疏松，易產生溶蝕孔隙和風化裂隙，為地下水的運移儲存增加了空間；在非紅層分布區(qū)，地層分布受五指山背斜、天宮堂背斜和龍華寺向斜構造控制，在背斜翼部伴生由擠壓作用形成斷裂，巖溶發(fā)育，有利于地下水富集；地下水賦存運移以溶洞管道流為主,中等至強富水，含水性極不均一，地下水枯季徑流模數(shù)6.25～8.30 L/s·km2。

研究區(qū)內構造形跡簡單，褶皺舒緩，構造裂隙和構造破裂面控制了區(qū)域內風化裂隙的發(fā)育，對地下水的富水狀況具有重要影響。地下水受到構造形跡的影響，背斜核部的縱張裂隙發(fā)育，構成含水層，而下部巖層裂隙發(fā)育相對較弱，構成相對隔水層。地下水接收大氣降雨補給，沿構造裂隙下滲至潛水面，遇下部相對隔水層而蓄集，再沿含水層與隔水層界面由高處向低處運移，在溝谷切割、地勢較低或地形陡變處出露成泉(圖2a)；對于向斜構造的影響，在向斜核部發(fā)育縱張、橫張裂隙，其順層面發(fā)育層面裂隙，地下水沿縱張、橫張裂隙下滲沿層間裂隙由兩翼向核部匯集，并在溝谷切割、地勢較低或地形陡變處出露成泉(圖2b)。

2.2 地下水賦存類型

圖2 研究區(qū)地質構造賦存地下水環(huán)境的模式圖

研究區(qū)地下水類型按地下水賦存條件、埋藏條件、水理性質及水動力特征等，結合地球物理探測驗證，可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙層間水和碳酸鹽類巖溶洞水4種類型。

(1)松散巖類孔隙水，主要埋藏于江河兩岸松散堆積體及沖積層中，其補給來源主要大氣降水，一般以滲透形式向河流排泄，局部低洼地段以泉的形式排泄。

(2)基巖裂隙水，主要為風化帶裂隙水，多在溝谷兩側或斜坡地帶以裂隙泉排泄，具“就近補給，就近排泄”的特點，構造發(fā)育地帶下滲的降水逐步匯集到含水層與隔水層的裂隙中繼續(xù)運移，并在地勢低洼地帶以接觸泉的形式排泄。地下水在斷裂帶附近的徑流模數(shù)>5 L/s·km2，常見泉水流量0.5～1.0 L/s，水量較豐富；而在遠離斷裂帶的基巖中的地下水徑流模數(shù)為0.1～1.0 L/s·km2，常見泉水流量<0.1 L/s，水量貧乏。

(3)碎屑巖類孔隙裂隙層間水，以須家河組地層的碎屑巖作為含水層的地下水類型，砂巖是含水層，煤系、頁巖夾少量薄層細砂巖為相對隔水層。地下水多分布于背斜區(qū)，接受大氣降水和相鄰含水層的越流補給，水量較豐富，但地下水分布埋藏不均。

(4)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，主要分布于三疊系雷口坡組和嘉陵江組的灰?guī)r中。地下水的徑流以溶蝕裂隙、巖溶管道運移，排泄途徑向江河排泄或向深部滲漏。

3 地下水水文地球化學特征

本次調查對研究區(qū)內代表性地下水的水質樣品進行采集，共采集122組進行檢測分析，樣品在野外不進行預處理，樣品采集后再對其進行現(xiàn)場封蠟處理，水質樣品的保存按照《水質采樣樣品的保存和管理技術規(guī)定》(HJ 493-2009)[10]進行處理，檢驗測試方法按照《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)[11]的規(guī)定，使用離子色譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)進行檢測分析。

3.1 地下水化學特征

對研究區(qū)內的122組地下水水樣進行水化學成分特征值統(tǒng)計分析(表2)，可知：(1)地下水的陽離子以Al3+和Fe離子為優(yōu)勢陽離子，其次為Ca2+，均值由大至小順序為Al3+>Total Fe離子>Ca2+>Na++K+>Mg2+，其Al3+、Fe離子含量較高，是紅層中含有大量粘土礦物和鐵質(氫)氧化物的溶解造成的；(2)陰離子主要以HCO3-為主，其次為SO42-，以陰離子均值大小順序排列為HCO3->SO42->NO3->Cl-；(3)總溶解固體(TDS)值位于28 ～ 668 mg/L之間，平均值為179.93 mg/L，小于1 g/L，同時TDS的標準差較大，但變異系數(shù)較小，說明研究區(qū)內地下水均屬于淡水，且徑流相對緩慢，其相對含量差別不大；(4)pH值在6.08 ～ 8.43之間，平均值為7.46，屬于弱堿性水。由于Na++K+、Ca2+、Fe離子、Al3+、HCO3-、NO3-的變異系數(shù)相對較小，說明了研究區(qū)地下水相對較為穩(wěn)定；而Mg2+、SO42-、Cl-的變異系數(shù)較大，說明了這些離子在研究區(qū)地下水中含量變化也較大，易隨環(huán)境變化而發(fā)生相應變化。

表2 研究區(qū)地下水水化學成分統(tǒng)計特征值 mg/L

3.2 相關性分析

相關性分析可以解釋地下水化學參數(shù)之間是否存在相關關系、依存性質及程度等，可揭示地下水來源的一致性和差異性[12-13]。利用SPSS軟件對研究區(qū)地下水化學參數(shù)進行Pearson相關系數(shù)分析，其結果如表3所示。由分析結果表明，研究區(qū)地下水中的Na++K+和Ca2+及Mg2+均呈正的顯著性相關關系；Ca2+和Mg2+也呈顯著性正相關，其原因可能是紅層中所含白云石礦物的溶解影響造成的[13]。SO42-與Na++K+、Mg2+呈高度線性相關(R=0.892, 0.758>0.70)，而HCO3-與Ca2+及Mg2+呈高度線性相關(R=0.958, 0.791)；總溶解固體(TDS)與陽離子的相關大小依次為Ca2+(0.932) >Mg2+(0.907) >Na++K+(0.834)，而與陰離子相關性關系系數(shù)自大至小為HCO3-(0.889) >SO42-(0.776)>Cl-(0.670)>NO3-(0.537)，其中TDS與陽離子、HCO3-和SO42-高度線性相關，說明地下水主要以Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子為主，且易以離子形態(tài)共存于地下水中。

表3 研究區(qū)地下水水化學成分Person相關系數(shù)(R)

注：以上相關系數(shù)均通過P<0.01水平上顯著雙尾檢驗。

3.3 地下水水化學類型

將研究區(qū)122組地下水水質樣品數(shù)據(jù)導入Piper三線圖中，并對各地下水類型面積進行統(tǒng)計(表4)和地下水類型進行分類(圖3)，并建立了地下水類型空間分布圖(圖1)。從圖3和表4可知，研究區(qū)內水化學類型主要以HCO3--Ca2+、HCO3-·SO42--Ca2+、HCO3--Ca2+·Mg2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型為主，這4類地下水類型約占總數(shù)量的97.74%；且從圖3中可看出局部地點分布有HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+·Na+、HCO3-·SO42--Ca2+·Na+、HCO3-·SO42-·NO3--Ca2+、SO42-·NO3--Ca2+·Mg2+等類型，僅占有研究區(qū)總面積約2.26%。

表4 研究區(qū)地下水水化學類型統(tǒng)計

3.4 地下水特征控制因素

地下水的水化學特征主要受到地形地貌、地層巖性、地質構造、氣象因素、徑流路徑及條件的影響，往往多是定性的評價各影響因素對地下水的作用，而利用主成分分析可將相關關系變量轉為較少綜合指標的多元統(tǒng)計方法，研究地下水水化學特征形成的主要作用與因素，更清楚的了解其影響程度。

圖3 研究區(qū)地下水特征Piper三線圖

本文利用SPSS軟件，通過主成分分析，利用方差最大正交的旋轉分析方法，可以得到地下水各成分的特征值(表5)。由主成分因子貢獻率可知，前2個因子的特征值>1，且特征值之和占總特征值的84%，因此提取前2個因子，得到第一主成分和第二主成分載荷如表6所示。

表5 主成分因子貢獻率

注：旋轉在3次迭代后收斂。

從表5、表6可知，第一主成分F1的方差貢獻率為70.6%，主要與Na++K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-和TDS呈密切的正相關，其載荷分別為0.865、0.750、0.855、0.900、0.749和0.884，反映了地下水受到了含水巖層的影響，由前可知，區(qū)內紅層主要由砂巖、泥巖等組成，通常在巖層中含有方解石、白云石和石膏脈或結晶體，其中Ca2+、Mg2+和HCO3-主要來自于巖層中方解石、白云石、石膏礦物的溶解作用；SO42-濃度在地下水中呈現(xiàn)較高數(shù)值，在陰離子組成中也較為顯著，區(qū)域內主要形成了HCO3-·SO42--Ca2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型地下水，因此SO42-主要來自石膏、芒硝等易溶性礦物的溶解和黃鐵礦等硫化礦物的風化、氧化作用，因此F1指示了巖石的礦物溶濾效應對地下水的影響，反映了地層巖性對地下水的控制因素。

第二主成分F2的方差貢獻率為13.4%，主要與Cl-和NO3-呈密切的正相關關系，其載荷分別為0.848和0.920。研究區(qū)主要位于四川盆地南緣，酸雨頻率大于50%，呈現(xiàn)出酸雨頻率高的特點，這說明了Cl-和NO3-主要來源于大氣降雨，因此F2指示了大氣降雨對地下水的影響，反映了氣象因素對地下水的影響。

對于地下水化學組分的來源、動力過程和演化特征可利用比例系數(shù)法來進行說明，通過離子毫克當量濃度的比值進行描述地下水的特征，通過統(tǒng)計分析計算來判斷地下水的動力條件等[13]，各離子比值計算表(表7)。[Cl-/Ca2+]比例系數(shù)可描述地下水動力參數(shù)，Cl-通常富集于水動力滯緩區(qū)，Ca2+主要屬于低礦化度水質的陽離子特征，研究區(qū)的[Cl-/Ca2+]平均值為0.101，表明其地下水動力條件較好，水流交替作用強，水巖溶濾作用充分。[SO42-/HCO3-]、[Cl-/HCO3-]和[Cl-/SO42-]的比值可反映地下水陰離子的演化過程，而研究區(qū)[SO42-/HCO3-]、[Cl-/HCO3-]和[Cl-/SO42-]的平均值分別為0.278、0.039和0.218，說明了研究區(qū)地下水中的碳酸鹽最易溶解，主要來自于碳酸鹽礦物的溶解導致的，其次是硫酸鹽的溶解，主要來自于石膏和硫化礦物的溶解。對于地下水陽離子的相互關系，低礦化度水中Ca2+占優(yōu)勢，當徑流過程中TDS增加后促使Mg2+含量增加，當TDS進一步增加時，會導致地下水中Na+占有優(yōu)勢地位。因此，[Ca2+/Na+]和[Mg2+/Na+]的比值可判斷地下水徑流過程中是否發(fā)生離子交換作用，可反映地下水徑流演化過程中的礦化程度，研究區(qū)地下水的[Ca2+/Na+]和[Mg2+/Na+]平均值分別為10.607和1.662，可知研究區(qū)主要是Ca2+和Mg2+占優(yōu)勢，屬于低礦物度水，也側面反映出研究區(qū)地下水主要由碳酸鹽類礦物控制，其徑流動力過程較為強烈。[Na+/Cl-]可表征地下水中是否具有長石礦物的溶解效應，對于低礦物水的[Na+/Cl-]比值通常大于標準海水[Na+/Cl-]平均值0.85，而研究區(qū)地下水的[Na+/Cl-] = 2.867>0.85，說明研究區(qū)的Na+主要來自于含鹽地層(如：芒硝等)風化-溶濾作用形成的，并不是來自于長石礦物的水巖作用導致的。

4 結論

(1)研究區(qū)地下水分布受到地層巖性和地質構造控制，按水化學特征，以HCO3--Ca2+、HCO3-·SO42--Ca2+、HCO3--Ca2+·Mg2+和HCO3-·SO42--Ca2+·Mg2+型為主，占整個研究區(qū)面積97.74%。

(2)研究區(qū)地下水陽離子以Al3+、Fe離子為主，但Ca2+控制了地下水類型，陰離子以HCO3-為主，其次為SO42-，TDS均小于1 g/L，pH均值為7.46，屬于弱堿性低礦化度淡水。

(3)研究區(qū)Na++K+、Ca2+、Fe離子、Al3+、HCO3-、NO3-的變異系數(shù)相對較小，表明研究區(qū)地下水相對較為穩(wěn)定；而Mg2+、SO42-、Cl-的變異系數(shù)較大，說明Mg2+、SO42-、Cl-易隨環(huán)境變化而發(fā)生相應變化。

(4)相關性分析表明研究區(qū)地下水主要以Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子為主，且易以離子形態(tài)共存于地下水中。

(5)根據(jù)主成分分析和離子比例系數(shù)分析，研究區(qū)地下水以Ca2+占優(yōu)勢，Ca2+、Mg2+和HCO3-主要來自于巖層中方解石、白云石、石膏礦物的溶解作用，Na+主要來自于芒硝等易溶鹽的溶解作用，SO42-主要來自石膏、芒硝等易溶性礦物的溶解和黃鐵礦等硫化礦物的風化、氧化作用，Cl-和NO3-

主要來源于大氣降雨；研究區(qū)地下水徑流動力條件較好，主要受到碳酸鹽巖的控制；而主成分分析也說明了研究區(qū)受地層巖性和氣候降雨為主的兩大主成分因素的影響。