龙子祠泉域岩溶水水化学-同位素特征唐春雷;梁永平;王维泰;赵春红;申豪勇【摘要】通过对2013年龙子祠泉域岩溶水进行调查及35组样品测试分析,利用舒卡列夫分类法进行分类,龙子祠泉域岩溶地下水以SO4·HCO3-Ca·Mg型水为主,其中SO42-在岩溶水水化学类型以及地下水质量类别确定中具有重要作用.SO42-主要有两种来源,分别由中奥陶统碳酸盐岩石膏溶解和煤系地层中黄铁矿的氧化产生.氢、氧同位素分析结果表明,龙子祠岩溶地下接受古水和现代水的混合补给.硫同位素研究分析得出龙子祠泉水中源于煤系地层的SO2-的比例为22.22％,说明泉域地球化学背景对岩溶地下水造成的污染是重要因素,但与2004年的硫同位素结果计算比例(14.37％)相比较,目前泉水中源于煤系地层的SO4-的比例增高7.85％.%Through the investigation and analysis of 35 samplesin Longzici spring basin,the hydrochemical characteristics were made by Shukallev classification.Karst groundwater is mainly composed of SO4 · HCO3-Ca · Mg,the sulfate ion plays an important role in water chemistry and water quality.Sulfate ion of two kinds of sources mainly comes from gypsum or pyrite oxidation.The source of replenishment of groundwater in Longzici spring basin is fossilwater and modern,from the test results of hydrogen and oxygen isotopes.Isotope analysis shows that the proportion of sulfate ion in coal measure strata is 22％,which indicates that the geochemical background of the spring area is an important factor for the pollution of karst groundwater.But compared with the calculation of sulfur isotope results in 2004 14.37％),the proportion of SO42-in coal-bearing strata is significantly high 7.85％.【期刊名称】《桂林理工大学学报》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】6页(P53-58)【关键词】岩溶水;水化学;氢氧同位素;污染途径;龙子祠泉域;山西【作者】唐春雷;梁永平;王维泰;赵春红;申豪勇【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】P641.134地下水中的化学成分可以示踪地下水的循环途径, 反映地下水流系统的特征; 而地下水水化学类型是地下水化学成分的集中反映, 也是地下水水文地球化学特征研究的重要内容之一[1-3]。
水文地球化学结合同位素示踪[4-8]的方法可更深入研究区域地下水的循环特征和水动力场特征, 了解地下水的水质及其分布状况, 对于区域地下水资源可持续开发利用和综合管理也具有一定的指导作用, 而对于地质、水文地质条件等复杂地区水循环特征、水动力场等的研究具有重要的理论意义和现实意义[9-10]。
龙子祠泉位于山西省临汾市市区西南13 km的西山山前。
西山属吕梁山脉, 泉水出露于西山与盆地交接处的坡积物中, 泉水大多以散流形式溢出地表。
泉水流向临汾盆地, 汇入汾河[14-16]。
泉水20世纪60年代平均流量为6.14 m3/s, 2005—2013年多年平均流量下降为3.45 m3/s。
泉域范围:北部及东北部边界, 由西北向东南为泰山梁-青山峁(高程1 625.2 m)-上村山(高程1 432.7 m)-青龙山(1 332.6 m)-西庄, 东部边界自北向南为西庄-土门西-龙子祠-浪泉-南范庄。
西部边界自北向南为五龙山-化乐东-台头西-尉庄西, 南部边界自西向东为西交口-南范庄(图1)。
以上划定龙子祠泉域面积为2 250 km2, 其中裸露区碳酸盐岩面积574 km2。
泉域范围包括临汾市的尧都、襄汾县、洪洞县、乡宁县、蒲县、汾西县等9县(区), 其中尧都、蒲县和乡宁分布面积均在500 km2以上, 运城市的新绛县和稷山县的分布面积在10 km2以下[17-22]。
龙子祠泉域北部为向斜盆地, 南部为向北西倾斜的单斜构造。
补给以向斜翼部裸露灰岩区降水入渗为主, 其次为来自石炭-二叠系砂页岩区的地表径流入渗补给。
通过开展野外地质、水文地质补充调查, 分析龙子祠泉域水文地质条件, 通过对岩溶水重要补给源(包括地表水、对岩溶水有渗漏补给的煤矿排水等)了解岩溶水水质状况。
于2013年11月取样35组, 其中岩溶泉2组, 地表水3组, 矿坑排水4组, 煤系地层井2组, 岩溶井24组。
pH、温度、电导率等指标直接通过WTW 多功能水质监测仪现场测试获得; 水化学分析在国土资源部太原矿产资源监督检测中心实验室完成。
2H/18O 同位素在中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部重点实验室用德国同位素质谱仪Thermo Finnigan MAT 253进行测定, 测定结果以相对于VSMOW 标准的千分差表示, 测定精度分别为±2.0‰和±0.1‰; δ34S 值在中国地质调查局武汉地质调查中心实验室完成, δ34S值采用IsoPrime质谱仪进行测定, δ34S值采用CDT(Canyon Diablo Meteorite)标准, 测试精度优于±0.1‰。
3.1 水化学类型据本次工作所取得的岩溶地下水水质分析结果,采用舒卡列夫分类法确定地下水化学类型(表1)。
岩溶地下水的水化学组分特征总体上表现为阳离子高钙镁、低钾钠, 阴离子低氯、高硫酸根，且硫酸根与重碳酸根含量呈负相关。
阳离子在三线图中分布相对分散, Ca、 Mg、 Na百分比大于10%均有出现。
但总体上Mg 的变幅相对较小, Ca多数偏高, 而个别样品Na的百分比可达到40%以上。
水化学三线图(图2)Ca、Mg、集中落在菱形的左上角, 充分体现了本区碳酸盐岩-硫酸盐岩地层建造的地球化学背景条件。
本区重碳酸根保持相对稳定，含量主要集中在216～306 mg/L。
从补给径流途径来看, 龙子祠泉域岩溶地下水补给途径较短。
从表1看出，地表水水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Na型水，3个不同地表水水化学类型相同；矿坑排水源于煤系地层中的比例最高; 地表水中的比例接近于矿坑排水, 3个地表水样品的水量主要源于矿坑排水。
煤系地层井水和矿坑水的水化学类型主要为SO4-Ca型水，高, 高Ca,部分水样Na含量较高, 说明有生活污水汇入水样点。
含量百分比排首位的有23个样品, 说明在泉域岩溶水水化学类型以及地下水质量类别确定中具有重要作用。
综上所述，龙子祠泉域岩溶地下水以SO4·HCO3-Ca·Mg型水为主，且大部分岩溶地下水超标。
3.2 矿化度的变化分析本次水化学样品的24个岩溶水样品矿化度含量变化为340.5～2 340 mg/L, 变幅接近7倍。
总体上, 在泉域北翼(紫荆关断层北东侧), 龙子祠向斜轴部埋藏区, 矿化度一般都在1 000 mg/L以上, 山前排泄区则一般在1 000 mg/L以下; 泉域南翼(紫荆关断层西南)西侧碳酸盐岩埋藏区矿化度高于东侧碳酸盐岩裸露区, 比较典型的是豁都峪, 从上游向下游, 台头(1 681 mg/L)-高家河(956 mg/L)-光华村(857 mg/L)-西宽水村(568 mg/L)-铺头村(518 mg/L), 矿化度逐渐降低。
西部为补给区, 灰岩为埋藏型, 岩溶地下水补给、径流速度较慢, 水岩作用充分, 导致矿化度较高。
东部为径流-排泄区, 灰岩为裸露型, 岩溶地下水补给、径流速度较快, 水岩作用不充分, 导致矿化度较低。
矿化度与硫酸根含量存在着极高的线性相关(图3)。
区域岩溶地下水中主要来源有2种, 分别是中奥陶统碳酸盐岩含水层石膏溶解和石炭系煤中黄铁矿的氧化。
石膏为CaSO4；黄铁矿的氧化, 产生H2SO4, 与灰岩、白云岩反应产生CaSO4、 Mg SO4。
龙子祠泉域的平均矿化度为831 mg/L, 略低于本次所有岩溶水样品的平均值, 但在大小排序上处于所有岩溶水样品的中值位置, 它提供了各地岩溶水汇集排泄的水文地质信息。
岩溶水矿化度大小的变化除去径流条件影响, 还与石膏的溶解、受到煤矿酸性水的污染程度有关。
3.3 氢、氧同位素特征分析本次测定的30个样品δ18O值为-8.92‰～-11.58‰, 平均值(-10.07‰), 与龙子祠泉水样的δ18O值(-10.12‰)较为接近, 体现了龙子祠泉是各种水混合的结果。
图4是本次样品以及1988年中国地质大学(武汉)在本区获取的雨水样品δD-δ18O同位素关系线, 本地雨水和本次样品间都具有较好的线性关系。
龙子祠岩溶水位于大气降水线的左下方, 表明龙子祠岩溶水接受古水和现代水的混合。
研究区岩溶地下水中主要有2种来源, 分别是中奥陶碳酸盐岩含水层中石膏溶解和煤系地层中黄铁矿的氧化。
以下采用34S同位素分析的来源。
为了计算的混合比例, 首先假定岩溶水中都来源于煤系地层硫铁矿和中奥陶统石膏,这种假定显然是存在一定的不合理性, 因为水中存在其他来源的硫, 而北方其他地区的岩溶水在没有石膏和煤系地层中的硫来源时, 的含量多在50 mg/L以下(表2), 这种含量不足龙子祠泉域岩溶水的含量的20%, 因此, 假定所引起的误差不会影响到宏观的判别, 当然, 对一些含量较低的样品将存在较大误差。