第23卷　第1期2009年2月现　代　地　质GEOSCIENCEVol123　No11Feb12009

太原盆地地下水系统水化学特征及形成演化机制

李向全,侯新伟,周志超,刘玲霞

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定　050803)

收稿日期:2008208230;改回日期:2009201205;责任编辑:戚开静。 基金项目:中国地质调查局地质调查项目(1212010331301);国家自然科学基金项目(40672169)。 作者简介:李向全,男,研究员,1966年出生,水文水资源专业,主要从事水文地质、地质灾害方面的研究工作。Email:lxqlm2003@yahoo1com1cn。摘要:在对太原盆地水文地质进行详细调查基础上,集成应用水化学统计、水化学模拟技术,系统研究了盆地地下水水化学类型、空间分布特征,并对其形成演化机制进行了系统分析,取得了一系列新的认识。按水质类型和分布特征,盆地浅层地下水(含水层埋深小于50m)大致分为盆地边缘地带浅层淡水、盆地中心浅层咸水和浅层高矿化硫酸盐水3种类型。高矿化硫酸盐水主要是由于接受了富含硫酸根离子的周边基岩水补给所致。盆地中深层孔隙水可分为盆地边缘中深层水、盆地中心中深层水和中深层混合水3种类型。浅层地下水存在2种形成机制,一种是高矿化Ca・Mg—SO4型岩溶水的混合补给形成,另一种高矿化水是在径流演化过程中受蒸发浓缩作用影响,使地下水矿化度不断增高而形成。自盆地边缘至中心地带,中深层地下水水化学特征具有明显的水平变化规律,在盆地中心形成2个高值区,水化学类型依次为Ca・Mg-HCO3→Na・Ca-HCO3・SO4→Na・Mg-HCO3・Cl→Na-HCO3。关键词:太原盆地;地下水;水化学特征;演化机制中图分类号:X523;P641 文献标志码:A 文章编号:1000-8527(2009)01-0001-08

HydrogeochemicalCharacteristicsandFormationEvolutionalMechanism

oftheGroundwaterSystemsintheTaiyuanBasin

LIXiang2quan,HOUXin2wei,ZHOUZhi2chao,LIULing2xia(InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Zhengding,Hebei　050803,China)

Abstract:IntheTaiyuanbasin,thestatisticalmethodsandgeochemicalmodelhavebeensystematicallyusedto

studythehydrochemicaltypesofgroundwaters,spatialdistributionofgeochemistry,andevolutionalmechanism.

Theresultsshowthattheshallowgroundwaterofthebasincanbedividedintothefreshgroundwaterinthebor2

derofthebasin,thesaltgroundwaterinthecenterofthebasin,thehighmineralizationdegreesulphateground2

water.Thethirdtypeoftheshallowgroundwaterhasbeenrechargedbythebedrockfissuregroundwaterrichin

SO2-4intheborderofthebasin.Themoderatedeepgroundwatersofthebasinhavebeendividedintothemoder2

atedeepgroundwaterintheborderofthebasin,themoderatedeepgroundwaterinthecenterofthebasin,and

themoderatedeepmixedgroundwater.Therearetwokindsofhydrochemicalmechanismsofthegroundwater

evolution:thefirstisthatthegroundwaterisrechargedbythehighmineralizationsulphatekarstgroundwater;

thesecondisthattheincreaseofTDSofgroundwaterisattributedtotheevaporationduringtheevolution

process.FromthebordertothecenterintheTaiyuanbasin,themoderatedeepgroundwaterobviouslyshowthe

hydrochemicaldistributionalregularities,andtherearetwohighvalueareasinthecenteroftheTaiyuanbasin.

ThehydrochemicaltypesofthegroundwateraresuccessivelyCa・Mg2HCO3→Na・Ca2HCO3・SO4→Na・Mg2

HCO3・Cl→Na・Mg2HCO3・Cl→Na2HCO3.

Keywords:Taiyuanbasin;groundwater;hydrogeochemistrycharacteristic;evolutionalmechanism0　引　言

太原盆地位于太行山和吕梁山之间,是山西

省会所在地,山西省政治、经济、文化的中心。

又是我国重要的煤炭生产基地,社会经济地位十

分重要。在地质条件上,太原盆地为新生代断陷

盆地,山间盆地型水文地质特点十分突出。盆地

下水系统构成复杂,盆地第四系孔隙水系统与地

表水、周边岩溶水、裂隙水地下水系统有着密切

的水力联系。尤其是受盆地地下水的大量超采和

周边煤矿开采的影响,地下水系统之间互相袭夺,水力联系更加密切。同时,由于地下水超采而引

发了一系列环境地质问题。从某种意义上讲,地

下水水文地球化学特征记录了地下水运动的历史,示踪地下水循环途径[1];因此,开展地下水水化学场研究,对于揭示地下水系统的演化特征具有

重要的科学意义。

1　太原盆地水文地质基本特征

太原盆地为巨大的山间断陷盆地,四周为黄

土丘陵和基岩山地,呈不对称型水文地质结构。

更新世以来,西侧山区上升强烈,盆地相对下降

幅度大,冲洪积扇发育,巨厚砂砾石层与灰岩含

水层接触,东侧山区上升较缓慢,盆地相对下降

幅度小,冲洪积扇不太发育。盆地内可大致分为4个含水岩组:第四系全新统含水岩组(0～50m);第四系中、上更新统承压含水岩组(50～200m);第四系下更新统湖积冲积层承压弱含水岩组(200～400m);第三系红土夹薄层砂砾石湖积承压弱

含水岩组。目前,太原盆地的主要开采层为第二

含水岩组[2-4]。地下水由盆地两侧向中心以水平

运动为主,至盆地中心部位转化为垂直交替为主。

盆地孔隙水与地表水、周边岩溶水、裂隙水有密

切的水力联系,互为转化交换。

2　取样与测试方法

本次借助于地质调查项目专题“太原盆地地

下水资源及其环境问题调查研究”,开展太原盆地

地下水水化学特征研究。研究区水化学分析取样

30组。取样位置如图1所示。样品水化学测试由国土资源部水文地质测试中心完成。pH值指标由

pH酸度计测定完成;ICP发射光谱测定K+、

Na+、Ca2+和Mg2+阳离子成分;离子色谱测定

SO2-4、Cl-、NO3-阴离子成分;HCO-3、CO2-3采用容量法,结果分别以HCO-3、CO2-3表示。碱度

采用容量法,用盐酸滴定,结果以CaCO3表示。

图1　太原盆地地下水样品采集点分布略图Fig11　SchematicmapofdistributionofthegroundwatersamplingintheTaiyuanbasin

3　地下水化学成分测试结果

311　盆地浅层地下水

30组地下水样品水化学成分测试结果如表1所示。通过本次调查分析,将盆地浅层地下水(埋

深小于50～60m)大致归纳为3种基本类型(图2)。(1)盆地北部及部分边缘地带浅层淡水:主要分布于太原市区北部及东部边山地带,水化学类型属Ca・Mg-HCO3・SO4、Na-HCO3,TDS(溶解性总固体)一般<1g/L。Ca・Mg-HCO3・SO4型水,

Ca2+含量40～110mg/L,Na+含量30～40mg/L,

HCO-3含量300～360mg/L,SO2-4含量20～160

mg/L,Ca2++Mg2+毫克当量百分比大于80%,

HCO3-毫克当量百分比在50%以上,优势阳离子

和优势阴离子成分分别是Ca2+和HCO-3。Na-

HCO3型水,优势阳离子和优势阴离子成分分别是

Na+和HCO-3,毫克当量百分比在60%和40%以上。该类型水是优质淡水资源。地下水由大气降

水和边山岩溶水、裂隙水补给形成。2现　代　地　质2009年　表1　太原盆地地下水水化学成分测试结果(ρB/(mg/L))Table1　ThechemicalanalysisresultsofgroundwaterintheTaiyuanbasin(mg/L)

样品埋深/mK+Na+Ca+Mg2+Cl-SO2-4NO-3HCO-3CO2-3F-TDSK-01191002111119110671369317710510225912111524191051112901641092169K-029516511089617570120321221111321061412218028112800156739186K-0330010031487514948195917819125801491019625311601100526188K-0420010011798817644121171953711150102811633614000194604115K-0570140018310917045116511779016760148110045315000180827118K-061810021292841007618416110823914470317221083711414511701901900113K-0711010011861741704115534152116157641578120388106391520140883159K-08601322113331131101404012743176157100113635519000140759180K-0990100118122711074138102197801514841314168573147011201561194K-10701000154371094412125189918027174013232013000184480195K-114010001921611901519421163231107717618128389120181071192742195K-1223100018222518028165401271501881551520116338169391521152993182K-137010001901181505812540127121182771311211636911100156816139K-14251000135113140461694610244111841585612040715701108811116K-151701002121611557012037197161451851541813228716000134698182Xq012010021271001202351104819511410053315055120274180001361376117Xq02201001181169180403160173180179150140710097160381170001762827111Bk012510011372218081181311382011078189813033717000124596183Bk0280100311430142891043813043186821991817036010000128684166Bk03701000179282100871147616128619030213062130422180011301536112Bk04401000143880140601501451407581507241100180850130011503429192Bk0550100110864519089142691223191806881602150821150021402653132Bk0828010001733661402218323142173160531814150778110021001439163Bk093219231132021306018827123137110173130011837219001150993122Bk1060100213210919055156331462714115150014055910000180817199Bk1110010011818817646123251842317631146114041919003100655129Bk1390100114091812043716059711027411041041001180680100031307030127Bk141201001112311977614835142311071051801814030017000150616129Bk1510100118263152311011814623176271823815024119001120462127Bk1730100132120349120198130180120440150643100542100509110001843005162 注:样品测试由国土资源部水文地质测试中心完成。

图2　太原盆地地下水水化学图(离子单位为%)Fig12　GroundwaterchemicaldiagramintheTaiyuanbasin (2)盆地中心浅层咸水主要分布于盆地中心地

带,如小店、徐沟、平遥西部等地。水化学类型

包括:Na・Mg-HCO3・Cl、Na・Ca-HCO3・Cl、Na・Mg-HCO3・SO4型,2g/L

水以富含Na+为特征,Na+含量200～900mg/L,毫克当量百分比在60%以上,HCO-3含量300～

900mg/L,毫克当量百分比为40%～60%,Cl-含

量也相对较高,为150～800mg/L,当量百分比为

20%～40%,优势阳离子成分为Na+,优势阴离

子成分是HCO-3。由于盆地中心地下水径流缓慢,蒸发作用强烈,地下水盐分不断积累,矿化度升

高,形成咸水。经过钙镁矿物沉淀析出和阳离子

置换吸附等水-岩作用过程,Na+成为水中优势阳

离子成分,Cl-含量也进一步升高。此外居民生活3　第1期李向全等:太原盆地地下水系统水化学特征及形成演化机制