策克地區(qū)承壓水水化學(xué)相關(guān)性分析

商瑋麟，龐家偉，馬文學(xué)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

1 區(qū)域概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)域位于銀—額盆地范圍內(nèi)石板井一小黃山縫合帶以北的額濟納旗區(qū)的居?xùn)|凹陷，與北山北帶相毗鄰，其白堊紀沉積(此次研究的承壓水含水層為白堊紀沉積)作用主要受居?xùn)|1號、居?xùn)|2號斷層控制。該凹陷位于居延海凹陷的東北部，是一個東北斷東南超的中新生代單斷凹陷，面積為2570 km，凹陷的基底最大埋深6 350m。凹陷的沉積蓋層由侏羅紀、下白堊紀和新生界沉積物組成.中生界缺失三疊紀和上白堊紀，侏羅紀和下白堊紀的頂?shù)酌婢鶠閰^(qū)域不整合面。居?xùn)|1號斷裂最顯著的特點是侏羅紀、早白堊紀沉積中心遷移作用明顯，它在侏羅紀以前已經(jīng)形成，印支運動晚期活動劇烈，下降盤沉積了大套近千米的侏羅紀沉積物，侏羅紀末期構(gòu)造回返，居?xùn)|2號斷裂反轉(zhuǎn)成為逆斷層，侏羅紀沉積物自南向北逆沖，出露水面，遭受剝蝕，剝蝕量近千米;早白堊紀早期居?xùn)|1號斷裂再次恢復(fù)正斷層性質(zhì)，斷層下降盤邊沉降邊沉積，堆積了800～900m的早白堊紀沉積，此時的居?xùn)|2號斷裂已取代居?xùn)|1號斷裂在凹陷北部迅速發(fā)展，演變成凹陷主控斷裂，致使下白堊紀沉積、沉降中心向西北方向遷移。目前在凹陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造大多數(shù)為斷背斜，主要發(fā)育于居?xùn)|2號斷裂的下降盤，形成了準扎海斷背斜帶(侏羅紀)和淮北斷背斜帶(下白堊紀)，這些構(gòu)造大多數(shù)形成于燕山期。本文主要研究區(qū)域白堊紀承壓水含水層的水化學(xué)特征。

研究區(qū)承壓水含水層主要為扇中亞相即水下扇的主體部分，由扇中辮狀水道及水道間微相組成。扇中辮狀水道微相主要巖性為礫巖、含礫砂巖、中細粒砂巖及少量的泥質(zhì)巖、砂巖中常見泥礫，底部常見沖刷面，層理構(gòu)造可見粒序?qū)永怼K狀層理、交錯層理，常由多個粒度大致向上變細的砂礫巖疊加形成疊合砂體。大型板狀交錯扇中水道間微相巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥頁巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖，以水平層理為主，含介形蟲、葉肢介及植物碎片等化石。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地貌上表現(xiàn)為向南傾斜的戈壁地形和強烈剝蝕的準平原地形，是蒙古人民共和國境內(nèi)戈壁阿爾泰山東端山前傾斜平原的南延部分(見圖1)。地形起伏不大，大約以5‰的坡降向南傾斜。區(qū)內(nèi)洪流溝谷發(fā)育，切割密度大，除少數(shù)溝谷中生長有一些耐旱植物外，廣大戈壁平原上無植物生長。

圖1 區(qū)域水文簡略圖

區(qū)內(nèi)氣候干旱，年降水量小(多年平均年降水量為32.80 mm)，加之泥巖與砂礫巖互層結(jié)構(gòu)，透水性較差，所以大氣降水所形成的洪流對地下水補給量比較小，特別是對層間承壓水的補給，更是少之又少。該區(qū)內(nèi)潛水基本沒有，局部沖溝中含少量的水。主要是白堊系地層中的碎屑巖類承壓水。在構(gòu)造上，表現(xiàn)為碎屑巖建造的單斜“盆地”，自北向南傾斜。由白堊系泥巖和泥質(zhì)砂礫巖組成(見圖2)，表層覆蓋有一層厚度不大的洪積礫砂層。因受基底局部隆起作用的影響，有些地區(qū)的碎屑巖被頂托起抬升，外貌呈龍崗狀裸露地表。“盆地”北緣聳立著山勢高峻的戈壁阿爾泰山，海拔在2 000m以上，降雨量相對較大，所以在山前斷裂帶有泉群出露，沿山前呈東西條帶狀展布(見圖2)。工作區(qū)位于泉群下游，接受戈壁阿爾泰山基巖裂隙水側(cè)向補給。隨著徑流途徑增長及運動速度減緩，水質(zhì)有逐漸變差的趨勢。承壓水排泄于額濟納沖—湖積平原和嘎順淖爾沖湖積平原而補給平原區(qū)地下水。

2 各水文地質(zhì)參數(shù)間相關(guān)性分析

對區(qū)域上22個鉆孔(見圖3)的含水層厚度、滲透系數(shù)(m/d)、導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)、涌水量(m3/d)、水流梯度、礦化度之間的相關(guān)系數(shù)進行了計算[1]，值得注意的是:

1)含水層厚與滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)達－0.68，表明研究區(qū)含水層越厚的地方滲透系數(shù)越小，這與區(qū)域的沉積特征有關(guān)，區(qū)域承壓水含水層主要為扇中亞相即水下扇的主體部分，由扇中辮狀水道及水道間微相組成，厚度越大的地方越接近湖心沉積，因而滲透系數(shù)越小。[2]

圖2 鉆孔SK17到戈壁阿爾泰水文地質(zhì)示意剖面圖

2)含水層厚與水力梯度的相關(guān)系數(shù)達－0.51，表明研究區(qū)含水層越厚的地方水力梯度越小，而區(qū)域水力梯度主要受含水層走向、傾角控制，說明研究區(qū)含水層越厚的地方含水層形態(tài)越平緩，這也是由區(qū)域沉積特征決定的。

3)涌水量與水頭高之間相關(guān)系數(shù)達－0.57，總體上研究區(qū)承壓水上游涌水量高于下游，下游地段承壓水為上游承壓水匯集形成，涌水量較大。

4)水頭高與礦化度之間相關(guān)系數(shù)達－0.65，總體上研究區(qū)水頭越高的地方礦化度越低，而礦化度與其余參數(shù)如水流速度的相關(guān)系數(shù)絕對值都較小，顯然區(qū)域礦化度分布最重要的因素為流程，流程越遠礦化度越大，但是顯然除了流程和以上提及的因素，一些未提及的因素也對礦化度在研究區(qū)的分布有顯著影響。[3]

圖3 取樣點分布圖

3 區(qū)域主要影響因素與各離子濃度相關(guān)性分析

對研究區(qū)22個鉆孔水樣的各離子濃度與水頭高度、單位厚度含水層富水性(涌水量/含水層厚度，表征單位高厚度含水層的含水量)、水流速度(modfelow計算得到)之間的相關(guān)系數(shù)進行了計算，值得注意的是:

1)水頭高度與 Na+、Cl－、這些承壓水主要離子之間的相關(guān)系數(shù)均小于－0.6，與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 －0.41、－0.37，與 HCO3－的相關(guān)系數(shù)為0.012，顯然前三者受流程控制較明顯，Ca2+、Mg2+分布也受流程控制，但其他因素對承壓水Ca2+、Mg2+濃度有一定影響，而幾乎不受流程因素的控制。

2)水流速度與 Na+、Cl－、SO42－這些承壓水主要離子之間的相關(guān)系數(shù)絕對值均小于0.1，與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 －0.35、－0.31，與 HCO3－的滲透系數(shù)為 －0.62，顯然前三者幾乎不受流速控制，Ca2+、Mg2+受流速控制較小，而受流速因素的控制比較明顯，總體上看，承壓水流速越大的地方的濃度越小，這與的性質(zhì)有關(guān)。[4]

3)單位厚度含水層涌水量與 Na+、Cl－、這些承壓水中含量較高的離子之間的相關(guān)系數(shù)絕對值均小于0.1，與Ca2+、Mg2+之間的相關(guān)系數(shù)為 －0.19、－0.16，與的滲透系數(shù)為－0.35，顯然前三者幾乎不受單位厚度含水層涌水量控制，Ca2+、Mg2+略微受到單位厚度含水層涌水量控制，受單位厚度含水層涌水量因素的控制較前者明顯，但是其影響程度不及水流流速，總體上看，承壓水單位厚度含水層涌水量越大的地方的濃度越小，單位厚度含水層涌水量的地方水壓較大，因而含量較小。[5]

4)各離子濃度間相關(guān)性分析與各離子濃度場圖分析

將各離子濃度相關(guān)性分析成果列于下表，表中數(shù)字為相關(guān)系數(shù)。

承壓水 TDS 與 Na+、Cl－、SO42－、Ca2+濃度相關(guān)系數(shù)較大，均在 0.85 以上。分析 Na+、Mg2+、Ca2+、之間的相關(guān)系數(shù)，先根據(jù)潛水與承壓水的各離子濃度、TDS范圍(承壓水1000～3300 mg/l)和本地區(qū)巖土樣簡要分析，列出猜測的這些離子之間可能發(fā)生的代表性化學(xué)反應(yīng)[6]:

承壓水中 R(Na+，Ca2+)、R(Mg2+，Ca2+)較大，這生成兩對離子的礦物在研究區(qū)有較顯著的共同溶解的特性，R(Na+，)較小，生成這對離子的礦物共同溶解的特性較弱，R(Ca2+，HCO3－)和 R(Mg2+，)R(Cl－，)為負，這對離子在同一區(qū)域傾向于一個溶解一個沉淀、轉(zhuǎn)化或者一方的溶解對另一方有一定的抑制作用。綜合各離子濃度及巖土成分，可能反應(yīng)為1、2、4、5、6、7，其中4、5 類型反應(yīng)與6、8類型反應(yīng)發(fā)生在本地區(qū)不同的區(qū)域，前兩者主要發(fā)生在水流流速較小、含水層富水性較差、礦化度較大的區(qū)域，后兩者主要發(fā)生在水流流速較小、富水性較好、礦化度較小的區(qū)域，因為據(jù)前文分析承壓水流速越大的地方HCO3－含量越低而承壓水流速越小、富水性越差的區(qū)域HCO3－含量越高。可見流速、富水性、礦化度是影響濃度分布的重要因素，而HCO3－分布情況又對Mg2+、Ca2+濃度分布有一定的控制作用。[7]

Na+ Ca2+ Mg2+ Cl－ SO42－ HCO3－pH TDS Na+0.720.480.770.850.150.020.89 Ca2+ 0.770.880.73 －0.35 －0.030.89 Mg2+ 0.730.36 －0.51 －0.080.61 Cl－ 0.57 －0.300.010.89 SO42－ 0.27 －0.020.85 HCO3－ －0.34 －0.71 pH －0.08

如第三節(jié)所述礦化度受所處地點流程長度控制較為明顯，但還受到未知因素控制。我們繪制出區(qū)域礦化度等值線圖和流場圖進行對比，發(fā)現(xiàn)二者均在區(qū)域內(nèi)做有規(guī)律的變化，但它們的具體形狀差別較大，推測區(qū)域礦化度分布除了受到流場影響外，區(qū)域巖土本身的礦物分布為最重要的因素。[8]

對比礦化度等值線圖與 Na+、Ca2+、SO42－、Cl－四種主要離子的濃度等值線圖，(如圖4、5、6、7、8)可以發(fā)現(xiàn)它們的形狀和變化趨勢(箭頭所指為減小方向)極為相似，它們主要受流場及區(qū)域巖土本身礦物分布的控制。

圖4 礦化度等值線圖

圖5 Na+濃度等值線圖

圖6 Ca2+濃度等值線圖

圖7 濃度等值線圖

圖8 Cl－濃度等值線圖

對比礦化度等值線圖與Mg2+等值線圖(圖10)，可以發(fā)現(xiàn)兩幅圖的大體形狀和趨勢相近，但在一些局部二者有一定差異，這種差異主要受HCO3－濃度分布的控制。[9]

圖9 濃度等值線圖

圖10 Mg2+濃度等值線圖

4 結(jié)語

1)區(qū)域礦化度分布主要受流場和區(qū)域巖土礦物分布(推測)的控制。

[1]曾濺輝.東營凹陷第三系水一鹽作用對儲層空隙發(fā)育的影響.石油學(xué)報.2001，7，第22卷第4期:39.

[2]李漢業(yè).北祁連東段石炭紀巖相古地理基本特征.沉積學(xué)報.1999，3，第 12 卷第 l期:89.97.

[3]王大純，張人權(quán)，史毅虹.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).地質(zhì)出版社.北京:1995.

[4]沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社.1999.

[5]文冬光，沈照理，鐘佐燊.水－巖相互作用的地球化學(xué)模擬理論及應(yīng)用[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社.1998.12.

[6]孫占學(xué)，等.應(yīng)用水文地球化學(xué).原子能出版社.2005.

[7]Adams S，Titus R，Pietersen K，et al1 Hydrochemical characteristics of aquifers near Sutherland in the Western Karoo ，South Africa[J].1 Journal of Hydrology.

[8]劉寶君，曾允孚.巖相古地理基礎(chǔ)和工作方法.地質(zhì)出版社.1985.

[9]東泵站位置對博湖水動力特性及礦化度影響研究[R].南京:河海大學(xué).2003.