濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)Sr元素分布特征及其指示意義

李佳佳，高宗軍，李常鎖

(1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 266555；2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)南 250014)

巖石圈中的鍶元素化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，一般不受人為作用的影響。鍶在地下水中以Sr2+的形式存在和遷移，巖石中的鍶是地下水中鍶的主要物源[1]。含鍶礦物和富含鍶的閃長巖、花崗巖、粘土巖以及碳酸鹽巖石是提供鍶元素物質(zhì)來源的主要母巖[1]。因此，地下水中鍶的濃度是地下水不斷接觸圍巖相互作用的結(jié)果，其在一定的程度上能夠反映地下水水質(zhì)特征及其形成環(huán)境。20世紀(jì)九十年代以來，鍶作為示蹤元素在水文地質(zhì)研究中得到了一定的應(yīng)用：王焰新等[2]用娘子關(guān)泉域鍶濃度的變化推斷該地區(qū)的水動力環(huán)境。康志強[3]等人發(fā)現(xiàn)在純碳酸鹽巖流域范圍內(nèi)，巖溶水中鍶濃度只受控于地下水徑流條件，因而Ca/Sr值能良好的示蹤巖溶區(qū)地下水循環(huán)。王增銀[4]等根據(jù)延河泉巖溶水系統(tǒng)的水化學(xué)分析資料分析，發(fā)現(xiàn)Sr/Ca、Sr/Mg值可較明了的映現(xiàn)出巖溶水的徑流規(guī)律。綜上，利用微量元素Sr作為示蹤元素來解決水文地質(zhì)中的一些具體問題有一定的優(yōu)越性。

自上個世紀(jì)50年代至今，濟(jì)南泉域積累了大量的常規(guī)水化學(xué)資料[5-9]。然而，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，開采泉域時間較長，地下水環(huán)境受人為因素影響嚴(yán)重[10-12]，僅通過常量元素很難進(jìn)一步分析濟(jì)南泉水的補給來源及巖溶水之間的徑流規(guī)律。近年來，研究者多采用地下水位回歸分析[13]、回灌補源地下水流場形態(tài)分析[14]、地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型[15]、示蹤試驗[16]等方法研究濟(jì)南泉域水循環(huán)，利用天然微量元素研究濟(jì)南泉域的案例少之又少。富鍶的古生代海相碳酸鹽巖為濟(jì)南泉域巖溶區(qū)水化學(xué)的主控地層，本文筆者利用微量元素Sr對濟(jì)南泉域的補給來源及徑流規(guī)律做出了新的探索。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

濟(jì)南南部山區(qū)廣泛分布巨厚的寒武—奧陶系石灰?guī)r，總厚度達(dá)1 000余 m。石灰?guī)r溶洞、溶孔、溶隙、溶蝕管道較為發(fā)育，濟(jì)南巖溶地下水補給條件良好、儲存空間巨大。濟(jì)南泉域位處泰山背斜北翼的濟(jì)南單斜構(gòu)造，地形南高北低，加之巖層傾向總體為向北，石灰?guī)r體在接受了南部山區(qū)地表水及大氣降水的補給后，順地勢沿地層傾向由南向北徑流，加之一些斷裂構(gòu)造的溝通，巖溶地下水徑流通暢；然而，當(dāng)?shù)叵滤睆搅髦翝?jì)南火成巖體和石炭、二迭系煤系地層分布區(qū)域時，地下水受到阻礙，在圍繞灰?guī)r分布的火成巖體和石炭、二迭系煤系地層前緣地帶富集，形成巖溶地下水的承壓區(qū)。在較高的水頭壓力作用下，巖溶地下水于低洼地段沿著巖溶通道、石灰?guī)r裂隙，穿過局部火成巖的風(fēng)化裂隙及松散土層，最終涌出地面而形成泉水。

2 數(shù)據(jù)來源

本次研究工作借助于山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局重大科技攻關(guān)項目(2012-045)水樣測試資料為依托。2012年5月份(枯水期)和9月份(豐水期)，分別在濟(jì)南西、東、南3個方向上的碳酸鹽巖分布區(qū)及部分碳酸鹽巖隱伏埋藏區(qū)的大范圍巖溶水分布區(qū)進(jìn)行水樣取水(取樣的井深大于100 m)。本次研究范圍為：北至奧陶系200～800 m埋深等值線為界，西至馬山斷裂帶，東至文祖斷裂帶，南以巖溶水與基巖裂隙水的含水巖組界限為界，研究面積約1 400 km2。采樣點均勻布設(shè)于整個巖溶水系統(tǒng)，現(xiàn)場采樣位置見圖1。

圖1 采樣點位置圖及水文地質(zhì)略圖

3 Sr元素分布形態(tài)及其指示意義

3.1 Sr元素水化學(xué)分析數(shù)據(jù)

筆者根據(jù)巖溶地下水82個樣品的測試結(jié)果，保留士3倍標(biāo)準(zhǔn)離差區(qū)間的數(shù)據(jù)，逐步剔除離群值得到Sr微量元素統(tǒng)計特征表，包括最大值(Xmax)、最小值(Xmin)、算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差(σ)、變異系數(shù)(Cv)、樣本數(shù)(N)等。由表1可以看出，剔除的離群數(shù)據(jù)較少，說明濟(jì)南泉域Sr元素分布含量變異小，主要受成土母質(zhì)及徑流條件影響，受人為因素影響不大。

表1 濟(jì)南泉域Sr元素統(tǒng)計特征表 ng/ml

3.2 Sr元素分布形態(tài)及其指示意義

筆者根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》的要求，分別繪制枯豐水期Sr元素等值線圖。根據(jù)圖2、圖3可見，枯水期Sr濃度富集程度最高的位置分布于研究區(qū)的北部及東北部，其次分布在黨家鎮(zhèn)、七賢鎮(zhèn)、姚家鎮(zhèn)附近。從“兩期”的元素變化來看，豐水期相對枯水期Sr元素濃度整體下降但幅度不大，均值由0.341μg/L降為0.31μg/L。

圖2 Sr元素枯水期豐度等值線圖

圖3 Sr元素豐水期豐度等值線圖

通過對比發(fā)現(xiàn)，豐、枯水期一個明顯的變化是：豐水期東郊姚家鎮(zhèn)、西郊七賢鎮(zhèn)的元素濃度高值區(qū)域向趵突泉方向匯聚延伸，初步推測東郊、西郊均為濟(jì)南泉域地下水的補給來源。另外，還可以發(fā)現(xiàn)26號趵突泉取樣點無論枯豐水期，Sr元素濃度都明顯低于四周濃度值。根據(jù)補給區(qū)至排泄區(qū)Sr元素逐漸增加的規(guī)律，若推測泉水全部來源于近源補給，這顯然是不正確的。筆者認(rèn)為形成此現(xiàn)象的原因是南部山區(qū)低Sr濃度的巖溶水通過深部循環(huán)遠(yuǎn)距離補給泉水，降低了趵突泉處Sr元素的濃度。

王增銀等發(fā)現(xiàn)地下水中Sr2+質(zhì)量濃度隨著地下水徑流途徑增長、水-巖相互作用時間增加而逐漸增高[4]。結(jié)合此發(fā)現(xiàn)及枯豐水期Sr元素遷移規(guī)律，初步推斷濟(jì)南巖溶水地下水流向見圖3。

3.3 Sr元素指示意義的驗證

為驗證濟(jì)南泉域泉水來源，筆者選用相關(guān)系數(shù)為0.394的Sr及Ba兩種元素，運用PHREEQC軟件的MIX模塊，選取枯水期26號趵突泉采樣點周邊的13個取樣點測試結(jié)果進(jìn)行不同比例混合。經(jīng)過不斷試算，選取模擬混合結(jié)果最接近于26號取樣點水質(zhì)的mix比例，最終按照各采樣點的貢獻(xiàn)程度，用大小不同的箭頭進(jìn)行標(biāo)示(見圖4)，結(jié)果顯示濟(jì)南東部、西部、南部地下巖溶水對趵突泉水均有補給作用。得出的結(jié)論同上文推斷有高度的一致性。

圖4 取樣點混合比例示意圖

4 濟(jì)南巖溶水徑流規(guī)律研究

4.1 Sr/Ca指示的水文地質(zhì)意義

在濟(jì)南巖溶區(qū)，富鍶的古生代海相碳酸鹽巖為水化學(xué)的主控地層，此類地層的碳酸鹽礦物中鍶與鈣有明顯的共生關(guān)系。在巖溶作用進(jìn)行時，將同步溶解含鍶和鈣的碳酸鹽礦物，因此，巖溶水中Sr2+與Ca2+的濃度將同時增加。巖溶水中Ca2+很容易達(dá)到溶解平衡，而作為微量元素的鍶在水中濃度相對較低因此很難達(dá)到飽和狀態(tài)。而且，鍶元素化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，生物遷移量低，除受地層自身元素豐度的影響外，地下水中的Sr2+濃度只受巖溶作用強度及水徑流條件的控制，其隨徑流途徑及水巖相互作用時間的增長而逐漸增大，該過程不受人為影響。因而，在礦物同步溶解過程中，遠(yuǎn)離平衡態(tài)的巖溶水中Ca/Sr值為常數(shù)。當(dāng)水中Ca2+接近溶解平衡狀態(tài)時，Sr/Ca值逐漸增大。因此，巖溶水中Sr/Ca值可被用來判斷巖溶水的徑流特征[3,4,17-19]。在巖性相同的流域范圍內(nèi)，巖溶水中Sr/Ca值越小，說明水循環(huán)徑流條件越好[3]。

為了探索巖溶水系統(tǒng)Sr/Ca值的分布規(guī)律，筆者分析投點后作出Sr/Ca比值示意圖(見圖5)。為了更直觀的判別所研究區(qū)徑流環(huán)境，做Sr/Ca比值等值線圖見圖6。通過圖件可以看出由南向北Sr/Ca比值逐漸增大，說明水循環(huán)徑流速度由南向北呈降低趨勢。南部山區(qū)主要為灰?guī)r裸露區(qū)，直接接受大氣降雨的補給，由于巖溶發(fā)育，滲透性好，導(dǎo)水性能強，地下水交替強烈，水-巖作用時間短，致使水中鍶含量都很低，故Sr/Ca比值也低；徑流條件較差的取樣點大部分分布在巖溶水系統(tǒng)北部埋藏區(qū)，灰?guī)r埋深較大，地下水徑流條件差，水-巖作用時間長，富集鍶，Sr/Ca比值較高；北部Sr/Ca極高值區(qū)代表徑流滯緩區(qū)，富集Sr元素。得出的結(jié)論符合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件—研究區(qū)由南至北依次為間接補給區(qū)、直接補給區(qū)、匯集排泄區(qū)，呈帶狀北東—南西向分布。

圖5 Sr/Ca比值示意圖

圖6 Sr/Ca比值等值線圖

4.2 TDS濃度梯度場驗證

以往研究表明：地下水在徑流的過程中會發(fā)生溶濾作用，從而改變水中離子濃度，地層的導(dǎo)水能力越強，地下水徑流與水交替愈迅速，巖層經(jīng)受的溶濾愈充分，易溶鹽類愈貧乏,地下水的TDS愈低，同時由于徑流速度愈快，溶濾作用時間越短，地下水的TDS愈低[20]。反之，地層的導(dǎo)水能力越差，地下水流速愈慢，地下水滯留時間愈長，與圍巖溶濾等發(fā)生水文地球化學(xué)作用愈強烈，則TDS愈高。因而，地下水有規(guī)律的TDS分布特征可以反映地下水的徑流情況[21]。TDS雖易受人類活動影響，但在大致方向上還是可以作為反映地下水徑流的依據(jù)。

從圖7看出，從南部山區(qū)至北部埋藏區(qū)，TDS與鍶濃度整體呈上升趨勢，大致反映了巖溶水系統(tǒng)從南部補給區(qū)到北部排泄區(qū)的整體過程。從圖上可以看出南部山區(qū)至趵突泉TDS大致為由小變大，而越靠近趵突泉區(qū)域確是由大變小，西部和東部至趵突泉TDS變化也有此規(guī)律，若泉水全部來源于近源補給，則有違于補給區(qū)至排泄區(qū)TDS逐漸增加的規(guī)律。再次驗證了泉水有遠(yuǎn)距離深層補給的結(jié)論。

圖7 枯水期TDS等值線圖

5 結(jié)語

研究區(qū)枯、豐水期Sr濃度富集程度最高的地區(qū)為研究區(qū)北部及東北部，其次分布在黨家鎮(zhèn)、七賢鎮(zhèn)、姚家鎮(zhèn)附近。隱含在微量元素Sr分布特征中的水文地質(zhì)含義是十分豐富的：

(1)豐枯水期Sr元素濃度自南部山區(qū)往北至泉群路徑，由低到高的形態(tài)較形象的反映了巖溶水流動的整個過程；

(2)對比“兩期”元素遷移形態(tài)發(fā)現(xiàn)，豐水期西郊七賢鎮(zhèn)、東郊姚家鎮(zhèn)的Sr元素濃度高值區(qū)域向趵突泉方向延伸匯聚，說明東郊、南部山區(qū)及西郊均對濟(jì)南泉群地下水有補給，并根據(jù)PHREEQC試算結(jié)果，驗證了濟(jì)南趵突泉水是多源補給的；

(3)枯豐水期26號趵突泉取樣點Sr元素濃度均明顯低于四周濃度值，說明了泉群地下水補給來源不僅僅為近源補給，還有遠(yuǎn)距離深循環(huán)補給。TDS濃度梯度場特征分析得出相同的結(jié)論；

(4)由南向北Sr/Ca、TDS濃度逐漸增大，分布規(guī)律大致相同，水循環(huán)徑流速度從南部山區(qū)的補給區(qū)到北部匯集排泄區(qū)逐漸降低的趨勢非常明顯。

本文為巖溶水地下水徑流規(guī)律的研究提供了一種新的思路，并進(jìn)一步驗證了Sr元素是比較理想的天然示蹤劑。此種方法盡管簡單，卻能清晰表現(xiàn)出研究對象的特性和地質(zhì)作用過程中變化的規(guī)律性，具有極強的可操作性。