地下水化學組分對酸雨的滯后響應
——以云岡石窟上層滯水為例

耿曉虹,蔣小偉*,閆宏彬,毛德強,王 芮,樊 堯,張 帆,范 瀟,萬 力

(1.中國地質大學(北京)水利部地下水保護重點實驗室,北京 100083;2.中國地質大學(北京)自然資源部淺層地熱能重點實驗室,北京 100083;3.云岡研究院,山西 大同 037034;4.山東大學土建與水利學院,山東 濟南 250061)

大氣降水通常是地下水的主要補給來源,其化學組分對地下水化學組分具有重要的控制作用[1-3]。隨著社會經濟的快速發展,大氣污染在高度工業化地區普遍發生[4-6],雨水吸收大氣中的酸性氣體如SO2和氮氧化物等污染物形成酸雨。酸雨補給地下水會導致地下水pH值下降、地下水水化學組分變化,因此研究地下水水質對酸雨的響應對保障供水安全具有重要的現實意義。由于雨水補給地下水后通常經過較長的循環時間才能到達地下水排泄點或者取樣井,故分析地下水化學組分對酸雨是否有響應也可以加深對水文地質條件的認識。

山西省是我國的文物大省,其中位于大同市的云岡石窟是世界文化遺產。由于煤炭產業發展迅速且廢氣排放不當,歷史上酸雨頻發,嚴重威脅了石質文物的保存[16]。中國地質大學(北京)和云岡研究院等單位在合作開展文物保護相關科研項目的過程中,積累了云岡石窟不同時期部分鉆孔地下水和泉水的地下水化學數據,為揭示不同類型地下水對酸雨的響應提供了數據來源。為此,本文以云岡石窟為研究區,通過對比酸雨、河水和地下水在20年時間尺度的水化學組分變化,揭示酸雨如何控制不同類型地下水的水化學演化過程。

1 研究區概況

本次研究區云岡石窟位于中國山西省大同市云岡區,地理位置為東經113°20′,北緯40°04′。研究區屬大陸性季風半干旱氣候區,多年平均降水量為393 mm,多年平均蒸發量為1 243 mm。云岡石窟山體坐落于十里河北岸砂巖陡壁之上,石窟南部為十里河一級階地、漫灘及河床(圖1)。十里河是研究區唯一的河流,地下水主要通過側向徑流的方式向十里河排泄[17]。十里河水位約為1 126 m,在其控制下區域地下水的潛水面略高于1 126 m,比云岡石窟底部低12～14 m。吳官屯機井揭露了區域內的飽和帶地下水,推測其循環路徑為區域尺度地下水向河流的排泄。

圖1 研究區河水和地下水采樣位置圖Fig.1 Location map of river water and groundwater samples in the study area

云岡石窟頂部及其以北地表普遍分布第四系覆蓋層,其上部為粉質黏土,透水性很差,具有較好的阻水作用[18]。由于研究區降水量少、蒸發強烈,大氣降水入滲量較少。云岡石窟所在山體為侏羅系云岡組中粗粒長石石英砂巖,發育風化裂隙[19],大部分洞窟的底板高程約為1 140 m,顯著高于潛水面,因此云岡石窟所在山體是一個巨厚的非飽和帶,其厚度為20～40 m。由于存在不同深度的泥巖夾層,入滲的微量大氣降水在云岡石窟非飽和山體內形成不同深度的上層滯水,其中B7鉆孔的上層滯水水位高程約為1 148 m,低于孔口標高約24 m。在云岡石窟第二窟北壁西北角長石砂巖與砂質頁巖處,裂隙水受泥巖夾層的頂托作用,以下降泉的形式出露形成二窟泉水[16]。該泉水出露點標高約為1 140 m,水頭高于當地地下水水位十多米,也屬于上層滯水。二窟泉水常年不斷流,但流量的季節性波動較大,尚不清楚其補給源的空間分布。由于上層滯水通常不可能來自區域尺度的地下水循環,因此研究區B7鉆孔和二窟泉這兩個上層滯水為揭示地下水對補給區酸雨入滲的響應提供了便利條件。

2 采樣與測試

2.1 樣品采集與數據收集

在2010—2012年承擔國家“十一五”科技支撐項目和2020—2022年承擔國家重點研發計劃項目期間,分別采集并測試了研究區雨水、十里河水、吳官屯機井水(對應飽和帶地下水)、B7鉆孔水(對應上層滯水)和二窟泉水(上層滯水形成的泉水)的水化學組分(圖1)。為了從更長時間尺度分析水質變化規律,還從相關文獻[20-21]收集到了2003年上述水體以及20世紀60年代二窟泉水的水質數據,本次研究測試和收集的研究區不同類型水樣水化學數據共計36組(表1),其中氚同位素數據3組。

2.2 樣品測試分析

此外,本次研究還委托中國地質科學院水文地質環境地質研究所利用超低本底液體閃爍儀對2022年所采集的二窟泉水水樣、B7鉆孔上層滯水水樣和吳官屯機井飽和帶地下水水樣進行了氚同位素測試,結果顯示水樣的3H濃度分別為(7.6±1.0) TU、(5.1±0.7) TU、(4.0±0.8) TU。

3 結果與討論

3.1 大氣降水的水化學演化特征

圖2 研究區酸雨頻率和雨水樣品中S濃度演化Fig.2 Evolution of acid rain frequency and S concen- tration of rain samples in the study area

3.2 河水和地下水的水化學特征及其演化

圖3 研究區不同年代雨水、河水和不同類型地下水的Piper圖Fig.3 Piper diagram of rain water,river water and groundwater of different types in different years in the study area

3.3 酸雨對二窟泉水水化學特征的影響

圖4 二窟泉水中S濃度與酸雨頻率演化對比圖Fig.4 Plot showing evolution of concentration of S in Cave NO.2 spring and the frequency of acid rain in the study area

3.4 酸雨的侵蝕機理

(1)

云岡石窟及其周邊表層風化砂巖的X射線衍射(XRD)測試結果表明,表層砂巖中所含硅酸鹽礦物包括鉀長石、斜長石(鈣鈉長石),風化產物包括高嶺石和伊利石。由于鈣鈉長石中Ca2+和Na+的比例不清楚,本文僅給出鈣長石、鈉長石和鉀長石與H+的反應方程式如下[1,27]:

CaAl2Si2O8(鈣長石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Ca2+

(2)

2NaAl2Si3O8(鈉長石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2+2Na+

(3)

2KAl2Si3O8(鉀長石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2+2K+

(4)

上述4個反應方程式可以合理地解釋近60年來二窟泉水中所含陽離子Ca2+、Na+和K+濃度逐漸增加(見圖5)的原因。由于表層風化砂巖中未檢測出含鎂硅酸鹽,因此無法解釋二窟泉水中所含Mg2+也逐漸增加的礦物來源。表層風化砂巖未檢出含鎂礦物的原因可能為角閃石等含鎂礦物更易風化,后續研究可以通過采集云岡石窟山體內部風化程度較低的砂巖確定含鎂礦物類型。

圖5 1960年以來二窟泉水中陽離子濃度演化圖Fig.5 Evolution of cations concentration in the spring water at Cave NO.2 since 1960

根據酸雨徑流過程中發生的水-巖反應,可以推測直接淋至石質文物表面的酸雨、被石質文物吸附的含有SO2的水汽也可以侵蝕砂巖,從而加速石質文物的風化。

4 結論與建議

本文以云岡石窟地區為例,通過對比酸雨、河水和地下水在20年時間尺度的水化學組分變化,得到如下結論:

3) 20年來云岡石窟山頂鉆孔上層滯水的水化學組分濃度未發生明顯變化,指示歷史上的酸雨尚未到達該層位的上層滯水,表明石窟頂部粉土層具有良好的阻水作用。