2021, Vol. 41
2. 中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室, 北京市安宁庄路1号, 100085
地下水是传递地球内部地质演变信息的重要载体，在地震地下流体研究中，地下水的地球化学特征及成因是最重要的研究内容之一。研究表明，地下水中稳定同位素及水化学组分记录着地下水的起源和形成等信息，可用于指示地下水的成因及其补给循环过程[1-3]。近年来，研究人员利用地下水中的稳定同位素及常量化学成分，在地下流体异常核实、地下河水与地表径流的关系、地震前后地下流体化学组分的变化特征以及地下水循环、来源、水岩作用程度等方面开展了细致的研究工作，取得了一些地震水文地球化学方面的重要认识[2-7]。
庐山位于江南台背斜与下扬子凹陷的交接地带，地壳运动具有很大的活动性，岩浆活动性较强，混合岩化作用十分明显，地层比较齐全，岩性复杂。受地壳上升运动和南北水平运动的影响，东西收缩而南北伸长(东西宽10 km，南北长30 km)，形成东北-西南向伸展的断块山，山体整体呈肾形。庐山岩性具有明显的分区特征，以温泉和莲花洞断裂为界分为东南侧和西北侧，东南侧主要以岩浆喷出岩(流纹岩)、侵入岩(花岗岩)为主，西北侧则为灰岩、砂质页岩、砂岩[8]。庐山及附近构造活动强烈、断裂十分发育，具有中强地震孕育发生背景，2005-11-26发生九江-瑞昌MS5.7地震，此次地震是近年来中东部地区破坏力最强、灾害最严重、损失最大的地震，造成直接经济损失达20.4亿元[9]。已有研究认为，地下水年龄太小或太大，都不能有效地反映地壳内部地球化学环境的变化，而年龄适中的冷泉和低温温泉在中强地震前往往表现出较完整的异常形态[10]。
本文通过对九江环庐山地区地下水冷泉、温泉水及地表水进行水化学组分、氢氧同位素及地下水年龄等测试分析，讨论九江环庐山地区地下水的化学类型、补给循环过程、地球化学特征及成因，揭示九江台2号井对构造活动灵敏响应的地球化学特征。尝试阐明该地区地下水水文地球化学特征及成因并初步建立成因概念模型，对于深入认识庐山地区地下水水文地质环境及评价地下流体监测预报效能具有重要的借鉴意义。
1 资料与方法 1.1 研究区概况庐山位于江西赣北地区，其西北部属于九江市，东南部属于庐山市，主峰海拔1 474 m。所在区域处于扬子地块(江南古陆)与大别山地块交接带的边缘地带，在中-新生代以来多次活动，继承了早第四纪时发生的断块抬升运动并控制第四纪的分布，构造活动性、岩浆活动均较强，断裂构造十分发育和复杂，且受北东向郯庐断裂和北西向襄樊-广济断裂构造的影响。除此之外，区内还有华夏断裂、铜陵-九江断裂、九江-靖安断裂、唐口-幕埠山断裂等断裂，下切深入基岩，多属压性或压扭性断裂，具有发生中强地震的复杂地质构造背景(图 1)。近年来，庐山及邻区相继发生九江-瑞昌MS5.7地震(小于50 km)、瑞昌-阳新MS4.6地震(小于60 km)。环庐山地区地下水主要以泉水为主，泉水分冷泉水和温泉水，其中冷泉水居多；地表水主要是峡谷河流水、瀑布、水库水等。
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图 1 研究区构造地质图[11]及采样点分布 Fig. 1 Structural geological map and distribution of sampling points of the studied area |
笔者于2017-01~2018-05采集了九江台2号井观测井水、马尾水泉水、东林寺泉水、观音桥泉水、温泉镇温泉水、大气降水、天花井水库水及碧龙潭地表水水样，用作氢氧同位素及化学组分分析，2019-08采集九江台2号井井水、观音桥泉水、温泉井水用作氚活度分析。现场采样过程见文献[12]。样品的水化学组分及氢氧同位素测试均在中国地震局地壳动力学重点实验室(地下流体动力学实验室单元)完成，常量元素分析设备为ICS-2100型离子色谱仪(流量精度小于0.1%)；氢氧同位素分析设备为Picarro液态水同位素分析仪(L2130-i型，美国)，氢氧稳定同位素的测定结果用相对于VSMOW的千分差表示，测试精度δ18O＜0.05‰、δD＜0.5‰。氚同位素放射性活度测试在自然资源部地下水科学与工程重点实验室完成，分析设备为Quantulus-1220型超低本底液体闪烁谱仪，分析方法为液体闪烁计数法。
2 结果 2.1 水化学特征研究区水化学的主要分析相为PH、TDS、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、F－、Cl－、SO42-、HCO3-，统计结果如表 1所示。总体上看, 地下水(九江台2号井)、地表水(天花井水库)及地热温泉井水的PH值呈弱碱性，马尾水、东林寺、碧龙潭、观音桥泉水的PH值呈酸性。TDS结果表明，地下水TDS大于地表水TDS，且与海拔负相关，即海拔越高TDS越低，这符合南方地区地下水上淡下咸的特征(表 1)。由表 1及Piper三线图(图 2)可知，九江台2号井、天花井水库、东林寺、碧龙潭水体中优势阳离子为Ca2+，温泉井、观音桥、马尾水水体中优势阳离子为Na+，优势阴离子均为HCO3-。
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表 1 样品分析结果 Tab. 1 Sample analysis result |
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图 2 水化学宏量组分Piper图 Fig. 2 Piper diagram of chemical macronutrients |
舒卡列夫分类法将水化学类型分成10种，分别为Ⅰ：HCO3-Ca; Ⅱ：HCO3-Ca ·Mg; Ⅲ：HCO3-Ca ·Na; Ⅳ：HCO3 ·SO4-Mg; Ⅴ: SO4 ·HCO3-Ca ·Mg; Ⅵ：SO4 ·HCO3-Mg ·Ca ·Na; Ⅶ：SO4 ·Cl-Na; Ⅷ：Cl ·SO4-Na; Ⅸ：SO4-Na，Ⅹ：SO4-Ca，其中九江台2号井、东林寺、天花井及碧龙潭水化学类型均为HCO3 ·Ca，马尾水为HCO3 ·SO4-Na，温泉井、观音桥为HCO3-Na。
2.2 氢氧同位素组成特征九江台2号井井水氢同位素测值(δD)介于－45.22 ‰~－39.69 ‰，平均值为－42.32‰，变异系数0.16；氧同位素(δ18O)测值介于－7.59 ‰~－6.09 ‰，平均值－6.99 ‰，变异系数0.09。大气降水氢同位素测值(δD)介于－96.13 ‰~－4.74 ‰，平均值－46.87 ‰，变异系数0.56；氧同位素(δ18O)测值介于－13.00 ‰~－1.27 ‰，平均值－7.43 ‰，变异系数0.4。
根据九江台大气降水的氢氧同位素测值拟合出当地大气降水线为δD=8.4δ18O+15.7(r=0.96，n=20)，斜率与截距与南京地区大致相同[13]；根据九江台地下水的氢氧同位素测值拟合出九江台地下水蒸发线为δD=3.0δ18O－21.8(r=0.86，n=26)(图 3)。
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图 3 氢氧同位素组成 Fig. 3 Hydrogen and oxygen isotope composition |
地下水地球化学演化主要受控于水-岩间发生的各种化学反应，识别这些反应是地下水地球化学演化过程研究的基础[14]。本文利用Na-K-Mg三角图解法分析地下水组分水-岩化学平衡反应特征及循环深度。由图 4可见，除了温泉井及马尾水泉水外，其他水样均接近于Mg端元处，为未成熟水，表明其水-岩相互作用尚未平衡，水-岩相互作用仍在进行，循环周期相对较快；马尾水及温泉井泉水为部分成熟水或混合水，显示了部分水-岩作用已达到平衡，地下热水循环深度较深，或地表水混合较小等。Na-K-Mg三角图方法是基于Na-K和K-Mg地温计建立的，故可用于估算地下水样的热储温度。依图 4中温标线所示，马尾水泉水热储温度约为160 ℃，温泉井水热储温度约为140 ℃，九江台2号井水热储温度约为80~100 ℃，若以25 ℃/km地壳平均垂向地温梯度计算，循环深度分别在6 km、5 km和3~4 km以下，这也暗示九江台2号井井水与附近的马尾水泉水循环路径不同。
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图 4 水样的Na-K-Mg图解 Fig. 4 Na-K-Mg diagram of water sample |
Gibbs图常用于追踪自然水体(地表水、地下水)中各种离子的起源机制(大气降水、水-岩作用及蒸发浓缩作用)及变化趋势[15]。由图 5可见，除观音桥、马尾水泉水有部分来自降水外，其余水样的离子组分主要来源于风化壳岩石风化。天花井、碧龙潭水体虽为地表水，但其主要来源可能是高山岩石裂隙水渗入补给，导致其化学组分来自于岩石风化。径流路线长的地下水在径流过程中不断发生水解和酸作用使岩石矿物风化溶解，Na+释放出来，与水中Ca2+发生交换，循环路径越长作用越强烈，故此马尾水泉水、地热温泉井水中Na+浓度较高。
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图 5 水样的Gibbs关系 Fig. 5 Gibbs plot of the water samples |
γNa/γCl是表征地下水中Na+富集程度的常用水文地球化学参数，海水γNa/γCl平均为0.85，低矿化度具有较高的γNa/γCl系数[16]。九江台2号井、东林寺、温泉镇、观音桥及马尾水水体的γNa/γCl值分别为4.91、1.64、16.72、3.30、15.82，说明这些地下水都经过了下渗循环前的蒸发。
γCl/γCa常用来刻画地下水的动力特征，其值越大，水动力条件越差[15]。γCl/γCa值从小到大排列依次为九江台2号井、东林寺、地热温泉井、观音桥、马尾水，表明九江台2号井井水动力条件好、循环更新较快；东林寺、地热温泉井、观音桥次之；马尾水泉水动力弱，循环更新较慢，与Na-K-Mg图中信息一致。
3.3 补给高程不同高程与其氢氧同位素的线性回归可以拟合出研究区氢氧同位素的高程梯度值，在研究地下水补给高程时，同位素高程梯度在局部范围可以通用。庐山地区δ18O的高程梯度为0.188 ‰/100 m，δD的高程梯度为0.013 8 ‰/100 m[17]。利用高程梯度值可以估算出研究区地下水的补给高程，其计算公式如下：
| $ H{\rm{ }} = \frac{{(\delta G{\rm{ }} + \delta P)}}{K} + h $ | (1) |
式中，H为补给区高程，h为取样点高程，δG为取样点的δD或δ18O值，δP为取样点附近大气降水(补给水)的δD或δ18O值，K为δD或δ18O高程梯度值。
利用δ18O高程梯度值计算得到九江台2号井、地热温泉井、东林寺、观音桥及马尾水泉水补给高程分别为647 m、159 m、392 m、539 m和622 m。九江台2号井、观音桥及东林寺地下水补给高程明显大于实际高程，说明承压补给循环更新快；地热温泉井和马尾水泉水补给高程与实际高程基本一致，说明地热温泉井和马尾水泉水承压不明显且相对循环更新慢，这与下文的讨论相吻合。
3.4 离子组分关系常量组分关系图(Schoeller指印图)因可直观反映环境介质中不同水体化学成分变化及其分布的相关关系[18]，常用于研究水体补给来源及不同水体之间的水力联系。由图 6可见，马尾水泉水、地热温泉井水与其他采样点形态一致性较弱，表明马尾水泉水与九江台2号井地下水并不存在显著的水力联系，也暗示它们的循环运行路径并不相同。此外，其他地下水在形态上具有相似性，说明它们的循环过程可能类似，如天花井和碧龙潭在曲线形态上具有明显的相似性，说明地表水循环补给过程相似。
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图 6 常量组分关系特征 Fig. 6 Characteristics of constant components |
运用氯离子质量平衡方法估计降水对地下水的补给是一种较为常见的方法[1]，其公式为:
| $ R\left( {{\rm{ }}\% } \right) = 100 \times ({C_{{\rm{Cl}}降}}/{C_{{\rm{Cl地}}}}) $ | (2) |
式中，R为年平均地下水补给率，CCl降为降水中氯离子的雨量加权平均浓度，CCl地为地下水中氯离子平均浓度。根据2018年九江台及附近所采降水样，氯离子浓度的雨量加权平均值为0.27 mg/L。计算得到九江台2号井、地热温泉井、观音桥、东林寺、马尾水泉水的降水直接补给率约为27.27%、4.6%、33.75%、13.78%、4.5%。
3.6 地下水年龄氚是氢的一种放射性同位素，其半衰期为12.43 a[19]，按成因可分为天然氚和人工氚，天然氚主要来自于宇宙射线，人工氚主要来自人类活动如核试验等。自然状态下氚含量很少(小于0.5 TU)，20世纪50年代核试验后降水中的氚含量剧增(1963年峰值约5 000 TU)。基于氚的固有特性，其常被用于定性推测地下水年龄，当氚活度小于1.0 TU，推测是1953年以前补给的老水；1~3 TU，有近10 a内新水混入的老水；3~10 TU，为近10 a内的新水；10~20 TU，残留部分核爆氚；大于20 TU，以20世纪60年代降水补给为主[20]。
九江台2号井、温泉镇温泉井、观音桥氚活度分别为1.6±0.6 TU、0.5±0.4 TU、3.8±0.6 TU，说明九江台观测井水既有老水补给又有近10 a内的新水补给，地下水年龄适中且具备反映断裂带内部介质、环境动态变化的条件[10]。这也暗示九江台2号井两个含水层具有不同循环路径及补给来源。温泉镇温泉井水主要是1953年以前的老水补给，观音桥泉水主要是近10 a的新水补给。
3.7 循环过程及成因庐山地区地下水、地表水的氢氧同位素均分布于全球大气降水线右下方(图 3)，分布于当地降水线两侧，来源均属于大气成因型。九江台2号井地下水拟合出的蒸发线与当地降水线和全球大气降水线相比，斜率与截距均明显偏小，说明大气降水补给前经历了一定的蒸发作用。
地下水d值(过量氘)常被用于刻画地下水在含水层中滞留及循环时间的长短，d值越小说明水体在含水层滞留时间越长，地下水径流速度越慢[21]。马尾水、东林寺、温泉镇和观音桥的d值分别为15.99、15.34、11.97和12.03，总体属于现代循环型溶滤水(d介于0~20)。虽然温泉镇是地下水年龄最大的，但d值显示水体在含水层滞留时间较短，这可能与温泉镇温泉井旅游开发频繁抽取地下水有关。九江台d值介于9.03~19.09，平均值13.74，变异系数15%，一方面说明井的不同含水层存在水体交换，封闭性较差；另一方面说明含水层循环补给较快、路径较短，与围岩的反应不充分，且不同含水层补给区及循环路径不同。笔者推断，九江台2号井上部含水层及其他井泉的主要补给来源是大气降水经岩石裂隙下渗补给，其补给模型如图 7所示，这可能是庐山山麓地区地下水的主要成因；部分井泉含水层补给则可能来源于深层，具有深循环特征，如九江台2号井和温泉镇温泉井，补给区相对较远且参与断裂带物质的循环过程，这与氚活度及氯离子估算结果相吻合，这也暗示九江台2号井下部含水层可对区域内构造活动产生灵敏响应。
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图 7 庐山地区地下水成因模式示意图 Fig. 7 Schematic profile of genesis model of the observation well |
综上，九江庐山地区山麓地下水，主要来源于大气降水的下渗补给。根据庐山岩性分区特征，西北侧补给区以石灰岩、硅质石灰岩为主，大气降水在下渗-径流过程中与含水介质中的碳酸岩、石灰岩、钙质等矿物发生不平衡的水-岩作用，溶解形成富含Ca2+、HCO3-组分的地下水，并在排泄区形成承压裂隙自流井，如九江台2号井、东林寺泉水；东南侧主要以花岗岩、岩浆岩为主，大气降水在下渗-径流过程中易形成富含Na+、K+、HCO3-组分的地下水，如温泉镇温泉井水、观音桥泉水等(图 8)。此外，根据氚活度、氘盈余特征推测，九江台观测井不同含水层接受不同补给源补给，第1层含水层可能主要来自于大气降水下渗的裂隙水；第2层可能主要来自于深层溶滤水补给，携带部分断裂深部流体信息，后续值得进一步开展相关研究。
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图 8 庐山地区地下水水文地球化学分区示意图 Fig. 8 Sketch of groundwater hydrogeochemical zoning in Lushan area |
利用水文地球化学方法，对环庐山地区的井泉、地热温泉及地表水水样进行水化学组分、氢氧同位素、氚活度等分析，尝试阐述环庐山地区地下水地球化学特征及成因机理，得出以下认识：
1) 庐山地区地下水根据不同岩性及循环深度大致可分为两个水文地质单元，西北侧是以九江台2号井井水、东林寺泉水为代表的HCO3-Ca型冷泉水，东南侧是以地热温泉井水为代表的HCO3-Na型温泉水，研究结果表明，除马尾水泉水和温泉镇温泉井水外，其他地下水水-岩相互作用尚未平衡，属于未成熟水，循环周期较短，离子组分主要来自风化壳岩石风化。
2) 氢氧同位素显示，庐山地区地下水为大气成因型现代溶滤水，补给高程约为159~647 m；氯离子估算结果显示，大气降水直接补给率约为4.5 %~33.75 %，大部分地下水在形态上具有相似性，说明它们的循环过程可能类似。
3) 庐山地区地下水成因主要为大气降水下渗补给形成承压裂隙自流井泉，部分为携带活动构造信息的大气成因型深循环水。
4) 氚活度结果显示，温泉镇温泉井水主要为较老的水补给；观音桥则主要是近10 a内较新的水补给；九江台井水年龄适中，说明九江台2号井两个含水层具有不同的补给来源和循环路径，并携带有部分深部构造活动信息，有利于获取地震前兆异常信息。
致谢: 文中样品的氢氧同位素、化学组分及氚活度测试分别由张磊、任宏微博士和张向阳教授级高工实验完成, 部分图件使用了孙小龙研究员软件绘制完成, 在此一并表示感谢！
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2. Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, 1 Anningzhuang Road, Beijing 100085, China