2020, Vol. 29
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鄂尔多斯盆地属黄河中游地区, 蕴藏着丰富的地下水资源[1], 近几年来, 在鄂尔多斯盆地进行的水文地球化学研究中, 对该地区水化学场特征和成因提出了各种观点[2-11].本文从水化学场的分布特征、岩相古地理和古水文地质条件、地质和水文地质背景等方面进行综合分析, 研究其形成机理, 探讨其成因类型, 为鄂尔多斯盆地地下水开发利用提供新思路.
1 地质-水文地质背景盐池-定边地区位于鄂尔多斯盆地中西部, 白于山分水岭北侧, 属沙漠草原高原区.地形波状起伏, 海拔1200~1600 m之间, 高差一般在30~80 m之间, 从南向北缓倾.地貌由波状高平原、台塬、沙地及盐湖草地等地貌形态组成.
本区构造处于西部拗陷与东部斜坡交接部位[12].出露地层主要为下白垩统志丹群华池-环河组(K1h-h)和第四系松散层.华池-环河组岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩, 第四系为冲洪积、风积、湖积物.在华池-环河期, 盐池-定边地区为主要沉积中心, 以河流相和湖积相沉积为主, 沉积粒度从北东向南西由粗变细, 厚度增大.区内发育有南北向、东西向和北东向3组断裂构造(见图 1) [13-14], 形成时期不同, 但大多具有继承活动特点.它们不仅控制了区域基底和盖层的古地理环境, 而且控制了地下水的水动力条件和水化学元素迁移富集程度[15].
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图 1 研究区地质构造及位置示意图 Fig.1 Geological structure sketch map of the study area with location 1-盆地边界(basin boundary)；2-二级构造单元界线(boundary of second-order tectonic unit)；3-研究区(study area)；4-地名(place name) |
区内主要赋存松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙潜水和承压水[16].华池-环河组碎屑岩类为本区的主要含水岩组, 含水岩性为灰白、棕红、灰绿色砂岩、粉砂岩、砂砾岩.含水层呈多层结构, 岩相和渗透性能变化较大, 含水层和隔水层在水平方向上都不稳定, 分界不明显且相互交错出现, 层位多变复杂, 造成水文地质条件复杂.地下水水位变化较大, 一般在10~30 m, 较深处达50 m.地下水补给来源于大气降水.径流分为两大系统, 一个是浅部径流循环系统, 另一个是深部径流循环系统.浅部径流循环系统由白于山分水岭向北径流, 深部径流循环系统在本区内主要是通过构造向上径流.蒸发作用是区内地下水的主要排泄方式[17-19].
2 水化学场的分布特征区内水化学成分复杂, 各种水化学类型均有分布, 主要为SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na型、HCO3·Cl-Na·Ca型、SO4-Na型、HCO3-Ca·Na型水；矿化度一般在3~10 g/L之间, 最高达33.34 g/L, 最低为0.32 g/L；pH值为7.1~8.4, 属中性-弱碱性水；γNa/γCl一般大于1.0, 局部小于0.5, γSO4 /γCl一般在1.0左右, γCa/γNa在0.5~3.0之间.水化学场分布主要有SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na型、HCO3·Cl-Na·Ca型和HCO3-Ca·Na型场.其分布在白于山分水岭向北和西北的水平分带明显, 但出现两种水平分带：一是从北部向南和西南隅的水平分带, 由HCO3-Na型淡水区(0.5 g/L)→HCO3·Cl(HCO3·SO4)-Na型淡水区(0.5~1.0 g/L)→Cl·SO4-Na·Mg型微咸水区, 与水文地质补给区→径流区→内流排泄区相对应；二是从白于山分水岭向北和西北的水平分带, 由SO4·Cl-Na·Mg型半咸水区→HCO3·SO4-Na·Mg型淡水区(0.5~1.0 g/L)→Cl·SO4-Na·Mg型微咸水区, 与水文地质补给区→径流区→内流排泄区相反, 即与地下水流向呈“逆”现象, 称为“逆向”水平演化分布(见图 2).
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图 2 安边镇一带承压水水文地球化学水平分带示意图 Fig.2 Hydrogeochemical horizontal zonation of the confined water in Anbian Town 1-水位线(water line)；2-地下水流向(groundwater flow direction) |
影响本区水化学场的因素错综复杂, 运用现代水文地球化学理论[20], 从水化学场的分布特征、岩相古地理和古地下水、地质构造、水文地质条件等因素综合分析, 主要有如下几个方面.
3.1 古沉积中心及地层含盐量古沉积中心及地层原始含盐量是影响该区水化学场的最基本因素.从盐池-定边地区地下水矿化度等值线图和本区白垩系华池-环河组地层底板等高线图(图 3)可见, 承压水和潜水矿化度大于3 g/L的场分布形态和范围完全与该地层底板等高线低于700 m标高相一致, 表现出水化学场与白垩系沉积中心的因果关系.如沉积中心S121号钻孔在117.47~120.15 m的泥质砂岩中分布着微细石膏层, 地下水中矿化度2.74 g/L, 水化学类型Cl·SO4-Na型就是例证.在白垩系华池-环河组沉积期后, 该区还发生过两次较为明显的沉积, 即古近纪渐新世含盐建造沉积和第四纪中晚更新世湖相沉积, 每次沉积均以本区为沉积中心[21-23].如盐池以西渐新统地层中的盐36号钻孔中, E3地层厚36 m, 含多层石膏层, 地下水矿化度为6.3 g/L, 水化学类型为Cl·SO4-Na·Mg型水；第四系中晚更新统在本区分布面积较广, 一般厚度60~80 m, 最厚149.66 m, 其沉积物下部含盐量较高(据地质编录资料推断), 如S160、S137、S128等钻孔岩心发白, 呈现白色盐霜等(见表 1), 地下水矿化度17.11~31.65 g/L, 水化学类型Cl-Na·Mg型或Cl·SO4-Na·Mg型水.以上特征, 反映出水化学场的形成与古沉积中心及地层原始含盐量关系密切.
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图 3 盐池-姬源水化学场与古沉积中心及断裂构造关系图 Fig.3 The relation between Yanchi-Jiyuan hydrochemical field, paleo-depocenter and fault 1-承压水矿化度＞5g/L (confined water salinity greater than 5 g/L)；2-承压水矿化度3~5g/L (confined water salinity of 3-5 g/L)；3-承压水矿化度等值线及量值(g/L) (contour and value of confined water salinity)；4-潜水矿化度等值线及量值(g/L)(contour and value of phreatic water)；5-底板等高线及数值(m) (bottom contour and value)；6-断裂及编号(fault and number)；7-氯化物水样取样钻孔及编号(chloride water sampling hole and number) |
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表 1 定边县3个咸水孔水化学特征表 Table 1 Hydrochemical characteristics of three saline drill holes in Dingbian County |
从图 3可见, 矿化度大于3 g/L的水化学场分布区, 断裂构造纵横发育, 几条主要近南北向的F31、F34、F45和近东西向的F13、F44、F14构造均通过水化学场区, 水化学场的南北向轴与F31、F34构造方向相吻合, 水化学场的东西向延伸与F13、F14相一致.水化学场的南北向盐池-姬源水化学带主要受F31和F34两条断裂带的影响, 在盐池以北的布隆庙这两条断裂带多有泉水涌出, 是明显的含水断裂带.水化学场中的东西向水化学带主要受东西向F14、F44和F13等3条断裂构造带的影响, 卫星图像上明显显示为含水断裂带, 特别是位于定边的F44和以南的F14是控制东西向水化学场的主要断裂带.综上, 断裂构造带明显影响着该段水化学场的分布形态和范围, 南北和东西向断裂构造带的相互作用, 是形成该区水化学场分布形态的重要因素.
晚更新世以后, 该地区受喜马拉雅晚期振荡运动的强烈影响, 差异升降运动造成了白于山较快抬升和山前断裂的发生, 盐池-定边地区相对呈东西向拗陷, 较快抬升的白于山使古沉积中心含盐量高的岩段一起抬升.如在白于山分布的4个钻孔一般标高1524~1619 m, 第四系中更新统厚度112~180 m, 这些含盐量高的地层同样可在地势高处形成高矿化度的地下水(见图 4).同样白垩系华池-环河组也属古沉积中心形成的含盐量高的地层, 在地势高处, 含水构造层相对开启, 加之富水性差, 径流缓慢, 强化了盐量在地下水中的积聚, 从而形成了补给区的高矿化度水, 出现了逆地下水流方向的矿化度增高现象.
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图 4 盐池-定边地区红柳沟至白于山地段水文地球化学剖面图 Fig.4 The Hongliugou-Baiyushan hydrogeochemical profile in Yanchi-Dingbian area 1-中上更新统(Middle-Upper Pleistocene)；2-白垩系华池-环河组(Cretaceous Huachi-Huanhe fm.)；3-泥岩(mudstone)；4-钻孔及抽水试验段(drill hole and pumping test section)；5-地下水位线及流向(groundwater table and flow direction) |
混合作用对形成该区水化学场逆向分布起着重要作用.四十里梁-定边南北向分水岭与白于山东西向分水岭在该地区西南隅一带交接, 两个不同分水岭从不同方向径流汇集的地下水的混合作用, 形成了以白于山补给区(半咸水场)至定边西梁间洼地排泄区(淡水场)之间夹径流区混合水(微咸水场)的水化学场逆向分布特征.盐池-定边一线以北的淡水分布区, 系北部地下水径流排泄系统, 该系统在地势高处的淡水(0.5~1 g/L)从北向南径流, 与白于山径流排泄系统的排泄区半咸水(3~10 g/L)混合作用, 形成了排泄区地下水矿化度较低的微咸水(1~3 g/L), 从而造成了排泄区地下水的淡化, 促进了该区水化学场的逆向分布的发展.排泄区内地势较高的梁岗, 由于基岩裸露, 裂隙发育, 易于大气降水的渗入, 多形成局部淡水体分布.这些局部淡水体分布与白于山排泄区的半咸水的混合作用, 同样促进排泄区地下水淡化和水化学成分的改变, 造成该地区水化学场逆向分布特征.
3.4 地下水运动规律地下水运动规律会影响水化学场的形成.前述在红柳沟至白于山一带地层含盐量影响水化学场逆向分布特征较为突出, 而在苟池至白于山一带, 这种逆向分布已变弱, 地下水水化学场改变成较正常的顺向分布.从图 5来看, 白于山东段较西段地下水运动速度大, 水交替强烈, 水质相对较好.但总观东西两段, 对研究目的层白垩系华池-环河组地下水来说, 由于受岩石原始含盐量高的影响, 地下水水质变化不大, 仍属水质较差的地区.
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图 5 盐池-定边地区苟池至白于山地段水文地球化学剖面图 Fig.5 The Gouchi-Baiyushan hydrogeochemical profile in Yanchi-Dingbian area 1-中上更新统(Middle-Upper Pleistocene)；2-华池-环河组(Huachi-Huanhe fm.)；3-含水层(aquifer)；4-隔水层(aquiclude)；5-钻孔及抽水试验段(drill hole and pumping test section)；6-地下水位线及流向(groundwater table and flow direction) |
该地区承压水水化学场中, 水化学类型多为Cl·SO4-Na·Mg型水, 局部有Cl-Mg型、Cl-Na型、Cl-Na·Mg型水出现, 一般γCl＞γSO4＞γHCO3, γNa＞γMg＞γCa, 有7个孔γNa/γCl＜1, γSO4/γCl介于0.222~0.267, γCa/γNa介于0.133~0.5, 明显反映出深部承压水的特征[24].由于断裂构造带起着导水排泄地下水的作用, 在天环向斜南端古沉积中心的古洼中, 海拔标高在550 m以下的埋深处, 残存的古地下水在其静水压力和地静压力的作用下, 沿断裂构造带向上排泄, 与该地区地下水混合, 形成明显受断裂构造带控制的水化学场.
4 结语鄂尔多斯盆地盐池-定边地区水化学场的形成条件错综复杂, 是受多种因素综合影响的结果.地层原始含盐及古沉积中心是水化学场形成的基本要素, 地质构造、水文地质条件是形成水化学场的主要控制因素, 古地下水和混合作用是形成水化学类型复杂的重要因素.从水化学场的形成机理分析本区地下水的形成条件也是十分复杂的, 不能单一考虑从大气降水来, 或深部补给, 应从多方面考虑, 才能客观评价本区地下水, 合理开发利用地下水.盐池-定边地区水化学场是鄂尔多斯盆地中较复杂地区, 它既具有盆地的同一性, 又有它的独特性.通过该项研究工作, 可为进一步认识了解盆地水文地质条件及地下水开发利用提供参考.
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