文章快速检索  
  高级检索
中新天津生态城孔隙水化学垂向分布及其成因
曹阳1, 申月芳1, 焦志亮2, 翟远征3, 杨耀栋1     
1. 天津市地质矿产测试中心, 天津 300191;
2. 天津市勘察院, 天津 300191;
3. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875
摘要: 中新天津生态城是典型的海岸带建设城市,其复杂的水文地质条件制约着地下空间建设。为查清地下空间水质的垂向分布情况,利用中新天津生态城11个深度为40.0 m的钻孔采取不同深度的原状土样,并采用气体压榨法得到土样中的孔隙水样品,对孔隙水的pH值,总硬度,TDS、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Sr、Br质量浓度,Cl/Br,γNa/γCl及87Sr/86Sr等水化学和同位素参数进行了测试分析。结果显示,孔隙水中水化学成分的质量浓度存在显著的垂向差异(最大相差4倍):受潮滩生卤影响,北部除HCO3-外,其他所有离子最大质量浓度出现在地下5.0 m左右;受地表水影响,中部与南部Cl-最大质量浓度出现在埋深15.0 m左右,其余离子分布规律与Cl-基本一致。水化学和同位素特征联合表明,埋深小于20.0 m的孔隙水表现出明显的现代海水特征,说明其主要受现代海水影响;埋深大于20.0 m的孔隙水化学特征受现代海水和水岩相互作用综合影响,且受古沉积水影响明显。
关键词: 孔隙水    水化学特征    垂向分布    成因分析    中新天津生态城    
Pore Water Vertical Chemistry Distribution and Origin Analysis in Sino-Singapore Tianjin Eco-City
Cao Yang1, Shen Yuefang1, Jiao Zhiliang2, Zhai Yuanzheng3, Yang Yaodong1     
1. Tianjin Geological Mineral Testing Center, Tianjin 300191, China;
2. Tianjin Institute of Geotechnical Investigation Surveying, Tianjin 300191, China;
3. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Supported by National Natural Science Foundation of China(41877174), Joint Foundation of Key Laboratory of Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS (KF201510) and Tianjin Mineral Resources Compensation Project(File[2014]22)
Abstract: The Sino-Singapore Tianjin Eco-city is a typical coastal city. Its complex hydrogeological conditions restrict the construction of underground space. In order to find out the vertical distribution of underground water quality, soil samples were collected from 40 m boreholes. The pore water in the core was obtained through gas squeezing. pH, total hardness, TDS, K +, Na +, Ca2 +, CO32-, HCO3-, SO42-, Cl-, Sr, Br, Cl/Br, γNa/γCl and 87Sr/86Sr were used to discuss the chemical characteristics and influence factors of pore-water. The results show that the vertical mass concentration is significantly different in chemical composition of pore water, the highest value is four times of the lowest one. In the northern area, affected by brines formed by seawater evaporation on coastal beach, the ion maximum concentration (except HCO3-) appears in the depth of 5.0 m underground; while in the central and southern area, affected by surface water, the maximum of Cl-appears in the depth of about 15.0 m, and those of other ions are similar. The pore water within 20.0 m shows the obvious characteristics of modern seawater. The pore water chemistry below 20.0 m is controlled by water and rock interactions, and is significantly affected by paleo-sedimentary seawater.
Key words: pore water    hydrochemistry characteristics    vertical distribution    genetic analysis    Sino-Singapore Tianjin Eco-City    

0 引言

天津是典型的滨海城市,地下咸水淡水交替分布,复杂的水文地质条件与严峻的地下水资源开采形势和地下空间开发利用之间的矛盾日益突出,亟需研究地下水质垂向特征及其影响因素,进而评价其对地下工程建设的影响和危害。黏性土层中的孔隙水在水文地质演化中处于相对封闭的环境,能够识别区域水体化学组成的控制因素,是早期成岩作用的特征指标[1],对揭示地下水水化学形成过程和影响因素具有十分重要的作用。

目前,孔隙水研究多集中在河湖底泥沉积物对河水、湖水的水质影响方面。Jiang Tao等[2]利用区域孔隙水水化学特征变化结合电镜扫描,研究了莺歌海盆地高温超压作用对储层成岩演化的影响;Larry Twidwell等[3]通过孔隙水与沉积物地球化学特征对比,研究了伯克利露天矿坑湖水、沉积物和孔隙水中微量元素随深度的变化情况,探讨了其成岩作用;Robert M. Lent等[4]利用137Cs、210Pb、Ca2+、Mg2+、Na+等离子分布及变化,揭示了Devils Lake湖底沉积物孔隙水主要离子和营养盐分布影响因素;蒋少涌等[5]利用孔隙水的Cl-和SO42-质量浓度变化特征,探讨了研究点位深部天然气水合物存在的可能性;李静等[6-7]通过分析0~100 m深度黏性土的孔隙水化学特征及离子比值,结合孔隙水矿物组分及同位素特征,探讨了松散弱透水层孔隙水的起源、水化学演化,揭示了古气候条件。水质特征及演化主要针对含水层中地下水开展[8-12]。从上述国内外研究现状来看,与含水层及弱透水层相关的孔隙水水化学垂向分布特征的研究并不多见。

本研究以中新天津生态城为研究区,对孔隙水的水化学成分进行了测试分析,联合应用水化学和同位素方法对孔隙水的成因进行了研究,以期查明地下空间水质的垂向分布情况,为地下空间建设提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

中新天津生态城位于天津滨海新区中东部,是世界上第一个国家间合作开发建设的生态城市。区内地貌主要由盐田、水面、荒滩3部分组成,属于典型的淤泥质海岸段,位于典型的高卤水和盐碱地分布区。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水量537 mm,年均蒸发量1 800 mm。研究区以蓟运河为界,分为北部、中部和南部3个区域(图 1),北部区域以荒地为主,分布有零星的鱼塘、水塘;中部以蓟运河为中心,分布有大面积水面、荒滩和人工岛;南部主要分布有大片盐田,部分为河滩和海滩。

① 中新天津生态城总体规划.https://www.eco-city.gov.cn/yxstc/.

图 1 研究区位置及采样点分布图 Fig. 1 Location of the study area and distribution of sampling sites

研究区40.0 m以浅为第四纪地层,沉积韵律明显,总体为陆相砂与黏性土呈不规则“互层”状,中上部有海相和海陆相过渡相沉积,局部层位有富炭黏土或泥炭层。按形成时代及成因类型将地层划分为人工填土层、新近沉积层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层、第Ⅱ陆相层、第Ⅲ陆相层、第Ⅱ海相层,进一步细分为9个亚层(表 1)。含水层属第Ⅰ含水组,第Ⅰ含水组滨海平原区底界埋深约100 m,地层包括全新统地层(Q4)和上更新统地层(Q3),以咸水体为主。研究区地下水属于潜水和微承压水,潜水水位埋深1.0~3.5 m,北部地下水埋深浅,中部埋深最大,南部埋深介于北部和中部之间,潜水水位标高-2.0~-1.0 m,总体水位由南向北逐渐降低,水位处在自然状态,埋深较浅,波动幅度较小。

表 1 研究区地层与岩性 Table 1 Stratigraphy and lithology in the study area
地层 亚层 层底埋深/m 层厚/m 岩性 分布状况
成因 代号
全新统 人工填土层 人工堆积 Qml 1.4~3.0 1.4~3.0 灰褐色粉质黏土为主,含腐殖质、植物根系,无层理 遍布
新近组Q43N 新近沉积层 古河道、洼淀冲积 Q43Nal 2.3~8.0 0.7~5.0 褐灰色,淤泥质黏土为主,流塑,见有机质条带和贝壳碎屑 局部分布
上组Q43 第Ⅰ陆相层 河床-河漫滩相沉积 Q43al 3.0~3.7 0.7~1.8 黄褐色,粉质黏土为主,流塑,含铁质 局部分布
湖沼相沉积 Q43l+h 4.0~4.5 0.3~2.5 青灰色,淤泥质黏土为主,含有机质、腐殖质 基本遍布
中组Q42 第Ⅰ海相层 浅海相沉积 Q42m 15.2~20.0 7.2~17.1 灰色,粉质黏土为主,夹淤泥质粉质黏土层,夹稍密中密粉土层,含贝壳 遍布
下组Q41 第Ⅱ陆相层 沼泽相沉积 Q41h 18.4~21.0 0.9~3.7 灰白色,粉质黏土为主,可塑,见泥炭薄层,含有机质、腐殖质 遍布
河床-河漫滩相沉积 Q41al 23.2~28.9 2.7~8.9 灰黄色,上部粉质黏土,可塑,夹砂斑,含铁质,土质不均;下部粉土,饱和,密实,夹黏斑,含姜石,底部夹粉砂 遍布
上更新统 五组Q3e 第Ⅲ陆相层 河床-河漫滩相沉积 Q3eal 30.4~36.0 2.9~12.2 黄褐色,粉质黏土,可塑,含姜石,具铁染,土质不均 遍布
四组Q3d 第Ⅱ海相层 滨海-潮汐带相沉积 Q3dmc 未揭穿 未揭穿 黄灰灰色,粉质黏土为主,顶部见黏土,可塑,见贝壳碎屑,土质不均;底部见粉土、粉砂层,密实,饱和 遍布
1.2 样品采集及处理

本次研究的孔隙水是指从中新天津生态城钻孔原状土中压榨提取出的重力水、毛细水、弱结合水的混合溶液,研究区共布设11个钻孔(图 1),孔深均为40.0 m。垂向上每间隔1.0 m采集1~3组原状土样。采样过程中根据地层岩性的不同选择不同的取样器,其中埋深小于20.0 m的黏性土层采用薄壁取土器静压法取原状土样;埋深大于20.0 m的黏性土层采用108型敞口厚壁取土器锤击法进行取样;粉土及砂性土采用内环刀取砂器进行取样。为保证原状土孔隙水不受泥浆影响,在到达取样位置前0.3 m停止泥浆钻进,采取样品后去除土样表层,黏性土采用铁皮包裹蜡封,粉土及砂性土在取砂筒上下加专用盖蜡封,放保温箱送实验室进行处理。11个钻孔共得到土样728组。

实验室利用推土器将原状土推出,用切土盘和切土器切削为直径6.18 cm、高12.50 cm的圆柱形试样,试样周围贴浸水的滤纸条7~9条(提高排水效率),外套橡皮膜,置入改造的气体压榨仪。在压力室出水口接比色管收集孔隙水溶液样品,以满足测试要求。共制得水样479组。

在孔隙水采样基础上,对研究区地下水进行了传统成井取样测试分析工作,用以对比孔隙水与地下水水质差异。共成井8口(表 2),其中10.0 m成井4口:#0101滤水管进水段为埋深7.5~9.5 m的粉土层;#0201滤水管进水段为埋深6.0~8.0 m的粉土层;#1001滤水管进水段为埋深8.0~9.5 m的粉土层;#1101滤水管进水段为埋深6.0~9.5 m的粉质黏土层。40.0 m成井4口:#0102滤水管进水段为埋深32.5~34.0 m深度的粉砂层;#1002滤水管进水段为埋深32.5~35.0 m深度的粉砂层;#1102滤水管进水段为埋深32.5~35.0 m深度的粉砂层;#1103滤水管进水段为埋深39.2~40.0 m深度的粉砂层。抽水后利用2 L聚乙烯桶采集水样。共取井水样品8组。

表 2 成井信息汇总表 Table 2 Summary of well information
成井编号 成井深度/m 滤水管深度/m 岩性
#0101 10.0 7.5~9.5 粉土
#0201 10.0 6.0~8.0 粉土
#1001 10.0 8.0~9.5 粉土
#1101 10.0 6.0~9.5 粉质黏土
#0102 40.0 32.5~34.0 粉砂
#1002 40.0 32.5~35.0 粉砂
#1102 40.0 32.5~35.0 粉砂
#1103 40.0 39.2~40.0 粉砂
1.3 水样测试分析

水样的测试项目为pH值,总硬度(以ρ(CaCO3)表示),溶解性总固体(TDS)、钾(K+)、钠(Na+)、钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、碳酸根(CO32-)、重碳酸根(HCO3-)、硫酸根(SO42-)、氯离子(Cl-)、锶(Sr)、溴(Br)的质量浓度及87Sr/86Sr。其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-、Sr的质量浓度及总硬度采用电感耦合等离子体-原子发射光谱法测定(ICP-AES法),Cl-质量浓度采用AgNO3滴定法测定,pH采用玻璃电极法测定,TDS的质量浓度采用重量法测定,Br的质量浓度采用目视比色法测定;87Sr/86Sr采用质谱法测定[13]87Sr/86Sr平均测试标准误差为0.000 014。

2 结果 2.1 孔隙水垂向水化学特征

主要水化学组分均值随深度变化见图 2。水样pH值在7.5~8.5之间,呈弱碱性。常量组分主要是Na+、Mg2+、SO42-及Cl-,其次为Ca2+和HCO3-。水样各离子质量浓度随深度变化十分明显,ρ(Na+)、ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)、ρ(SO42-)、ρ(Cl-)、ρ(TDS)及ρ(CaCO3)均值最大值出现在浅层5.0 m以浅,之后随着孔隙水采样深度的增加而逐渐减小;ρ(HCO3-)在15.0 m以浅随着采样深度的增加逐渐增加,15.0~40.0 m随着采样深度的增加而逐渐减小。各离子组分质量浓度在5.0 m以浅深度与40.0 m深度均值相差1~4倍。

图 2 孔隙水主要化学组分质量浓度均值随深度变化图 Fig. 2 Mean value of the mass concentration of major chemical components in pore water varies with depth

由于复杂的地质条件,研究区北部、中部和南部各钻孔离子质量浓度差异明显,其中各钻孔ρ(Na+)、ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)、ρ(Cl-)、ρ(TDS)、ρ(SO42-)和ρ(CaCO3)垂向变化趋势一致,化学组分相关性分析见表 3。Cl-作为研究区主要的常量组分,毫克当量百分数占阴离子总量的60%~98%,垂向上ρ(CaCO3)、ρ(Na+)、ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)、ρ(TDS)、ρ(SO42-)与ρ(Cl-)均呈显著相关,尤其是ρ(CaCO3)、ρ(Na+)、ρ(Mg2+)、ρ(TDS)和ρ(Cl-)相关系数均达到0.970以上(表 3);ρ(Cl-)除与ρ(HCO3-)相关性不显著外,与其他离子相关性分布在0.692~0.998之间(表 3),因此以ρ(Cl-)作为研究区典型对比各个钻孔离子质量浓度垂向变化(图 3)。北部、中部和南部3个区域ρ(Cl-)在埋深小于20.0m深度范围内波动均较大:位于北部荒地区域的钻孔Zk01、Zk02和Zk03,ρ(Cl-)最大值出现在埋深约5.0 m处,随后逐渐减小,埋深大于20.0 m后孔隙水ρ(Cl-)趋于稳定;位于中部蓟运河湾区域钻孔Zk04、Zk05、Zk06、Zk07、Zk11的ρ(Cl-)从地表开始随着深度增加逐渐增大,在15.0 m左右达到最大值,随后逐渐减小,埋深大于20.0 m的孔隙水ρ(Cl-)趋于稳定;位于南部区域的钻孔Zk08、Zk09分别处于蓟运河边和水塘边,ρ(Cl-)最大值出现在埋深15.0 m左右,20.0 m以深略有波动,而南部的Zk10位于盐田,最大值出现在埋深约5.0 m左右,5.0 m以深变化趋势与Zk08、Zk09基本一致。总体趋势为北部在埋深约5.0 m处各离子质量浓度达到最大值,中部和南部最大值多出现在15.0 m左右,南部受制盐、晒盐活动影响,位于盐田的点位最大值出现在5.0 m左右。

表 3 孔隙水水化学组分相关系数矩阵 Table 3 Correlation matrices of hydro-chemical parameters of pore water
ρ(Na+) ρ(Ca2+) ρ(Mg2+) ρ(SO42-) ρ(HCO3-) ρ(Cl-) ρ(CaCO3) ρ(TDS)
ρ(Na+) 1.000
ρ(Ca2+) 0.672** 1.000
ρ(Mg2+) 0.963** 0.699** 1.000
ρ(SO42-) 0.810** 0.678** 0.812** 1.000
ρ(HCO3-) 0.099* -0.305** 0.045 -0.200** 1.000
ρ(Cl-) 0.996** 0.692** 0.973** 0.791** 0.087* 1.000
ρ(CaCO3) 0.959** 0.759** 0.996** 0.823** 0.003 0.971** 1.000
ρ(TDS) 0.998** 0.695** 0.974** 0.822** 0.078 0.998** 0.972** 1.000
  注:*和**分别代表 0. 05和0. 01的显著水平。
图 3 研究区钻孔Cl-质量浓度垂向分布图 Fig. 3 Vertical distribution of cl- content in the study area
2.2 孔隙水水化学类型

孔隙水水化学类型总体为Cl-Na型,仅在个别点位40.0 m深度出现Cl-Na·Mg型地下水,地下水水化学类型没有分带性,但随着深度的增加,ρ(Cl-)、ρ(Na+)逐渐降低。研究区水化学类型数据均落在piper三线图菱形区域的7区[14],属非碳酸碱金属(原生盐度)超过50%的区域,靠近菱形右侧顶点附近,属于典型的海水和卤水分布区域(图 4)。

1-9为分区号。 图 4 不同深度孔隙水水样Piper图 Fig. 4 Piper graph of pore water samples with different depths

区内孔隙水按ρ(TDS)可划分为:淡水(< 1 g/L)、微咸水(1~3 g/L)、咸水(3~10 g/L)、盐水(10~50 g/L)和卤水(>50 g/L)。其中:5.0~10.0 m范围内孔隙水类型为卤水和盐水,所占比例分别为15%和85%;15.0 m深度分布有卤水、盐水和咸水,所占比例分别为8%、84%、8%;20.0 m深度分布有盐水和咸水,所占比例分别为85%和15%;40.0 m深度分布有盐水和咸水,所占比例分别为45%和55%。

3 讨论 3.1 孔隙水水化学成因

研究区属于滨海平原,分布有平行于海岸线的第四纪滨海相地下卤水,从垂向变化来看,卤水主要分布在3.5 ~15.0 m范围内,随着采样深度的增加,卤水比例逐渐下降为0。区内孔隙水受潮滩生卤影响[15],北部在埋深3.5 m处各离子质量浓度达到最大,主要是黄骅海侵时期海水在潮滩经过反复蒸发浓缩后下渗聚集,埋藏、浓缩和其他复杂作用下形成高矿化度卤水;中部、南部分布有蓟运河和永定新河,由于河水的冲淡作用,孔隙水表层5.0 m处没有出现离子质量浓度最大值,但研究区垂向离子质量浓度整体在15.0 m左右出现最大值,20.0 m以深各离子质量浓度减小并趋于稳定,高离子质量浓度的深度范围与海侵时期海相层(Q42m)分布范围基本一致。

3.2 基于离子比值法的孔隙水成因分析

Cl/Br系数:Br与Cl是性质相近的卤族元素,一般在淡水中含量很低,在蒸发浓缩过程中不能形成独立的矿物[16],在海水和卤水中含量相对富集。Cl/Br系数是表征海水特征的系数,在大洋水中,Cl/Br约为300;残余海水中,Cl/Br < 300;低矿化度溶滤水中Cl/Br>300。Cl/Br系数常用来判断卤水成因和海水入侵程度和范围[17]

γNa/γCl系数:标准海水中γNa/γCl系数平均值为0.85,天津滨海地区海水样品γNa/γCl为0.86;沉积水中Na+与沉积地层中Ca2+存在阳离子交换作用时,沉积水中Na+质量浓度减少,γNa/γCl小于0.85;岩盐地层溶滤生成的地下水中γNa/γCl接近于1。

本次分别利用位于北部、中部和南部的钻孔Zk02、Zk05和Zk10进行离子比值分析。

1) 北部钻孔Zk02

位于北部的钻孔Zk02,垂向上Cl/Br系数整体在121~377之间(图 5)。该钻孔12.1 m以浅主要分布有人工填土层、新近组古河道、洼淀冲积层和第Ⅰ海相层,地层岩性以粉质黏土和粉土为主,在12.1 m以浅Cl/Br系数基本分布在300左右,说明地下水受现代海水影响显著。12.1~40.0 m孔隙水表现为现代海水和蒸发浓缩后残余海水混合作用,Cl/Br系数总体上小于300;其中23.8~28.5 m Cl/Br系数大于300,主要原因是该深度范围分布有渗透性较好的粉土层,受周边溶滤地下水交替循环补给影响,导致Cl/Br系数偏大。Zk02钻孔γNa/γCl系数总体分布在0.70~0.93之间,其中:32.0 m以浅地层中γNa/γCl系数均分布在0.85左右,说明该范围段地下水以现代海水影响为主,在粉土层分布位置,γNa/γCl比值略有增大,说明粉土层中地下水受到现代海水与溶滤水混合影响;32.0 m以深γNa/γCl系数明显小于0.85,沉积水影响更明显。

图 5 北部Zk02离子比值垂向分布图 Fig. 5 Vertical distributions of ionic ratios in the northern region of Zk02

2) 中部钻孔Zk05

位于研究区中部的钻孔Zk05,垂向上Cl/Br系数整体在212~368之间(图 6)。Cl/Br系数在20.0 m以浅分布在300左右,地下水主要受现代海水影响;20.0 m以深Cl/Br系数总体小于300,地下水表现为现代海水和残余海水混合特征,其中在埋深25.6~28.9 m受粉土层中地下水循环交替影响,Cl/Br系数局部大于300。γNa/γCl系数分布在0.77~0.88之间:在20.0 m以浅分布在0.82左右,地下水主要受现代海水影响;在埋深20.0~28.5 m范围内地层分布夹粉土条带的黏土、粉质黏土,具有一定的透水能力,受水循环交替影响γNa/γCl系数略有增大;28.5 m以深γNa/γCl系数逐渐变小,地下水受现代海水和残余海水共同影响。

图 6 中部Zk05离子比值垂向分布图 Fig. 6 Vertical distributions of ionic ratios in the central region of Zk05

3) 南部钻孔Zk10

位于南部的Zk10垂向上Cl/Br系数整体在192~356之间(图 7):Cl/Br系数在20.0 m以浅分布在300左右,地下水表现出明显的现代海水特征;20.0 m以深,Cl/Br在第Ⅱ陆相层河床-河漫滩相沉积层(Q41al)中具有过渡性,随深度增加逐渐减小,由于滨海地区第Ⅲ陆相层(Q3eal)沉积厚度薄,沉积时段介于两次海侵之间,该沉积段赋存的地下水受现代海水和古沉积海水共同影响,Cl/Br小于300,地下水表现出部分残余海水特征。孔隙水中γNa/γCl垂向比值变化以20.0 m为界(图 7):埋深5.0~20.0 m的γNa/γCl值分布在0.78~0.85之间,基本与滨海地区海水γNa/γCl一致,揭示了该海相沉积层中孔隙水受到现代海水的影响较为明显;埋深20.0 m以深孔隙水中γNa/γCl总体小于0.85,地下水表现出沉积水特征。在地层沉积过程中,水中的Na+极易与地层中的交换性Ca2+产生阳离子交换作用,因此黏性土层孔隙水中ρ(Na+)减少,γNa/γCl偏小;粉土及粉砂层中地下水渗透能力较强,受水循环交替影响更明显,同时阳离子交换吸附作用较黏性土层弱,γNa/γCl值偏大。研究区20.0 m以深孔隙水水化学特征主要受到古沉积水的控制,同时与沉积地层岩性密切相关,受到一定程度水岩相互作用的影响。

图 7 南部Zk10离子比值垂向分布图 Fig. 7 Vertical distributions of ionic ratios in the southern region of Zk10
3.3 基于同位素比值法的孔隙水成因分析

87Sr是岩石圈广泛分布的碱土元素[18],来源于87Rb的衰变,其形成周期远远大于地下水的年龄1 Ma,相对丰度以87Sr/86Sr表示。由于87Sr/86Sr在不同时代、不同成因的岩石矿物中差异明显,因此被广泛应用于水岩相互作用、地下水形成演化以及水化学成因等研究领域[19-21]。Sr来源于地下水中矿物溶解,与87Sr成因不同,利用ρ(Sr)和87Sr/86Sr值可辅助区别地下水来源[22]

本次研究对区内10.0 m和40.0 m的深度粉土、粉砂层进行了成井取水和压榨孔隙水同位素对比研究。其中:10.0 m成井中取得的地下水为潜水,取水段主要为6.0~9.5 m分布的粉土层和粉质黏土层,该层位对应的土壤样品压榨得到的孔隙水为浅层孔隙水;40.0 m成井中取得的地下水为承压水,取水段主要为32.5~40.0 m分布的粉砂层,该层位取得的土壤样品压榨得到的孔隙水为深层孔隙水。潜水和承压水在下文中统称为地下水,压榨取得的浅层孔隙水和深层孔隙水统称为孔隙水。

取得的地下水和孔隙水样品数据表明:地下水潜水中ρ(Sr)平均值为10.12 mg/L,浅层孔隙水中ρ(Sr)平均值为8.60 mg/L;承压水中ρ(Sr)平均值为7.02 mg/L,深层孔隙水中ρ(Sr)平均值为5.27 mg/L。Sr质量浓度总体随着深度的增加逐渐减小。成井地下水中Sr质量浓度高于孔隙水。

潜水87Sr/86Sr分布在0.709 21~0.709 33之间,平均值为0.709 28;浅层孔隙水87Sr/86Sr分布在0.709 35~0.709 43之间,平均值均为0.709 37(图 8)。地表水中87Sr/86Sr分布在0.709 60~0.709 86之间,平均值0.709 76[23];现代海水87Sr/86Sr平均值为0.709 03。对比发现潜水和浅层孔隙水87Sr/86Sr平均值分别为0.709 28和0.709 37,介于地表水和现代海水中间,推测浅层地下水受现代海水和地表水混合影响。相同深度范围内成井取水与孔隙水87Sr/86Sr基本一致,揭示了该区相同深度成井地下水与压榨孔隙水主要影响因素基本一致。承压水中87Sr/86Sr分布在0.709 88~0.710 20之间,平均值为0.710 09,深层孔隙水中87Sr/86Sr分布在0.710 03~0.710 30之间,平均值为0.710 17(图 8);垂向上由浅至深,地下水和孔隙水中87Sr/86Sr均随深度增加略有增大。

图 8 地下水与孔隙水87Sr/86Sr比值与1/Sr关系图 Fig. 8 Variations of 87Sr/86Sr with 1/Sr in groundwater and pore water

利用成井地下水和孔隙水87Sr/86Sr比值与1/Sr做相关性分析,见图 8,可以看出潜水和浅层孔隙水87Sr/86Sr-1/Sr与现代海水比较相近,受现代海水影响十分明显;承压水和深层孔隙水87Sr/86Sr-1/Sr由于侧向径流补给和水岩相互作用逐渐增强呈现出高Sr同位素比值,低Sr浓度趋势;承压水87Sr/86Sr-1/Sr与深层孔隙水87Sr/86Sr-1/Sr呈多元混合模式,说明深层孔隙水与含水层中地下水来源存在一定差异性,初步判断孔隙水在受到现代海水影响的同时,受古沉积环境影响更为明显。

4 结论

1) 中新天津生态城地下水水化学类型以Cl-Na型为主,孔隙水主要受潮滩生卤模式影响,北部在埋深5.0 m左右各离子质量浓度达到最大;中部、南部受蓟运河和永定新河的冲淡作用,离子质量浓度在15.0 m左右出现最大值,20.0 m以深各离子质量浓度减小并趋于稳定。

2) 地下水水质成因以20.0 m为界,表现出明显的差异性:埋深小于20.0 m的潜水和浅层孔隙水的水质特征均表现出明显的现代海水特性,受海水影响较为显著;埋深大于20.0 m的孔隙水化学特征受现代海水、水岩相互作用及古沉积水的混合作用,其中孔隙水受古沉积环境影响更为明显。

参考文献
[1]
Nagao S, Yanase N, Yamamoto M, et al. The Geochemistry of Uranium in Pore Waters from Lake Sediments[J]. Journal of Radioanalytical & Nuclear Chemistry, 2002, 252(2): 225-232.
[2]
Jiang Tao, Xie Xinong, Chen Hui, et al. Geochemistry of Pore Water and Associated Diagenetic Reactions in the Diapiric Area of Yinggehai Basin, Northwestern South China Sea[J]. Journal of Earth Science, 2015, 26(3): 306-316. DOI:10.1007/s12583-015-0526-y
[3]
Twidwell L, Gammons C H, Young C A, et al. Summary of Deepwater Sediment/Pore Water Characterization for the Metal-Laden Berkeley Pit Lake in Butte, Montana[J]. Mine Water & the Environment, 2006, 25(2): 86-92.
[4]
Lent R M, Lyons W B. Porewater Geochemistry and Solute Flux from Bottom Sediments, Devils Lake, North Dakota[J]. International Journal of Salt Lake Research, 1994, 3(2): 113-135. DOI:10.1007/BF01990490
[5]
蒋少涌, 杨涛, 薛紫晨, 等. 南海北部海区海底沉积物中孔隙水的Cl-和SO42-浓度异常特征及其对天然气水合物的指示意义[J]. 现代地质, 2005, 19(1): 45-54.
Jiang Shaoyong, Yang Tao, Xue Zichen, et al. Chlorine and Sulfate Concentrations in Pore Waters from Marine Sedmients in the North Margin of the South China Sea and Their Implications for Gashydrate Exploration[J]. Geoscience, 2005, 19(1): 45-54. DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2005.01.007
[6]
李静, 梁杏, 陈乃嘉, 等. 地球化学模拟方法确定黏性土孔隙水化学组分[J]. 水文地质工程地质, 2017, 44(1): 1-8.
Li Jing, Liang Xing, Chen Naijia, et al. Determination of Chemical Compositions of Pore Water in Clay-Rich Formations Using Geochemical Modeling[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2017, 44(1): 1-8.
[7]
李静, 梁杏, 毛绪美, 等. 水化学揭示的弱透水层孔隙水演化特征及其古气候指示意义[J]. 地球科学, 2012, 37(3): 612-620.
Li Jing, Liang Xing, Mao Xumei, et al. Hydro-Geochemistry Implications of Evolution of Pore Water in Low-Penetrability Aquifer and Significance of Paleoclimate[J]. Earth Science, 2012, 37(3): 612-620.
[8]
张宗祜, 施德鸿, 沈照理, 等. 人类活动影响下华北平原地下水环境的演化与发展[J]. 地球学报, 1997, 18(4): 337-344.
Zhang Zonghu, Shi Dehong, Shen Zhaoli, et al. Evolution and Development of Groundwater Environment in North China Plain Under Human Activities[J]. Acta Geoscientica Sinica, 1997, 18(4): 337-344.
[9]
曹阳, 滕彦国, 刘昀竺. 宁夏吴忠市金积水源地地下水水质影响因素的多元统计分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2013, 43(1): 235-244.
Cao Yang, Teng Yanguo, Liu Yunzhu. Multivariate Statistical Approach to Identify Influencing Factors of Groundwater Quality in Jinji Water Source of Wuzhong City[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2013, 43(1): 235-244.
[10]
郭高轩, 侯泉林, 许亮, 等. 北京潮白河冲洪积扇地下水水化学的分层分带特征[J]. 地球学报, 2014, 35(2): 204-210.
Guo Gaoxuan, Hou Quanlin, Xu Liang, et al. Delamination and Zoning Characteristics of Quaternary Groundwater in Chaobai Alluvial-Proluvial Fan, Beijing, Based on Hydrochemical Analysis[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2014, 35(2): 204-210.
[11]
章程, 汪进良, 蒲俊兵. 地下河出口河流水化学昼夜动态变化:生物地球化学过程的控制[J]. 地球学报, 2015, 36(2): 197-203.
Zhang Cheng, Wang Jinliang, Pu Junbing. Diel Aqueous Chemical Cycling in a Typical Karst Spring-Fed Stream:Controls of Biogeochemical Processes[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2015, 36(2): 197-203.
[12]
董维红, 孟莹, 王雨山, 等. 三江平原富锦地区浅层地下水水化学特征及其形成作用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(2): 542-553.
Dong Weihong, Meng Ying, Wang Yushan, et al. Hydrochemical Characteristics and Formation of the Shallow Groundwater in Fujin Sanjiang Plain[J]. Journal of Jilin University, 2017, 47(2): 542-553.
[13]
岩石中铅、锶、铷同位素测定方法: GB/T 17672-1999[S].北京: 中国标准出版社, 1999.
Determination for Isotopes of Lead, Strontium and Neodymium in Rock Samples: GB/T 17672-1999[S]. Beijing: Standards Press of China, 1999.
[14]
王瑞久. 三线图解及其水文地质解释[J]. 工程勘察, 1983(6): 6-11.
Wang Ruijiu. Three Line Diagram and Its Hydrological Geological Interpretation[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 1983(6): 6-11.
[15]
王珍岩, 韩有松. 第四纪滨海相地下卤水的研究[J]. 海洋科学, 1998, 22(1): 22-24.
Wang Zhenyan, Han Yousong. The Geotechnical Properties of the Shallow Soil Layers of the Southern Bohai Gulf and Their Ralationship with the Sedimentary Facies in the Area[J]. Marine Sciences, 1998, 22(1): 22-24.
[16]
林耀庭, 姚有成, 康正华, 等. 四川宣达盐盆富钾富矿卤水地球化学特征及资源意义研究[J]. 盐湖研究, 2004, 12(1): 8-18.
Lin Yaoting, Yao Youcheng, Kang Zhenghua, et al. Study on the Geochemical Characteristics and Resource Significance of the Highlymineralized Potassium-Rich Brine in the Sichuan Xuanda Salt Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2004, 12(1): 8-18. DOI:10.3969/j.issn.1008-858X.2004.01.002
[17]
曹琴, 周训, 张欢, 等. 四川盆地卧龙河储卤构造地下卤水的水化学特征及成因[J]. 地质通报, 2015, 34(5): 990-997.
Cao Qin, Zhou Xun, Zhang Huan, et al. Hydrochemical Characteristics and Genesis of the Subsurface Brines in the Wolonghe Brine-Bearing Structure of Sichuan Basin[J]. Geological Bulletin of China, 2015, 34(5): 990-997. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2015.05.019
[18]
苏小四, 吴春勇, 董维红, 等. 鄂尔多斯沙漠高原白垩系地下水锶同位素的演化机理[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2011, 38(3): 348-358.
Su Xiaosi, Wu Chunyong, Dong Weihong, et al. Strontium Isotope Evolution Mechanism of the Cretaceous Groundwater in Ordos Desert Plateau[J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2011, 38(3): 348-358. DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2011.03.017
[19]
Klaus J S, Hansen B T, Buapeng S. 87Sr/86Sr Ratio:A Natural Tracer to Monitor Groundwater Flow Paths During Artificial Recharge in the Bangkok Area, Thailand[J]. Hydrogeology Journal, 2007, 15(4): 745-758. DOI:10.1007/s10040-007-0175-z
[20]
Jørgensen N O, Banoeng-Yakubo B K. Environmental Isotopes (18O, 2H, and 87Sr/86Sr) as a Tool in Groundwater Investigations in the Keta Basin, Ghana[J]. Hydrogeology Journal, 2001, 9(2): 190-201. DOI:10.1007/s100400000122
[21]
Ian Cartwright, Weaver Tamie, Petrides Ben. Controls on 87Sr/86Sr Ratios of Groundwater in Silicate-Dominated Aquifers:SE Murray Basin, Australia[J]. Chemical Geology, 2007, 246(1): 107-123.
[22]
杨郧城, 文冬光, 侯光才, 等. 鄂尔多斯白垩系自流水盆地地下水锶同位素特征及其水文学意义[J]. 地质学报, 2007, 81(3): 405-412.
Yang Yuncheng, Weng Dongguang, Hou Guangcai, et al. Characteristic of Strontium Isotope of Groundwater and Its Application on Hydrology in the Ordos Cretaceous Artesian Basin[J]. Acta Geologica Sinica, 2007, 81(3): 405-412. DOI:10.3321/j.issn:0001-5717.2007.03.012
[23]
曹阳, 杨耀栋, 申月芳, 等.天津中新生态城地下水质空间分布特征及腐蚀性评价与试验研究成果报告[R].天津: 天津市地质矿产测试中心, 2016.
Cao Yang, Yang Yaodong, Shen Yuefang, et al. Report on the Spatial Distribution Characteristics of Groundwater Quality and Its Corrosivity Evaluation and Experimental Research in Sino-Singapore Tianjin Eco-City[R]. Tianjin: Tianjin Geological Mineral Testing Center, 2016.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180076
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
0

文章信息

曹阳, 申月芳, 焦志亮, 翟远征, 杨耀栋
Cao Yang, Shen Yuefang, Jiao Zhiliang, Zhai Yuanzheng, Yang Yaodong
中新天津生态城孔隙水化学垂向分布及其成因
Pore Water Vertical Chemistry Distribution and Origin Analysis in Sino-Singapore Tianjin Eco-City
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(4): 1109-1120
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(4): 1109-1120.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180076

文章历史

收稿日期: 2018-05-12

相关文章

工作空间