论文部分内容阅读
大同盆地位于山西省北部，地下水是工农业生产和居民生活用水的主要供水水源，水资源问题非常突出。在大同盆地北部大同市附近，由于强烈的工农业活动，在过去的二十多年内市区浅层第四系地下水水位不断下降，成为区域性下降漏斗，市区及农业灌溉区地下水水质不断恶化，由此导致可以利用的地下水资源日益减少，其后果已严重影响了大同市工农业的发展；在大同盆地中部，地下水位埋深较浅，加之干燥的气候条件，强烈的蒸发作用导致了山阴、应县、怀仁等地出现严重盐碱化现象，部分地下水矿化度极高；由于盐碱地分布区土壤中碳酸钠和碳酸氢钠含量高，物理性质差，自然肥力低，绝大多数中度’和重度盐碱地被荒弃。土地大面盐碱化严重制约着当地农牧业的发展。该盆地最典型的、最突出的环境地质问题是地下水含砷异常。另外，该地区还存在地下水中氟含量异常，伴随有地下水氟中毒现象。大同盆地所有以上这些与地下水有关的环境地质问题严重制约着当地工农业的发展。
本文通过分析更新世以来古气候、构造活动和古地质环境的发展变化，确定了大同盆地地下水的形成和演化的基本框架。大同盆地沉积环境和相应的气候变化过程，塑造了由山前到盆地中心呈一定规律的孔隙地下水循环系统，以及在垂向上呈跳跃式、在平面上呈渐变式变化的地下水水化学特征。这种天然条件下地下水演化的总体格局为科学认识地下水环境对天然行为和人为扰动的响应以及合理解释各种水文地球化学现象(包括地下水化学异常、人为活动对水环境的影响等)提供了重要的研究背景。
为了便于深入分析与模拟盆地孔隙水系统中发生的各种水文地球化学过程，我们将盆地地下水划分为第四系全新统浅层孔隙潜水(含水层埋藏深度约为0-50 m)与中上更新统中深层承压水(含水层埋藏深度约为50-200 m)分别进行研究，并通过对比分析了两者之间的关系。盆地孔隙水的水化学特征作为孔隙水系统的重要属性，受到区内地形地貌、地层岩性、沉积环境、地质构造以及水文气象等因素带状分布规律的影响，其空间变化也表现出极强的分带性。由盆地边缘至盆地中心，地下水经历的水化学作用依次为溶滤型、径流型和蒸发型，总溶解固体量由低变高，水质由好变差。盆地地下水水化学成分的渐变特征与水动力分区相吻合，从补给区、径流区到排泄区，孔隙水的pn值、TDS及HC03、SO<,4><’2->、cl<’->、NO<,3><’2+>、Mg<’2+>、、Na<’+>等宏量组分的含量呈逐渐上升趋势。在各宏量组分中，SO<,4><’2->、cl<’->和Na<’+>的增加幅度较大，HCO3<’->和．Mg<’2+>的增加幅度相对较小，但Ca<’2+>的含量有不同程度的降低。由边山向盆地中心，地下水的水化学类型从重碳酸型、重碳酸一硫酸型，逐渐过渡为重碳酸．硫酸一氯化物型。在盆地中部的局部地区主要为硫酸-氯化物型与氯化物-硫酸型。但是，与中深层孔隙水相比，浅层孔隙水中各组分的含量增加幅度相对较大，水化学类型分带规律性也比中深层差，其原因在于浅层孔隙水水位埋深浅，蒸发浓缩强烈，且易受人类活动污染的影响。
通过分析大同盆地地下水氢、氧和锶同位素的组成发现，各含水组的地下水均来起源于大气降水，且在补给过程中经受了不同程度的蒸发作用。在山前倾斜平原地带，从补给区至潜水溢出带，浅层潜水的δ<’18>O由小变大，具有大型冲洪积扇典型的水文地球化学分带特点。该区潜水的更新时间较短，循环速度较快，更新能力明显大于深层承压水。而在湖积平原地带，除了大气降水补给之外，河水灌溉入渗是该地区浅层潜水的来源之一。在水位降落漏斗等局部地区，两者通过越流补给发生水力联系。盆地中深层孔隙水的δ<’18>O和δD值较低，且随深度增加逐渐偏负的特征表明，除了通过山前断裂接受边山基岩山区海拔较高的大气降水和基岩裂隙水侧向补给之外，深部封存的形成于地质历史时期冰期气候条件下的大气降水(或地表水)也是中深层承压地下水的重要补给来源之一。
盆地孔隙地下水中Sr的含量和<’87>Sr／<’86>Sr值分布特征研究表明，水-岩作用是控制地下水化学成分的主要因素，地下水中的溶质主要来源于硅酸盐矿物和铝硅酸盐矿物的风化或溶解，而碳酸盐矿物溶解对地下水化学组成的影响很小。地下水中sr的含量与<’87>Sr/<’86>Sr值之间的相关性较差，指示不同类型的地下水以及地表水之间存在着广泛的水力联系。盆地地下水的水化学过程分析表明，组成盆地孔隙介质的主要矿物硅酸盐和铝硅酸盐溶解一沉淀作用是控制孔隙水水化学组成的重要水文地球化学过程。这些矿物的水解一方面使地下水中K<’+>、Ca<’2+>、Na<’+>、Mg<’2+>、HCO3<’->。等离子浓度增加，并生成高岭土沉淀和硅酸；同时，还可能会引起玉髓和石英等矿物过饱和从水中沉淀出来，并且由沉淀作用降低的偏硅酸的量大于由硅酸盐矿物水解产生的量，使地下水中偏硅酸含量呈下降的趋势。另外，由补给区至排泄区，孔隙水中Na<’+>含量大幅度升高，远大于K<’+>和Mg<’2+>的增加幅度，而Ca<’2+>含量甚至还有所降低。这些变化同发生于孔隙含水层中的阳离子交换作用有关。据盆地2004年浅层孑L隙水等水位等值线图，在盆地南部选择具有代表性的地下水流动路径，利用PHREEQC软件进行水化学模拟的计算结果与我们对盆地孔隙水地球化学演化的定性分析结果一致，表明边盆地内硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐矿物的溶解与沉淀作用、发生于径流一排泄区的阳离子交换作用、盆地中部孔隙水的蒸发浓缩作用是控制浅层孔隙水地球化学演化的主要因素。
大同盆地典型的地下水砷异常问题是本文的研究重点之一。采用现场采样和分离相结合的方法对该区高砷地下水中砷的形态进行分析发现，可溶的As(III)、As(V)、DMA、MMA以及以颗粒态(>O.45μm)砷(As(P))的含量占总砷含量的平均百分比分别为53.13％、19.80％、18.39％、5.31％和3.36％，大小顺序为：As(III)>As(V)>DMA>MMA>As(P)。地下水中砷的形态分布是地下水氧化还原条件(Eh)、pH值、水化学成分、总有机碳含量以及水温等多种因素共同作用下的结果。除了总砷含量较高之外，As(III)所占的百分含量较大也是造成该区居民砷中毒严重的原因之一。另外，论文应用切向流超滤技术有效地对高砷地下水中的胶体进行了分离测试，定量计算胶体中各种化学成分的含量，并结合XRD和ESEM技术从微观角度对其元素组成进行了分析。研究发现，地下水中与砷有关的胶体相主要为有机质，氧化物(氢氧化物)和粘土矿物等，砷(7.57％)和Fe、Mn、Zn和S等元素在胶体相中均有一定含量。这充分表明地下水中的胶体在一定程度上影响着微量元素的地球化学循环，水温、pH值、Eh、碱度和总溶解固体量等均可影响到元素与胶体粒子的络合。盆地沉积物中As的含量较高，平均含量达28.1mg/Kg。除残渣态砷之外，其它形态砷占总砷的百分含量为3.11～17.88％，平均百分含量为7.90％。沉积物对砷的吸附符合Freundlich吸附等温模式，铝硅酸盐、铁锰氧化物以及有机质含量较高且颗粒较粗的粘土和亚粘土类沉积物的吸附性较强。pH值和Eh值的变化控制着沉积物和地下水中胶体对砷的吸附/解吸作用，这可能是影响砷在地下水环境中迁移、富集的主要因素。
最后，作者对大同盆地原生高砷地下水的成因进行了综合分析，并从宏观和微观角度分析了地下水砷富集的机理。盆地周边含砷的变质岩类及煤系地层是盆地高砷环境的主要原生物源；盆地内富含有机质的湖相沉积物是次生富砷介质，为地下水中砷的直接来源。宏观上，干旱-半干旱的气候条件、封闭-半封闭的地球化学环境、地下水交替缓慢的水文地质条件、以及高砷含量的岩石和沉积物介质构成了高砷地下水形成的外部环境。微观上，土壤-水系统中有机物分解、各种矿物质的溶解、还原、沉淀以及各种赋存形态砷的相互转化构成了高砷地下水形成的内部环境。影响地下水化学异常的各种环境因素，包括地下水的pH值、Eh值、有机物、磷酸根，以及沉积物中各种形态砷含量、有机质组成等。
本文的创新点体现在：(1)首次使用现场采样和分离相结合的方法对大同盆地高砷地下水中砷的形态分布特征进行了研究；(2)采用切向流超滤技术对高砷地下水中的胶体进行了分离，定量计算胶体中各种化学成分的含量，并结合XRD和ESEM技术从微观角度对胶体的类型和组成进行了分析，初步研究了地下水中的胶体粒子对微量元素地球化学循环的作用以及影响因素；(3)通过多步提取法对研究区沉积物中砷的形态分布了进行分析，并结合沉积物对砷的吸附实验研究了沉积物对砷的吸附／解吸作用和影响因素。