柴达木盆地大柴旦地区地下水水化学特征及演化规律

doi:10.13745/j.esf.sf.2020.6.40

地学前缘 ›› 2021, Vol. 28 ›› Issue (4): 194-205.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.6.40

• 水生态、草地生态及污染土壤修复 • 上一篇下一篇

柴达木盆地大柴旦地区地下水水化学特征及演化规律

张景涛¹^,²(), 史浙明¹^,^*(), 王广才¹, 姜军³, 杨炳超³

1.中国地质大学(北京) 地下水循环与环境演化教育部重点实验室, 北京 100083
2.黄河勘测规划设计研究院有限公司, 河南郑州 450003
3.中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西西安 710054

收稿日期:2020-05-12 修回日期:2020-10-20 出版日期:2021-07-25 发布日期:2021-07-25
通讯作者: 史浙明
作者简介:张景涛(1992—),男,硕士,地质工程专业。E-mail: zhangjt54321@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(41672243);“十三五”国家重点研发计划项目(2018YFC1508703);黄河勘测规划设计研究院有限公司自主研发项目(2020-ky02)

Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the Dachaidan area, Qaidam Basin

ZHANG Jingtao¹^,²(), SHI Zheming¹^,^*(), WANG Guangcai¹, JIANG Jun³, YANG Bingchao³

1. Ministry of Education Key Laboratory of Groundwater Circulation and Environmental Evolution, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
2. Yellow River Survey, Planning and Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China
3. Xi’an Center, China Geological Survey, Xi’an 710054, China

Received:2020-05-12 Revised:2020-10-20 Online:2021-07-25 Published:2021-07-25
Contact: SHI Zheming

摘要/Abstract

摘要：

地下水在干旱/半干旱地区的生态环境保护中起着主导作用。柴达木盆地北缘的大柴旦湖地处西北干旱区,其生态环境较为脆弱,了解该地区的地下水水化学演化特征,对这一生态敏感地区的地下水可持续利用至关重要。本研究通过采集该地区28 个具有代表性的水样,运用数理统计、Piper图、Gibbs图、离子比值、饱和指数和反向水文地球化学模拟等方法,分析了研究区地下水水化学类型分布特征,探讨了地下水水化学演化过程中的水岩作用。结果表明:(1)由山前冲洪积扇到大柴旦湖,地下水水化学类型由HCO₃·Cl·SO₄-Na·Ca型向SO₄·Cl-Ca·Na、Cl-Na型演化转变,总溶解固体物含量由小于1 g/L增至380 g/L以上。(2)Gibbs图、主要离子比值分析及饱和指数表明,研究区地下水水化学特征主要受水岩作用和蒸发结晶作用控制,沿地下水流路径上,主要发生了岩盐、石膏的溶解,方解石的沉淀,白云石和长石的溶解或沉淀。氯碱指数、[(Na⁺+K⁺)-Cl^-]与[(Ca²⁺+Mg²⁺)-( $HCO 3 -$ + $SO 4 2 -$ )]关系表明,阳离子交换作用也影响着该地区地下水水化学组分的形成。(3)通过反向水文地球化学模拟,定量验证了地下水径流过程的主要水-岩作用。

关键词: 地下水, 水化学特征, 演化规律, 大柴旦湖, 柴达木盆地

Abstract:

Groundwater plays an important role in the ecological environmental protection in arid and semi-arid areas. The Dachaidan Lake in the northern margin of the Qaidam Basin is located in the arid, ecologically sensitive northwestern region. For sustainable use of groundwater in this region, it is crucial to understand its hydrochemical evolutionary characteristics. In this study, we collected 28 representative water samples from this area and analyzed the distribution characteristics of groundwater chemical types by using mathematical statistics, Piper chart, Gibbs chart, ion ratio, saturation index and reverse hydrogeochemical simulation; we also discussed the water-rock interaction in the groundwater hydrochemical evolutionary process. The main results are: (1) From the piedmont alluvial fan to the Dachaidan Lake, the hydrochemical type changed from HCO₃·Cl·SO₄-Na·Ca to SO₄·Cl-Ca·Na and Cl-Na while TDS increased from 1 to 380 g/L or more. (2) The gibbs diagram, major ion ratio and saturation index showed the hydrochemical characteristics of groundwater in the study area were mainly controlled by the water-rock interaction and evaporation-crystallization effect, with halite, gypsum and feldspar dissolution and calcite and dolomite deposition along the groundwater flow path. The relationship between chlor-alkali index and [(Na⁺+K⁺)-Cl^-] or [(Ca²⁺+Mg²⁺)-( $HCO 3 -$ + $SO 4 2 -$ )] showed the cation exchange also affected the chemical composition of groundwater in the area. (3) Through reverse hydrogeochemical simulation, the main water-rock effect of the groundwater runoff process revealed by qualitative analysis was quantitatively verified.

Key words: groundwater, hydrochemical characteristics, evolution law, Dachaidan Lake, Qaidam Basin

中图分类号:

P641.3

张景涛, 史浙明, 王广才, 姜军, 杨炳超. 柴达木盆地大柴旦地区地下水水化学特征及演化规律[J]. 地学前缘, 2021, 28(4): 194-205.

ZHANG Jingtao, SHI Zheming, WANG Guangcai, JIANG Jun, YANG Bingchao. Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the Dachaidan area, Qaidam Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(4): 194-205.

图/表 10

图1 研究区位置和采样分布图

Fig.1 Topographic map showing the study area location and distribution of sampling sites

图2 研究区地下水等水位线图

Fig.2 Groundwater contour map of the study area

图3 研究区水文地质剖面图

Fig.3 Hydrogeological profile of the study area

表1 水文地球化学组分统计表

Table 1 Results of statistical analysis of hydrogeochemical compositions of piedmont spring and groundwater in the alluvial-proluvial plain

水样类型	野外编号	ρ_B/(mg•L^-1)									pH值
水样类型	野外编号	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	$SO 4 2 -$	$HCO 3 -$	$NO 3 -$	TDS	pH值
山区泉水	W142	13.5	141	66.7	35.6	147	183	276	—	838	8.48
冲洪积平原潜水	TK1-1	4.57	96.2	59.4	20.5	136	131	144	1.11	508	8.12
	TK2-1	2.98	55.1	31.9	6.94	49.4	50.9	132	0.64	280	8.20
	W67	3.97	122	20.1	17.5	111	139	97.8	0.86	536	8.76
	W137	5.37	356	58.2	29.2	422	337	80.0	—	1 194	7.78
冲洪积平原承压水	TK1-2	4.37	75.0	52.8	15.5	102	87.1	150	0.88	398	8.13
冲洪积平原承压水	TK2-2	3.97	35.6	33.8	10.5	47.8	30.1	141	0.79	228	8.25
冲洪积平原前缘潜水	W7	6.16	126	239	43.8	150	712	198	—	1 408	7.89
	W150	10.5	681	659	23.4	671	2 214	193	—	4 840	7.88
	W164	11.5	586	641	53.6	507	2 310	136	—	3 810	7.83
	W152	101	5 713	313	482	8 827	2 695	652	—	18 940	7.92
细土平原泉水	W9	6.16	85.1	94.0	37.5	132	260	184	—	806	7.86
	W20	5.76	81.1	61.8	29.7	131	144	178	—	660	8.00
	W83	4.57	67.7	45.8	17.5	91.8	78.9	166	—	432	8.19
	W84	4.77	69.5	54.6	16.6	93.6	73.2	204	—	438	7.65
	W43	5.17	65.8	51.4	18.5	84.7	77.0	204	—	530	7.78
	W54	3.97	109	49.0	18.0	136	110	169	0.73	532	8.30
	W89	3.58	56.8	39.4	14.1	67.1	57.8	163	—	366	8.12
盐沼平原地下水	W169	13.3	264	58.2	47.5	404	250	172	—	1 344	8.14
	W176	25.0	633	177	102	932	789	308	—	3 032	8.08
	W177	6 357	109 100	361	15 943	173 010	67 376	1.0	—	383 640	8.65
河水	W13	4.37	58.6	71.5	28.3	49.4	231	157	—	570	8.34
	W57	2.58	97.4	73.9	23.9	115	189	181	1.15	652	8.48
	W58	4.57	122	120	39.9	141	390	172	—	970	8.37
	W10	4.57	73.3	61.0	24.8	106	141	163	—	548	8.38
	W44	8.15	126	69.1	54.1	150	120	441	—	826	8.40
	W178	6.95	150	69.9	38.0	185	110	358	0.81	850	8.48
湖水	W90	735	39 425	482	2 643	68 851	6 545	335	—	122 840	8.48

表1 水文地球化学组分统计表

Table 1 Results of statistical analysis of hydrogeochemical compositions of piedmont spring and groundwater in the alluvial-proluvial plain

水样类型	野外编号	ρ_B/(mg•L^-1)									pH值
水样类型	野外编号	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	$SO 4 2 -$	$HCO 3 -$	$NO 3 -$	TDS	pH值
山区泉水	W142	13.5	141	66.7	35.6	147	183	276	—	838	8.48
冲洪积平原潜水	TK1-1	4.57	96.2	59.4	20.5	136	131	144	1.11	508	8.12
	TK2-1	2.98	55.1	31.9	6.94	49.4	50.9	132	0.64	280	8.20
	W67	3.97	122	20.1	17.5	111	139	97.8	0.86	536	8.76
	W137	5.37	356	58.2	29.2	422	337	80.0	—	1 194	7.78
冲洪积平原承压水	TK1-2	4.37	75.0	52.8	15.5	102	87.1	150	0.88	398	8.13
冲洪积平原承压水	TK2-2	3.97	35.6	33.8	10.5	47.8	30.1	141	0.79	228	8.25
冲洪积平原前缘潜水	W7	6.16	126	239	43.8	150	712	198	—	1 408	7.89
	W150	10.5	681	659	23.4	671	2 214	193	—	4 840	7.88
	W164	11.5	586	641	53.6	507	2 310	136	—	3 810	7.83
	W152	101	5 713	313	482	8 827	2 695	652	—	18 940	7.92
细土平原泉水	W9	6.16	85.1	94.0	37.5	132	260	184	—	806	7.86
	W20	5.76	81.1	61.8	29.7	131	144	178	—	660	8.00
	W83	4.57	67.7	45.8	17.5	91.8	78.9	166	—	432	8.19
	W84	4.77	69.5	54.6	16.6	93.6	73.2	204	—	438	7.65
	W43	5.17	65.8	51.4	18.5	84.7	77.0	204	—	530	7.78
	W54	3.97	109	49.0	18.0	136	110	169	0.73	532	8.30
	W89	3.58	56.8	39.4	14.1	67.1	57.8	163	—	366	8.12
盐沼平原地下水	W169	13.3	264	58.2	47.5	404	250	172	—	1 344	8.14
	W176	25.0	633	177	102	932	789	308	—	3 032	8.08
	W177	6 357	109 100	361	15 943	173 010	67 376	1.0	—	383 640	8.65
河水	W13	4.37	58.6	71.5	28.3	49.4	231	157	—	570	8.34
	W57	2.58	97.4	73.9	23.9	115	189	181	1.15	652	8.48
	W58	4.57	122	120	39.9	141	390	172	—	970	8.37
	W10	4.57	73.3	61.0	24.8	106	141	163	—	548	8.38
	W44	8.15	126	69.1	54.1	150	120	441	—	826	8.40
	W178	6.95	150	69.9	38.0	185	110	358	0.81	850	8.48
湖水	W90	735	39 425	482	2 643	68 851	6 545	335	—	122 840	8.48

图4 研究区地下水与地表水Piper图

Fig.4 Piper diagram of groundwater and surface water from various sources in the study area

图5 地下水Gibbs图

Fig.5 Gibbs diagram of groundwater

图6 地下水主要离子关系图

Fig.6 Correlations of major ions in groundwater

图7 研究区地下水主要矿物的饱和指数与主要离子浓度的关系图

Fig.7 Plots of saturation index vs. ion concentration for the major minerals and ions in groundwater in the study area

表2 研究区主要矿物饱和指数

Table 2 List of saturation indices of major minerals in the study area

主要矿物及气体	主要矿物饱和指数
主要矿物及气体	极小值	极大值	均值	标准差
SI(方解石)	-0.33	1.58	0.68	0.45
SI(白云石)	-0.86	5.21	1.15	1.28
SI(岩盐)	-7.31	0.47	-5.80	1.78
SI(石膏)	-2.32	0.48	-1.28	0.73
SI(钠长石)	-12.68	1.99	-6.11	3.36
SI(钙长石)	-11.88	-2.29	-7.21	2.26
SI(钾长石)	-11.53	2.65	-4.98	3.29
SI(绿泥石)	-9.67	24.13	3.26	12.79
SI(石英)	-4.45	-1.06	-2.55	0.98
SI(伊利石)	-17.84	2.78	-6.37	5.75
SI(高岭石)	-13.77	2.58	-3.21	5.54
SI(蒙脱石)	-21.37	0.02	-7.49	7.15
SI CO₂(g)	-10.38	-2.29	-5.03	3.24

表3 反向水文地球化学模拟结果

Table 3 Results of the reverse hydrogeochemical simulation

矿物相	化学式	摩尔浓度变化/(mmol•L^-1)
矿物相	化学式	W142→W137	W137→W176
方解石	CaCO₃	-1.255	-7.245
白云石	CaMg(CO₃)₂	-0.336	5.886
岩盐	NaCl	7.976	13.130
石膏	CaSO₄·2H₂O	1.701	4.313
CO₂(g)	CO₂	-1.684	*
NaX	NaX	0.809	0.356
CaX₂	CaX₂	-0.405	-0.178
钠长石	NaAlSi₃O₈	0.000 1	0.280
钙长石	CaAl₂Si₂O₈	*	0.420
石英	SiO₂	0.001	*
绿泥石	Mg₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₆	*	-0.560

参考文献 22

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柴达木盆地大柴旦地区地下水水化学特征及演化规律

Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the Dachaidan area, Qaidam Basin

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