基于反向地球化学模拟的地下水形成作用:以安徽省泗县为例

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2019.02.19

现代地质 ›› 2019, Vol. 33 ›› Issue (02): 440-450.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2019.02.19

基于反向地球化学模拟的地下水形成作用:以安徽省泗县为例

刘海¹^,²(), 康博³(), 沈军辉¹

1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059
2.安徽省公益性地质调查管理中心,安徽合肥 230040
3.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230041

收稿日期:2018-07-31 修回日期:2018-11-14 出版日期:2019-05-08 发布日期:2019-05-08
通讯作者: 康博
作者简介:康博,女,博士,讲师,1988年出生,水文地质学专业,主要地下水科学工程、水文地质等方面的研究。Email: kangbo13@mails.jlu.edu.cn
刘海,男,博士研究生,工程师,1984年出生,水文地质学专业,主要从事水文地质、工程地质及环境地质的研究。Email: 103304365@qq.com。
基金资助:
安徽省自然资源厅公益性地质调查项目“泗县缺水地区找水打井工程及总结”(2012-g-07)

Formation of Groundwater Based on Inverse Geochemical Modeling: A Case Study from the Sixian County, Anhui Province

LIU Hai¹^,²(), KANG Bo³(), SHEN Junhui¹

1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China
2. Public Geological Survey Management Center in Anhui Province,Hefei,Anhui 230040,China
3. College of Resources and Environment Engineering, Hefei University of Technology, Hefei,Anhui 230041,China

Received:2018-07-31 Revised:2018-11-14 Online:2019-05-08 Published:2019-05-08
Contact: KANG Bo

摘要/Abstract

摘要：

在了解安徽省泗县水文地质条件基础上,分析了区域水文地球化学特征及类型,探讨了其空间分布特征。根据开采条件下的地下水动力场条件,选择了3条模拟路径,采用PHREEQC软件进行了水文地球化学模拟研究,定量分析了地下水的形成机理及演化。结果表明,路径Ⅰ发生了岩盐、石膏以及伊利石的溶解,高岭土、石英、白云石、萤石发生了沉淀;钙蒙脱石、方解石不参与反应,NaX解吸,CaX₂被吸附;路径Ⅱ发生了岩盐、石膏、伊利石、石英等的溶解以及钙蒙脱石、方解石的沉淀,NaX解吸,CaX₂被吸附;路径Ⅲ发生的反应基本与路径Ⅰ相同,不同之处在该路径上的白云石发生了溶解,其原因可能是地下水在径流过程中溶解CO₂,使其继续溶解白云石以及受沉淀滞后的影响。研究结果表明地下水开采条件下,泗县地下水化学组分主要受到了岩盐和石膏等矿物的溶解作用、钙钠离子交换作用以及钙蒙脱石、方解石沉淀作用的控制。

关键词: 反向地球化学模拟, 地下水, 形成作用, 空间分布, 泗县

Abstract:

Based on regional hydrogeological conditions, the hydrogeochemical characteristics, water type and spatial distribution of groundwater in Sixian County,Anhui Province were analysed and discussed. According to the characteristics of hydrodynamic field under groundwater exploitation, three paths were selected to simulate. The hydrogeochemical simulation was carried out using PHREEQC, and the formation and evolution of groundwater were quantitatively analysed. The results showed that the halite, gypsum and illite were dissolved; kaolinite, quartz, dolomite, calcite, fluorite were precipitated; calcic montmorillonite did not participate in the reaction; NaX desorption or CaX₂ adsorption occurred in Path Ⅰ. Halite, gypsum, illite, quartz were dissolved; calcic montmorillonite and calcite were precipitated; NaX desorption and CaX₂ adsorption occurred in Path Ⅱ. Reactions of Paths Ⅰ and Ⅲ are largely the same; the difference is the presence of dolomite dissolution in Path Ⅲ. The reason for this difference may be that dolomite dissolution is affected by precipitation CO₂ and precipitation hysteresis in groundwater runoff. The results show that the groundwater composition is mainly influenced by dissolution of rock salt and gypsum, Ca-Na ionic exchange and calcic montmorillonite, calcite in groundwater mining conditions of Sixian County.

Key words: inverse geochemical modeling, groundwater, formation, space distribution, Sixian County

中图分类号:

P642

刘海, 康博, 沈军辉. 基于反向地球化学模拟的地下水形成作用:以安徽省泗县为例[J]. 现代地质, 2019, 33(02): 440-450.

LIU Hai, KANG Bo, SHEN Junhui. Formation of Groundwater Based on Inverse Geochemical Modeling: A Case Study from the Sixian County, Anhui Province[J]. Geoscience, 2019, 33(02): 440-450.

图/表 12

图1 研究区基岩水文地质略图

Fig.1 Hydrogeological map of bedrock in the study area

图2 泗县I-I'水文地质剖面图

Fig.2 Hydrogeological profile of I-I'

图3 研究区地下水位埋深分区及模拟路径图

Fig.3 Groundwater depth zoning and simulated paths in the study area

表1 松散含水层地下水水化学参数统计特征值

Table 1 Data of hydrochemical parameters

指标	极小值	极大值	均值	标准差	变异系数/%
pH	7.400	8.670	7.670	0.240	3.1
Na⁺	25.990	207.770	126.160	62.890	49.8
K⁺	0.340	5.810	1.460	1.090	75.0
Ca²⁺	36.220	128.890	65.697	18.006	27.4
Mg²⁺	21.520	70.970	36.996	12.054	32.6
N $H 4 +$	0.010	0.110	0.038	0.021	56.0
$HCO 3 -$	221.230	538.200	445.940	61.616	13.8
Cl^-	7.920	171.220	70.620	45.777	64.8
$SO 4 2 -$	6.220	303.870	117.040	85.096	72.7
F^-	0.230	2.130	0.904	0.367	40.6
$NO 3 -$	0.100	22.300	3.144	4.842	154.0
TDS	374.000	1 113.000	726.310	211.870	29.2

表1 松散含水层地下水水化学参数统计特征值

Table 1 Data of hydrochemical parameters

指标	极小值	极大值	均值	标准差	变异系数/%
pH	7.400	8.670	7.670	0.240	3.1
Na⁺	25.990	207.770	126.160	62.890	49.8
K⁺	0.340	5.810	1.460	1.090	75.0
Ca²⁺	36.220	128.890	65.697	18.006	27.4
Mg²⁺	21.520	70.970	36.996	12.054	32.6
N $H 4 +$	0.010	0.110	0.038	0.021	56.0
$HCO 3 -$	221.230	538.200	445.940	61.616	13.8
Cl^-	7.920	171.220	70.620	45.777	64.8
$SO 4 2 -$	6.220	303.870	117.040	85.096	72.7
F^-	0.230	2.130	0.904	0.367	40.6
$NO 3 -$	0.100	22.300	3.144	4.842	154.0
TDS	374.000	1 113.000	726.310	211.870	29.2

图4 不同采样点的水质Piper三线图

Fig.4 Ternary Piper diagram of water samples

图5 地下水水化学类型空间分布特征

Fig.5 Spatial distribution characteristics of different hydrochemical types of groundwater

图6 研究区地下水Gibbs图

Fig.6 Gibbs diagram of groundwater from the study area

图7 地下水Na+/H+-SiO2(a)、Ca2+/H+-SiO2(b)及K+/H+-SiO2(c)系统矿物平衡体系

Fig.7 Activity diagrams for Na+/H+-SiO2 (a), Ca2+/H+-SiO2 (b) and K+/H+-SiO2 (c)

表2 各路径起点和终点化学成分/(mg/L)

Table 2 Chemical compositions of the starting and ending paths

离子及相关参数	模拟路径Ⅰ(L07→L05)		模拟路径Ⅱ(L02→SJ05)		模拟路径Ⅲ(L22→L19)
离子及相关参数	起点	终点	起点	终点	起点	终点
pH	7.74	7.68	7.40	7.49	7.51	7.63
Na⁺	118.33	199.09	36.90	148.08	33.86	191.26
K⁺	0.69	5.81	0.40	1.93	0.69	0.96
Ca²⁺	52.71	75.74	128.89	72.24	78.51	84.21
Mg²⁺	48.00	68.50	25.62	37.11	29.45	49.17
$HCO 3 -$	538.20	457.55	456.43	423.92	412.19	493.46
Cl^-	23.40	154.98	57.52	127.84	7.92	109.24
$SO 4 2 -$	101.82	303.87	51.39	147.73	52.14	236.72
F^-	1.40	0.78	0.75	0.92	0.45	1.20
SiO₂	38.86	40.45	0.00	42.06	32.21	28.17
钠吸附比	3.99	5.62	1.10	4.97	1.17	5.77
TDS	909.19	1 113.00	427.35	822.00	432.00	856.00
水化学类型	HCO₃-Na·Mg	HCO₃·SO₄-Na·Mg	HCO₃-Mg·Ca·Na	HCO₃·SO₄-Mg·Na	HCO₃-Ca·Mg	HCO₃·SO₄-Na·Ca

表2 各路径起点和终点化学成分/(mg/L)

Table 2 Chemical compositions of the starting and ending paths

离子及相关参数	模拟路径Ⅰ(L07→L05)		模拟路径Ⅱ(L02→SJ05)		模拟路径Ⅲ(L22→L19)
离子及相关参数	起点	终点	起点	终点	起点	终点
pH	7.74	7.68	7.40	7.49	7.51	7.63
Na⁺	118.33	199.09	36.90	148.08	33.86	191.26
K⁺	0.69	5.81	0.40	1.93	0.69	0.96
Ca²⁺	52.71	75.74	128.89	72.24	78.51	84.21
Mg²⁺	48.00	68.50	25.62	37.11	29.45	49.17
$HCO 3 -$	538.20	457.55	456.43	423.92	412.19	493.46
Cl^-	23.40	154.98	57.52	127.84	7.92	109.24
$SO 4 2 -$	101.82	303.87	51.39	147.73	52.14	236.72
F^-	1.40	0.78	0.75	0.92	0.45	1.20
SiO₂	38.86	40.45	0.00	42.06	32.21	28.17
钠吸附比	3.99	5.62	1.10	4.97	1.17	5.77
TDS	909.19	1 113.00	427.35	822.00	432.00	856.00
水化学类型	HCO₃-Na·Mg	HCO₃·SO₄-Na·Mg	HCO₃-Mg·Ca·Na	HCO₃·SO₄-Mg·Na	HCO₃-Ca·Mg	HCO₃·SO₄-Na·Ca

表3 矿物的溶解反应方程式

Table 3 Chemical equations of mineral dissolution

矿物	溶解反应方程式
钙蒙脱石	6Ca_0.167Al_2.33Si_3.67O₁₀(OH)₂+60H₂O+12OH^-=Ca²⁺+14Al( OH $) 4 -$ +22H₄SiO₄
高岭土	Al₂Si₂O₅(OH)₄ +6H⁺ = H₂O+2H₄SiO₄+2Al³⁺
石英	SiO₂ + 2H₂O = H₄SiO₄
伊利石	K_0.6Mg_0.25Al_2.3Si_3.5O₁₀(OH)₂ + 11.2H₂O = 0.6K⁺+ 0.25Mg²⁺+2.3Al(OH $) 4 -$ +3.5H₄SiO₄+1.2H⁺
白云石	CaMg(CO₃)₂ = Ca²⁺+Mg²⁺+2 $CO 3 2 -$
石膏	CaSO₄·2H₂O=Ca²⁺+ $SO 4 2 -$ +2H₂O
岩盐	NaCl=Cl^-+Na⁺
萤石	CaF₂=Ca²⁺+2F^-
方解石	CaCO₃= $CO 3 2 -$ +Ca²⁺
阳离子交换	2NaX+Ca²⁺=2Na⁺+CaX₂

表3 矿物的溶解反应方程式

Table 3 Chemical equations of mineral dissolution

矿物	溶解反应方程式
钙蒙脱石	6Ca_0.167Al_2.33Si_3.67O₁₀(OH)₂+60H₂O+12OH^-=Ca²⁺+14Al( OH $) 4 -$ +22H₄SiO₄
高岭土	Al₂Si₂O₅(OH)₄ +6H⁺ = H₂O+2H₄SiO₄+2Al³⁺
石英	SiO₂ + 2H₂O = H₄SiO₄
伊利石	K_0.6Mg_0.25Al_2.3Si_3.5O₁₀(OH)₂ + 11.2H₂O = 0.6K⁺+ 0.25Mg²⁺+2.3Al(OH $) 4 -$ +3.5H₄SiO₄+1.2H⁺
白云石	CaMg(CO₃)₂ = Ca²⁺+Mg²⁺+2 $CO 3 2 -$
石膏	CaSO₄·2H₂O=Ca²⁺+ $SO 4 2 -$ +2H₂O
岩盐	NaCl=Cl^-+Na⁺
萤石	CaF₂=Ca²⁺+2F^-
方解石	CaCO₃= $CO 3 2 -$ +Ca²⁺
阳离子交换	2NaX+Ca²⁺=2Na⁺+CaX₂

表4 各路径起点和终点水样的饱和指数

Table 4 Saturation index along each path

矿物	路径Ⅰ (L07→L05)		路径Ⅱ (L02→SJ05)		路径Ⅲ (L22→L19)
矿物	起点	终点	起点	终点	起点	终点
方解石	0.62	0.58	0.63	0.40	0.50	0.63
CO₂	-2.04	-2.07	-1.77	-1.90	-1.92	-1.98
白云石	1.55	1.45	0.90	0.85	0.93	1.36
萤石	-0.98	-1.43	-1.08	-1.21	-1.92	-0.97
石膏	-1.84	-1.32	-1.74	-1.56	-1.89	-1.35
岩盐	-7.15	-6.12	-7.26	-6.32	-8.15	-6.29

表5 矿物在各路径上的溶解—沉淀量

Table 5 Calculated amount of mineral dissolution or precipitation

路径	各矿物溶解沉淀量/(mmol/L)
路径	岩盐	石膏	钙蒙脱石	高岭土
路径Ⅰ(L07→L05)	1.782	1.357	—	-0.039
路径Ⅱ(L02→SJ05)	1.986	1.004	-0.064	—
路径Ⅲ(L22→L19)	2.861	1.924	—	-0.013
路径	各矿物溶解沉淀量/(mmol/L)
路径	方解石	石英	CaX₂	NaX
路径Ⅰ(L07→L05)	—	-0.688	-0.698	1.396
路径Ⅱ(L02→SJ05)	-1.379	0.071	-1.519	3.307
路径Ⅲ(L22→L19)	-0.627	-0.081	-1.984	3.967
路径	各矿物溶解沉淀量/(mmol/L)
路径	伊利石	萤石	白云石
路径Ⅰ(L07→L05)	0.034	0.014	-0.440
路径Ⅱ(L02→SJ05)	0.065	0.004	0.457
路径Ⅲ(L22→L19)	0.012	0.020	0.081

参考文献 20

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基于反向地球化学模拟的地下水形成作用:以安徽省泗县为例

Formation of Groundwater Based on Inverse Geochemical Modeling: A Case Study from the Sixian County, Anhui Province

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