摘要
岩溶地下水是西南岩溶石山地区最重要饮水水源,随着人们生活水平提高,人们对地下水水资源品质要求也逐步提高,含有人体所需微量元素矿泉水日益受到青睐,岩溶区矿泉水开发已成为贫困山区脱贫致富主要手段之一,日益受到各级政府的高度重视。清晰揭示富锶地下水的形成机理及空间分布规律对富锶地下水的开发利用以及可持续发展具有重要指导作用。本文以湖南新田赋存于泥盆系佘田桥组富锶地下水为研究对象,通过对地下水补给排体系的系统取样,在地下水系统科学理论指导下,综合利用水文地球化学分析、同位素示踪、水-岩相互作用室内实验、水文地球化学模拟相结合方法,揭示了富钙偏碱地球化学背景以及独特岩溶水文地质结构控制下富锶地下水的形成机理,为富锶地下水的合理开发及可持续发展提供了科学依据。论文取得的主要研究成果与认识如下:1、阐明了富锶地下水水文地球化学特征及地下水Sr~(2+)的时空变化规律研究区富锶地下水分布于泥盆系佘田桥组地层。研究区下降泉中水化学类型以HCO_3-Ca型为主,机井地下水中水化学类型以HCO_3-Ca型和HCO_3-Ca·Mg型为主,水化学成分主要受岩溶含水介质制约,同时还受环境、溶滤时间、阳离子交换等因素影响。空间上,下降泉中Sr~(2+)含量具有很好的分带性,表现为由南部、北部、西部向中东部逐步升高的规律,与地下水流方向基本一致,至排泄区,由于地表水混合作用,地下水Sr~(2+)含量降低。垂向上,由下降泉至机井,地下水中Sr~(2+)含量增加,且随机井深度增加,地下水Sr~(2+)含量同样具有增加的趋势,与随着地下水径流路径变长,水岩相互作用时间长有关;时间上,研究区富锶表层岩溶泉、下降泉Sr~(2+)含量整体表现出随降雨量增加而减少,与降雨稀释效应有关;表层岩溶泉由于地下水径流途径短,岩石溶滤时间短,地下水Sr~(2+)含量低于下降泉。相反,补给径流区富锶机井、排泄区机井Sr~(2+)含量整体表现出随降雨量增加而增加。主要是因为机井中地下水往往属于浅潜流带、深潜流带混合水,丰水期地下水位抬高,高锶潜流带水上升,机井中地下水锶含量升高;枯水期水位下降,低锶浅潜流带地下水相对占主要地位,从而导致机井中地下水锶含量降低。2、基于富锶地下水的同位素特征,揭示了富锶地下水中锶和地下水的主要来源研究区地下水δ~(18)O和δD下数据表明大气降水是富锶地下水的主要水源补给,~(87)Sr/~(86)Sr同位素比值表明,泥盆系佘田桥组泥质灰岩、灰岩、泥灰岩是地下水Sr~(2+)的来源。氘盈余“d”值与TDS(溶解性总固体)关系表明下降泉中Sr~(2+)含量受径流条件以及停留时间长短的显著影响,但富锶机井中“d”值与TDS相关性不明显,暗示着机井中氘盈余还受阳离子交换等其他因素影响。δ~(13)C数据表明机井地下水可能处于CO_2封闭系统,径流条件差;下降泉地下水可能处于CO_2开放系统,径流条件较好。~(87)Sr/~(86)Sr比值以及补给高程表明,机井中地下水径流途径较长,具有高Sr~(2+)、高~(87)Sr/~(86)Sr的特征;而下降泉具有快速补给、快速排泄、且低Sr~(2+)、低~(87)Sr/~(86)Sr等特征。3、揭示了富锶地下水溶解性有机质(DOM)特征及Sr~(2+)与DOM相互作用机制首次应用三维荧光技术结合平行因子分析法研究了富锶地下水DOM组分构成、来源以及Sr~(2+)与DOM相互作用机制,揭示了锶在两种不同排泄体系(下降泉、机井)中的迁移差异。研究区机井富锶地下水DOM以类色氨酸组分(C3)为主,而下降泉中DOM则以类腐殖质组分(C1和C2)为主。自生源指标(BIX)、腐殖化指数(HIX)和荧光指数(FI)表明机井DOM以内源输入为主,表明机井形成环境为封闭环境;而下降泉以外源输入为主,表明下降泉形成环境为开放环境,与δ~(13)C揭示的结果相吻合。相关性分析表明DOM与地下水中Sr~(2+)具有相关性。不同类型的DOM对Sr~(2+)的赋存形态和迁移性具有显著影响。DOM中的类色氨酸和类酪氨酸等物质与Sr~(2+)的结合作用更稳定,类色氨酸物质优先类酪氨酸物质与Sr~(2+)发生结合作用,使Sr~(2+)由自由溶解态转变为DOM结合态离子,从而提高了Sr~(2+)的迁移性,加快了其在土壤、岩石中的淋滤。4、揭示了富锶地下水形成机理泥盆系佘田桥组高锶含量的泥灰岩、灰岩、泥质灰岩是地下水中锶的主要来源,机井水动力条件与下降泉相比较弱,从而使得机井中地下水与岩石的相互作用时间变长,Sr~(2+)浓度高于下降泉Sr~(2+)浓度。下降泉、机井地下水对Sr CO_3均以溶解为主,且机井地下水对Sr CO_3的溶蚀量高于下降泉地下水对Sr CO_3的溶蚀量,这也是导致机井地下水中Sr~(2+)高的原因之一。低钙高镁含量有利于富锶地下水的形成。水与岩石、土壤的相互作用实验以及区域深循环室内模拟实验验证了低流速,水岩作用时间长,Sr~(2+)含量高。水文地球化学模拟表明富锶下降泉方解石最先接近饱和,沿地下水径流方向,菱锶矿逐渐溶解,成为地下水锶的主要来源。同时,方解石、白云石的溶解差异导致机井中Sr~(2+)与Ca~(2+)、Mg~(2+)相关性的差异,由于白云石和菱锶矿具有同步溶解过程,是研究区地下水锶和镁高度相关的内在原因。论文的创新点体现在:1、系统运用δ~(18)O、δD、δ~(13)C、δ~(34)S、δ~(87)Sr/~(86)Sr等多元同位素技术揭示了低钙高镁、富含石膏、菱锶矿的封闭环境更有利于湖南新田岩溶区富锶地下水形成,其地下水的水主要来自大气降水,而锶则主要来源于佘田桥组的碳酸盐岩。2、通过建立PHREEQC水文地球化学反向模型,揭示了方解石、白云石和菱锶矿溶解的差异是下降泉、机井中水化学成分差异的主要原因,也是区别于其它研究区富锶地下水形成机制的最重要因素。