鄂尔多斯白垩系水岩作用与地下水演化

鄂尔多斯白垩系水岩作用与地下水演化

大自然中有四种稳定的同位素：88sr（82.56%）、87sr（7.02%）、86sr（9.86%）和84sr（0.56%）。其中，87sr在地球形成初期的丰度为0.69%（刘俊等，1984）。由于放射性同位素87Rb通过β衰变可形成87Sr,所以自然界87Sr的总量是逐渐增加的。Sr和Rb的地球化学性质分别与Ca和K十分相似,在Ca、K的硫酸盐和碳酸盐以及长石和其他造岩矿物中均含有Sr。含Ca、K矿物的成因不同,时代不同,其Sr含量和同位素组成不同。因而,Sr同位素被应用于地层年代学与地层对比、海平面的变化、气候变化、风化作用、水岩作用和地下水的循环与演化的研究中(Oettingetal,1996;VauteL,etal,1997;Armstrongetal,1998;Palmeretal,1992;B⌀Hlkeetal,2000;Vilometetal,2001;Brianetal,2001;Dogramacietal,2002;HanGLetal,2004;江茂生,等,2002;黄思静,等,2004;朗斌贝斌贝超,等,2005)。鄂尔多斯盆地是我国西北地区一大型地下水盆地。查明地下水的循环与演化既是地下水勘查与研究的重要内容,也是科学地开发与利用地下水资源的前提条件。在该盆地地下水的研究中,利用Sr同位素技术研究地下水的循环与演化,不仅可以开拓研究思路,还可以解决常量元素和其它同位素无法解决的水文地质问题。1地质背景和岩相古地理鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部,地跨内蒙、山西、陕西、甘肃、宁夏五省(自治区)。总面积约36.5×104km2。盆地四周多被山地环绕,南为秦岭,北为阴山,东为吕梁山,西为贺兰山、六盘山。白垩系自流水盆地位于鄂尔多斯盆地西部,呈长方形南北向展布,面积约13×104km2(图1)。盆地地貌以北部沙漠高原,南部黄土高原为特征。盆地内主要分水岭有位于盆地中部,呈东西向展布的白于山分水岭;位于盆地北部,呈北东—南西向展布的东胜四十里梁分水岭;位于盆地南部,呈北西—南东向展布的子午岭分水岭。白垩系地层自下而上分别为洛河组、环河组和罗汉洞组3个岩组。其中,洛河组和环河组厚度大、分布范围广,是含水地层的主体;罗汉洞组仅在盆地西部和北部边缘部分出露。盆地上覆地层为新近系地层和第四系沉积物。新近系地层主要为泥岩和粉砂岩,仅在局部地段发育;第四系沉积物主要为风成砂和黄土,风成砂主要分布在盆地的北部地区,而黄土主要分布在白于山及其以南地区。下伏地层为侏罗系安定组,岩性主要为泥岩和粉砂岩,是白垩系自流水盆地的隔水底板(张二朋,等,1998;内蒙古自治区地矿局104水文地质工程地质队1;王德潜2)。白垩系碎屑岩,主要由砂岩、粉砂岩、泥岩和少量砾岩组成,是盆地主要含水岩石。矿物组成主要为石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、少量石膏和黏土矿物。根据王德潜2,谢渊等(2005)关于白垩系岩相古地理的研究,白垩系北部以沙漠相及河流相为主;白垩系南部以河流相和湖相为主。盆地地下水来源于大气降雨(王德潜等,2002,杨郧城等,2004)。地下水除了通过蒸发和植物的蒸腾作用排泄外,主要通过盆地南部的马莲河-泾河、西北部的都思兔河、东部的无定河和洛河排泄。2分析方法及样品在白垩系自流水盆地中共采集了20件Sr同位素样品。其中19件样品采自白垩系地下水,1件样品采自苏贝淖湖水(图1)。样品B1-1～3、B4-1～3、B7-2、B9-1、2分别采自新近完工的勘探孔。采样工作在抽水试验持续48h后进行。样品P7-7采自2002年以前完工的生产生活用井。样品B14-1～9采用双Packer分层取样技术(杨郧城,等,2005),取样试段长为10m。样品采集位置和深度列入表1中。样品采集时,通过0.45μm孔径多孔滤膜过滤,阳离子测试样品,用HCl酸化至pH=2左右,样品保存在聚丙烯瓶中。样品Sr和87Sr/86Sr的分析工作均由维也纳IAEA实验室完成。样品Sr采用AAS分析方法,分析误差为±5%;样品87Sr/86Sr经过离子交换分离程序后,在多接收器质谱仪,FinuiganMAT262V上测试,测量的87Sr/86Sr比值经过86Sr/88Sr=0.1194标准化校正。样品测试期间NIST_NBS987(SrCO3)标准测定值为0.710242±0.000012(2σ,n=16)。样品的常量组分由西安地质矿产研究所试验室测试完成:Ca2+、Mg2+、K+、Na+分别采用AAS方法;HCO3-和Cl-采用滴定法;SO2-42−4采用容量法,分析结果列入表2中。3c.c.84年不同含水层中sr的含量对鄂尔多斯盆地地下水水文地质条件和氢氧同位素的研究表明,鄂尔多斯盆地地下水来源于大气降雨(王德潜,2002,杨郧城,2004)。根据BrianW,等(2001)的研究,雨水中少量的Sr主要来源于海水,夏威夷雨水中含Sr10-3～10-2μg/g,雨水87Sr/86Sr的比值很稳定,约为0.7092(BrianWS,etal,2001)。相对地下水而言,雨水中锶的含量很低,对地下水锶同位素的影响很小,可以忽略不计。根据地下水Sr及87Sr/86Sr比值的分析结果(表1),白垩系地下水中Sr和87Sr/86Sr比值是不均一的。白垩系地下水19个样品,Sr分布在0.1～9.16范围内。87Sr/86Sr的比值分布在0.709871～0.711570范围内(图2)。87Sr/86Sr的比值在西南部地下水中较高(样品P7-7,B4-1～3),比值大于0.711000;在中西部和北部地下水中较低(样品B9-1、B9-2、B7-2、B1-1～3、B14-1～9),比值小于0.710700。在同一钻孔不同含水层中Sr和87Sr/86Sr比值也存在不同程度的差异。在西北部B1孔中,环河组和洛河组两个含水层中87Sr/86Sr比值比较接近,分别为0.710197和0.710646,但环河组地下水(样品B1-2,B1-3)Sr较低,为0.76～1.03mg/L,而洛河组地下水(样品B1-1)Sr较高,为9.16mg/L。在西南部B4孔中,罗汉洞组地下水(样品B4-1)87Sr/86Sr比值相对较低,为0.711002,环河组地下水(样品B4-2)87Sr/86Sr比值居中,为0.711303,而洛河组地下水(样品B4-3)87Sr/86Sr比值相对较高,为0.711422。B4孔3个含水层中Sr的含量均较高,分别为4.75mg/L、8.55mg/L和5.70mg/L。在中西部B9孔中,环河组和洛河组地下水(样品B9-1、B9-2)Sr的含量和87Sr/86Sr比值基本一致,Sr分别为8.91mg/L和8.09mg/L,87Sr/86Sr比值分别为0.710509和0.710511。白垩系地下水中Sr的不均一性是地下水与含水岩石相互作用的结果,水岩作用越强,易溶解组分中Sr的含量越高,地下水从岩石中溶解的Sr就越多。地下水中87Sr/86Sr比值的高低取决于易溶解组分中87Sr/86Sr比值的高低,易溶解组分中87Sr/86Sr比值越高,地下水中87Sr/86Sr比值就越高。因此,根据地下水中87Sr/86Sr比值可以确定白垩系西南区易溶岩组分中87Sr/86Sr比值较高,而中西部和北部87Sr/86Sr比值较低。4对样品中壳类矿物、壳类等地下水的预处理局域地下水Sr和87Sr/86Sr比值的变化是岩石矿物地球化学组成的不均匀性在区域上的反映,它反映了不同地下水循环和演化过程中水岩作用的差异。因此,要查明一个地下水系统锶及其同位素的演化,或利用锶及其同位素研究地下水的演化,需要从地下水的补给、径流和排泄系统地分析锶及其同位素的演化。B14勘探孔位于白垩系东北部,东胜四十里梁分水岭东侧乌审旗浩勒报吉乡牛场湾,孔深782m。从下至上B14孔可分为多个含水层,对其中9个含水层以及B14孔南6km附近的苏贝淖湖水采集了Sr同位素和水化学样品,并分别测定了各含水层的水头(位)(表2)。4.1地下水的水化学组成根据B14孔9个含水层水头(位)和水化学组分的变化(表2,图3),可以确定存在两个地下水径流系统。深部第1层水头最高,为+4.4m,向上第2～4层水头分别为+3.27m、+0.01m和0.06m(表2)。可以判断地下水的径流方向是从深部第1层向中部第4层。从深部第1层向中部第4层,地下水Ca2+、K+、Na+、Mg2+、SO2-4和TDS(全离子溶量)逐渐增高,HCO-3和Cl-有一定波动,但总体保持稳定(图3)。水化学组成的变化进一步说明地下水的径流方向是从深部向中部径流的。这种由深部向上的地下水径流称为“上升径流”。从第5层向上至第9层各含水层水头(位)变化不大,均在+0.58～0.55m范围内变化,不同含水层水头(位)的波动可能是受地下水的补给和开采强度季节性变化的影响。因而,根据第5层至第9层含水层的水头(位)不能确定它们之间的总体的补排关系。但是,根据第5层至第9层含水层水化学组成的变化,可以确定地下水是从浅部向深部径流的。从浅部第9层向中部第5层,地下水中Ca2+、K+、Na+、Mg2+、SO2-4和TDS逐渐增高,Cl-基本稳定,HCO-3逐渐降低(图3),并且第9层水化学类型为HCO-3型,是地下水补给区典型的水化学类型,其余各层为SO2-4型。说明地下水是从浅部向中部径流的。这种由浅层水向下的地下水径流称为“下降径流”。由于“上升径流”和“下降径流”的地下水分别向中部第4～5层(300～400m)径流,所以,可以确定地下水在埋深300～400m范围内存在侧向排泄。4.2第2层:地下水水层中sr的变化地下水在“上升径流”中,从第1层至第4层,Sr由2.05mg/L逐渐增高到5.53mg/L,87Sr/86Sr比值也由0.709998先降到0.709975,然后增加到0.710153(图4)。地下水在“下降径流”中,第9层地下水Sr含量最低,为0.66mg/L,而87Sr/86Sr比值最大,为0.710378,比其它各含水层高0.000225以上。从第9层至第5层随TDS逐渐增高,Sr由0.66mg/L逐渐增高到3.83mg/L。87Sr/86Sr比值也由0.710378先降到0.710033,然后增加到0.710085。可以看出,沿地下水的径流方向,Sr是逐渐增加的,而87Sr/86Sr比值是变化的(表2、图4)。Sr的增加是由于含Sr的矿物被地下水溶解,进入地下水中的Sr通常不参与离子交换反应,也达不到饱和沉淀条件。因此地下水中Sr是逐渐积累的。87Sr/86Sr比值的变化是由于被溶解矿物的87Sr/86Sr比值与地下水的87Sr/86Sr比值不一致造成的。在“上升径流”中,地下水的87Sr/86Sr比值逐渐增大,说明被溶解矿物的87Sr/86Sr比值比地下水的比值大。在“下降径流”中,从第9层至第6层,地下水中87Sr/86Sr比值逐渐降低,说明被溶解的矿物的87Sr/86Sr比值比地下水的比值小。从第6层至第5层,地下水的87Sr/86Sr比值又变大,说明被溶解的矿物的87Sr/86Sr比值变大。4.3地下水径流方式中sr的变化受Sr的地球化学性质的控制,地下水中Sr主要来源于含Ca矿物和含K矿物的溶解。在白垩系地层中方解石、白云石、石膏、钾长石和白云母均可能为地下水提供Sr。在“下降径流”的第9层地下水中,Sr的含量为0.66mg/L,水化学类型为HCO-3型。HCO-3占主要阴离子毫克当量的59.1%,Cl-和SO2-4分别占19.70%和21.20%。由于地下水中Sr主要来源于含Ca和K的矿物,因此,该层地下水Sr可能主要来源于碳酸盐的溶解。在其它各含水层中,地下水阴离子以SO2-4为主,其毫克当量的百分数在68.30%～95.40%范围内。在这些含水层中Sr可能主要来源于硫酸盐的溶解。在TDS-Sr关系图上(图5),两种径流方式的地下水中Sr的浓度随TDS的增加而增加,表明地下水中Sr来源于地下水对岩石的溶解作用。地下水中K+含量很低,在1～3.4mg/L范围内变化,并且在TDS-K关系图上,随Sr的增加K+的浓度基本不变。因此,含K矿物,如钾长石,不是地下水中Sr的主要来源。在Sr-HCO-3、Cl-关系图上Sr与HCO-3、Cl-没有正相关关系,说明,地下水径流过程中Sr的形成与碳酸盐和氯化物的溶解关系不大。在Sr-Mg2+关系图上,下降径流中,Sr与Mg2+没有正相关关系,上升径流中Sr与Mg2+虽然有正相关关系,但由于上升径流中HCO-3的浓度基本不变,Mg2+并非来源于白云石的溶解,因此,Sr的形成并非来源于含镁矿物的溶解。但在Sr-Na+、Ca2+、SO2-4关系图上(图5),两种地下水径流方式中Sr与Na+、Ca2+、SO2-4均有明显的正相关关系,说明地下水中Sr的形成与Na+、Ca2+、SO2-4的形成有内在的成因联系。地下水中SO2-4主要来源于石膏的溶解。石膏的溶解可提供Ca2+,Ca2+可与地层中黏土矿物的Na+进行离子交换,因此,随石膏的溶解,地下水中SO2-4、Ca2+、Na+逐渐增加。在石膏中Sr可以类质同象形式存在于石膏的晶格中。随石膏的溶解进入地下水中。在Sr-SO2-4关系图上(图5),上升径流和下降径流分别形成了两条直线,两条直线分别表示Sr在两个地下水系统中的演化轨迹。根据两种地下水径流方式中Sr的增长。可以计算出石膏中Sr的含量分别为1.91‰和3.00‰。在“下降径流”的第9层地下水中,按石膏中含Sr3.00‰计算,地下水中74.25%的Sr来源于碳酸盐的溶解,25.25%的Sr来源于石膏的溶解。因此,在补给区(第9层)地下水中锶主要来源于碳酸盐的溶解,并具有87Sr/86Sr比值高的特点,在径流区地下水中锶主要来源于硫酸盐的溶解,并具有87Sr/86Sr比值低的特点。4.4苏贝吾湖中多酚含量的分析苏贝淖湖位于乌审旗浩勒报吉乡牛场湾B14勘探孔南6km附近,是区域地下水的排泄区。湖水水位比B14勘探孔的潜水水位低20m左右。区域地下水流场由北向南流向苏贝淖湖。苏贝淖湖平面是区域地下水系统排泄的基准面。湖水一部分来源于大气降雨的直接补给,另一部分来源于地下水的补给。地下水的补给深度一直是该区水文地质研究的重要内容。利用湖水和地下水的常量元素难以确定地下水的补给深度,但利用锶及其同位素能很好的解决这一问题。苏贝淖湖水(样品B14-11)TDS为13.28g/L,水化学类型为Cl--SO2-4-Na+型。湖水Sr为0.5mg/L,87Sr/86Sr比值为0.710397。B14孔埋深小于100m的浅层地下水(样品B14-9),TDS为324mg/L,水化学类型为HCO-3-Na+-Mg2+型,87Sr/86Sr比值(样品B14-9)为0.710378,Sr含量为0.66mg/L。B14孔埋深大于100m的地下水(样品B14-1～8),TDS为706～4400mg/L,水化学类型为SO2-4-Na+-(Ca2+,Mg2+)型,87Sr/86Sr比值为0.709975～0.710153,Sr含量为1.34～5.53mg/L。比较湖水和地下水的87Sr/86Sr比值,可以看出,湖水和浅层地下水的87Sr/86Sr比值基本一致,二者87Sr/86Sr比值明显大于埋深大于100m的地下水的87Sr/86Sr比值。因此,可以确定苏贝淖湖水中锶来源于浅层