鄂尔多斯高原白垩系含水层地下水水化学演化特征

鄂尔多斯高原白垩系含水层地下水水化学演化特征

0地下水地球化学特征作为数理统计中常用的统计方法，采用多元统计分析方法可以更好地阐明大型原始数据群体中重要信息的集中，并有效、快速地分析系统的内部规律。近几十年以来,多元统计分析在水文地球化学研究中被广泛应用,并取得了较好的效果。多元统计分析方法可以对众多地下水水化学指标(离子组分和非离子组分)进行综合分析,有效地揭示水化学样品或者指标之间复杂的内在联系,定量解释水化学样品的分类和水化学特征的形成规律,提取出影响水化学场的主要因素,更好地识别影响地下水化学演化的主要水文地球化学作用。鄂尔多斯白垩系盆地是嵌套在鄂尔多斯盆地内部的次级中生界盆地,属黄河中游地区,蕴藏着丰富的地下水资源。受区域地形地貌、地质构造、岩相古地理和含水层空间结构等多种因素的影响,鄂尔多斯白垩系盆地地下水的水化学演化特征十分复杂。以盆地中部白于山分水岭为界,可将盆地分为南部黄土高原和北部沙漠高原。相对于黄土高原,沙漠高原受孔隙发育的风积沙覆盖,大气降水补给条件较好,且区内白垩系各含水层地下水水力联系密切,水质较好,淡水资源丰富,为区域社会经济发展提供了良好的保障。自“鄂尔多斯盆地地下水勘查”项目启动以来,全面勘查了鄂尔多斯沙漠高原白垩系盆地水文地质条件,对区内地下水水文地球化学特征有了更多认识[12,13,14,15,16,17,18,19]。其中,孙斌利用多元统计分析方法对沙漠高原白垩系盆地都思兔地下水系统水化学分布规律进行了研究,认为地下水中发生了溶滤作用、碳酸盐矿物和硫酸盐矿物溶解作用以及阳离子交换作用;窦妍利用聚类分析对沙漠高原白垩系盆地地下水进行了分类,认为地下水表现为按地下水流向进行聚类。但是,已有的研究中多元统计分析利用的均为水化学组分数据,没有加入同位素数据进行分析,影响了研究结果的可靠性,难以深入地揭示水化学演化特征。本文结合稳定同位素(D、18O、13C),在分析鄂尔多斯沙漠高原白垩系盆地地下水水化学特征的基础上,利用聚类分析和因子分析两种多元统计分析方法,对白垩系含水层地下水水化学样品进行分类,并提取出影响水化学演化的主因子,分析地下水中发生的主要水文地球化学作用,从而深入认识地下水化学演化规律和形成机制,为研究本区地下水循环规律和水质分布状况提供依据。1白垩系地下水系统鄂尔多斯沙漠高原位于鄂尔多斯盆地西北部,面积约8.1×104km2(图1)。研究区地处干旱--半干旱区,降水稀少,蒸发强烈,气温和降水量季节性变化大,河流稀少,地形起伏不大。白垩系地层由厚达千余米的白垩系下统保安群陆相碎屑岩组成,构成区内最主要的含水层。根据沉积旋回和含水介质性质,白垩系含水层自下而上可划分为洛河含水岩组、环河含水岩组和罗汉洞含水岩组,其上覆为新生界含水岩组,基底为相对隔水的侏罗纪地层。白垩系碎屑岩主要由砂岩、粉砂岩、泥岩和少量砾岩组成,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。以南部白于山分水岭、中部呈北东—南西向展布的东胜—四十里梁分水岭和西北部呈北西—南东向展布的新召苏木分水岭为界,白垩系地下水系统可划分为东部的乌兰木伦河—无定河、西部的都思兔河和北部的摩林河地下水亚系统。地下水接受大气降水补给后,在区域地形控制下,向东部的无定河和乌兰木伦河、西部的都思兔河和北部的摩林河径流排泄。白垩系含水层介质颗粒较粗,含水性和渗透性较好,其中罗汉洞含水岩组分布范围有限,水质较差,而环河含水岩组和洛河含水岩组分布面积广、厚度大、空间展布稳定、地下水资源丰富,是沙漠高原区主要含水层,故本次主要讨论环河含水岩组(以下简称环河组)和洛河含水岩组(以下简称洛河组)。两含水岩组砂岩发育,小斜层理中夹泥质透镜体,多为河流相沉积,岩性在垂向上变化不大,含水介质颗粒磨圆度和分选性好,孔隙发育,含水性和渗透性较好。二者之间缺乏稳定连续的隔水层,垂向水力联系比较密切,地下水水化学特征相似,大部分地区水质较好,TDS一般<1g/L,以HCO3型水为主。地下水分水岭对环河组地下水循环规律和地下水水化学分布规律有明显地控制作用。2研究方法和数据来源2.1表12表1聚类分析法是在综合考虑多种因素的基础上,根据研究对象(样品或变量)自身的特性,进行定量、客观分类的一种多元统计方法。通过计算样品(变量)之间的聚类统计量,用来定义样品(变量)的相似程度,并按相似程度的大小将样品(变量)逐一归类,构成一个表示亲疏关系的谱系图。根据聚类对象不同,可分为Q型聚类分析(对样品分类)和R型聚类分析(对变量分类)两种类型。聚类统计量通常采用距离系数和相似系数。利用聚类分析法对大量地下水样品进行分析,分析地下水样品的相似性,能有效地将不同类别的样品分离出来,有助于研究地下水水化学特征的分布规律。本次采用Q型聚类分析对研究区地下水样品进行分类,选用欧式平方距离计算样品间的距离,最终用聚类谱系图直观地表现出来。2.2己经观测结果的相关性因子分析法是一种降维处理的多元统计分析方法,即用较少的几个主因子来代替原来较多的样品或变量,而且使这些主因子既能尽量多地反映原来较多样品或变量所反映的信息,同时它们之间又是彼此独立的。和聚类分析一样,根据研究对象的不同,因子分析也分为Q型和R型。R型因子分析的基本思想是根据相关性大小把变量分组,使同组内变量之间相关性较高,但不同组的变量相关性较低。每组变量代表一个基本结构,即因子,它们能够反映己经观测到的相关性。在水文地球化学领域研究中,R型因子分析能够剔除水化学组分中独立和重复的成分,把许多彼此间具有错综复杂联系的变量归纳为少数几个公共因子。每一个主因子意味着各水化学组分之间的一种基本结合方式,它往往指示水化学特征的某种成因,可以用来解释存在于水化学组分之间的错综复杂的关系。设有n个样品和m个变量,将这m个变量的线性组合表示成由公共因子F1,F2,…,Fp(p<m)以及各自的专一因子ε1,ε2,…,εm的线性组合:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪x1=a11F1+a12F2+⋯+a1pFp+a1ε1x2=a21F1+a22F2+⋯+a2pFp+a2ε2⋯⋯xm=am1F1+am2F2+⋯+ampFp+aaεm(1){x1=a11F1+a12F2+⋯+a1pFp+a1ε1x2=a21F1+a22F2+⋯+a2pFp+a2ε2⋯⋯xm=am1F1+am2F2+⋯+ampFp+aaεm(1)式中:εi称为特殊因子,是向量xi所特有的因子,各特殊因子之间以及特殊因子与所有公共因子之间都是相关独立的;aij称为因子载荷,i为样品数量,j为变量数量;p为因子数量。本次的分析结果均对原始数据进行了标准化处理,取特征值为1±、累计贡献率>85%的公共因子为主因子,并利用方差最大正交旋转法对主因子进行因子旋转,以明确每个主因子所代表的实际意义。2.3地下水水化学及同位素分析本次研究所采用的水化学和同位素样品是基于国土资源大调查项目—《鄂尔多斯盆地地下水勘查》在2001—2008年期间完成的采集和测试任务,大部分采用双Packer分层取样技术采集,取样勘探孔的位置见图1,共采集地下水样品90件。样品的水化学组分由西安地质矿产研究所试验室测试完成。地下水的氢同位素和氧同位素均由中国地质科学院矿产资源研究所采用MAT253稳定同位素质谱仪完成测试,分析精密度分别在2×10-3和0.2×10-3以内。地下水溶解无机碳(DIC)中稳定碳同位素样品的测试由中国地质科学院水文地质环境地质所和中国科学院地质与地球物理研究所共同完成,采用MAT253质谱仪测量13C/12C,结果用相对于标准样品PDB(PeeDeeBelemnite)的千分之偏差(δ13C值)来表示,分析精度±0.1‰。3地下水水化学类型的空间分布在沙漠高原区,大致以东胜—四十里梁分水岭为界,东侧地区在上部巨厚砂层过滤作用和白垩系基岩裸露区大气降水稀释作用下,地下水以垂向交替循环为主,两个含水岩组地下水TDS一般<1g/L,化学类型均以HCO3型水为主,地下水分带性不典型;而分水岭西侧,地下水垂向水力联系较弱,两个含水岩组地下水具有总体相似的分布规律。地下水分水岭对环河组地下水化学的空间分布均具有明显的区域控制作用(图2a)。环河组地下水以淡水分布为主,TDS一般<1g/L或介于1～2g/L,尤其是东胜—四十里梁分水岭及其东侧地区由于地下水径流条件较好,地下水的矿化度多<1g/L。除在乌审旗和乌兰木伦河以南和无定河北部零星分布HCO3·SO4和HCO3·Cl型水外,东胜—四十里梁地表分水岭两侧及东部大部分地区以HCO3型水为主。SO4·Cl型水占据盆地西侧的绝大部分地区,在鄂托克旗东部、高沙窝—先锋、定边和盐池等地下水闭流区内分布Cl型、SO4型和SO4·Cl型水。地下水化学特征存在着由东向西、西北方向的分布规律,地下水中的TDS值由<1g/L逐渐增大到>3g/L,水化学类型的总体变化规律为HCO3型水→HCO3·SO4型水(HCO3·Cl型水)→HCO3·SO4·Cl型水→SO4·Cl型水。尽管同环河组相似,地下水分水岭对洛河组地下水化学的空间分布也具有区域控制作用(图2b),但其控制程度有所减弱,地下水的TDS及各主要离子浓度的空间变化相对减小。TDS<1g/L的淡水分布范围减小,主要分布在东胜—四十里梁分水岭南段的东西两侧以及北段的东南地区。在该地表分水岭的西侧地下水TDS大部分>1g/L,在西南部的定边、盐池一带的地下水局部滞流区分布有TDS>3g/L的咸水。在东胜—四十里梁分水岭东侧,洛河组地下水水化学类型仍以HCO3型水为主,但分布范围明显小于环河组,且局部水质较差。HCO3·SO4型水占据盆地西侧的绝大部分地区,HCO3·SO4型水和SO4型水分布范围变大。地下水化学特征整体上存在着由东向西南、西、西北方向的分布规律,地下水中的TDS值由<1g/L逐渐增大到>3g/L(最大达9g/L),水化学类型的总体变化规律为HCO3型水→HCO3·SO4·Cl型水→SO4型水(SO4·Cl型水)。4天然气水化学特征本次研究采取TDS、pH值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2−442-、HCO−33-、可溶性SiO2、δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC等12个指标作为多元统计分析的初始变量,其中δ13CDIC表示地下水溶解无机碳(dissolvedinorganiccarbon)的δ13C值,借助SPSS软件的聚类分析和因子分析等功能对鄂尔多斯沙漠高原白垩系盆地地下水水化学演化特征进行全面分析。4.1地下水聚类分析分别对研究区环河组和洛河组地下水样品的测试数据进行Q型聚类分析显示,环河组和洛河组地下水均可分为3大类,且大致在地下水补给区、径流区和排泄区分别聚类。4.1.1地下水主要离子分布通过对环河组53个地下水化学样品进行Q型聚类分析,使具有相似特征的水化学样品聚在一起,得到了聚类分析的谱系图(图3a)。由图3a可知,类间距离<15时,分类效果较好,可划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3大类。由聚类分析结果可以看出,环河组地下水水化学具有明显的空间分布规律。第Ⅰ大类主要分布在东胜—四十里梁分水岭和新召苏木分水岭的地下水补给区、西部和东北部的排泄区以及东部、西部的地下水径流区,按照类间聚类的差异可进一步划分为Ⅰ--1、Ⅰ--2和Ⅰ--3三类。Ⅰ--1类主要分布在分水岭附近及其两侧,为地下水的补给区和径流区,其中东侧径流区由于补给条件较好,大气降水的稀释作用较为明显,该类地下水主要离子浓度较低,TDS较低,<1.0g/L,多为HCO3型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC较低,分别介于-81×10-3～-58×10-3、-11.2×10-3～-7.5×10-3和-18.4×10-3～-5.5×10-3;Ⅰ--2类分布在研究区东北部苏贝淖和西部都思兔河附近的地下水排泄区,地下水主要离子浓度相对Ⅰ--1类较高,TDS较高,介于0.4～1.8g/L,为SO4型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC相对较高;Ⅰ--3类分布在分水岭两侧的地下水补给区,地下水主要离子浓度相对较低,TDS较低,<0.5g/L,为HCO3型水,δDH2O和δ18OH2O相对较高,而δ13CDIC相对较低。第Ⅱ大类主要分布在北区东南部、白于山分水岭北侧,此处靠近鄂尔多斯盆地黄土高原区,含水层中泥质透镜体发育,地下水垂向水力联系不密切,地下水主要离子浓度较高,TDS为1.8～2.8g/L,为SO4-Cl型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC均较低,分别为-90.6×10-3～-75×10-3、-12.07×10-3～-10.16×10-3和-12.54×10-3～-11.4×10-3。第Ⅲ大类主要分布在东胜—四十里梁分水岭东西两侧的径流区,但埋藏较深,分别>400m和700m,地下水为TDS较高的SO4型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC分别为-85.6×10-3～-66×10-3、-10.75×10-3～-8.2×10-3和-9.2×10-3～-3.3×10-3。4.1.2地下水主要离子分布通过对洛河组37个地下水化学样品进行Q型聚类分析,使具有相似特征的水化学样品聚在一起,得到了聚类分析的谱系图(图3b)。由图3b可知,类间距离<15时,分类效果较好,可划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3大类。由聚类分析结果可以看出,洛河组地下水水化学也具有明显的空间分布规律。第Ⅰ大类主要分布在东胜—四十里梁分水岭附近的地下水补给区及其东侧地下水径流区、新召苏木分水岭南侧和白于山分水岭北侧径流区,按照类间聚类的差异可进一步划分为Ⅰ--1、Ⅰ--2、Ⅰ--3和Ⅰ--4四类。Ⅰ--1类主要分布在东胜--四十里梁分水岭附近及其东侧、新召苏木分水岭南侧,为地下水的补给区和径流区,地下水主要离子浓度均较低,TDS较低,大部分<1.0g/L,多为HCO3型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC较高,分别为-82×10-3～-64.8×10-3、-11.3×10-3～-9.2×10-3和-15.4×10-3～-7.84×10-3;Ⅰ--2类分布在东胜—四十里梁分水岭附近的地下水补给区,但埋藏较深,>800m,形成了地下水滞留区,地下水主要离子浓度相对Ⅰ--1类较高,TDS较高,为HCO3-SO4型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC相对较低;Ⅰ--3类分布在东北部闭流区,地下水主要离子浓度较高,TDS较高,介于0.9～2.1g/L,为SO4型水,δDH2O和δ18OH2O相对Ⅰ--1类较低,而δ13CDIC相对较高,-6.71×10-3～-3.1×10-3;Ⅰ--4类分布在北区东南部、白于山分水岭北侧,含水层中泥质透镜体发育,地下水垂向水力联系不密切,地下水主要离子浓度较高,TDS为2.1～2.7g/L,为SO4-Cl型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC均较低。第Ⅱ大类主要分布在东胜—四十里梁分水岭东两侧的径流区,地下水主要离子浓度均较低,但可溶性SiO2浓度相对其他大类较高,45.5～62.4mg/L,TDS较低,<0.5g/L,为HCO3型水,δDH2O和δ18OH2O较高,而δ13CDIC较低。第Ⅲ大类主要分布在北部盐海子附近,为地下水排泄区,地下水主要离子浓度较高,TDS为3.1～8.9g/L,为SO4型水,δDH2O、δ18OH2O、δ13CDIC均较低,分别为-91×10-3～-85×10-3、-11.6×10-3～-11.3×10-3和-13.6×10-3～-11.1×10-3。4.2水文地球化学作用分别对研究区环河组和洛河组地下水各指标进行因子分析,结果显示,两个含水层地下水水化学演化特征存在一定的差异,但均受到了硫酸盐矿物溶解、碳酸盐矿物溶解、岩盐溶滤、硅酸盐矿物溶解和阳离子交换等水文地球化学作用的影响。4.2.1土壤水化学成分环河组地下12个指标间相关系数见表1,由原始数据计算得到相关系数矩阵的特征值、贡献率、累计方差贡献率和旋转因子载荷矩阵见表2。根据累计方差的贡献率选取了5个主因子,累计贡献率达91.034%,可反映总体样品91.034%的水化学基本信息。第一主因子F1的贡献率为39.889%,其中SO2−442-、TDS、Ca2+和K++Na+的因子载荷均较大,与F1呈正相关性,且彼此间的相关性较好,说明石膏等硫酸盐矿物的溶解和阳离子交换作用影响了地下水水化学成分的组成。第二因子F2的贡献率为20.210%,其中HCO-3、Mg2+和Cl-的因子载荷均较大,与F2呈正相关性,三者之间的相关性也较好,同时Cl-和K++Na+的相关性较好,为0.55,说明发生了碳酸盐矿物的溶解和岩盐的溶滤作用。第三主因子F3的贡献率为14.467%,其中δDH2O和δ18OH2O的因子载荷均较大,与F3呈正相关性,且彼此间的相关性较好,二者分别为-90.6×10-3～-58×10-3和-12.07×10-3～-7.5×10-3,平均值分别为-74.8×10-3和-9.7×10-3,位于研究区大气降水的δD值、δ18O值范围内(-153.4×10-3～-5.1×10-3和-13.6×10-3～-4.8×10-3),反映了大气降水入渗补给影响了环河组地下水水化学组成,即地下水水化学演化受到大气降水稀释作用的影响。第四主因子F4的贡献率为8.848%,其中可溶性SiO2和δ13CDIC的因子载荷均较大,但是可溶性SiO2与F4呈正相关性,δ13CDIC与F4表现为负相关性,二者也表现为负相关,说明发生了硅酸盐矿物的溶解,同时发生了使DIC的δ13C值减小的碳酸盐演化,如石膏溶解导致方解石沉淀。第五主因子F5的贡献率为7.620%,其中pH值的因子载荷均较大,与F5呈正相关性,说明酸碱演化影响了环河组地下水水化学组成。4.2.2地下水水化学组成与化学成分的相关性分析洛河组地下水12个指标间相关系数见表3,由原始数据计算得到相关系数矩阵的特征值、贡献率、累计方差贡献率和旋转因子载荷矩阵(表4)。根据累计方差的贡献率选取了4个主因子,累计贡献率达89.668%,即可反映总体样品89.668%的水化学基本信息。第一主因子F1的贡献率为46.220%,其中TDS、SO2−442-、K++Na+、Ca2+、δDH2O、δ18OH2O和Cl-的因子载荷均较大,各化学组分均与F1呈正相关性,而δDH2O和δ18OH2O与F1呈负相关性。δDH2O和δ18OH2O分别为-91×10-3～-52×10-3和-11.6×10-3～-7.4×10-3,平均值分别为-76.8×10-3和-10.2×10-3,由于洛河组含水层在东部边界一带出露,可接受大气降水的补给,而其他地区埋藏均较深,受大气降水的稀释作用影响较小。与环河组地下水的δD值、δ18O值较为接近,体现了二者垂向水力联系较为密切。TDS、SO2−442-和K++Na+三者之间相关性很好,而