广西猫儿山花岗岩地区水文地球化学特征

广西猫儿山花岗岩地区水文地球化学特征

对广西猫儿山花岗岩地区水质资料进行研究，采用Piper图进行水化学分类及特征分析，结果表明该区水化学类型为HCO3-Ca型。水化学特征说明地下水的化学成分受大气降水入渗和花岗岩风化水岩作用的共同影响。利用PHREEQC 对猫儿山地下水物种形成及饱和指数进行了模拟，根据模拟计算的饱和指数说明了该区地下水的溶解平衡状态。

标签：花岗岩地下水水化学饱和指数猫儿山

1引言

广西猫儿山地区地下水处在复杂的地理环境中，其化学特征受地形地貌、地质、水文地质条件及人类活动等综合因素的影响，由于复杂的水-岩土-气-有机物间的相互作用，存在着吸附交换、氧化还原、沉淀溶解、生物降解等诸多地球化学或生物化学反应[1]，内部也在不断发生各种络合反应，发生的各种化学反应控制着地下水地球化学特征，识别这些反应是地下水地球化学演化研究的基础。目前国内外推行利用地球化学模式PHREEQC模拟地下水组分形成、饱和指数等研究。解决了传统的水文地球化学方法对于多组分多反应过程的定量研究困难。

2研究区地质概况

猫儿山地质构造属桂北台隆，是志留纪至泥盆纪之间的广西运动，形成以北北东向构造为主的北东向隆起带的一部分。山体因受多次构造运动的影响，岩石发生不同程度的区域变质，主要变质为花岗片麻岩。猫儿山的成土母质主要是花岗岩或花岗片麻岩风化的残积物和坡积物，山麓地带有洪积物和冲积物。猫儿山岩体西缘局部形成混合岩带，边缘混合岩由条带状混合岩、混合质黑云变粒岩、局部混合质黑云变粒岩所组成。与前震旦系丹州群为交代过渡关系，反映了交代型花岗岩的地质特征，东缘则为突变浸入于震旦系中，形成角岩带，表明了侵入花岗岩的接触特点。

岩体属加里东晚期中、细粒斑状黑云母花岗岩[2 ]。斑晶为钾长石、斜长石、石英和黑云母，基质亦为结晶颗粒较细小的钾长石、斜长石、石英和黑云母。其块状花岗岩及片麻状花岗岩的斜长石含量（27%），低于钾长石含量（35%），石英含量（31%）偏高，黑云母含量（7%）；

3研究区数据和分析方法

研究区分析资料为广西猫儿山过江铺、龙塘、龙塘口、小九牛地区的水化学数据，详见表一，首先对猫儿山地下水进行科学、系统取样，分析测试有关水化学参数，再利用PHREEQC水化学模拟软件，Piper三线图示等方法，较为全面系统地研究地下水水化学特征。

4研究区水文地球化学特征

组成花岗岩区地下水的化学物质主要通过水与花岗岩间的交换，发生水解作用，以及花岗岩在地表经水、CO2、生物等营力作用下发生风化，一部分可溶组分随降水下渗进入到地下水中。水解作用为非全等溶解，结果使K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-进入水中，而且形成铝硅酸盐残余物。花岗岩风化可将大气或土壤中的CO2转变为重碳酸根离子，释放出K+、Na+、Ca2+、Mg2+，最后沉积为碳酸盐岩[3、4]。因此，对大气而言，花岗岩风化作用是净碳汇过程。此过程主要是长石、黑云母和水的相互作用。以钙长石为例，化学反应式如下：

CaAl2Si2O8（钙长石）+2CO2+3H2O+→Al2Si2O5（HO）2（高岭土）+Ca2++2HCO3-

4.1采用piper图对研究区水化学分类

运用国际上通用的水化学分类方法，计算主要阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）和阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-）的毫克当量百分数，使毫克当量百分数大于25%的离子参与水化学类型的分类。绘出研究区各样点的水文化学类型图（图1）。

从piper图[5]中可以看到：猫儿山研究区四个样点均处于菱形图左侧，水化学特征总体上表现为碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根大于强酸根，碳酸岩硬度大于50%，水化学类型多数为HCO3-Ca型，龙塘区为HCO3-Cl-Ca型。研究区四个点总溶解固体为25.43～31mg/l，矿化度很低。三角图中可以看出，研究区阴离子和阳离子都落在左下角，阳离子三角图显示猫儿山四个研究区Ca2+均较丰富，含量为64.31%～78.18%，Na+、K+偏少，分别占15.9%～20.91%和0.91%～4.02%，据此可初步判断钙长石风化较为显著，钠长石和钾长石风化作用相对不强，并且受到溶解度的限制，加之K+易被植物吸收，故K+含量远小于Na+。Mg2+则更少，占0.00%～16.25%，原因是猫儿山花岗岩中Mg2+的来源有限，而且黑云母风化程度较低，加之研究区水中Mg2+被植物所吸收以及水中胶体物质的吸附，故含量远低于Ca2+。阴离子三角图中HCO3-占绝对优势，含量为64.88%～82.95%，主要是地下水循环时间长，水岩作用充分，因此析出的Ca2+较多、消耗了较多的CO2、形成的HCO3-+ CO32-便更多、被粘土矿物吸附的碱金属也更多，同时进一步说明了K+ 、Na+偏少的原因。SO42-只占0.00%～10.66%，除云母风化作用不强烈外，也因土壤的吸收降解、胶体物质的阴离子吸附以及研究区的地理位置和气候特点所决定：研究区位于距市区较远的地方，很少受到市区污染源的影响，所以进入本区地下水的SO42-量不大。Cl-占15.23%～35.12%，因花岗岩矿物风化不产生Cl-，故可推断其来源于大气降水和生物作用。

4.2根据HPREEQC模拟分析饱和指数判断矿物沉淀与溶解

饱和指数是确定水与岩石、矿物处于何种状态的参数，以符号“SI”表示，是离子活度积与溶度积比值的以十为底的对数。表达式为：

SI = lg（IAP/K）

IAP（Ion Activity Product）表示矿物溶解反应中相关离子的活度积，K为指定矿物的沉淀溶解平衡常数，即给定水温下可能的最大的溶解度。计算IAP时，在考虑离子强度、水温以及络合作用的情况下，把给定水样的分析含量换算成活度。饱和指数指出了溶液是否与固相处于平衡，还是相对于固相处于未饱和或过饱和状态。当矿物的饱和指数SI=0时，表示水溶液与矿物溶解达到平衡。SI0表示该矿物相对于水溶液处于过饱和状态。由于水质分析以及矿物平衡常数和离子活度计算中的误差，使得矿物饱和指数的计算结果不可避免的带有不确定性，因此一般认为当SI在接近于0的一定范围内变化时都是与矿物处于平衡状态的，常用的这种变化范围是-0.1到0.1。

图2为猫儿山地下水中矿物饱和指数SI值模拟结果柱状图[6]，从中可以看出，研究区地下水只有石英（Quartz）处于溶解平衡的状态，钙-蒙脱石（Ca-Montmorillonite）、水铝矿（Gibbsite）、高岭石（Kaolinite）、伊利石（Illite）过饱和与它们的溶解度小有直接关系，说明这些矿物的沉淀速率与其溶解速率相比，沉淀速率太慢。而它们又是长石、云母等硅酸盐的风化的产物，可知长石风化强烈，与水的相互作用完全。当pH>7.4和TDS>600mg/L时，Ca2+才与HCO3-生成碳酸钙，发生沉淀[7，8]，研究区pH和TDS与达到沉淀的要求相差甚远，故饱和指数模拟结果显示方解石处于不饱和状态，水对方解石仍然具有侵蚀性。其它矿物相均未达到饱和，甚至大多矿物表现出上万倍未饱和，即水-岩之间还远未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行，也进一步说明了研究区地下水的低矿化度特点，从研究区四个样点比较可以看出，饱和指数相差无几，表明地下水运动畅通，循环交替条件好，而且地下水与岩石矿物的化学反应多是非常缓慢的，所以要达到饱和状态也需要在长时间的地下运动过程中实现，地下水若与某种矿物达到饱和状态，必将限制该矿物的继续溶解，因此地下水与矿物的状态在漫长的时间里应为平衡状态，过饱和的现象很少出现。同时，饱和指数结果说明猫儿山区地下水以溶解作用为主。

5结论

广西猫儿山花岗岩地区水化学类型以HCO3-Ca型为主。水中以Ca2+、Na+、Mg2+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-为主要离子，Ca2+和HCO3-含量远高于K+、Na+、Mg2+和Cl-、SO42-。桂林猫儿山地区温度高、降水丰沛、降水稀释效应强于高温促进的水岩作用强度，地下水交替、排泄条件好，可溶性组分不易聚集，故而其离子含量偏低，决定了猫儿山地区地下水低矿化度的特点。

PHREEQC饱和指数模拟计算结果表明猫儿山花岗岩地下水石英处于溶解平衡的状态，钙-蒙脱石、水铝矿、高岭石、伊利石过饱和，说明这些矿物的沉淀速率与其溶解速率相比，沉淀速率太慢。而它们又是长石、云母等硅酸盐的风化的产物，可知长石风化强烈，与水的相互作用完全。其它矿物相均未达到饱和，即水-岩之间还远未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行。

水化学特征显示研究区地下水化学组分的来源及含量主要是水岩相互作用