（海洋地质专业论文）莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成因探讨.pdf

摘要 莱州湾南岸蕴藏着丰富的地下卤水，它属于第四纪滨海相地下卤水。第四纪 卤水存在的地质历史短，变化程度低，其水化学特征及成因与现代盐湖卤水和第 四纪以前的古地下卤水都不相同。 本文在对莱州湾南岸地区的地质、地貌以及水文地质条件进行概括和总结的 基础上，分析了它们与研究区第四纪卤水之间的内在关系。综合前人关于渤海地 区晚第四纪环境演变的研究，尤其是莱州湾e 孔资料，分析了本区晚第四纪以 来的环境演变历史。 本文对莱州湾南岸地下卤水的化学组成进行了特征分析，并将其与莱州湾现 代海水以及莱州湾南岸地下淡水的化学组成进行了对比，认为莱州湾南岸滨海相 第四纪地下卤水来源于海水，但又不是海水的简单浓缩。通过对莱州湾南岸地下 卤水的水化学分布以及变化特征的分析可以看出，莱州湾南岸地下水水化 学特征分布主要受地形影响显著：受外界环境背景影响较小的离子比 值同海水浓缩比值基本一致，说明地下卤水来源于海水。 本文还对莱州湾南岸地下卤水的成因进行了探讨，通过对该区不同监测井地 下卤水的化学组成成分变化特征同海水在蒸发作用及冰冻作用过程中化学组成 变化曲线的对比，认为莱州湾南岸地下卤水主要来源于蒸发成卤。由于水化学方 法存在局限，很难解释本地区是否存在冰冻成卤，因此，本文分析了利用测定卤 水年龄来探讨其成因的可行性。 关键词：莱州湾南岸，第四纪卤水，水化学，卤水成因 t h er e s e a r c ho fc h e m i c a lc h a r a c t e r sa n df o r m a t i o no ft h eu n d e r g r o u n d b r i n ei ns o u t hc o a s t o fl a i z h o ub a y m a s t e rc a n d i d a t e ：s uq i a o s u p e r v i s o r ：p r o f y uh o n g j u n r i c hs u b s u r f a c eb r i n ei ns o u t hc o a s to fl a i z h o ub a y , w h i c hi sq u a t e r n a r yc o a s t a l p h a s e ，h a s as h o r tg e o l o g i c a lh i s t o r ya n dl o wl e v e lc h a n g e s i t sh y d r o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n do r i g i na r ed i f f e r e n tf r o me v e rm o d e ms a l tl a k eb r i n eo ra n c i e n t u n d e r g r o u n db r i n e i nt h i sp a p e r , g e o l o g i c a l ，g e o m o r p h o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f t h es o u t h e r nc o a s to fl a i z h o ub a ya r e ah a sb e e ns u m m a r i z e df i r s t l y t h e nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb r i n ei nt h i sr e g i o na n dt h o s ec o n d i t i o n sh a sb e e na n a l y z e d c o m b i n i n gw i t ht h ep r e v i o u sr e s e a r c h e so nt h eb o h a is e ar e g i o na n dt h ei n f o r m a t i o n o ft h eb o r e h o l ec o r eeo nt h el a i z h o ub a y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h et r e n do f e n v i r o n m e n t a le v o l u t i o ns i n c et h el a t eq u a t e r n a r yi nt h es t u d ya r e a t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h eu n d e r g r o u n db r i n ei ns o u t hc o a s to fl a i z h o u b a yi sa l s oa n a l y z e d ，a n di sc o m p a r e dw i t hu n d e r g r o u n df r e s hw a t e ri nt h i sa r e a t h e r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h eo r i g i no ft h eb r i n ei sf r o ms e a w a t e r , b u tn o tas i m p l e c o n c e n t r a t i o n t h r o u g h o u ts t u d y i n gt h eh y d r o c h e m i c a ld i s t r i b u t i o n a n dv a r i a t i o n f e a t u r e so ft h eu n d e r g r o u n db r i n e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti t sm a i nd i s t r i b u t i o n f e a t u r e sh a sb e e na f f e c t e ds i g n i f i c a n t l yb yt h et o p o g r a p h ya n dt h es i m i l a rp r o p o r t i o n o fi o n sb e t w e e nb r i n ew h i c hh a sl e s si n f l u e n c eb yt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n ta n d s e a w a t e ra l s os h o w ss e a w a t e ri st h eo r i g i no ft h eb r i n e t h ec a u s e so ft h es o u t h e r nc o a s t a lu n d e r g r o u n db r i n eo fl a i z h o ub a yh a v eb e e n e x p l o r e d t h r o u g h o u ts t u d y i n gt h ec o n t r a s tc u r v e so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o nc h a n g e s b e t w e e nb r i n ef r o md i f f e r e n tm o n i t o r i n gw e l l si nt h ea r e aa n dt h es e a w a t e r u n d e r g o i n ge v a p o r a t i o no fa n df r o z e n ，t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h ec a u s ei s e v a p o r a t i o n t h el i m i t a t i o no ft h eh y d r o c h e m i c a lm e t h o db r i n g sd i f f i c u l tt oe x p l a i ni f t h e r ei sb r i n ee v a p o r a t i o n t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yt h a tu s i n gd e t e r m i n a t i o no fa g e s - 2 一 f o ru n d e r g r o u n db r i n et oi n v e s t i g a t et h ec a u s e sh a sb e e na n a l y z e d k e y w o r d ：t h es o u t h e r nc o a s to fl a i z h o ub a y , q u a t e r n a r ys u b s u r f a c eb r i n e ， h y d r o c h e m i c a l ，t h ec a u s e so fu n d e r g r o u n db r i n e 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：芬，前日期：砷年占月彦日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、 使用学位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 研究所同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：虿香导师签名：哥慷军 日锄：砷7 年莎月僭日 刖乔 刚舌 莱州湾南岸蕴藏着丰富的地下卤水，它属于第四纪滨海相地下卤水。第四纪 卤水来源于海水，但并不是海水的简单浓缩。其存在的地质历史短，变化程度低， 其水化学特征与现代盐湖卤水和第四纪以前的古地下卤水均存在差异。 2 0 世纪8 0 年代初，韩有松等对第四纪地下卤水的成因进行了探讨，对莱州 湾滨海平原第四纪古地理环境、古气候环境及地下卤水的水化学特征进行了研究 【1 1 0 此后，又有诸多位科学家对莱州湾南岸的地下卤水水化学组成及分布特征、 地下水水化学模拟以及卤水成冈演化等方面做了大量的研究【2 ，取得了丰硕的 成果。 尽管卤水的形成条件和形成因素十分复杂，地质历史时期的气候环境变化为 决定因素。对卤水的成因研究中，蒸发作用是最早认识的一种生卤机制，然 而在不同的气候条件中，卤水的形成不只限于蒸发作用【2 。5 1 。b a r a kh e r u te t a l t 6 1 也 注意到在极地地区以及大规模冰期时，水以冰的形式脱离使海水浓缩成卤水，并 从化学组成e 找出了一些与蒸发作用的筹异。 本文主要在国家自然科学基金项目“滨海与内地第四纪地下卤水沉积环境与 成因对比研究”和国家9 0 8 专项“海洋地质灾害( 海水入侵) 调查与研究 资助 下，选取我国卤水典犁分布区莱州湾南岸为研究区域，对晚第四纪以来环境演化、 地下卤水的分布以及变化特征和卤水成因进行研究。 本文丰要内容如下： 第一章，概述了莱州湾南岸的区域地质、地貌、气候概况，以及该地区的卤 水开发现状。 第二章，总结了莱州湾南岸水文地质分区，第四纪卤水的赋存条件，以及两 者之间的关系。 第三章，探讨了莱州湾南岸地区晚更新世以来的环境变迁。 第四章，分析了研究区地下卤水的水化学类型及主要特征，并对其主要离子 的分布及变化特征进行了研究。 第五章，通过蒸发成卤和冰冻成卤模式的水化学特征对比，探讨了莱州湾南 岸地卜卤水成因，并分析了水化学方法的局限性。 第六章，主要认识及存在的问题。 莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成因探讨 第一章研究区自然地理概况 1 1 莱州湾南岸地理地貌概况 研究区位于潍坊北部滨海地带，地理坐标为3 6 0 5 7 o o 3 7 0 1 7 0 0 q 、， 1 1 8 0 4 2 2 5 7 1 1 9 。3 6 0 0 ”e ( 图1 - 1 ) ，西起小清河，东至胶莱河，分别隶属寿光、 寒亭、昌邑三市区管辖，东西长8 8 k i n ，南北宽l o - - 2 0 k m ，总面积约为1 9 4 0 k m 2 。 图卜l 研究区范围图 第四纪以来，莱州湾南岸的构造环境主要受郯庐断裂带的控制，断裂带北段 在本区宽度变化在2 4 - - - ，3 5 k m ，由四条主干断裂组成。控制研究区发育的为昌邑 一大店断裂，呈北北东一南南西向穿过研究区东部。西部的都邵一葛沟断裂构成 了研究区的西界，两断裂之间形成“地堑 ，下降幅度大于两侧地区。受大断裂 的控制，区内次级断裂构造较发育，中新世以来相继发育了北西西一南东东向的 潍县断裂和北部的高庄辛置断裂，这两条断裂均为正断层，将基底在南北方向上 “断裂”成阶梯状，向北降低，沿断裂带自南而北形成阶梯式倾斜断陷( 图1 - 2 ) 嗍 第四纪以来的构造运动导致了研究区地貌的分异，控制了研究区第四系地层 的发育及现代自然地理面貌的形成。以高序一辛置断裂为界，南部松散沉积厚度 最大为7 0 m ，北部厚达3 0 0 m 。断裂带内部第四系沉积厚度在北部东利渔一下营 一带超过3 0 0 m ，柳瞳一带第四系地层厚度为1 6 0 m ，远东庄一带第四系地层厚 1 3 2 m ，到冲洪积扇顶以南第四系地层厚度仅为2 0 m 。新构造活动在一定程度上控 制了海、陆岸线的变化和海陆环境的演化f 9 】o 2 第一章研究区自然地理概况 图1 _ 2 莱州湾南岸地区构造简图嗍 莱州湾南岸是由鲁中山地北麓诸河流( 如小清河、弥河、白浪河、潍河、胶 莱河等) 冲积而形成广阔的平原，是我国典型的粉沙淤泥质海岸。该区平原地貌 类型变化层次清楚，由南部山前洪积冲积平原向北过渡为冲积平原，地势缓缓倾 斜，直至莱州湾沿岸过渡为狭窄带状冲积海积平原、海积平原( 图1 - 3 ) 。自南 向北，海拔由3 0 m 降至2 m 1 0 1 。 图卜3 莱州湾地貌分区简图( 据文献1 0 修改) 莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成园探讨 1 2 气候 莱州湾南岸地区属北温带大陆性季风气候区，在半湿润气候区具有偏干旱的 气候特征。多年平均降水量为5 5 9 5 r a m ，最多达1 4 1 2 2 m m ( 1 9 6 4 年) ，最少降 水量仅为3 3 7 2 m m ( 1 9 8 1 年) 。降雨多集中在7 8 月份，由于气温较高( 多年 平均气温1 2 1 0 c 左右) ，研究区地下水蒸发量较大，多年平均蒸发量为1 8 0 2 6 m m ， 年最大蒸发量达到2 6 0 0 m m ( 1 9 8 1 年) 。初霜期最早出现于寒亭区，终霜期最早 出现于寿光市和昌邑市，多年最大冻土厚度4 5 - - 5 4 c m 。 莱州湾南岸地区年日照时间一般不少于2 5 0 0 小时，风向季节性变化较为明 显，夏季偏南风较多，春季风速最大，台风较为少见。近年来从西北地区蔓延过 来的沙尘暴对本区开始产生一定影响。 莱州湾南岸潮汐作用明显，涨潮时流向西南，退潮时流向东北，最大流速 0 5 k m h 。最近十年来，最高潮位6 0 1 m ，最低潮位1 4 0 m 。 综上所述，莱州湾南岸地区为半干旱干燥气候，气温较高，年日照时间较长， 蒸发量大于降水量，灾害性气候少见，十分有利于地下卤水的形成和盐业生产的 发展。 1 3 莱州湾南岸卤水开发现状 莱州湾南岸地处我国东部沿海环渤海湾经济区中心地带，区位条件十分优 越。随着经济全球化进程加快，该地区作为沿渤海经济开发区占据了承接东西的 有利地位，经济发展空间将不断扩大。区内经济整体发展速度较快，综合竞争力 较强，工业以海洋化工为主，辅以轻工制造、机械制造等产业。自2 0 世纪8 0 年 代中期以来，区内海洋盐_ k 化工的迅速崛起，逐步成为重要的支柱产业。 莱州湾南岸具有得天独厚的地下卤水资源，是全国最大的盐及盐化工生产基 地，原盐生产能力1 5 0 0 万吨年，占全国总产量的四分之一；盐化工生产能力 2 8 万吨年，其中溴素生产能力1 2 万吨年，占全国总产量的四分之三：其它相 关化工产品生产能力、产品质量均居全国领先地位。 根据山东省第四地质矿产勘察院山东省潍坊市北部沿海矿区大然卤水矿详 查报告，区内地下卤水 1 7 0 b e ( 波美度) 预可采资源量为2 6 0 9 8 4 3 4 万立方米， 资源储量如表1 - 1 ；地下卤水5 - - 7 0 b e ，天然卤水资源储量估算结果表 什算内容单位 潮问带 陆地合计 估算面积 m 22 3 3 8 4 5 0 0 09 9 3 4 8 3 0 0 01 2 2 7 3 2 8 0 0 0 天然卤水1 0 4 m 38 2 6 7 3 3 9 2 83 5 2 3 0 0 5 1 5 1 4 3 4 9 7 3 。9 0 7 9 石盐1 0 4 t7 7 7 5 4 7 4 43 2 9 4 1 1 1 1 74 0 7 1 6 5 8 6 1 溴tl8 5 6 8 2 9 9 7 17 9 1 1 5 i 5 0 9 19 7 6 8 3 4 5 0 6 2 基础储量 氯化镁 l 矿t 1 2 1 6 0 4 2 9 5 1 7 2 7 7 9 56 3 8 8 8 2 2 4 硫酸镁l o b7 0 7 0 6 2 73 0 0 2 1 2 9 73 7 0 9 1 9 2 4 硫酸钙1 0 4 t2 5 7 5 9 4 4l0 9 2 9 5 9 71 3 5 0 5 5 4 1 氯化钾1 矿t1 0 9 7 3 l o4 6 1 0 9 4 65 7 0 8 2 5 6 人然卤水1 0 4 m 34 9 6 0 4 0 3 5 72 1 1 3 8 0 3 0 9 02 6 0 9 8 4 3 4 4 7 石盐 1 0 4 t4 6 6 5 2 8 4 6l9 7 6 4 6 6 7 02 4 4 2 9 9 51 6 溴t l l1 4 0 9 7 9 8 3 4 7 4 6 9 0 9 0 5 55 8 6 1 0 0 7 0 3 8 预可采储量 氯化镁 1 0 4 t7 2 9 6 2 5 73 1 0 3 6 6 7 8 3 8 3 3 2 9 3 5 硫酸镁 1 0 4 t 4 2 4 2 3 7 7 1 8 0 1 2 7 7 8 2 2 2 5 51 5 5 硫酸钙1 0 4 t1 5 4 5 5 6 66 5 5 7 7 5 98 1 0 3 3 2 5 氯化钾 1 0 4 t 6 5 8 3 8 62 7 6 6 5 6 83 4 2 4 9 5 4 表1 - 2 潍坊市北部沿海5 - - 一 n a + s 0 4 2 - m 9 2 + c a 2 + k + 。 依照舒卡列夫分类法( 表4 2 ) ，研究区地下卤水与正常海水水化学类型为均 为c i - n a 型，地下卤水阴阳离子中占绝对优势的c l 。、s 0 4 2 。、n a + 、m 9 2 + 的毫克当 量百分数( 9 0 6 6 ，8 8 9 ，7 5 2 ，2 1 4 8 ) ，与正常海水的值( 9 0 2 1 ，9 3 0 ，7 6 0 4 ， 1 9 1 9 ) 非常相近，而与地下淡水的值( 2 6 1 8 ，2 8 2 5 ，1 1 3 0 ，1 4 7 8 ) 相差甚远， 反映出本区地下卤水起源于古海水，为沉积海水，同时又绝非海水简单浓缩的产 物，其间还包括复杂的水化学变质过程以及后期的演化【2 9 1 。 表4 1 地下淡水、卤水和渤海正常海水的化学特征对比 水样( m g l ) k _n a 十 c a 2 + m 矿+ c l s 0 4 2 h c 0 3 地下淡水o 4 53 34 8 11 8 82 34 0 82 4 0 1 正常海水3 8 71 0 7 6 04 1 31 2 9 41 9 3 5 32 7 1 21 4 2 卤水平均值 6 8 0 93 6 0 9 8 81 0 4 95 3 8 2 56 6 6 4 2 88 8 3 5 44 0 0 1 表4 - 2 舒卡列夫分类图表 2 5 毫克当 h c 0 3h c 0 3 + s 0 4h c 0 3 + s 0 4 + c lh c 0 3 + c ls 0 4s 0 4 + c l c l 量的离子 c al 81 5 2 2 2 93 64 3 c a + m g 291 62 33 03 74 4 m g 31 01 72 43 l3 8 4 5 n a + c a4l l1 82 53 23 94 6 n 叶c a + m g 51 21 92 63 34 04 7 n 时m g 61 32 02 73 44 l4 8 n a71 42 l2 83 54 2 4 9 4 5 地下卤水中主要离子变化特征 地下水的水化学成分要比地表水，特别是海水的化学成分复杂的多。地下水 中分布最广、含量较多的离子共七种，即：c 1 。、s 0 4 厶、h c 0 3 、n a + 、k + 、c a 2 + 2 0 镕口$ * m 肆自# 地f 水$ 化 特征 和m 9 2 + 。一般情况下，随着总矿化度的变化地下水中占主要地位的 离子成分也随之发生变化。莱州湾南岸地下卤水中的主要离子也为这七种 本文主要对这七种离子的变化及分布规律进行分析。 ( 1 ) c i 氯离子在地下水中分布十分广泛，在低矿化水中一般含量仅数毫克升到数 十毫克升，但在高矿化水中则可达到数克升乃至百克升以上；氯离子不为植 物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水 中最稳定的离子。根据国内外的研究，海水入侵导致地下含水层水质恶化，最 明显的变化是水中c l 。浓度的增高，因此氯离子是判别海水入侵严重程度的很重 要的一项指标叫。c 1 。分布图上可以看出( 图4 5 ) 。c l 浓度最高值出现在研究区 内潍河与弥河之间沿海地带，并以此为中心向东，南、西三个方向浓度逐渐降 低。其中，受昌邑- 大店断裂与部鄙一葛沟断裂之间形成“地堑”，其氯离子浓度 明显高于两侧。 一j ! ! ! 二! j ! ! ! j 1 1 二! j 一 4 h m i 一强曩叫一一i 一t 一一一” 图4 - 5 莱州湾南岸c r 分布图( m 叭。) ( 2 ) n a + n a + 在低矿化水中的含量j 般很低仅数毫克升到数r 毫克，川，但在高矿 化水中则是主要的阳离7 唧 ，在莱十h 湾南岸的地f 卤水中实测值远远高于地下 淡水。随着地下卤水c l 谁度的升高，n a + 浓度出现明显升高的趋势，n a c i 曲线 可近似看成条直线，斜率大约为05 3 3 ，同海水线基本一致( 图4 - 6 ) ，说明莱 州湾地下卤水来源丁海水。从分布上来看n a + 与cj 基本一致( 图4 7 ) 。 鞋m 日南口地r 】m m 化学特& 戒目讨 。 i2 图4 _ 6n a c i 变化曲线( 耻l ) ! ! 掣! ”地! l 堂j 莱州 淹 一一i 二，* ( 一一* m m 阳4 7 栗州湾南岸n i 分布圈( m g ，l ) ( 3 ) k k + 在地下水中的分布与n a + 相近，在低矿化度水中含量很少，在高矿化 水中含量较多。虽然钾盐的溶解度也相当大但由于k + 大量参与形成不溶于 水的次生矿物，因此其在地下水中的含量较n a + 少的多口q 。随地下卤水中 c r 浓度的升高，k + 总体也有升高的趋势。但波动较大且其值基本上都低于相 应海水浓缩值( 图4 - 8 ) 。 k + 在溶液中惰性很强，能参加的反应不多；其在海水中的溶度桓高，生物 活动也难以对其产生根大的影响。对地下卤水中k + 浓度影响较大的是离子交换 作用，卤水与粘土的离子交换使卤水中的k + 普遍亏损，且亏损幅度较大l 蜘。由 此可知k + 总体髓氯度升高而增大，但海水浓缩之后的离子交换作用由于受到 当地环境背景的不同而使其值发生较大的变化，普遍出现亏损。 ， 一 、啪 哪 啪 * 口 * h 湾自h m t 承水化学特 肌分布上来看，k + 与c i f 总体上一致( 图4 9 ) h 图4 - 8k 肥i 变优曲线( r a g l ) ，j ! 二! j ! 二! j ! ! ! 一 一i j ! j ! 上 _ ”一 m 鬟m 自 m 暾 厂1 图4 _ 9 莱州湾南岸k + 分布圈( r a g l ( 4 ) c a 2 + c a h 是低矿化水中的主要阳离子，其含量一般小超过数h 毫克 升。一般来说，在高矿化水中，由于主要阴离子为c i ，而c a c l ：的溶解 度相当大，赦c a 2 + 的绝对含量增大，但通常仍远远低于n a + 【 o 】。但从莱州 湾南岸地f 卤水c a c i 曲线刈以看出，c a 2 + 受氯度引高的影响较小( 图 4 1 0 ) 。这是因为，海水是c a c 0 的饱和溶液，在海水的浓缩过程中， 首先析出文石和方解石沉积使c a 2 + 浓度降低卤水形成后卤水中 的n a + 、k + ，m g ”与粘土中的c a 卜发生交换能使水体中的c a h 浓度丹 高”l 。因此，c a 2 + 浓度由于受到这两方面的综台作用而使其变化特征 十分复杂。 一乎一 - * m 自镕t 自水m m 特目w 。jo oi w一一t 2 # 赫一 i 两矗： 图4 一1 0 c a c i 变化曲线( m 0 几) 在分布上，c a 2 + 也与c l 。明显不同( 国4 - 1 ”。其显著特点是研究区西部 出现c a ”浓度明显升高的区域，中部高浓度区域面积相对较小。可能原因是莱州 湾南岸西部区域粘士中c a 2 + 含量相对较高，其与卤水中的n a + 、k + 、m 9 2 + 等离子发生交换使卤水中的c a 2 + 浓度升高3 ”。 i 1 日 oo - i 1 9 一1 o 一_ j p o ：! l m 1 0 5 1 = 1 1 0 2 _ 1 ” 49 7 图4 - 1 l 莱州湾南岸c _ “分布圉( 。0 儿) ( 5 ) m g ” m ，+ 在地下水中的分布与c a2 + 相近，在低矿化水中含量较c a 2 + 少但在高矿化度的地下卤水中其含量要比c a h 大得多。随着地f 卤水中c l 浓度的升高，m 9 2 + 呈现同n a + 一样明显升高的趋势m g ，c l 曲线也 可近似看成一条直线，斜率大约为00 8 ( 图41 2 ) 。 卤水形成后，卤水中的m g2 + 与粘土中的c a 2 + 发生交换，能使水体 中的c a 2 + 浓度升高的同时m 9 2 + 浓度降低3 ”但与n a + 明显不同的是， 。辫_ * 口* 州湾南* 地f 木m 化# m 9 2 + 的实际含量要大于相应的海水浓缩值。这种现象除了卤水与粘上 发生离子交换有关外，还与地下渊部的去白云岩化作用有关： c a m g ( c 0 3 ) 2 + c a ”= 2 c a c o j - bm 9 2 + 该反应使白云岩中的m g n 析出。 两种作用对m g 计的影响刚好相反。从m g c t 曲线r 来看，去白云化 的作用更强 些导致卤水中m 9 2 浓度相对偏高 3 3 i 。从分布上来说， m 9 2 + 分布同c r 基本一致( 图4 一1 3 ) 。 d ? r ol oow 01 2 o oj 6 0 0 0 圈4 1 2 m g c i 变化图( “b ，l ) _ m 一* _ 一一m 一一m 。 图4 1 3 莱州湾南岸m 一+ 分布图( m b ，l ) ( 6 ) s 0 4 2 。 s 0 42 。在低矿化水中 般含量仅数毫克9 到数百毫克升；在中 矿化水中常成为含带最多的阴离子；而在高矿化水中，其含量在阴 离子中仅次r cr t 可达数克升个别可这数十克升圳。随c 1 谁度的 * 州湾南岸地下卤水水n 学特征艟成目探讨 增加，s o 。2 。也是现明显增加的趋势，但其值在相应的海水线上下波 动较大，并且总体上出现亏损的点较多( 图4 1 4 ) 。 卤水形成过程中当海水浓缩到3 8 倍时，有c a s 0 4 沉淀的形成， 导致卤水s 0 4 。的消耗；卤水形成后由于长期埋藏于地下，处于缺氧 状态s 0 4 2 - 被还原，也会使s 0 4 21 出现亏损l3 ”。但是另一方面，化石 燃料的燃烧产生的s 0 2 与氮氧化合物氧化并吸收水分后构成富含硫酸 及硝酸的“酸雨”从而能增加地下水中s o 2 。目前，我国每年向 大气排放大量的s 0 2 ，有可能是造成部分监测点s 0 4 2 。值高于海水线 的主要原因。 从分布上来说，s o 2 。与c r 基本一致( 图4 - 1 5 ) 。 口p = ： o 喾j z ：秘一 一 。j ， ， _ _ 商矿1 赢i _ 1 高i 1 ：；_ 二 匿4 1 4s o ，c l 变化圈( m 扎) 一_ * 一 _ “_ 一： 图4 - 1 5 菜州湾南岸s o42 - 分布固( “b ，l ) 弟日章莱m 湾自岸地f m 水化 特 ( 7 ) h c 0 3 h c o ，。在地下水中的含量一般不超过数百毫克升，几乎总是低矿化水的主 要阴离子成分但在高矿化水中的相对含量却很小【3 0 】。从莱州湾南岸h c o c l 曲线上来看，其值在c l 诽度低于约6 0 0 0 0m 班时大部分监测点值要高于海水线， c r 浓度超过大约6 0 0 0 0 m r j l 以后基本要低于海水线( 图4 - 1 6 ) 。海水是c a c 0 的 饱和溶液在海水的浓缩过程中，首先析出文石和方解石沉积，在使 c a 2 + 浓度降低的同时h c 0 3 的浓度也在降低。但在海相与陆相接触带富舍 地质历史时期从地下水中沉积出的c a c 0 3 的地层中，当不饱和的地下水进入时， 必然发生方解石等矿物的溶解，而溶解产生的h c 0 3 - 就会相对富集从而出现 h c q 。值高于海水线的现象削嗍。从分布上来看h c 0 3 浓度，研究区西部明显 高于东部( 圈4 - 1 7 ) 。可能原因为这些区域沉积物中c a c o ，含量较高，这也与 c a 2 + 的分布相一致。 h f n 枣鬻参 0 0i = 0 0 0 0 圈4 - 1 6h c o c i 变化图( m g i l ) 一! ! j ! j ! r * f 1 1 口 i i l l 6 h 1 “ 3 7 9 3 7 t | “ 1 2 4 - 4 5 0 1 5 口t 9 6 i 图4 一1 7 莱州湾南岸h c o ；分布图( m g ，l ) 莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成凶探讨 ( ) r n a + ( ，c 口2 + + r m 9 2 + ) 2 r n a + ( 砌2 + + r m 9 2 + ) 2 称为钠吸附比( s a r ) ，是美国咸水实验机构 用来表示灌溉用水适宜性的一个参数1 3 6 1 。在咸水侵染的过程中，在混合带前缘靠 近淡水地带，m g ”和c a ”与海相沉积物中吸附的n a + 发生了交换，使地下水中 n a + 增高，而m 9 2 + 和c a 2 + 的含量降低。咸水入侵后，地下水发生阳离子交换吸 附过程主要为咸水中的n a + 、k + 交换围岩吸附综合体所吸附的m 9 2 + 和c a 2 + 。因 此，钠吸附比能反映出咸水侵染淡水的程度【3 7 1 。从图4 1 8 中我们可以看出，s a r 值随氯度值基本上呈线性增加，总体上较好的反映了海水入侵的程度。 心熬参 秽 ，- 0 7 。 图4 - 1 8s a r 随氯度变化图 4 6 小结 研究区内地下卤水起源于古海水，为沉积海水，但绝非海水简单浓缩的产物。 从以上分析可以看出，莱州湾南岸地下水水化学主要特征与海水非常 近似；受外界环境背景影响较小的化学组分的离子比例同海水浓缩比 值也基本一致，反映了地下卤水来源于海水。 另外，n a + 、m g ”及钠吸附比作为评价指标都能很好的反映海水入 侵程度的变化，k + 和s 0 4 2 - 能在一定程度上反映海水入侵程度，而c a 2 + 和h c 0 3 对高氯度地下水的区分度则很低。 第五章莱州湾南岸地下卤水成因探讨 第五章莱州湾南岸地下卤水成因探讨 5 1 第四纪滨海相地下卤水生成模式 5 1 1 潮滩生卤模式 蒸发作用形成卤水的条件可以归纳为有利于海水浓缩的气候，有利于生卤的 封闭及半封闭浅海湾和宽广的海岸潮滩地貌以及不断供给的海水来源。其过程可 以归结为潮滩沉积物中残留海水，在退潮期间通过强烈的水气界面蒸发和毛细管 蒸腾作用，海水浓缩，当超咸海水密度大于正常海水密度时，超咸海水下渗，储 存于更深部的沉积物中，涨潮时新的海水又给予补充，如此周而复始，不断蒸发、 浓缩、下渗，最终便在潮滩沉积物中聚集超咸卤水，卤水生成后的潮滩不断接受 陆源入海泥沙堆积成陆，为超咸海水提供进一步蒸发浓缩的场所，成为高浓度卤 水的生成阶段【3 8 】。 潮滩生卤模式可归纳为海水一潮滩一蒸发浓缩一下渗聚集一海退埋藏一继 续浓缩+ 化学作用+ 生物作用一地下卤水【3 1 ( 图5 一1 ) 。 兰 ； 囊奢早曩 i 高嵩潮津 ；焉奢麓| 地 ：鼻水： ； ： 一海堪方向 图5 1 现代海岸潮滩生卤模式示意图例 5 1 2 冰冻生卤假说 “冰冻成卤”过程受地理环境的严格限制，在中国渤海区域，晚第四纪古环 境演变过程中，曾几度提供了这种环境条件。晚更新世气候变化剧烈，由初期的 温暖变为中期的寒冷，至晚期又有偏暖波动。至晚更新世末期，气候再度寒冷， 造成了洋面大幅度下降，这一事件对我国东海大陆架产生了深刻的影响，我国 大陆架大部份裸露水耐3 9 1 。 寒冷的冰期气候，使冬季风的强度增强，频繁的寒潮活动，使出露的陆架平 原，除了形成大面积的沙漠环境以外，由于低温的环境，在陆架的边缘还发育了 厚层的冻土分布区。由于寒潮的频繁活动，使渤海陆架比同纬度的其他地区温度 莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成因探讨 要低，在加上平坦的地形，使冻土带的分布范围，比同纬度地区更向南推移。在 冰期，海面的降低过程中，北方的永冻层在不断向南推进，甚至海水尚未推出渤 海时，永冻层已经占据着该陆架区，水深较浅的内陆架区，有可能更早被冻结起 来【4 0 】。 冰盛期海退过程中，由于原海底地形差异而形成的残留海湾和咸水湖，成为 低海面时期地下卤水生成的海水来源。海水结冰及冰水流失的是水留下的是盐 分，比重大的卤水有可能被沉降到咸水湖的下部，甚至渗漏到湖底的沉积物中， 或者水平迁移到盆地周边的松散沉积物中富集起来【3 】a 海退后留下来的海相地层，除由于风力吹扬作用而部分发生解体之外，未发 生解体的海相地层，就成为永冻层的分布区。当海相地层结冰时，首先析出的冰 体由淡水组成，蒸发作用和短暂夏季的融冰过程都使淡水被排除，经过多次重复 后，地层中的淡水成分不断消耗，使海相地层中的盐分得以保存，并不断浓缩而 成为地下卤水r 3 9 1 。 5 2 莱州湾南岸地区卤水成因的理论分析 卤水的形成时期，海水为卤水的形成提供了物质来源。在间冰期的海侵期间 气候温热，冰期的海退期间气候干冷，这种气候由湿热至干冷变化，使海水在退 去过程中，在潮间带进行的强烈的蒸发作用，使之浓缩成为高浓度海水，浓缩海 水在密度差的作用下向地下深部运移。因此，气候特点为海水浓缩形成提供了条 件。 间冰期的海侵期间，形成海积层；间冰期结束后的海退期间，陆相沉积物将 海积层覆盖，而河流搬运力在海积层地带减弱，沉积物为粉细砂和粘土。随着海 积层被覆盖，含卤层被逐渐埋藏起来，为卤水保存提供了条件。 冰期海退时，海面逐渐降低，当海面降低到一定的程度，受渤海海峡阻隔， 渤海与黄海基本失去交换能力，形成相对封闭的“渤海盐湖”，具备了有利于成 卤的地形地貌。海退时气候干冷，海水在强烈的蒸发及海水冰冻析出淡水两方面 的作用下，使之浓缩成为高浓度海水，浓缩海水在密度差的作用下向地下深部运 移，埋藏形成地下卤水。 在冰期海退时期的结冰时间和结冰厚度都要高于现代，这是形成冰冻成卤 的理论基础。在大幅度的海退过程中，海面是以数千年为单位的非等速度下降过 3 0 第五章莱州湾南岸地下卤水成因探讨 程。所以在短期内来不及后退的海区，当海面降低到一定深度以后，异常的降温可 以把整个海区冻结起来。由此看来，在冰期海退时期，在陆架平原残留咸水湖中 的海水结冰是自然的。大面积海退后的湿盐沼滩地和残留咸水湖，极有可能成为 冰冻生卤的有利场所，而且在咸水湖中形成的卤水层，会比潮滩生成的卤水层具 有更大的分布面积和厚度。海岸潮滩随海退不断推进，逐步覆盖整个滨海平原。 当冰期来临之际，海退后留下来的海相地层，除由于风力吹扬作用而部份发 生解体之外，未发生解体的海相地层，特别是含有水份的地层容易成为永冻层分 布区。自然条件下的淡水冰点是0 c ，海水含有较高的盐分，冰点降低到1 8 c 。 池塘或者说小湖泊结冰后，又挡住了冬季降雪对水体的补充。当海相地层结冰时， 首先析出的冰体是由淡水所组成，蒸发作用和短暂夏季的融冰过程都使淡水被排 出，这一简单的过程经多次重复后，地层中的淡水成分不断消耗，使海相地层的盐 分得以保存，并得到不断地浓缩而成为地下卤水。所以中国沿海地区，大面积永 冻层的存在，一方面保护了海相地层免遭破坏，另一方面还富集了地下卤水。 综上所述，莱州湾南岸地区，从理论上来讲，潮滩蒸发生卤和冰冻成卤都是 可能存在的。 5 3 莱州湾南岸地下卤水与冰冻、蒸发实验结果对比 本节将主要根据前人关于海水蒸发和冰冻试验的数据，探讨主要离子成分在 海水蒸发和冰冻过程中的变化，通过分析得出蒸发和冰冻不同成因的主要离子变 化特征，进而分析我国莱州湾南岸地区卤水的成因。将前人关于海水冰冻实验( 表 5 1 ) 和海水蒸发实验数据( 表5 - 2 ) 收集如下： 表5 - 1 海水结冰所得卤水化学组成表( 单位：l r t ) 浓缩倍数c l m g c an a s 0 4 1 o o1 8 4 00 1 2 50 0 3 61 4 1 60 2 6 0 2 8 55 2 4 00 3 5 0o 1 0 04 7 5 40 。7 4 0 3 6 56 7 2 00 4 6 00 1 2 04 7 6 40 9 1 0 4 3 l7 9 4 00 5 3 90 1 2 44 8 2 40 5 9 6 4 7 68 7 6 00 5 9 4 0 1 6 5 4 9 0 70 5 0 5 5 2 5 9 6 7 00 6 6 4 o 1 9 04 5 7 60 3 9 6 4 8 9 1 0 8 5 0 0 7 5 00 1 8 85 3 6 60 2 5 0 莱州湾南岸地下卤水水化学特征及成因探讨 6 5 5 1 2 0 5 0 0 8 1 20 1 8 55 9 1 20 1 9 0 注：数据引自文献3 表5 - 2 海水蒸发所得卤水化学组成表( 单位：r a g l ) 浓缩倍数 c l m g c an a s 0 4 o 9 52 0 3 0 0 1 2 5 03 9 l1 1 3 0 02 7 9 0 o 蛔2 0 5 0 0 1 3 0 03 9 01 1 3 0 02 8 8 0 1 12 0 8 0 0 1 4 5 04 2 81 1 5 0 02 8 9 0 1 1 72 2 7 0 01 5 4 0 4 6 61 3 2 0 03 2 1 0 1 7 53 2 9 0 02 3 0 07 5 4 1 8 9 0 04 8 8 0 2 2 64 1 7 0 02 9 5 08 2 32 2 6 0 0 5 7 6 0 2 6 84 9 7 0 03 4 8 09 6 22 7 2 0 07 2 8 0 3 1 66 1 2 0 0 4 0 8 01 2 2 03 5 5 0 08 8 5 0 3 5 36 9 0 0 04 5 3 01 5 4 03 7 8 0 01 0 l o o 4 _ 3 68 3 8 0 05 5 4 01 2 4 0 4 7 i o o1 1 2 0 0 6 0 71 1 6 0 0 07 5 9 06 4 26 3 0 0 0 1 2 4 0 0 6 9 l1 2 7 0 0 08 5 8 06 8 87 1 6 0 01 3 9 0 0 8 4 51 5 8 0 0 01 0 3 0 04 5 08 7 2 0 01 6 1 0 0 8 6 21 5 8 0 0 01 0 5 0 04 4 28 8 0 0 01 5 3 0 0 9 0 31 5 8 0 0 01