鄂尔多斯白垩系盆地水-岩作用机制分析

鄂尔多斯白垩系盆地水-岩作用机制分析

0地下水水循环特征及形成机制鄂尔多斯亚欧盆地是中国的重要能源和化工基地，在实施西部大发展战略的总体结构中发挥着重要作用。但由于受干旱半干旱气候影响,水资源短缺、生态环境脆弱已成为制约该地区能源化工基地建设的一个重要因素。受区域地形地貌、地质构造、岩相古地理等多种因素的影响,鄂尔多斯白垩系盆地地下水的水循环特征十分复杂。由于地下水的水化学和同位素信息记录着地下水的运动和水化学演化历史,可以示踪地下水的循环途径,而地下水的水化学演化主要受控于水-岩间发生的各种化学反应,因此,开展鄂尔多斯白垩系盆地水-岩作用机制的研究对于深入认识该地区水化学演化规律和地下水水循环特征具有重要意义。锶同位素是水-岩作用研究中普遍采用的示踪剂之一。Sr有4种天然存在的稳定同位素,即84Sr、86Sr、87Sr和88Sr,其中87Sr是放射成因的同位素,由87Rb经β衰变形成。Sr2+和Rb+分别与Ca2+和K+具有相近的离子半径,可通过类质同像替换类似元素进入矿物的晶格中,因此Sr与Rb分别富集在富钙和富钾的矿物中。由于锶同位素在生物学及化学等自然过程中几乎不发生任何显著分馏,其变化主要反映了物质来源变化,因此,锶同位素作为研究地下水水-岩作用及水化学演化的手段之一被广泛应用。锶同位素及其比值(87Sr/86Sr)可以指示地下水中水-岩作用强度、含水岩组的岩石类型;Sr、Ca、Mg等元素及其组合广泛用于分析地下水的循环与演化,判断地表或地下水及其水化学组分的来源,分析地下水化学组分的影响因素及水-岩作用程度等。1白垩系盆地鄂尔多斯白垩系盆地位于鄂尔多斯盆地中西部,西部以车道—阿色浪断裂为界,东部和南部均以白垩系与侏罗系接触界线为界,北部边界的西段以库布齐沙漠北段的隐伏断裂为界,东段以乌兰格尔隆起为界,下部以白垩系与侏罗系的分界面为界,南北延伸640km,东西宽200~265km,面积约为13.21×104km2。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,由厚达千余米的白垩系下统保安群陆相碎屑岩组成。根据沉积旋回和含水介质性质,白垩系含水岩组自下而上可以划分为洛河组、环河组和罗汉洞组。白垩系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,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、少量石膏和粘土矿物。依据研究区的地形、地貌以及岩相古地理分布,大致以白于山北麓鄂托克前旗—靖边县城北一线为界划分为两个地下水系统:盆地北部沙漠高原单一结构地下水系统(以下简称盆地北区)和盆地南部黄土高原多层结构地下水系统(以下简称盆地南区)。盆地地下水主要来源于大气降雨。地下水除了通过蒸发和植物的蒸腾作用排泄外,主要通过人工开采及盆地南部的马莲河、泾河,西北部的都思兔河,北部的摩林河,东部的无定河和洛河排泄。2地下水sr同位素本次研究所采用的水化学和同位素样品均采用双Packer分层取样技术采集(取样勘探孔的位置见图1)。其中,地下水Sr同位素样品18件(表1);含水介质的锶同位素样品12件(表2),采自研究区北部勘探孔。地下水Sr同位素样品采集时,先抽出井筒内的积水,然后将待取水样通过0.45μm孔径多孔滤膜过滤,用HNO3酸化至pH=2左右,样品(300~500mL)保存在事先清洗过的聚乙烯瓶中(也可用纯净水瓶)。地下水的Sr2+浓度、87Sr/86Sr、含水介质的锶质量分数和87Sr/86Sr均由核工业北京地质研究院分析测试研究中心利用ISOPROBE-T热电离质谱仪进行测试,标准误差小于0.00002(误差以2σ计)。3结果与讨论3.1地下水中钙含量的空间分布特征与水-岩石作用3.1.1不同埋深地下水b4-2、b7-2,b3-3埋深下含水层中sr2+浓度的变化根据地下水Sr2+浓度及87Sr/86Sr值的分析结果(表1),白垩系地下水中Sr2+浓度和87Sr/86Sr值在不同地区存在较大差异。白垩系地下水18个锶同位素样品,Sr2+浓度为0.10~9.16mg/L。除了摩林河地区(B1-3)与苏贝淖地区的浅层地下水(B14-9)和分水岭地区的深层地下水(B7-2)外,地下水中Sr2+浓度均大于1mg/L,总体上呈现南部偏高,中北部偏低的特点。而87Sr/86Sr值为0.709871~0.711422。白垩系地下水中87Sr/86Sr的值在西南部地下水中较高(如B4-1,B4-2,B4-3),比值大于0.711000;在中西部和北部地下水中较低(如样品B9-1,B9-2,B7-2,B1-1,B1-2,B1-3,B14-1~9),比值小于0.710700。从垂向上来看(图2),同一钻孔不同深度的含水层中Sr2+浓度和87Sr/86Sr值也存在不同程度的差异。例如在东北部苏贝淖地区的B14钻孔地下水中,Sr2+浓度分别由新生界和白垩系底部向中部逐渐增加,并在400m埋深处达到最大值5.53mg/L。而87Sr/86Sr值随深度变化的幅度较小(0.709975~0.710378),总体上可以分为两个部分:在0~236m埋深范围内,87Sr/86Sr值随埋藏深度的增加而减小,表现出与Sr2+浓度呈负相关(R2=0.9149)的分布规律;而在236m埋深以下地下水中87Sr/86Sr值的变化特征表现出与Sr2+浓度呈正相关(R2=0.8666)的分布规律。在西南部镇原县附近地下水(B4)中,87Sr/86Sr值随深度的增加而增大;而Sr2+的浓度表现出先增大后减小的变化趋势,但其浓度均较高,分别为4.75mg/L、8.55mg/L和5.70mg/L。已有研究表明,如果地壳中不同岩石或矿物的Rb/Sr比值不同或生成时代不同均具有不同的87Sr/86Sr值,因此,通过水岩(或风化)作用释放进入到水体中的锶具有不同的87Sr/86Sr值,该比值可以反映不同矿物的水-岩相互作用过程。通过对地下水中Sr2+浓度与地下水TDS的相关分析,Sr2+的浓度随TDS增加而增加,且B14钻孔地下水的TDS在400m埋深处也达到最大值,说明地下水中的Sr2+主要来源于地下水对岩石中易溶盐的溶滤作用,因此,前述不同地区地下水中Sr2+和87Sr/86Sr值的空间差异恰恰表明地下水对不同地区岩石中易溶盐的溶滤作用强度和水-岩作用机制不同。3.1.2地下水水-岩反应地下水中87Sr/86Sr值的高低取决于易溶矿物中87Sr/86Sr值的高低,易溶矿物中87Sr/86Sr值越高,地下水中87Sr/86Sr值就越高。除了碳酸盐、硫酸盐矿物含锶外,钙、钾长石类铝硅酸盐矿物中也含锶,随着矿物的水解,锶进入地下水中。但是,碳酸盐、硫酸盐矿物和铝硅酸盐矿物中的锶质量分数及其同位素组成明显不同,碳酸盐、硫酸盐风化来源锶的87Sr/86Sr值约为0.708000,铝硅酸盐风化来源锶的87Sr/86Sr值一般为0.716000~0.720000;相对于前者,后者的锶质量分数较低而同位素比值(87Sr/86Sr)较高。地下水中87Sr/86Sr的值为0.709871~0.711422(表1),正好介于碳酸盐、硫酸盐风化来源和铝硅酸盐风化来源的87Sr/86Sr值之间;同时,高87Sr/86Sr值的硅酸盐和低87Sr/86Sr值的碳酸盐、硫酸盐都是研究区内砂岩含水介质中重要的含锶矿物,说明地下水化学成分的演化既受到碳酸盐岩、硫酸盐岩溶滤作用的影响又受到硅酸盐岩溶滤作用的影响。但是,由于研究区地下水87Sr/86Sr值(表1)明显要低于含水介质全岩的87Sr/86Sr值(表2),说明研究区地下水水-岩反应以溶滤低87Sr/86Sr值的碳酸盐、硫酸盐为主。另外,在西南部的镇原县附近地下水(B4-1—3)中87Sr/86Sr值相对较高,大于0.711000,而北部地下水(B14、B7、B1)中较低,比值小于0.710700,说明西南部镇原县附近地下水水化学的演化受含水介质中87Sr/86Sr值较高的铝硅酸盐岩矿物溶滤作用的影响比北区稍大。为了进一步查明研究区地下水水-岩反应以溶滤富钙的碳酸盐岩为主还是硫酸盐岩为主,下面从Sr2+浓度与主要离子浓度的关系入手加以分析。3.2地下水化学来源通过对地下水中主要离子与Sr2+浓度的相关性分析(采用SPSS软件),除西南部镇原县附件B4孔的3个样品以外,地下水中的rSr2+与rCa2+、rSO2−442-(r指电荷的毫摩尔浓度)具有相对较好的相关性,相关系数分别为0.964和0.875(表3),说明环县附近(B9)和北部(B14、B7、B1)地下水中Sr2+与Ca2+、SO2−442-具有共同的物质来源。地下水中SO2−442-主要来源于石膏等硫酸盐矿物的溶解。在石膏中,Sr可以类质同像形式存在于石膏的晶格中,随石膏的溶解进入地下水。另外,研究区地下水rSr2+/rCa2+值相对较大而rMg2+/rCa2+值除了西南部(B4孔)地下水中较大以外,其余均较小(图3),进一步说明白垩系盆地北区地下水化学演化与石膏的溶滤作用密切相关,受含镁矿物溶滤作用的影响相对较小;而西南部地下水(B4)中较高的rSr2+/rCa2+和rMg2+/rCa2+反映了碳酸盐矿物溶解的不一致性,即白云石溶解过程中,方解石逐步沉淀使地下水中的Sr2+、Mg2+浓度增加。另外,因为研究区地下水中的石膏远未达到饱和状态(SI<0),再加上区内地下水主要为孔隙、裂隙水,水-岩作用时间相对较长,从石膏矿物中溶滤出的Sr2+也相对较多,使地下水中普遍具有较高的rSr2+/rCa2+值。3.3地下水对铝硅酸盐矿物的溶滤作用由于铝硅酸盐矿物中具有相对较高的87Sr/86Sr,而地下水中的可溶性SiO2也主要来源于铝硅酸盐矿物的溶解,因此,如果地下水87Sr/86Sr值与可溶性SiO2含量相关性较好,则说明地下水对铝硅酸盐矿物的溶滤作用相对较强。采用SPSS软件计算所得地下水87Sr/86Sr值与可溶性SiO2含量的相关性结果表明:白于山以南地下水(B4、B9)87Sr/86Sr值与可溶性SiO2含量的相关性较强,相关系数为0.960,而白于山以北地下水中二者相关系数仅为0.200,这说明白于山以南地下水对铝硅酸盐矿物的溶滤作用明显强于北区。为验证上述锶同位素对水-岩作用示踪的分析结论,下面分别在南北两区各选择一条水流路径,对水流路径上的水-岩反应进行定量模拟。3.4正常水流路径中的反向水文地球化学模拟3.4.1模拟路径的选择本次研究在北区选择处于同一水流路径上且水化学和同位素资料丰富的B7-2—B2-2作为模拟路径,在南区选择254—258作为模拟路径(图4)。模拟路径起止点的水化学资料见表4。3.4.2蒸发浓缩作用下的化学元素及制约因素选择根据矿物学资料和对岩石样品的薄片分析、X衍射分析以及对白垩系盆地地下水水-岩作用的定性分析,把斜长石、白云石、方解石、钾长石、伊利石、石膏、NaCl和阳离子交换作为进行反向水文地球化学模拟的“矿物相”。已有研究成果表明,研究区地下水的极限蒸发深度为2.15m,而本次进行反应路径模拟所用的水化学和同位素样品的采集深度远大于2.15m,因此不考虑蒸发浓缩作用影响。约束变量是质量平衡反应模型中考虑的化学元素。根据研究区水化学及同位素测定结果,同时考虑到Cl-除了来源于NaCl的溶解以外,可能还有其它不能确定的矿物来源,因此,最终选择了K、Na、Ca、Mg、C、S共6种元素作为约束变量。根据碳酸盐岩样品δ13C的测试结果,北区方解石和白云石的δ13C值为-2.42‰,南区为-1.87‰,14C活度为0pmC。3.4.3模拟结果及分析北区水流路径:利用NETPATH软件,通过质量平衡反应模型与87Sr/86Sr同位素质量传输模型的耦合,得到两个反应模型。从模拟结果来看,模拟水流路径上的反应模式可概况为B7-2水样+石膏+钾长石+NaCl(或斜长石)+Ca-Na离子交换量→B2-2水样+方解石+白云石。也就是说,在模拟水流路径上主要发生了方解石、白云石的沉淀反应,石膏、钾长石的溶解反应,Ca-Na阳离子的交换反应以及NaCl或斜长石的溶解反应。其中,石膏矿物的溶解作用较强,而铝硅酸盐矿物的溶解作用相对较弱。各矿物的溶解或沉淀量见表5(模型A)。南区水流路径:鉴于缺少水样254和258的87Sr/86Sr测试结果,将质量平衡模型与δ13C同位素质量传输模型进行耦合,得到南区水流路径254-258的模拟结果:在水流路径254-258上主要发生了碳酸盐矿物溶解的不一致性,即白云石溶解而方解石发生沉淀;水流路径上岩盐和铝硅酸盐矿物(钾长石)的溶解作用较强而石膏的溶解作用较弱。各种矿物的溶解或沉淀量见表5(模型B)。4典型水流路径上岩石溶解(1)地下水锶同位素及其比值指示研究区主要发生了石膏、少量碳酸盐矿物及铝硅酸盐矿物的溶解反应,北区地下水对硫酸盐矿物的溶滤作用强于南区,而南区地下水对铝硅酸盐矿物的溶滤作用强于北区;同时,南区碳酸盐矿物发生了溶解的不一致性,即白云石发生溶解反应而方解石发生沉淀反应。(2)在北区典型水流路径上石膏矿物发生了较强的溶解作用,溶解量为4.7