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鄂尔多斯白垩系盆地地下水水化学演化的同位素示踪研究

吴春勇  
【摘要】:鄂尔多斯白垩系盆地蕴藏的丰富地下水资源是区内社会经济发展和人民生活所依赖的重要水源,为能源勘探与开发作出了巨大贡献。作为水循环的重要环节,白垩系含水层地下水在其漫长的循环过程中,与环境介质进行着极其复杂的物质、能量和信息交换,发生了各种物理、化学和生物作用,导致其水化学演化在时间和空间上均不断地发生变化。开展鄂尔多斯白垩系盆地地下水水化学演化的深入研究有利于正确判断地下水水质状况,明确地下水的利用价值,揭示地下水循环规律和保护生态环境。 本文结合盆地地质和水文地质条件,综合运用因子分析法、水化学分析法和环境同位素示踪技术,分析影响研究区地下水水化学演化规律的主要因素,分析地下水溶解硫酸盐和锶离子的主要来源,揭示影响地下水溶解无机碳、硫酸盐和锶同位素演化的主要水文地球化学作用,从而分析地下水水化学演化规律,取得了以下主要研究成果: 一、在整理总结研究区地下水水化学分布特征的基础上,以因子分析为研究手段,对影响研究区地下水水化学特征变化的水文地球化学作用进行了研究。 研究区地下水中主要发生了硫酸盐矿物溶解作用、碳酸盐矿物溶解作用、硅酸盐矿物溶解作用和阳离子交换作用等水文地球化学作用。大气降水稀释作用对浅埋或裸露的含水岩组的地下水水化学特征产生了影响。 二、总结归纳了地下水溶解无机碳的主要演化路径,结合含水介质碳同位素特征,利用计算的地下水DIC浓度及其实测δ13CDIC值、pH值,定量的分析并确定研究区各含水层地下水溶解无机碳的演化路径。 研究区地表植被覆盖区主要为C3植被覆盖区、C3和C4植被混生区。相对盆地南区,盆地北区地下水开启性较好,大部分地下水处于开放系统中。地下水溶解无机碳演化路径主要为阳离子交替吸附演化、石膏溶解演化和封闭系统条件下方解石溶解演化,开放系统条件下的土壤CO2演化主要发生在北区环河组地下水中,白云石异元溶解演化则主要发生在盆地南区洛河组地下水中。 三、利用鄂尔多斯白垩系盆地含水介质和地下水的硫、氧同位素特征,分析含水层地下水中溶解硫酸盐的主要来源,揭示影响地下水硫酸盐演化的生物和非生物地球化学作用。 研究区地下水溶解SO42-主要来源于大气降水、内生和表生硫酸盐矿物溶解。除蒸发浓缩作用可导致地下水SO42-浓度富集外,控制区内地下水硫酸盐演化的主要地球化学作用包括硫酸盐矿物溶解作用和微生物硫酸盐还原作用,二者对各含水岩组地下水硫酸盐演化的影响程度存在差异,硫酸盐矿物溶解作用广泛存在,对硫酸盐的演化影响较大,微生物硫酸盐还原作用仅在北区东部和南区西部洛河组地下水中发生,富集系数ε值分别为-11.5‰和-17.4‰。 四、利用鄂尔多斯白垩系盆地含水介质和地下水锶同位素特征,分析了含水层地下水中锶的主要来源,揭示影响地下水锶同位素演化的水-岩相互作用。 研究区地下水锶主要来源于碳酸盐矿物、硫酸盐矿物和硅酸盐矿物的溶解,硅酸盐矿物中斜长石的贡献要比钾长石明显。蒸发浓缩作用和水-岩相互作用对盆地地下水化学演化具有一定影响。控制区内地下水化学演化的主要化学作用不仅包括之前揭示的碳酸盐矿物和硫酸盐矿物溶解作用,硅酸盐矿物的溶解作用对白垩系地下水化学演化也具有一定影响,其中斜长石溶解作用较为明显。


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