曹妃甸地区地下水水化学形成作用分析

第 34 卷 第 3 期 地 质 调 查 与 研 究 Vol.34 No.3
2011 年 09 月 GEOLOGICAL SURVEY AND RESEARCH Sep. 2011
曹 妃 甸 地 区 地 下 水 水 化 学 形 成 作 用 分 析
柳 富 田 , 方 成 , 秦 雅 飞 , 刘 宏 伟 , 胡 云 壮
( 天 津 地 质 调 查 中 心 天 津 300170)
摘 要 : 在 开 展 曹 妃 甸 地 区 环 境 地 质 调 查 评 价 过 程 中 , 利 用 水 化 学 组 分 及 离 子 组 合 方 法 对 曹 妃 甸 地 区 水 化 学 样 品 进
行 分 析 , 结 合 曹 妃 甸 地 区 水 文 地 质 条 件 , 开 展 了 地 下 水 水 化 学 形 成 作 用 研 究 , 认 为 该 区 浅 层 地 下 水 以 溶 滤 地 层 中 的
岩 盐 、 碳 酸 盐 矿 物 和 硅 酸 盐 矿 物 为 主 , 方 解 石 、 石 膏 等 贫 镁 矿 物 的 影 响 较 小 , 同 时 , 强 烈 的 蒸 发 浓 缩 作 用 对 浅 层 水 水
化 学 特 征 具 有 重 要 影 响 。 深 层 水 以 溶 滤 地 层 中 的 硅 铝 酸 盐 、 苏 打 土 、 岩 盐 等 为 主 。 此 外 , 在 水 流 路 径 上 还 发 生 了 混
合 作 用 和 阳 离 子 交 替 吸 附 作 用 。 河 水 以 蒸 发 浓 缩 作 用 为 主 要 水 化 学 形 成 作 用 , 同 时 还 溶 滤 流 经 河 床 中 的 岩 盐 、 硅 铝
酸 盐 和 硫 酸 盐 。
关 键 词 : 地 下 水 ; 水 化 学 形 成 作 用 ; 曹 妃 甸 地 区
中 图 分 类 号 :P614.3 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-4135(2011)03-0220-08
曹 妃 甸 地 区 位 于 渤 海 湾 北 岸 , 唐 山 南 部 , 属 暖 温
带 半 湿 润 滨 海 大 陆 性 季 风 气 候 。 在 曹 妃 甸 岛 附 近 有
优 良 的 海 洋 深 槽 , 现 已 成 为 大 型 深 水 港 口 建 设 和 临
港 产 业 发 展 的 新 开 发 区 。 曹 妃 甸 在 唐 山 市 南 80 km,
距 北 京 220 km, 离 天 津 120 km, 交 通 十 分 便 利 。
根 据 唐 山 市 曹 妃 甸 新 区 总 体 规 划 (2008-2020
年 ), 将 在 2020 年 建 成 能 够 容 纳 200 万 人 的 国 际 生 态
城 和 曹 妃 甸 工 业 区 以 及 相 应 的 配 套 设 施 。 尽 管 在 目
前 开 发 状 况 下 , 水 资 源 可 以 满 足 工 程 建 设 与 工 业 发
展 的 需 要 , 但 在 2020 年 曹 妃 甸 新 区 开 发 建 设 完 成 后 ,
将 面 临 缺 水 6.2~7.0 亿 m 3 、 缺 水 率 达 58%~66% 的 困
[1]
境 。 因 此 在 曹 妃 甸 地 区 大 规 模 开 发 建 设 的 背 景 下 ,
对 地 下 水 资 源 进 行 调 查 分 析 , 寻 找 可 供 利 用 的 淡 水
资 源 已 成 为 解 决 曹 妃 甸 困 境 的 重 要 途 径 。
在 地 下 水 资 源 开 发 利 用 过 程 中 , 需 要 面 对 地 下
水 质 量 现 状 及 开 发 利 用 中 水 质 的 变 换 情 况 。 本 文 针
对 曹 妃 甸 地 区 地 下 水 化 学 形 成 作 用 进 行 研 究 , 以 期
对 地 下 水 开 发 利 用 及 保 护 措 施 的 制 定 提 供 依 据 。
1 水 文 地 质 条 件
根 据 研 究 区 第 四 系 沉 积 特 征 , 自 上 而 下 可 以 将 第
[2,3]
四 系 含 水 层 划 分 为 四 个 含 水 层 组 。 第 一 含 水 层 组
(Ⅰ) 以 粉 土 、 粉 砂 、 细 沙 为 主 , 粒 度 粗 、 厚 度 大 、 垂 向 连
续 性 强 , 属 单 、 双 层 含 水 结 构 , 透 水 性 好 , 底 界 面 埋 深
10~20 m。 第 二 含 水 层 组 (Ⅱ), 在 山 前 平 原 地 区 呈 扇
形 分 布 , 由 2~3 套 中 细 砂 - 中 粗 砂 - 砾 石 、 卵 石 ( 或
含 砾 粗 砂 ) 组 成 , 透 水 性 与 富 水 性 均 强 ; 在 滨 海 平 原
地 区 , 含 水 层 以 薄 层 细 砂 、 粉 砂 为 主 , 含 水 层 之 间 多
为 粘 土 , 透 水 性 与 富 水 性 均 弱 , 补 给 条 件 很 差 , 地 下
径 流 缓 慢 ; 底 界 面 埋 深 120~170 m。 第 三 含 水 层 组
(Ⅲ), 在 山 前 地 带 以 中 粗 砂 、 砾 石 、 卵 石 为 主 , 呈 扇 状
展 布 , 并 联 成 扇 裙 ; 在 滨 海 平 原 地 区 , 含 水 层 以 细 砂 、
粉 砂 为 主 , 富 水 性 、 渗 透 性 及 补 给 条 件 较 差 ; 底 界 面
埋 深 250~350 m。 第 四 含 水 层 组 (Ⅳ), 在 山 前 地 带 由
3~4 套 中 细 砂 - 含 砾 中 粗 砂 岩 性 韵 律 构 成 , 含 水 层
不 甚 发 育 且 有 不 同 程 度 的 风 化 与 胶 结 , 渗 透 性 与 富
水 性 较 第 三 含 水 层 组 明 显 减 弱 ; 在 滨 海 平 原 地 区 , 含
水 层 以 中 细 砂 、 细 砂 为 主 , 系 由 厚 层 粘 土 、 粉 质 粘 土 与
含 水 交 替 沉 积 , 风 化 与 胶 结 程 度 较 高 , 透 水 性 与 富 水
性 均 较 弱 , 故 侧 向 径 流 微 弱 ; 底 界 面 埋 深 350~550 m。
[2、3]
根 据 前 人 研 究 资 料 , 在 垂 向 上 , 各 含 水 层 组 间 均 有
大 于 5 m 的 粉 质 粘 土 、 粉 土 或 粘 土 相 阻 隔 , 各 含 水 层
组 间 未 发 现 明 显 的 水 力 联 系 。 但 在 部 分 地 区 的 Ⅰ+
Ⅱ 含 水 层 组 及 Ⅲ 1 亚 组 间 广 泛 开 采 地 下 水 , 且 多 采 用
通 天 滤 水 管 , 早 已 人 为 沟 通 不 同 含 水 层 组 , 产 生 不 同
程 度 的 水 力 联 系 。
按 照 主 要 开 采 层 位 和 地 下 水 开 发 利 用 方 式 , 又
可 将 地 下 水 划 分 为 浅 层 地 下 水 系 统 和 深 层 地 下 水 系
统 。 其 中 , 浅 层 地 下 水 系 统 与 第 一 和 第 二 含 水 层 组
相 对 应 , 为 潜 水 、 微 承 压 水 ; 深 层 地 下 水 系 统 与 第 三
收 稿 日 期 :2011-05-10
基 金 项 目 : 中 国 国 土 资 源 大 调 查 项 目 : 河 北 曹 妃 甸 滨 海 地 区 海 岸 带 环 境 地 质 调 查 评 价 (1212010814005)
作 者 简 介 : 柳 富 田 (1980- ), 男 , 山 东 青 岛 人 , 博 士 , 主 要 从 事 同 位 素 水 文 地 球 化 学 研 究 ,Email:Liufutian80@gmail.com。

第 3 期 柳 富 田 等 : 曹 妃 甸 地 区 地 下 水 水 化 学 形 成 作 用 分 析 221
图 1 曹 妃 甸 地 区 水 文 地 质 剖 面 图
Fig.1 Hydrogeological profile in the Caofeidian area
和 第 四 含 水 层 组 相 对 应 , 为 承 压 水 。
浅 层 地 下 水 主 要 接 受 大 气 降 水 、 地 表 水 体 、 灌 溉
回 归 水 的 入 渗 补 给 , 以 蒸 发 蒸 腾 、 人 工 开 采 和 越 流 为
主 要 排 泄 方 式 。 受 地 貌 和 循 环 条 件 的 影 响 , 浅 层 地
下 水 呈 现 出 由 北 向 南 及 由 东 北 向 南 水 平 水 化 学 分 带
规 律 。 北 部 淡 水 分 布 区 水 化 学 类 型 一 般 由 北 向 南 自
HCO 3-Ca 型 、HCO 3-Ca·Mg 型 , 到 咸 淡 水 界 线 附 近 过 渡 为
HCO 3-Ca·Na 型 、HCO 3-Na·Ca 型 , 至 沿 海 地 带 水 化 学 类
型 逐 渐 过 渡 为 Cl-Na 型 。
深 层 地 下 水 主 要 接 受 大 气 降 水 、 侧 向 径 流 、 越 流
补 给 , 以 人 工 开 采 和 侧 向 径 流 排 泄 为 主 。 区 内 自 北
向 南 , 随 着 含 水 层 颗 粒 变 细 , 矿 化 度 成 规 律 性 上 升 趋
势 , 由 于 含 水 介 质 含 盐 量 较 低 , 因 此 深 层 地 下 水 多 为
矿 化 度 小 于 2 g/L 的 淡 水 , 多 分 布 在 0.2~1.0 g/L 之
间 , 山 前 往 南 水 化 学 类 型 为 HCO 3-Ca·Mg、HCO 3-Ca·Na,
到 滨 海 地 区 变 为 HCO 3-Na·Ca、HCO 3-Na 型 。
2 样 品 采 集 与 测 试
沿 地 下 水 流 向 , 选 择 双 龙 河 南 北 一 线 附 近 的 一
定 数 量 的 采 样 点 , 以 便 查 明 该 区 地 下 水 中 化 学 组 分
来 源 。 样 品 点 包 括 4 条 河 水 、9 个 潜 水 和 21 个 深 层 水
( 图 2)。 多 数 样 品 采 集 时 间 为 2010 年 6~9 月 , 少 数
数 据 取 自 2009 年 7~9 月 。
样 品 采 集 过 程 基 本 按 照 相 应 规 范 要 求 , 在 部 分
取 样 条 件 较 差 的 地 区 , 尽 量 延 长 抽 水 时 间 , 以 便 采 集
图 2 取 样 点 位 置 分 布 图
Fig.2 Locations of the sample points

222 地 质 调 查 与 研 究 第 34 卷
表 1 曹 妃 甸 地 区 样 品 测 试 结 果 ( 单 位 :mg·L -1 )
Table 1 Chemical compositions of the samples in Caofeidian area (mg·L -1 )
样 品 编 号
含 水 岩 组
井 深 /m
PH
TDS
K
Na
Ca
Mg
Cl
SO 4
HCO 3
PST-01
海 水
7.16
34978.4
296.4
11229.0
379.6
1161
19320.2
2423.0
167.8
CFST-12
河 水
7.63
691.1
3.0
82.7
68.8
36.0
70.9
307.0
119.0
CFST-04
河 水
7.67
1214.1
26.7
243.2
33.8
58.9
283.6
208.2
353.9
PST-13
河 水
8.02
1841.3
27.2
388.6
47.8
100.3
542.4
228.3
503.4
PST-05
河 水
7.94
2965.6
31.7
797.4
53.9
111.2
1364.8
269.3
335.6
CFST-14
浅 层 水
60-70
7.37
580.9
0.7
31.6
87.9
25.2
42.5
160.4
216.6
P4
浅 层 水
30-40
7.92
350.2
1.3
10.6
49.7
16.4
12.4
31.0
213.6
CFST-13
浅 层 水
30
7.51
321.3
0.4
31.5
31.6
13.3
30.1
26.2
170.9
CFST-11
浅 层 水
40
7.72
481.2
0.5
53.1
46.4
21.2
19.5
87.7
238.0
CFST-05
浅 层 水
70
7.60
836.9
0.8
103.2
87.0
29.5
120.5
96.3
384.4
CFST-15
浅 层 水
11
7.58
3414.1
25.3
667.6
56.0
176.9
771.0
129.4
1549.9
CFST-17
深 层 水
200
7.63
673.0
0.6
24.4
84.7
44.5
37.2
83.0
302.0
CFST-16
深 层 水
130
7.4
328.8
0.7
27.9
44.4
9.1
28.4
32.5
167.8
CFST-131
深 层 水
220
7.51
275.2
0.8
30.0
29.3
7.2
1.8
34.8
149.5
CFST-06
深 层 水
200
7.91
416.6
1.0
40.9
40.3
15.4
1.8
41.6
256.3
CFST-051
深 层 水
280
7.57
424.4
0.5
45.4
44.5
11.3
8.9
37.4
259.3
PST-12
深 层 水
200
7.69
467.9
0.6
59.1
51.7
9.5
39.0
49.0
244.1
PST-04
深 层 水
约 200
7.60
445.7
0.5
87.1
28.7
4.2
33.7
37.4
241.0
CF5LS090702-02
深 层 水
约 200
8.01
485.3
0.5
118.3
10.8
2.5
24.8
10.1
305.1
CF5LS090703-03
深 层 水
约 200
7.86
578.1
0.7
143.6
10.4
4.8
30.1
2.1
372.2
CF5LS090703-04
深 层 水
约 200
8.58
661.1
0.7
167.2
8.6
5.2
30.1
2.0
421.0
PST-03
深 层 水
300
7.90
760.9
0.7
194.6
7.0
4.1
31.9
1.9
506.5
PST-02
深 层 水
200
8.31
897.2
0.9
229.9
7.8
6.1
46.1
3.8
588.8
新 鲜 水 样 。 所 有 样 品 均 由 天 津 地 质 矿 产 测 试 中 心 按
照 测 试 规 范 要 求 完 成 。 测 试 数 据 见 表 1, 以 下 分 析 均
基 于 该 表 格 进 行 。
3 溶 滤 作 用
3.1 矿 物 饱 和 指 数 (SI)
在 地 壳 中 含 量 较 高 , 且 较 易 溶 于 水 , 或 是 地 壳 中
含 量 虽 不 大 , 但 极 易 溶 于 水 的 矿 物 是 地 下 水 中 化 学
[4]
组 分 的 重 要 来 源 。 在 曹 妃 甸 地 区 地 层 中 , 常 见 矿 物
为 石 英 、 长 石 等 硅 铝 酸 盐 与 粘 土 矿 物 。 其 中 粘 土 矿
物 中 以 伊 利 石 、 蒙 脱 石 等 为 主 , 局 部 地 段 含 少 量 方 解
石 、 白 云 石 、 石 膏 等 矿 物 , 这 些 矿 物 的 存 在 对 地 下 水
化 学 组 分 具 有 较 大 影 响 。 在 浅 部 地 层 , 岩 盐 等 蒸 发
岩 的 存 在 对 地 下 水 化 学 组 分 具 有 重 要 的 控 制 意 义 ,
尤 其 是 南 部 咸 水 分 布 区 。 依 据 所 取 水 化 学 样 品 测 试
结 果 , 计 算 得 出 方 解 石 、 白 云 石 、 石 膏 、 岩 盐 等 矿 物 的
饱 和 指 数 , 可 以 说 明 各 矿 物 对 地 下 水 水 质 的 影 响 过
程 和 程 度 。
从 表 2 可 以 看 出 河 水 中 仅 方 解 石 处 于 过 饱 和 状
态 , 白 云 石 、 石 膏 、 岩 盐 等 均 未 达 到 饱 和 , 表 明 其 还 有
一 定 的 溶 解 能 力 。
浅 层 水 与 深 层 水 中 矿 物 的 石 膏 饱 和 指 数 多 为 负
值 , 而 方 解 石 和 白 云 石 矿 物 的 饱 和 指 数 多 为 正 值 。
由 于 该 区 自 北 向 南 , 浅 层 水 中 SO 4
2-
含 量 总 体 呈 增 加 趋
-
势 ;HCO 3 变 化 趋 势 并 不 明 显 ;Cl - 总 体 为 增 加 趋 势 , 但
中 间 存 在 较 大 波 动 ; 阴 离 子 的 这 种 分 布 特 征 ( 图 3) 表
明 硫 酸 盐 和 岩 盐 溶 解 对 浅 层 水 水 质 有 较 大 影 响 , 在
此 过 程 中 发 生 的 碳 酸 盐 溶 解 沉 淀 反 应 使 得 HCO 3
-
变 化
出 现 波 动 。 深 层 水 Cl - 含 量 少 , 变 化 不 大 且 相 对 较 为
2-
-
稳 定 ,SO 4 总 体 呈 现 由 北 向 南 减 少 的 趋 势 ,HCO 3 则 不
断 增 加 , 这 种 分 布 特 征 ( 图 4) 表 明 岩 盐 与 硫 酸 盐 对 深
层 水 水 质 影 响 较 小 , 而 碳 酸 盐 的 影 响 相 对 较 大 。
地 下 水 对 方 解 石 、 白 云 石 、 石 膏 和 岩 盐 溶 滤 作 用
化 学 反 应 方 程 式 为 :
CaCO 3( 碳 酸 钙 )+H 2O+CO 2→Ca 2+ +2HCO 3
-
CaMg(CO 3) 2( 白 云 石 )+2H 2O+2CO 2→Ca 2+ +Mg 2+ +4HCO 3
-

第 3 期 柳 富 田 等 : 曹 妃 甸 地 区 地 下 水 水 化 学 形 成 作 用 分 析 223
表 2 双 龙 河 剖 面 河 水 与 地 下 水 样 品 矿 物 饱 和 指 数 统 计 表
Table 2 Statistics of mineral saturation index of the groundwater and river water around Shuanglonghe river
矿 物 类 别
SI (Calcite)
SI (Dolomite)
SI (Gypsum)
SI (Halite)
最 大 值
3.23
-1.28
-4.64
-0.16
河 水
最 小 值
2.12
-1.85
-6.85
-0.60
平 均 值
2.56
-1.64
-5.65
-0.35
最 大 值
1.40
-1.36
-4.94
0.92
浅 层 水
最 小 值
-0.61
-3.18
-8.45
0.40
平 均 值
0.29
-2.01
-7.10
0.57
最 大 值
1.12
-1.70
-6.46
0.68
深 层 水
最 小 值
-1.43
-4.41
-8.80
0.34
平 均 值
-0.01
-2.88
-7.21
0.45
图 3 浅 层 水 阴 离 子 变 化 图
Fig.3 Anion change in the shallow water
CaSO 4·2H 2O( 石 膏 )→Ca 2+ 2-
+SO 4 +2H 2O
NaCl( 岩 盐 )→Na + +Cl -
3.2 吉 布 斯 图
区 内 地 表 水 与 地 下 水 的 吉 布 斯 图 (Gibbs)( 图 5) 可
[5、6]
以 反 映 出 不 同 水 体 具 有 明 显 的 水 - 岩 作 用 差 异 。 海
水 均 位 于 图 的 右 上 方 , 为 明 显 的 蒸 发 作 用 影 响 。
河 水 分 布 于 蒸 发 区 与 岩 石 风 化 影 响 区 之 间 , 反
映 了 蒸 发 浓 缩 作 用 和 岩 土 风 化 - 溶 滤 作 用 是 控 制 河
水 化 学 特 征 的 主 要 作 用 , 且 蒸 发 浓 缩 作 用 的 影 响 程
度 更 大 。
浅 层 水 分 布 于 岩 土 风 化 - 溶 滤 作 用 区 与 蒸 发 作
用 影 响 区 之 间 , 更 加 靠 近 岩 土 风 化 - 溶 滤 作 用 区 , 其
主 要 的 水 化 学 形 成 作 用 为 风 化 - 溶 滤 作 用 , 在 此 过
程 中 受 到 较 强 的 蒸 发 浓 缩 作 用 的 影 响 。
深 层 水 点 在 两 图 中 的 分 布 具 有 较 大 差 异 。 在 γ
Na/γ(Na+Ca)-TDS 图 上 ( 图 5a), 深 层 水 点 多 分 布 于
蒸 发 浓 缩 作 用 和 降 水 作 用 影 响 区 之 间 , 反 映 其 受 到
两 种 作 用 影 响 ; 部 分 点 位 于 岩 土 风 化 - 溶 滤 作 用 区 ,
表 明 溶 滤 作 用 对 深 层 水 化 学 组 分 具 有 较 大 影 响 。 在
γCl/γ(Cl+HCO 3)-TDS 图 上 ( 图 5b), 深 层 水 点 分 布
图 4 深 层 水 阴 离 子 变 化 图
Fig.4 Anion change in the deep water
于 岩 土 风 化 - 溶 滤 作 用 区 , 反 映 溶 滤 作 用 是 主 要 的
水 化 学 形 成 作 用 。 深 层 水 在 Gibbs 图 上 的 分 布 特 征
还 表 明 其 可 能 受 到 苏 打 土 ( 易 溶 盐 以 NaHCO 3 为 主 )
溶 滤 的 影 响 。
综 合 两 图 分 布 特 征 , 海 水 和 河 水 主 要 受 到 溶 滤
作 用 和 蒸 发 浓 缩 作 用 的 控 制 ; 浅 层 水 的 主 要 水 化 学
形 成 作 用 是 溶 滤 作 用 和 蒸 发 浓 缩 作 用 , 其 中 溶 滤 作
用 影 响 更 大 ; 深 层 水 的 主 要 水 化 学 形 成 作 用 是 溶 滤
作 用 , 受 降 水 及 山 前 径 流 等 低 矿 化 水 的 影 响 较 大 。
3.3 水 化 学 组 分 含 量 比 值
3.3.1 r(Ca 2+ +Mg 2+ 2-
)-r(HCO 3- +SO 4 ) 散 点 图
从 图 6 可 看 出 , 双 龙 河 剖 面 河 水 与 浅 层 水 的
r(Ca 2+ +Mg 2+ 2-
)/r(HCO 3- +SO 4 ) 接 近 于 1, 表 明 碳 酸 盐 矿
物 和 硅 酸 盐 矿 物 的 溶 解 是 该 区 河 水 和 潜 水 化 学 形 成
的 主 要 作 用 ; 多 数 深 层 水 的 r(Ca 2 + +Mg 2 + ) /r(HCO 3- +
2-
SO 4 ) 远 小 于 1, 表 明 该 区 主 要 发 生 硅 酸 盐 或 硫 酸 盐 矿
[7、8]
物 的 溶 解 。
3.3.2 γNa/γCa-γMg/γCa 散 点 图
从 图 7 可 以 看 出 , 河 水 和 少 数 深 层 水 样 品 中 的
rMg/ rCa 大 于 1, 说 明 白 云 石 溶 解 对 河 流 与 局 部 地 区

224 地 质 调 查 与 研 究 第 34 卷
a
b
γ Na / γ (Na+Ca)
γ Na / γ (Na+Ca)
图 5 不 同 水 体 的 吉 布 斯 图
Fig.5 Gibbs figures of the different waters
γ (HCO3+SO +SO4) / meq·L -1
γ Mg / γ Ca
TDS / mg·L -1
TDS / mg·L -1
γ (Ca+Mg) / meq·L -1
图 6 γ(Ca+Mg)-γ(HCO 3+SO 4) 散 点 图
Fig.6 Scatters of γ(Ca+Mg)-γ(HCO 3+SO 4)
深 层 地 下 水 具 有 较 大 的 影 响 。
浅 层 水 与 大 多 数 深 层 水 中 的 rMg /rCa 小 于 1
( 多 数 低 于 0.8), 可 能 表 明 水 化 学 组 分 主 要 受 方 解
石 和 石 膏 等 贫 镁 矿 物 影 响 。 在 自 北 向 南 的 区 域 地 下
水 流 向 上 , 深 层 水 Ca 2+
含 量 总 体 呈 降 低 趋 势 ,Mg 2+ 含
量 基 本 不 变 ,Na + 呈 增 长 趋 势 , 方 解 石 和 白 云 石 等 矿
物 在 地 层 中 的 含 量 总 体 较 少 , 因 此 , 方 解 石 和 石 膏 等
贫 镁 矿 物 对 深 层 水 化 学 组 分 的 影 响 程 度 应 该 不 大 或
在 水 流 路 径 上 发 生 阳 离 子 吸 附 交 替 反 应 导 致 Ca 2+ 含
量 减 少 。
3.3.3 γ(Na+K)-γCl 散 点 图
γ Na / γ Ca
图 7 γNa/γCa-γMg/γCa 散 点 图
Fig.7 Scatters of γNa/γCa-γMg/γCa
γ(Na+K)-γCl 的 相 互 关 系 可 以 反 映 出 离 子 是
否 存 在 硅 酸 盐 矿 物 溶 解 来 源
[9]
。 由 γ(Na+K) 和 γCl
的 关 系 图 ( 图 8) 可 以 看 出 , 河 水 与 多 数 浅 层 水 的 Na + +
K +
与 Cl -
含 量 基 本 相 同 , 表 明 水 中 的 K +
和 Na + 主 要 来 源
于 岩 盐 的 溶 解 , 并 在 受 到 蒸 发 浓 缩 作 用 后 使 浓 度 增
大 。 深 层 水 中 Na + +K +
远 远 大 于 Cl - , 说 明 深 层 水 中 的 K +
和 Na + 离 子 除 部 分 来 源 于 岩 盐 的 溶 解 以 外 , 普 遍 受 到
硅 酸 盐 矿 物 溶 解 的 影 响 。
应 为 :
本 区 地 层 中 常 见 硅 酸 盐 矿 物 为 钾 长 石 , 溶 解 反
K 2Al 2Si 6O 16( 钾 长 石 )+2H 2O+CO 2→

第 3 期 柳 富 田 等 : 曹 妃 甸 地 区 地 下 水 水 化 学 形 成 作 用 分 析 225
K 2CO 3+H 2Al 2Si 2O 8+H 2O+4SiO 2
3.3.4 γ(SO 4+Cl)-γHCO 3 散 点 图
从 γ(SO 4+Cl) 与 γHCO 3 的 关 系 图 ( 图 9) 上 可 以
发 现 , 河 水 和 浅 层 水 位 于 1/1 线 以 下 ,γ(SO 4+Cl) 远
高 于 γHCO 3, 表 明 河 水 和 浅 层 潜 水 的 水 化 学 组 分 主 要
来 源 于 蒸 发 盐 岩 溶 解 。 深 部 深 层 水 水 样 点 则 多 位 于
1/1 线 的 上 方 , 反 映 深 层 水 的 水 化 学 组 分 主 要 起 源 于
碳 酸 盐 的 溶 解 , 如 NaHCO 3。
3.3.5 γ(Na+Ca)-r HCO 3 散 点 图
Na +
-
和 HCO 3 是 该 区 深 层 水 中 的 优 势 离 子 , 其 次 为
Ca 2+ 和 Cl - 。 从 深 层 水 的 γ(Na+Ca)-r HCO 3 关 系 图
( 图 10) 中 可 看 出 , 多 数 样 品 位 于 1/1 平 衡 线 附 近 , 且
Na + +Ca 2+ 含 量 稍 大 于 HCO 3- , 可 能 表 明 NaHCO 3 是 深 层 深
层 水 中 化 学 组 分 的 主 要 来 源 , 其 次 为 盐 岩 等 其 他 矿
物 的 溶 解 。 河 水 和 浅 层 水 则 多 分 布 与 1/1 平 衡 线 上
-
方 ,HCO 3 多 于 Na + +Ca 2+ 含 量 , 可 能 说 明 河 水 与 浅 层 水 中
有 其 他 来 源 的 HCO 3- , 如 大 气 中 CO 2 进 入 水 中 以 及 白 云
石 溶 解 。
4 阳 离 子 交 替 吸 附 作 用
阳 离 子 交 换 反 应 主 要 包 括 以 下 典 型 反 应 方 式 :
Ca 2+ ( 水 )+HCO 3- +Na + ( 岩 )→
Na + ( 水 )+HCO 3- +Ca 2+ ( 岩 )
Ca 2+ ( 水 )+Na + ( 水 )+HCO 3- +Na + ( 岩 )→
Na + ( 水 )+HCO 3- +Ca 2+ ( 岩 )
Mg 2+ ( 水 )+HCO 3- +Na + ( 岩 )→
Na + ( 水 )+HCO 3- +Mg 2+ ( 岩 )
Mg 2+ ( 水 )+Na + ( 水 )+HCO 3- +Na + ( 岩 )→
Na + ( 水 )+HCO 3- +Mg 2+ ( 岩 )
在 双 龙 河 剖 面 上 , 河 水 、 浅 层 水 与 深 层 水 的 钠 吸
附 比 (SAR) 总 体 沿 地 下 水 流 向 不 断 变 大 ( 图 11), 说 明
阳 离 子 吸 附 交 替 能 力 也 逐 渐 增 强 。 在 剖 面 上 的 Ca 含
量 不 断 减 少 ,Mg 含 量 基 本 不 变 ,Na 含 量 不 断 增 加 的 现
象 ( 图 12) 也 表 明 发 生 阳 离 子 吸 附 交 替 作 用 。 在 此 过
γ Cl / meq·L -1
γ HCO3 / meq·L -1
γ (Na+K) / meq·L -1
图 8 γ(Na+K)-γCl 散 点 图
Fig.8 Scatters of γ(Na+K)-γCl
γ (SO4+Cl) / meq·L -1
图 9 γ(SO 4+Cl)-γHCO 3 散 点 图
Fig.9 Scatters of γ(SO 4+Cl)-γHCO 3
γ HCO3 / meq·L -1
γ (Na+ Ca) / γ Cl
图 10 γ(Na+Ca)-r HCO 3 散 点 图
Fig.10 Scatters of γ(Na+Ca)-r HCO 3
图 11 双 龙 河 剖 面 水 体 钠 吸 附 比 值
Fig.11 Sodium adsorption ratios of the different
water around Shuanglonghe river

226 地 质 调 查 与 研 究 第 34 卷
烈 。 尤 其 沿 海 地 区 地 势 平 坦 , 潜 水 流 动 缓 慢 , 河 流 流
行 平 缓 , 都 给 蒸 发 浓 缩 作 用 创 造 了 十 分 良 好 的 条
件 。 强 烈 的 蒸 发 - 浓 缩 作 用 , 直 接 影 响 着 区 内 地 表
水 体 和 浅 层 地 下 水 的 水 化 学 组 分 和 TDS 含 量 , 是 区 内
重 要 的 水 化 学 形 成 作 用 。 一 般 情 况 下 , 地 下 水 埋 藏
深 度 越 小 , 蒸 发 作 用 也 越 强 烈 , 常 形 成 TDS>1 g/L 的
HCO 3·Cl 型 水 。 当 地 普 遍 存 在 的 Cl 型 水 与 Cl·HCO 3 型
水 也 是 蒸 发 作 用 强 烈 的 一 个 重 要 标 志 。
图 12 浅 层 水 阳 离 子 变 化 图
Fig.12 Changing characters of the cations
in the shallow water
程 中 , 水 化 学 类 型 也 发 生 类 似 相 应 的 变 化 。 浅 层 水 水
化 学 类 型 由 Cl-Na 型 向 HCO 3-Na·Mg 型 过 渡 , 深 层 水 水
化 学 类 型 由 HCO 3-Na·Mg 型 水 向 HCO 3-Na 型 水 过 渡 。
浅 层 水 及 部 分 深 层 水 的 rNa/rCa 小 于 1, 河 水 及
大 部 分 深 层 水 的 rNa/rCa 大 于 1, 说 明 河 水 及 大 部 分
深 层 水 均 存 在 Ca 缺 失 的 现 象 。 通 常 情 况 下 , 地 下 水
中 Ca 的 缺 失 主 要 是 蒸 发 沉 积 作 用 和 阳 离 子 交 换 作 用
的 结 果 。 河 水 在 地 表 受 到 强 烈 的 蒸 发 浓 缩 作 用 , 可
能 引 发 的 沉 淀 作 用 是 Ca 缺 失 的 主 要 原 因 ; 而 深 层 水
中 方 解 石 与 白 云 石 矿 物 饱 和 指 数 多 大 于 0, 但 并 不 能
作 为 发 生 沉 淀 作 用 的 标 志 , 却 可 能 导 致 阳 离 子 吸 附
交 替 作 用 的 发 生 。
5 混 合 作 用
混 合 作 用 是 指 成 分 不 同 的 两 种 水 汇 合 在 一 起 ,
形 成 化 学 成 分 与 原 来 两 者 都 不 相 同 的 地 下 水 的 作
用 。 混 合 作 用 同 样 存 在 于 曹 妃 甸 地 区 , 对 地 下 水 水
化 学 、 水 质 形 成 具 有 重 要 影 响 , 包 括 大 气 降 水 入 渗 与
地 下 水 的 混 合 作 用 以 及 从 补 给 区 到 排 泄 区 的 径 流 过
程 中 不 同 水 体 之 间 的 混 合 作 用 。
研 究 区 河 水 、 浅 层 水 、 深 层 水 以 及 下 部 第 三 系 地
下 水 之 间 存 在 密 切 的 水 力 联 系 。 根 据 地 下 水 循 环 方
面 的 相 关 研 究 , 第 四 系 地 层 中 的 第 三 、 四 含 水 层 中 深
层 水 普 遍 接 受 浅 层 水 以 及 更 深 层 地 下 水 的 补 给 。 由
于 粘 土 层 对 地 下 水 中 盐 分 具 有 过 滤 作 用 , 因 此 , 在 混
合 作 用 中 并 未 发 生 第 三 、 四 含 水 层 中 深 层 水 咸 化 的 现
象 , 仅 使 深 层 水 中 出 现 大 面 积 的 HCO 3、HCO 3·Cl 型 水 。
6 蒸 发 - 浓 缩 作 用
尽 管 研 究 区 处 于 沿 海 , 降 水 丰 富 , 但 干 旱 - 半 干
旱 的 温 带 季 风 气 候 依 然 使 得 该 区 蒸 发 作 用 十 分 强
7 结 论
曹 妃 甸 地 区 主 要 的 水 化 学 形 成 作 用 是 溶 滤 作
用 、 蒸 发 浓 缩 作 用 、 混 合 作 用 以 及 阳 离 子 吸 附 交 替
作 用 。
(1) 浅 层 地 下 水 以 溶 滤 地 层 中 的 岩 盐 、 碳 酸 盐 矿
物 和 硅 酸 盐 矿 物 为 主 , 方 解 石 、 石 膏 等 贫 镁 矿 物 的 影
响 较 小 , 同 时 , 强 烈 的 蒸 发 浓 缩 作 用 对 浅 层 水 水 化 学
特 征 具 有 重 要 影 响 。 此 外 , 还 在 水 流 路 径 上 发 生 了
明 显 的 阳 离 子 交 替 吸 附 作 用 , 导 致 离 子 变 化 出 现 波
动 变 化 。
(2) 深 层 水 以 溶 滤 地 层 中 的 硅 铝 酸 盐 、 苏 打 土 、
岩 盐 等 为 主 要 , 方 解 石 和 石 膏 等 贫 镁 矿 物 对 深 层 水
化 学 组 分 的 影 响 程 度 不 大 。 此 外 , 在 水 流 路 径 上 , 还
受 到 上 下 含 水 层 中 不 同 来 源 化 学 组 分 的 混 合 作 用 影
响 , 并 发 生 了 阳 离 子 交 替 吸 附 作 用 。
(3) 河 水 以 蒸 发 浓 缩 作 用 为 主 要 水 化 学 形 成 作
用 , 同 时 还 溶 滤 流 经 河 床 中 的 岩 盐 、 硅 铝 酸 盐 和 硫
酸 盐 。
参 考 文 献 :
[1] 中 国 城 市 规 划 设 计 研 究 院 . 唐 山 市 曹 妃 甸 新 区 总 体 规 划
(2008~2020), 水 资 源 专 题 研 究 ( 初 稿 )[R].2009,4.
[2] 河 北 省 地 质 局 水 文 地 质 工 程 地 质 大 队 . 冀 东 平 原 农 田 供
水 水 文 地 质 勘 察 报 告 [R].1983,5.
[3] 河 北 省 地 矿 局 水 文 工 程 地 质 勘 查 院 . 曹 妃 甸 地 区 水 文 地
质 工 程 地 质 环 境 地 质 基 础 调 查 评 价 专 题 报 告 ( 送 审 稿 )
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及 机 理 分 析 [J]. 中 国 沙 漠 ,2006,26(5):836-841.
Stuty on the Groundwater Hydrochemical Formation Process
in Caofeidian Area,Hebei Province
LIU Fu-tian, FANG Cheng, QIN Ya-fei, LIU Hong-wei, HU Yun-zhuang
(Tianjin center of China Geology Survey, Tianjin 300170, China)
Abstract: During the investigation process of the environmental and geological problems in Caofeidian area, the
chemical components and compounding characters of samples in Caofeidian area are used to research the groundwater
chemical formatting mechanism combined with the hydrogeology conditions. It is suggested that the dissolution-precipitation
process of the halite, carbonate minerals, and silicate mineral in the aquifer is the main effect
of the shallow groundwater, while the poor-Magnesium calcite and gypsum have little effect. Meanwhile, the intense
evaporation-concentration has important influence on the hydrochemical features of the shallow groundwater.
The dissolution-precipitation process of silica-alumina salt, sodic soil and halite effects the deep groundwater
heavily. Besides, the mixinng action and the cation exchange happen along the flow path. The evaporation effects
the river water besides dissolving the halite, silica-alumina salt and sulfate salt.
keywords: groundwater; hydrochemical formation process; Caofeidian
《 地 质 调 查 与 研 究 》 征 订 启 事
经 国 家 科 委 和 新 闻 出 版 署 批 准 , 我 刊 《 前 寒 武 纪 研 究 进 展 》 于 2003 年 起 更 名 为 《 地 质 调 查 与 研 究 》。 办 刊 宗
旨 : 本 刊 为 地 质 科 学 领 域 中 的 学 术 性 刊 物 , 执 行 党 的 基 本 路 线 及 国 家 的 出 版 政 策 法 规 , 坚 持 “ 百 花 齐 放 , 百 家 争
鸣 ” 的 双 百 方 针 , 面 向 地 质 调 查 和 研 究 工 作 , 为 地 质 调 查 和 研 究 成 果 提 供 交 流 载 体 , 推 动 我 国 地 质 调 查 和 研 究 工
作 的 开 展 , 为 我 国 的 经 济 建 设 和 发 展 服 务 。 主 要 刊 登 内 容 : 地 质 调 查 和 研 究 中 的 新 认 识 、 新 成 果 、 新 进 展 , 地 区
性 、 专 业 性 焦 点 、 难 点 问 题 讨 论 , 新 理 论 、 新 技 术 、 新 方 法 、 新 工 艺 的 研 究 和 引 进 。 内 容 涉 及 基 础 地 质 、 矿 床 地 质 、
同 位 素 地 质 年 代 、 第 四 纪 地 质 、 水 资 源 与 环 境 、 灾 害 地 质 、 城 市 地 质 、 农 业 地 质 、 地 球 物 理 勘 查 、 地 球 化 学 勘 查 、 地
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