华北平原厚层粘性土孔隙水地球化学特征及其环境意义

Thick-bedded clayey soils of large-scale plains generally act as protective covers on aquifers, and play an important role to control regional groundwater flow system. Due to groundwater over-extraction, compaction of clayey aquitards releases water into aquifer, which will significantly affects the quality and quantity of the aquifer. However, to date, there has been little research on the pore water geochemistry of clayey aquitard and its record of environment information. This study will collect continuous core of clayey soils from the first and second thick clayey auitard of Middle and Late Pleistocene in the North China Plain by drilling and extract pore water from the clayey soils using suitable techniques to meet different test purpose. Chemistry composition, isotopes, rare gases and dating of the pore water will be analyzed and a seies of chart or spectrums of these factors will be drawn. Sedimentary chronology method used to study the pore water geochemistry in combination with the particle composition, microstructure, minerals, elements and pollen and determine the indicators related to paleo-environmental changes. Then the geochemical evolution of the pore water in the first and second aquitard and the corresponding envents of paleo-environment will be discovered. Finally, the processes of compacting and water releasing of the clayey aquitards due to groundwater exploitation and its contribution to water quality and quantity of the aquifer will analyzed by numerical simualtion of compaction-seepage-solute transport model.

分布于大平原的厚层状粘性土，是地下水的天然保护屏障，对区域地下水流系统起着重要控制作用。地下水开采引发粘性土压密释水会对含水层水质与水量产生重要影响。但是，过去水文地质学家主要研究含水层，对含水层间粘性土孔隙水的地球化学特征及其记录的环境信息研究很少。本项目在华北平原典型地区钻孔连续采集中晚更新世以来第Ⅰ、Ⅱ粘性土层（相对隔水层）土柱，针对不同测试要求采用不同方法提取粘性土孔隙水，测试其水化学组成、同位素、稀有气体及年龄等指标，绘制土柱孔隙水各指标的系列图谱。运用沉积年代学方法，结合颗粒组成、微观结构、矿物组合和孢粉等分析粘性土孔隙水的地球化学特征，确立孔隙水与古环境变化有对应关系的指标；揭示华北平原第Ⅰ、Ⅱ粘性土层孔隙水地球化学演化及相应的古环境事件。建立压实-渗流-溶质运移数学模型，模拟分析开采条件下粘性土层压密释水过程及其对含水层水质水量的影响。

深埋低渗透粘性土中的孔隙水运移缓慢，滞留时间长，是极具价值的古环境记录档案。在天然成岩过程和人为地下水强烈开采条件下，粘性土会压密释水，影响和改变含水层地下水的水质水量。本项目开展不同水文地质条件下粘性土孔隙水地球化学调查，探讨了粘性土孔隙水的古环境指示作用和粘性土释水对含水层的水质水量影响。课题组在渤海湾和黄海滨海区采集了多个深层钻孔第四纪粘性土柱，设计和研制了系列孔隙水压榨仪和蒸馏仪，针对不同测试目的提取了粘性土孔隙水；基于研制的高压渗透仪和径向扩散仪，测定了粘性土剖面渗透系数（范围为10-8~10-12 m/s）和溶质Cl-有效扩散系数(10-11 m2/s)。综合分析了粘性土孔隙水化学、同位素特征，建立了粘性土孔隙水一维垂向扩散运移模型。研究发现相对于含水层地下水，粘性土孔隙水盐度，重金属含量高，氢氧同位素偏负，特征离子比Cl/Br，Sr/Ba随沉积相发生变化，表明孔隙水为古沉积水；粘性土中孔隙水以扩散运移为主，虽受到后期降水稀释，蒸发和水岩相互作用影响，但并未被现代水所完全驱替；在非地面沉降区，利用孔隙水特征离子比识别了渤海湾晚第四纪以来的三次海侵事件；基于氢氧同位素和氘盈余剖面，结合粒度分布和矿物特征，得出第四纪以来气候逐渐向干冷转化，全新世气候转暖；根据孔隙水天然示踪剂剖面形态和影响因素，推断黄海滨海区深层第三、第四含水层组地下水至少更新了3次；在地面沉降区，分析与绘制了沉积物工程特性剖面，划分压密释水层位，对比粘性土孔隙水与相邻含水层化学同位素特征，得出受粘性土压密释水（古咸水）影响，天津滨海平原第二含水层地下水逐渐咸化和地下水年龄变老（14-C年龄达30ka）。本课题开展的低渗透粘性土层研究拓展了水文地质学的研究内容，为水文地质学研究开辟了新方向。研究成果不仅为全球气候变化研究提供了新的指示因子，也为人类活动加剧情况下地下水水质演化和循环更新提供了新方法。