开采期停采期莱州湾地下卤水盐分来源及盐分组成变化规律.pdf
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1、开采期停采期莱州湾地下卤水盐分来源及盐分组成变化规律收稿日期:2 0 2 3 0 6 1 6;修订日期:2 0 2 3 0 7 0 4;编辑:曹丽丽基金项目:山东 省 地 质 矿 产 勘 查 开 发 局 科 技 攻 关 项 目(KY 2 0 2 2 0 6);潍 坊 市 财 政 基 金 项 目“潍 坊 市 北 部 地 区 地 下 卤 水 资 源 调 查”(S D G P 3 7 0 7 0 0 2 0 2 1 0 2 0 0 0 4 1 3);山东省2 0 2 2年度部省协议地质勘查项目“沂沭断裂带北段构造活动性对资源环境影响研究”作者简介:李明波(1 9 8 6),男,山东平度人,工程师,主
2、要从事区域地质调查与矿产勘查工作;Em a i l:l i m i n g b o s d d k s y.c o m*通讯作者:张金鑫(1 9 8 0),女,黑龙江海伦人,工程师,主要从事地质调查与资源勘查专业;Em a i l:2 0 2 1 2 3 7 0 7 0q q.c o m李明波1,2,周勇3,张金鑫3*,张宇丰2,4,武斌1,2(1.山东省第四地质矿产勘查院,山东 潍坊 2 6 1 0 2 1;2.山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室,山东潍坊 2 6 1 0 2 1;3.潍坊市土地储备中心,山东 潍坊 2 6 1 0 2 1;4.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛
3、 2 6 6 1 0 0)摘要:莱州湾地下卤水资源经历近2 0年高强度开采后显著衰退,探索其可持续开发模式日益迫切。滨海地下卤水可接受多类盐源的补给,具有可持续开发的潜力,研究地下卤水盐分主要来源及盐分组成变化规律,对规范地下卤水可持续开采模式意义重大。本文基于开采、停采期地下水位监测及地下水样品化学分析结果开展研究,认为莱州湾地下卤水主要受海水以及蒸发盐或盐岩溶解影响,离岸不同距离处地下卤水盐分组成年度变化规律虽然一致,但控制因素存在差异。开采期内补给地下卤水的盐分主要为潮间带生卤下渗的盐分,停采期内蒸发盐或盐岩溶解产生的盐分为地下卤水的主要盐分来源。地下卤水赋存区易受海水或淡水影响,以及处
4、于开采或停采何种状态,是控制地下卤水盐分组成的主要因素。关键词:莱州湾地下卤水;开采与停采期;盐分来源;盐分组成;氯溴摩尔比中图分类号:P 6 1 9.2 1+.1 文献标识码:A d o i:1 0.1 2 1 2 8/j.i s s n.1 6 7 2 6 9 7 9.2 0 2 3.1 0.0 0 3引文格式:李明波,周勇,张金鑫,等.开采期停采期莱州湾地下卤水盐分来源及盐分组成变化规律J.山东国土资源,2 0 2 3,3 9(1 0):1 82 5.L IM i n g b o,Z HOU Y o n g,Z HAN GJ i n x i n,e ta l.S a l tS o u r
5、 c ea n dS a l tC o m p o s i t i o nC h a n g eR u l eo fU n d e r g r o u n dB r i n e i nL a i z h o uB a yD u r i n gM i n i n ga n dS t o p p a g eP e r i o dJ.S h a n d o n gL a n da n dR e-s o u r c e s,2 0 2 3,3 9(1 0):1 8 2 5.0 引言莱州湾盐区溴素产量占全国溴素总产量7 0%,被誉为中国溴盐之乡。近2 0年来,地下卤水资源经历了掠夺式的开采,卤水工业品位
6、逐年下降,地下卤水可持续开采的重要性与迫切性日益突出1。实现卤水资源可持续开采,清晰卤水盐分丧失与接受补给的平衡。厘清在当前卤水开采、停采模式下,地下卤水盐分来源及化学构成变化规律对未来合理规划地下卤水资源开采有重要意义。莱州湾地下卤水盐分的丧失主要受卤水开采作用以及淡水、微咸水向卤水体入侵影响。研究表明,在2 1世纪以来大规模地下卤水开采影响下,开采区内地下水位呈持续下降趋势,形成了以多个盐场为中心的大型降水漏斗,降水漏斗深度约在1 04 0m间不等24。地下卤水水位的降低进一步增大了南部淡水水头与其间的水力梯度,低盐度水体不断入侵卤水体引起“咸水淡化”,进一步造成了卤水资源中盐分的丧失5。
7、然而在卤水停采区域,地下水位已有明显的恢复,降水漏斗深度与影响范围显著减小。此外,该区域地下卤水盐度显著升高,意味着莱州湾南岸地下卤水具有可持续开发的潜力。莱州湾地下卤水体盐度能够恢复,得益于卤水81第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月体周围存在多种盐分来源能够对其实施补给。当前研究普遍认为,补给滨海卤水资源的盐分有4类:(1)宽缓的潮滩、干旱的气候以及频繁的风暴潮事件,使潮滩成为天然晒盐场,盐分在潮滩沉积物中蒸发累积后下渗补给至含水层中实现对卤水资源的补给67。(2)蒸发盐、盐岩溶解后释放到卤水层中8。(3)相邻卤水层中的高盐度水体通过越流的方式实现盐分的补
8、给91 1。(4)弱透水层中累积的古海水及盐分释放到卤水层中1 21 3。在莱州湾沿岸及滨海平原区域,众多学者在不同位置分别证明了以上类型的盐分能够补给滨海卤水体,但尚未综合评价不同来源类型的盐分补给卤水所占比例或主次关系。此外,已有研究多侧重于探究地下卤水的形成机制,鲜有研究分析在人类活动作用(地下卤水开采、停采)影响下,地下卤水受何种盐分补给模式控制,以及在相应的盐分补给模式影响下其盐分组成会呈现何种变化规律。本研究以莱州湾南部滨海地下卤水开采场地为靶区,对离岸不同距离卤水开采区的地下水位、地下水样品开展为期1 0个月的监测与采集,通过对比不同点位开采期、停采期内地下水T D S、氯溴元素
9、含量、氯溴摩尔比变化规律,分析在人类活动影响下地下卤水盐分来源及盐分组成变化规律,对地下卤水可持续开采具有指导意义。1 研究区概况研究区位于中国莱州湾南岸,毗邻渤海,属温带季风性气候(图1)。该区域年平均气温为1 2.1,日照充足,蒸发作用显著,4月7月蒸发量大,月蒸发量达1 9 1.43 7 1.6mm,全年总蒸发量为总降雨量的两倍。自6月、7月开始,莱州湾南岸进入雨季,直至9月结束,该时段降雨量占全年总降雨量的6 0%6 5%,该区域地下水位与河流径流量受降雨影响显著1 41 5。莱州湾南部为广阔的冲积平原,其北部毗邻的淤泥质潮滩与地下发育的多层含水层为地下卤水的形成、运移提供了条件。主要
10、地层为晚更新世与全新世地层。晚更新世以来,莱州湾南岸滨海平原经历了3次大规模的海侵海退事件,包括晚更新世早期的“沧州海侵”、晚更新世晚期的“献县海侵”及全新世的“黄骅海侵”,分别形成了3个大沉积旋回,3个海相地层与3次海侵事件。莱州湾地下卤水分别赋存在3个海相地层中,卤水盐度在5 01 4 0g/L之间,其中晚更新世晚期卤水体分布最深入陆地,含盐量最高6,1 6。2 工作布设与方法2.1 地下水位监测沿垂直岸线方向,在距岸线不同距离的卤水开采井处设置地下水位监测点。2 0 2 1年6月2 0 2 2年5月,每月初测量一次地下水位,选用应天量记公司生产的信天人2 8 8m水位计开展地下水位的监测
11、工作。工作点位的布设位置和监测时段见图1、表1。图1 研究区位置及工作点位布设表1 工作点位坐标与水位监测、采样时段编号坐标东经北纬地下水位监测时段*地下水采集时段*S 0 1 1 1 9.0 7 6 8 6 3 7.2 2 6 7 02 0 2 1.62 0 2 2.52 0 2 1.62 0 2 2.4S 0 2 1 1 9.0 2 4 3 0 3 7.1 9 3 2 32 0 2 1.62 0 2 2.52 0 2 1.62 0 2 2.4S 0 3 1 1 8.9 4 4 0 5 3 7.1 2 4 4 32 0 2 1.62 0 2 2.52 0 2 1.62 0 2 2.4 *地下
12、水位监测及地下水样品的测量及采集频率为1次/月。2.2 地下水样品采集与化学分析2 0 2 1年6月2 0 2 2年4月,连续每月于各工作点位采集一次地下卤水样品,样品总量共计3 3个。各工作点位卤水井深度均约为8 0m,筛管位置在深4 08 0m之间。样品采集点位与采集时段见表1。为分析开采与停采时期地下卤水盐分来源,需确定地下水T D S及氯、溴的组成。以上参数的测试91第3 9卷第1 0期 地 质 与 矿 产 2 0 2 3年1 0月工作由山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队实验测试中心完成,测试主要仪器使用i C A P 7 4 0 0电感耦合等离子体发射光谱仪(C S 1 2)。3
13、结果3.1 滨海地下卤水地下水位年度变化规律6月9月为莱州湾的雨季,雨水与地表径流开始补给地下水,但该时期内地下水位未发生明显的回升,或 许 与 地 下 卤 水 高 强 度 持 续 开 采 有 关。9月1 2月,各区域地下水位存在波动但整体变化幅度不大。1 2月初至次年2月底为莱州湾地下卤水停采期,该时段内虽然降雨量较小,但地下水位呈回升趋势,在卤水停采后的第一个月水位回升幅度最为显著。地下卤水自3月初恢复开采,同时期莱州湾地区进入旱季,蒸发作用强烈。在以上两类因素共同作用下,莱州湾南部各区域地下水位显著降低,直至恢复至停采前的水平(图2)。图2 各工作点位处地下水位年度变化3.2 水化学参数
14、测试结果采集样品的水化学测试结果如表2所示。沿垂直岸线方向,自南向北地下卤水样品的年均T D S及氯溴含量分别呈高低中的变化规律。T D S是评价地下水盐度,划分地下水类型的重要指标1 7,图3展示了各工作点位处地下卤水T D S年度的变化规律。6月1 2月为卤水开采期,其中8、9月降雨量开始减少引起地下水T D S小幅度升高,在8月1 2月间,各工作点位处地下卤水T D S呈波动降低的趋势。进入卤水停采期后,不同工作点位处地下卤水T D S逐步由降低转化为升高的趋势,这证实了在停采阶段多类盐分对地下卤水资源的补给下,开采区地下卤水具有能够可持续开采的潜力。需 要 注 意 的 是,距 离 岸
15、线 最 近 工 作 点 位(S 0 1)处地下水的T D S,其全年的波动幅度与其他工作点位地下水T D S波动幅度相比显著偏小。表2 地下水采集时刻及水化学测试结果测量点位测量时刻T D S/(m g/L)C l/(m g/L)B r/(m g/L)S 0 12 0 2 1/65 5 8 8 23 0 2 6 4.43 9.9 52 0 2 1/75 5 5 1 83 0 0 0 4.2 24 0.5 32 0 2 1/86 6 3 7 13 4 5 4 7.6 95 8.0 42 0 2 1/96 4 6 0 13 4 5 2 5.8 26 4.4 22 0 2 1/1 06 3 6 2
16、53 4 1 6 4.3 06 5.1 82 0 2 1/1 16 4 3 7 23 4 3 0 8.0 86 8.0 22 0 2 1/1 26 1 7 4 63 4 4 4 7.1 47 1.2 22 0 2 2/16 4 1 3 53 5 3 4 3.4 96 7.1 52 0 2 2/26 4 6 3 83 5 6 2 9.3 16 5.4 82 0 2 2/36 5 1 9 73 6 3 0 1.5 56 3.3 02 0 2 2/46 5 2 2 63 5 4 8 7.7 26 7.2 2S 0 22 0 2 1/61 9 1 0 84 6 6 7.4 51 1.7 92 0 2
17、1/71 1 9 8 04 7 1 0.0 61 2.7 42 0 2 1/81 6 3 1 26 2 1 7.3 41 5.0 22 0 2 1/91 6 6 0 97 7 8 6.2 42 0.8 12 0 2 1/1 01 8 7 8 18 9 4 2.3 32 7.0 52 0 2 1/1 11 6 6 5 67 9 2 0.5 12 3.1 62 0 2 1/1 29 8 8 84 5 1 2.9 81 4.9 62 0 2 2/11 1 8 8 15 4 2 9.7 21 5.6 72 0 2 2/21 4 7 5 96 8 8 9.3 01 7.4 32 0 2 2/32 3 6
18、 6 01 2 0 5 5.3 32 1.1 92 0 2 2/42 8 0 5 11 4 6 3 0.3 13 8.7 8S 0 32 0 2 1/62 9 3 0 91 5 4 4 8.0 32 6.6 32 0 2 1/73 1 4 5 01 6 0 9 1.7 33 0.1 12 0 2 1/84 5 1 7 42 1 1 9 5.3 33 6.8 82 0 2 1/94 2 2 0 02 4 6 9 0.5 74 8.2 72 0 2 1/1 02 5 1 8 91 3 2 4 1.5 33 1.8 82 0 2 1/1 12 1 1 2 61 1 1 1 8.3 62 5.3 32
19、 0 2 1/1 21 6 7 3 49 1 6 7.3 11 7.8 02 0 2 2/12 5 1 5 31 1 9 9 4.3 62 1.1 92 0 2 2/23 1 7 9 81 5 1 6 0.9 82 3.5 02 0 2 2/33 9 7 8 91 9 2 6 7.7 92 7.4 62 0 2 2/43 8 5 1 71 9 3 2 4.6 33 8.2 84 讨论4.1 水化学成分分析可溶性卤族元素氯和溴在海水中浓度高,淡水中浓度低(尤其是溴元素)1 8。因此氯溴摩尔比可作为不同类型水体的特征系数(如海水、盐岩溶解水等),分析T D S高于20 0 0m g/L水的盐渍化问
20、题,从而实现对高盐度地下水体盐分来源的鉴别1 92 0。02第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月图3 各工作点位处地下卤水T D S年度变化规律图4 研究区地下水中氯溴摩尔比与氯含量的关系标准海水的氯溴摩尔比为6 5 5,在本研究区内海水的氯溴摩尔比(6 5 0)与其基本一致,基于此标准,水体氯溴摩尔比接近6 5 0时,其中的盐分可认为来自于海水。当水体氯溴摩尔比在12 0 066 0 0之间时,地下水盐分可认为来自蒸发盐或盐岩溶解产生的盐分2 0。图4显示了研究区内地下水样品中氯溴摩尔比和氯元素含量的关系。基于上述标准可知,各区域地下水盐分的组成主要受海水和
21、蒸发盐或盐岩溶解影响。在同一点位不同时段,影响地下水盐分组成存在差异,这也意味着在不同时段,补给地下卤水主要的盐分来源及其他影响地下水盐分组成的因素将存在差异。4.2 滨海卤水盐分组成变化评价方法目前普遍认为,莱州湾地下卤水的盐分来源有从储存状态中释放出的盐分,包括潮滩表层蒸发累积的盐分,其在溶解下渗至卤水层,再通过多层含水层系统向卤水区输送实现补给。弱透水层中储存的受蒸发影响的古海水,以及在越流过程中被捕捉的高盐度地下水,在当代抽水作用下重新释放。还包括岩盐溶解释放的盐分。此外,部分海水通过多层地下卤水层系统直接向滨海卤水体中输送的盐分。补给地下卤水的盐分来源类型十分复杂,且不同来源的盐分其
22、氯溴摩尔比也存在差异,综合评价地下卤水盐分来源的构成十分困难。由于溴元素的来源主要为海洋,其浓度的高低能够指示补给卤水的盐分来自当代海洋或古海水比例大小1 9,2 1。基于此,本研究建立贡献度G指标以评价地下卤水成分构成变化受海洋或其他因素的影响。氯溴摩尔比是分析地下水成分构成的重要因子,由此定义GC l和GB r分别为由氯和溴元素浓度变化引起的氯溴摩尔比变化的贡献度,以分析在某个阶段内地下水盐分组成变化的原因。GC l=C l(t)-C l(t0)C l(t)-C l(t0)(1)GB r=B r(t)-B r(t0)B r(t)-B r(t0)(2)式中:GC l和GB r之和为1,两者呈
23、正值或负值分别代表在某阶段内氯或溴元素含量变化对氯溴摩尔比在对应阶段内的变化趋势有促进作用或抑制作用。绝对值的大小代表了影响促进或抑制程度的大小;C l(t)和B r(t)分别为本月氯元素和溴元素的摩尔浓度;C l(t0)和B r(t0)分别为上个月氯元素和溴元素的摩尔浓度;C l(t)和B r(t)分别为仅由氯(溴)元素摩尔浓度变化引起氯溴摩尔比发生变化时,氯(溴)元素在本月的理论摩尔浓度,其表达式为:C l(t)=B r(t0)m r(t)(3)B r(t)=C l(t0)m r(t)(4)式中:m r(t)为本月氯溴摩尔比。4.3 滨海卤水盐分来源及盐分组成年度变化规律氯溴摩尔比随时间的
24、变化规律表明(图5、图6),莱州湾南岸地下卤水盐分组成的变化规律呈现较好的一致性,总体经历了4个阶段:雨季前后氯溴摩尔比小幅度波动但整体趋于稳定;雨季至停采期开始前后氯溴摩尔比呈波动下降的趋势;停采期期间氯溴摩尔比波动升高;卤水恢复开采后氯溴摩尔比开始下降。由于未能采集到卤水恢复开采后直至12第3 9卷第1 0期 地 质 与 矿 产 2 0 2 3年1 0月下个停采期开始前连贯的数据,本研究暂不分析恢复开采后(3月4月)地下水盐分组成变化。虽然距离岸线不同位置处地下卤水氯溴摩尔比年度变化规律一致,但氯溴摩尔比的降低可能是由于地下水接受海洋盐分补给,溴元素含量升高所致;也可能是受微咸水或淡水影响
25、,氯元素含量快速减少所致。相反氯溴摩尔比的升高亦有此类可能。图5、图6显示,在同时期内,近岸侧(S 0 1)与陆地侧(S 0 2、S 0 3)工作点位地下水样品的氯、溴元素含量变化规律,及各自贡献度G的变化规律均不相同。因此在同时期内不同点位地下卤水接受盐分补给或所受影响可能存在差异。图5显示,雨季结束后(9月)氯、溴元素含量呈现为相反的变化趋势。在近岸地区GB r在全年均大于GC l,这表明近岸地下卤水盐分组成主要受溴元素含量变化控制。在卤水停采前,氯溴摩尔比的降低主要由溴元素含量的升高控制。自雨季开始至8月,随着降雨量减少,近岸地下卤水的氯溴含量显著提高。随后受地下卤水开采影响,氯含量在8
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