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雷琼沉降带构造沉积演化概要雷州半岛水文地球化学概况
冰后期全球气温海平面变化及未来变化预测

推论全球气候变化与人类演化

雷州半岛水文地球化学概况

莫 如 波

    雷州半岛位于广东西南部，属北热带海洋性气候，年平均气温23℃，多年平均降雨量为1500mm，降雨多集中于5～9月台风季节，11月至翌年4月为旱季。地下水主要接受大气降雨入渗补给，其次为库渠渗漏补给，地下水化学特征主要取决于赋存地层的地球化学特性以及地下水的补给、径流与排泄条件。根据含水介质特性和赋存条件，地下水类型可分为松散岩类孔隙水和火山岩类孔洞裂隙水；再根据含水层的埋藏深度及隔水层的分布，细分为<30ｍ的潜水微承压水(浅层水)、30～200ｍ的中层承压水(中层水)、200～500ｍ的深层承压水(深层水)和深部承压水(>500m)。在补给区及径流区，浅层水接受大气降雨入渗和库渠渗漏的补给后越流或通过“天窗”逐层补给中层水、深层水，各含水岩区的地下水补给、渗透参数如表1所见，中层水对深层水的渗透强度全区平均为320.5m3/d.km2；在近海区及低洼地带，地下水通过横向径流，通过深层水、中层水、浅层水之间逐层的顶托补给，然后向低洼沟溪或海区排泄。

雷州半岛各岩类补给区补给、渗透参数表                              表1

地下水类型

含水岩类分区

分布面积
(km2)

降雨入渗
系数α民井

水位变动带
给水度 μ

平均水位年
累计变幅(m)

浅层水下渗越流
强度(m3/d.km2)

地下水补给资源
Q (104m3/d)

地下水补给模数
Mb(104m3/a.km2)

估算年均降雨
入渗系数 α

孔隙
潜水

砂堤砂地

686

0.680

0.138

5.83

 

179.2856

95.3925

0.55

北海组平原

1649

0.463

0.20

2.60

1111.5

394.4311

87.3058

0.35

孔隙
微承压水

北海组平原

795

0.383

0.10

4.06

252.5133

68.7303

0.27

湛江组台地

546

671.8

火山岩
孔洞裂隙水

雷北火山群

654

0.398

0.07

4.86

1111.5

645.3334

64.6573

0.32

雷南低台地

1976

0.396

0.10

5.18

622.8

0.37

雷南高台地

1013

0.381

0.07

5.93

0.30

全区

7319

0.433

0.124

4.53

  

1471.563

73.3872

0.35

资料引用说明：表中地下水类型、含水岩类分区、分布面积、民井观测降雨入渗系数、水位变动带给水度、平均水位年累计变幅、浅层水下渗越流强度资料来自刘汉英、张国梅、林养貌《雷州半岛地下水资源计算》(水文地质工程地质.粤西科技情报.1981.2)；表中的地下水补给资源等同于该文的天然资源及浅层水补给量，地下水补给模数为补给资源除以分布面积。该文采用降雨过程民井观测来求取降雨入渗系数，计算入渗补给量时再扣除旱季12月至翌年3月份的降雨量(约占全年的7.2%)。现考虑到4至11月份也有非有效降雨量的存在，认为其计算结果偏大，故利用多个民井平均的"水位年累计变化幅度"计算年平均降雨入渗系数如表中所列。α民井法全区面积加权平均为0.433，加上旱季12月至翌年3月的降雨量换算成年平均值为0.404。最右列按"水位年累计变化幅度"计算、按面积加权的平均降雨入渗系数α为0.35。

１ 地下水化学的成因特征

    由于淋滤作用强烈，含水层失去了易溶性盐类，进入了对难溶盐的溶滤阶段，能反映水文地球化学环境变化的水化学指标主要为PH值、矿化度及Na++K+、HCO3-、游离CO2、可溶性SiO2、铁离子的含量，其中Na++K+、HCO3-含量变化与矿化度变化基本呈成正相关，所以文中着重分析PH值、矿化度和游离CO2、可溶性SiO2、铁离子的含量这五个化学指标。

１.１ 各岩区、各含水层地下水化学概况

    北海组平原区浅层水、中层水和部分深层水，含水层透水性最好，地下水的补给、循环交替条件良好，地下水矿化度(以固形物表征)低于0.1g/l，PH值6.0～7.0，铁离子含量0.3～8.75mg/l，18个水样的平均值：矿化度0.077g/l、PH值6.43、铁离子3.04mg/l(其中浅层水5个样的铁离子平均含量为0.87mg/l),可溶性SiO2含量也较高。

    湛江组台地区浅层水、中层水，由于湛江组黏性土层的增多增厚，水交替条件变差，地下水的矿化度和铁离子、可溶性SiO2的含量普遍较高。湛江市浅层水平均值：PH值5.4、铁离子0.84mg/l、游离CO2 28.52mg/l(主要为补给区及径流区)；湛江组中层水32个水样平均值：矿化度0.110g/l、PH值6.50、可溶性SiO2 26.09mg/l、铁离子3.45mg/l(11个样)。

    玄武岩孔洞裂隙水及其下伏孔隙水(部分较薄的岩被前缘地带除外)。地下水的矿化度、PH值和可溶性SiO2含量比相当深度的孔隙水稍高。雷南中层孔洞裂隙水及下伏孔隙水的矿化度一般在0.17～0.3g/l、PH值在7.0～8.0之间，29个样的平均值矿化度为0.223g/l、PH值为7.7；中层水是可溶性SiO2含量最高的地带，岭北地区29个水样平均值达到34.47mg/l。浅层水游离CO2含量一般在15～40mg/l，但到了中、深层水很快降低至3～10mg/l和<5mg/l；铁离子含量普遍小于0.5mg/l。分析认为，形成这些特点的原因主要有两个：一是基性火山岩抗风化能力较差，岩石的化学活泼性较强。由于介质被溶滤的彻底程度相对较低，有较多的易溶性盐被溶滤进入水中引起了矿化度的增高，同时，由于消耗了较多的CO2和溶解氧，使水的PH值增高，对难溶铁质矿物的溶滤作用变得微弱，水的还原能力增强；二是玄武岩孔洞裂隙水的补给和水交替条件相对较差。由于表层风化红土厚度较大(雷南标高50ｍ以上的早期高台地达8～21ｍ，雷北晚期台地一般小于2ｍ，局部2～8ｍ),影响了地下水的补给，再者，厚度较大的致密玄武岩及多层古风化红土的隔水作用，使地下水的循环交替条件变差，导致了水化学元素的相对富集。

    部分地段各类含水层水化学组份见表2：

各类地下水特征化学组份统计表                   表2

项目
地下水分区分带及类型    		样数

PH值

固形物
(mg/l)

游离CO2
(mg/l)

可溶SiO2
(mg/l)

Fe3++Fe2+
(mg/l)

四会-济广塘孔隙浅层水

11

6.17

134

36.86

23.64

11.1

湛江市近海低洼浅层咸水

12

5.8

7689

73.35

26.94

0.51

岭北地区孔隙浅层水

19

5.98

113

24.80

13.32

   

湛江市低洼地带浅层水

13

6.88

223

17.90

18.62

3.59

湛江市湛江组承压水

11

6.29

87

13.21

24.80

3.45

湛江湛江组下洋组承压水

20

6.62

123

15.60

26.80

  

湛江市下洋组承压水

12

6.80

164

14.12

24.92

6.09

志满-建新涠洲组承压水

7

7.22

285

16.14

23.34

7.43

霞赤-南三涠洲组承压水

6

7.99

1066

3.07

18.55

0.46

岭北区孔洞裂隙浅层水

10

6.42

99

19.65

19.4

<0.3

岭北区<100ｍ的中层水A

10

7.28

126

5.61

24.1

<0.3

岭北区<100ｍ的中层水B

10

7.13

127

  

35.68

<0.3

岭北区100-200ｍ中层水

9

7.11

114

  

43.62

<0.3

岭北区200-300ｍ深层水

9

7.30

135

  

28.23

<0.3

    从地下水化学元素的富集程度(矿化度)分析其补给及交替条件，北海组平原区最好，其次是雷北火山岩台地和湛江组台地，雷南火山岩台地最差。

    同一层位含水层，从半岛中部至沿海，地下水从补给区向排泄区运移，沿径流方向，Na++K+、HCO3-含量及矿化度、PH值呈增高趋势；在垂直方向上，浅部水位变动带附近的地下水，由于氧化作用的增强导致了更多的元素进入水中，常出现矿化度较深部含水层稍高的现象。往下的含水层，由浅到深，水交替条件变差，径流强度减弱，地下水流经含水层的时间增长，水中Na++K+、HCO3-含量、矿化度及PH值逐渐增高。局部地段由于下部含水层规模较大，径流条件好，而上部含水层透水性差，径流滞缓，上部弱透水层的Na++K+、HCO3-含量及矿化度、PH值比下部含水层高。

１.２ 地下水铁离子的形成与分布

    地下水中铁离子主要来源于由浅层下渗的富含CO2和O2的偏酸性水对铁质矿物(如海绿石、菱铁矿、黄铁矿等)的溶解作用。铁离子含量高的地下水主要分布于雷北湛江组台地和北海组平原区的孔隙水，其含水层的补给、水交替条件良好，淋滤作用彻底，水的矿化度低，PH值较小。由浅至深，由强交替到弱交替环境，由强透水性到弱透水性，铁离子含量呈增高趋势；浅层水含量一般较低，平均值约0.85mg/l；北海组平原区的中深层水、湛江市湛江组含水层、湛江市下洋组含水层、志满-建新-太平一带透水性好的涠洲组含水层多个水样总铁离子含量平均值分别为3.04mg/l(18个)、3.45mg/l(11个)、6.09mg/l(12个)、7.43mg/l(7个)；铁质水的形成与地下水富含游离CO2有关，当深部或较封闭的含水层游离CO2耗尽时，铁离子含量降低，如赤坎-霞山-南三一带较封闭的涠洲组含水层铁离子含量平均值仅为0.455mg/l(6个孔水样),东海岛大部分地区中、深层水的铁离子随着深度增加而减少(中部由6.5mg/l减至1mg/l)。雷南火山岩区中深层孔洞裂隙水及下伏孔隙水，可能是由于补给和交替条件相对较差、或介质化学活泼性较强(CO2主要消耗于易溶性盐的溶滤作用),铁离子含量较低(<0.3mg/l),并深浅变化不大。雷北大部分的火山岩区孔洞裂隙水及下伏孔隙水，铁离子含量一般也小于0.3mg/l。

１.３ 地下水可溶性SiO2的形成与分布

    地下水中可溶性SiO2产生于地下水溶解CO2对含水介质硅酸盐矿物的溶滤作用，其在水中含量的高低主要取决于含水层易溶性盐类溶滤的彻底程度、水中CO2含量的大小及地下水循环交替的强弱。当岩土到达淋滤彻底的水硅酸矾土溶滤阶段时，水中的CO2就能对难溶的硅酸盐矿物产生溶滤作用。地下水的CO2主要来源于大气和植物根茎等有机物腐植质的微生物分解，含水层由浅到深CO2含量是逐渐降低的，直至在深部耗尽。可溶性SiO2与CO2有成因上的联系，CO2的消耗过程是SiO2的富集过程，浅层水CO2含量虽高，但却是地下水强烈交替地带，不利于SiO2的富集，但深部又是CO2耗尽地带，SiO2含量也不高，中间地带是SiO2富集地带。SiO2的高含量分布于较高的PH值、较高的CO2含量、相对滞缓的弱交替含水层之中。各类含水层可溶性SiO2含量平均值见表2，火山岩区的中层水可溶性SiO2含量最高，个别孔达130～170mg/l(调丰719孔)。

２ 地下水氧化-还原环境的分带特征

    大气降雨是本区地下水的主要补给源，占全区总补给量(1471万方/天)的89％；其中，湛江市占浅层水总补给量(353.7万方/天)的87％；(引自水文地质调查报告)。所以，地下水的补给、径流及水交替条件的好坏能大致地从地下水的氧化-还原环境中反映出来。本文是通过对地下水的氧化-还原环境的分带，来评估本区水文地球化学环境的概况的。根据两种类型的地下水，由浅到深，水交替条件逐渐变差的特点，将区内水文地球化学环境划分为：弱氧化带、弱还原带、还原带(再分较弱的和较强的)和强的还原带。各带化学组份见表3，其特征及形成条件分述如下：

氧化-还原环境分带水化学特征表   　   　　　　　　　　　　      表3

氧化还原分带
及Eh值(V)

在含水系统中的分布

固形物(mg/l)

PH值

游离CO2
(mg/l)

可溶性SiO2 (mg/l)

Fe3++Fe2+
(mg/l)

100SO4
(SO4+Cl)

氧化带
>0.25

 阳江-广海幅基岩裂隙潜水(绝大多
数为下降泉的水样)

20～50

5.5～6.5

5～25

5～20

<0.5

0～10

6.0～7.5

2～10

10～20

<0.3

10～20

弱氧化带
0.25～0.1

 Q2b平原区浅、中层水；Q1z台地浅
层水补给径流区；孔洞裂隙浅层水

A.50～100

5.0～6.5

15～35

5～20

^0.85～3

50～75

B.50～100

6.0～7.0

15～40

5～30

<0.3

50～75

弱还原带
0.1～0

 Q2b平原深层水；Q1z台地浅层水
径、排区；中、深层水补、径区、
Ew补给区，火山岩区中层水

A.100～150

6.5～7.0

10～25

20～40

^2.4～3.5

40～75

B.100～150

7.0～7.5

5～10

15～50

<0.3

30～50

还原带:弱的
0～-0.1

 Q1z台地中、深层水径流汇水区；
Ew径流区；火山岩低台地区深层水、
高台地中、深层水

A.150～200

6.5～7.5

5～10

5～30

^2～6

40～55

B.100～250

7.0～7.5

<5

10～35

<0.5

0～10

还原带:强的
-0.1～-0.25

 Ew径流汇水区

200～350

7.5～8.0

<5

15～30

0.5～12

10～35

 富含有机质浅层水(四会-济广塘)

100～200

5.0～6.5

20～70

15～40

1～20

 

强还原带
<-0.25

 深部径流极滞缓的Ew承压水

350～750

>7.5(8)

0

<30

0

1～15

 较封闭的含炭质的Ew的碳酸水

400～750

6.0～6.5

600～800

<30

10～30

1～15

 Ew较封闭未完全淡化的古入侵咸水

>1000

>8.0

0

<30

0

1～15

注: A-为孔隙水；B-为孔洞裂隙水及火山岩下伏的孔隙水；^ 为多个水样的平均值。

２.１ 弱氧化带：氧化-还原电位Eh值估取范围在0.25～0.1伏之间

    分布于海康、遂溪一带北海组平原的浅层水及其深部透水性较好的中层水；湛江组台地地势较高的补给、径流区(占台地的大部分)的浅层水；火山岩孔洞裂隙潜水。

    由于地表松散层孔隙发育、玄武岩风化残积层空隙及垂直节理发育，浅部地层具有很强的透水性，十分有利于大气降雨的入渗补给，普遍具有很大的降雨入渗系数和地下水补给模数，浅层水对中层水渗透补给强度也很大。由于透水层所受到的淋滤作用强烈而较彻底，地下水被强烈淡化，矿化度很低，常为超淡水；同时，由于地表植被发育，有机质、微生物丰富，其分解作用产生的CO2溶于地下水中，使得水中游离CO2含量增高，PH值降低，酸性增强，介质中可溶性SiO2及铁离子被溶解释出。

    碳酸及氧的存在，各种硅铝酸盐矿物和二铁化合物溶滤的水－岩作用过程为：

    沉积层或玄武岩中的斜长石
    2Na[AlSi3O8]+2CO2+3H2O=2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2(钠长石)；
    CaO·2Al2O3·4SiO2+2CO2+5H2O→2HCO3-+Ca2++2H4Al2Si2O9(钙长石)或Ca[Al2Si2O8]+2H++6H2O=Al2O3·3H2O+2H2SiO4+Ca2+(钙长石)；
    沉积层中的氧化亚铁 FeO+2CO2+H2O→Fe(HCO3)2(海绿石)；
    原生黄铁矿的氧化 2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4；
    玄武岩中的橄榄石 Mg2SiO4+4H2O+4CO2=2Mg2++H4SiO4+4HCO3-；
                     Fe2SiO4+4H2O+4CO2=2Fe2++H4SiO4+4HCO3-；
    玄武岩中的辉石 MgSiO3+3H2O+2CO2=Mg2++2HCO3-+H4SiO4；
                    FeSiO3+3H2O+2CO2=Fe2++2HCO3-+H4SiO4。

    在氧化环境下，铁、硅主要以Fe(OH)3溶胶及正硅酸的溶胶(SiO2·2H2O)形式存在，铁离子还能以有机络合物形式存在于水中。水化学类型主要为ClHCO3-NaCa(NaMg)和HCO3Cl-NaMg(NaCa)型，局部补给区为HCO3-CaMg型，沿海如东海岛为Cl-Na型，补给径流区氯化物型水的出现是超淡化作用的结果，近海岸则可能与海水细沫的吹扬有关；孔洞裂隙水为HCO3-CaMg型，其铁离子含量较低。本带中位于水位变动带附近的地下水(尤其是孔洞裂隙水),常出现矿化度较深部含水层高的现象，其原因为水位下降时，包气带受到的氧化作用增强，使更多的元素被分解进入到水中。

2. 2 弱还原带：Eh值估取范围0.1～0伏

    分布于湛江组台地区浅层水的径流排泄区，中、深层水的补给、径流地带，涠洲组深层水的补给区；北海组平原区下洋组深层水补给径流地带；厚度小于50米的低台地火山岩孔裂承压水或无压承压水及其下伏孔隙中层水。

    受浅部含水层的渗透补给，水循环交替强烈，由于浅层水CO2含量较高，其下渗淋滤使硅铝酸盐矿物进一步风化分解，可溶性SiO2含量达到最高值；孔隙含水层中铁质矿物在CO2及O2的作用下溶解形成二价、三价铁离子，水－岩作用过程为：

    沉积层中的菱铁矿 FeCO3+CO2+H2O→Fe(HCO3)2；
    沉积层的黄铁矿 FeS2+2CO2+2H2O=H2S+S+Fe(HCO3)2。

    同时，PH值随着CO2的消耗而增高，水中HCO3-含量逐渐增加，矿化度亦随着水中元素的富集而增高。孔隙水的水化学类型主要为HCO3-NaCa(Mg)型，局部为HCO3Cl-CaNa型；孔洞裂隙水主要为HCO3-CaMg(Na)型。

2. 3 还原带(较弱的)：Eh值估取范围0～-0.1伏

    分布于湛江组台地区中、深层水径流汇水区，涠洲组径流区，低台地火山岩下伏孔隙深层水，雷南高台地深部孔洞裂隙水及其下伏下洋组深层水径流排泄区。地下水进一步下渗或向排泄区运移，但渗透强度减弱，与介质作用的CO2及O2逐渐减少，PH值增高，SiO2含量稍减，由于水中元素的富集，矿化度增高；逐渐变为嫌氧环境，孔隙水覆盖区Fe2+富集。水化学类型主要为HCO3-Na(Ca)或CaNa型。水的氢氧同位素较轻，如表4。

湛江市热水孔氢氧同位素值及其相应分带                      表4

孔号项目

糖厂-1孔

4804厂222孔

196医院751-1孔

S5030孔

R196

R9孔

R10孔

R2孔

深度(m)

1、2热储层

194～330

174～221

499～593

405～618

595～670

620～686

485～516

δD(‰)

-60.5

-58.4

-44.2

-44.7

-45.1

-39.3

-37.0

-17.0

δ18O(‰)

-7.95

-7.61

-7.78

-6.94

-6.82

-7.10

-6.26

-4.02

环境分带

还原带(较弱的)

还原带(较强的)

强还原带

2. 4 还原带(较强的)：Eh值估取范围-0.1～-0.25伏

    分布于涠洲组径流汇水区、介质富含有机质的浅层水。深部承压水由于含水层埋藏较深，径流滞缓，交替循环条件很差，源于浅层的CO2逐渐耗尽，水中PH值增高呈中性或偏碱性，矿化度较高，铁离子以二价为主，局部因PH值高而低于0.3mg/l。具有较重的氢氧同位素，反映地下水径流途径漫长。

    浅层富含有机质的浅层水。(此亚带尤其在邻区低洼地带的冲洪积层中分布普遍),一般分布于低洼地带，地表植被发育富含腐化植物，或地层时代较新化学活泼性较强、或淤泥质层中含丰富的腐植质。由于有机质的微生物分解产生了大量的CO2 ,使水中游离CO2含量达到20～70mg/l,局部富含NH4+、NO3-、H2S等组份，水的酸性增强，PH值为5～6.5；CO2对介质硅酸盐及铁质层的分解，使得水中含较高的可溶性SiO2(15～40mg/l)和铁离子；有机质与金属元素形成络合物溶于水中，使金属离子含量增高；有机质、微生物的还原作用形成了厌氧的还原环境，使更多的Fe2+与重碳酸共存在于水中，铁的氧化物还原、溶解方程式为：

    Fe2O3+3H2S→2FeS+3H2O+S(有机质的存在，H2S来源于脱硫细菌对SO42-的还原)；
    FeS+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2S。

    较强的溶滤作用和相对滞缓的环境有利于元素的富集，矿化度较高(0.1～0.3g/l),阳离子的交替吸附作用使水中的Na+含量升高。水化学类型为HCO3Cl-CaNa或ClHCO3-NaCa型，局部为Cl-Na型。

2. 5 强还原带：Eh值估取范围<-0.25伏

    分布于径流极滞缓或相对封闭的涠洲组深部承压水。由于源于浅层的CO2及O2耗尽，水中游离CO2为0，铁离子含量很低(<0.3mg/l),PH值、矿化度较高，具有重的氢氧同位素，反映径流途径更漫长。水化学类型为HCO3-Na(Mg)型。在涠洲组分布区，局部含炭质的含水层封闭了大量变质成因的CO2，溶于水中形成含量高达600～800mg/l的碳酸水，水中并富含H2S、Fe2+等组份，矿化度较高，如广丰糖厂、志满农垦干疗院等地的深热水孔。(全文8150字)

1998.12.26

  参 考 文 献

[1].王大纯,张人权,史毅虹等.水文地质学基础.地质出版社.1980；
[2].杨成田主编.专门水文地质学-水文地球化学基础.地质出版社.1981；
[3].沈照理,朱宛华,钟佐荣编.水文地球化学基础.地质出版社.1993.