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Scientia Geographica Sinica  2016 , 36 (5): 794-802 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2016.05.019

Orginal Article

新疆天然水化学特征区域分异及其地质成因

刘永林1, 2, 雒昆利1, , 李玲1, 徐永新1, 张湜溪3, 田原1

1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京100101
2. 重庆师范大学地理与旅游学院, 重庆401331
3. 清华大学化学系, 北京 100084

Regional Differences and Geological Causes of Hydrochemistry of Natural Water in Xinjiang, China

Liu Yonglin1, 2, Luo Kunli1, , Li Ling1, Xu Yongxin1, Zhang Shixi3, Tian Yuan1

1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2.Geography and Tourism College, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China
3. Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China

中图分类号:  P592

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690（2016）05-0794-09

通讯作者:  雒昆利,研究员。E-mail: kunliluo@sohu.com

收稿日期: 2015-01-2

修回日期:  2015-03-12

网络出版日期:  2016-07-20

版权声明:  2016 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家973项目（2014CB238906）、国家自然基金项目（41172310、41472322）、中国科学院院地合作项目（XBXJ-2011-050）资助

作者简介:

作者简介：刘永林（1983-）,男,河南温县人,副教授,博士,主要研究方向为地质环境与健康。E-mail: liu3986130@163.com

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摘要

为研究新疆天然水化学特征区域分异及成因,采集、分析和田地区51组天然水样,收集已发表的新疆其它地区天然水化学数据103组。数据说明：南疆天然水总溶解性固体（TDS)（1 589.4 mg/L）是北疆天然水（513.5 mg/L）的3.1倍;83.33%和89.59%的北疆天然水TDS和TH符合中国饮用水卫生标准,南疆天然水TDS和TH达标率分别为62.26%和70.75%。北疆天然水水化学类型主要为Ca-HCO3和Ca·Mg-HCO3·SO4,南疆天然水水化学类型主要为Na·Ca-Cl·SO4和Na·Mg-Cl·SO4。南北疆天然水化学特征区域差异与南北疆地质构造分区重合。地质构造演化的不同,为南北疆天然水提供不同物源;水文气象差异加剧了其天然水化学组分差异。

关键词： 地质因素 ; 水化学特征 ; 区域分异 ; 气象因素 ; 新疆

Abstract

To study the regional differences of hydrochemistry of natural water in Xinjiang, 51 natural water samples from Hotan Prefecture, Xinjiang were collected and analyzed. 103 sets of data on natural hydrochemistry in other parts of Xinjiang were collected from published papers. The results showed that: total dissolved solid (TDS) in natural water from Southern Xinjiang(1 589.4 mg/L) was 3.1 times as high as that of Northern Xinjiang(513.5 mg/L). TDS and TH in 83.33% and 89.59%, respectively, of natural water samples from Northern Xinjiang were to the standards for drinking water quality, while the figures for natural water samples from South Xinjiang were 62.26% and 70.75% respectively. The water type in North Xinjiang were Ca-HCO3 and Ca·Mg-HCO3·SO4 mainly,while the water type in South Xinjiang were Na·Ca-Cl·SO4 and Na·Mg-Cl·SO4. The mean/average concentration of nitrate ion(NO3-) in natural water from North Xinjiang(5.2 mg/L) was higher than that of South Xinjiang(2.7 mg/L). Main conclusions: The significant regional differences of hydrochemistry between North Xinjiang and South Xinjiang coincided with tectonic division in Xinjiang. Regional differences of hydrochemistry of natural water in Xinjiang resulted from the interaction of geological factor, hydrometeorologic factor and human activities. Chemical constituents of natural water from Xinjiang were mainly determined by rock weathering and evaporation concentration. Chemical constituents of natural water from North Xinjiang were mainly from carbonatite and evaporite weathering. And chemical constituents of natural water from South Xinjiang were mainly from carbonatite, silicate minerals and evaporite weathering. The evolution of chemical constituents of natural water in North Xinjiang was less affected by evaporation concentration than that in South Xinjiang. In addition, NO3- concentration in natural water from Xinjiang was high, indicating that human activities also had an impact on the regional differences of hydrochemistry to some extent.

Keywords： geological factors ; hydrochemistry characteristics ; regional differentiation ; meteorological condition ; Xinjiang

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刘永林, 雒昆利, 李玲, 徐永新, 张湜溪, 田原. 新疆天然水化学特征区域分异及其地质成因[J]. , 2016, 36(5): 794-802 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2016.05.019

Liu Yonglin, Luo Kunli, Li Ling, Xu Yongxin, Zhang Shixi, Tian Yuan. Regional Differences and Geological Causes of Hydrochemistry of Natural Water in Xinjiang, China[J]. Scientia Geographica Sinica, 2016, 36(5): 794-802 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2016.05.019

陆地表面天然水体（包括河水、溪水、湖水、水库水、泉水和井水等）是水圈的重要组成部分,是岩石圈、大气圈、土壤圈和生物圈纽带,受其它4个圈层影响[1~6]。岩石圈和土壤圈为天然水化学组分提供物源,地质构造为天然水化学组分演化提供了外部环境,并影响着天然水化学组分。

新疆维吾尔族自治区,占国土面积1/6。随着新疆经济发展,诸多问题呈现,如人口密度增大[7~9]、生态环境恶化[10]、水资源短缺[11~13]等。其中水资源问题是新疆的重要生态问题。南北疆属于不同的地质构造单元（图1a）[14,15],造成南北疆在地质构造演化上具有明显差异,为研究地质因素对天然水化学组分的影响提供有利条件。Liu等于2014年[16]探讨新疆天然水化学特征与健康长寿之间的区域联系,得出新疆天然水化学特征与长寿人口具有相似的区域分异性,并且这种区域分异与新疆大地构造单元重合,但影响新疆天然水化学特征区域分异的因素并不清楚。为此,本文从降水条件、蒸发浓缩、地质背景、岩石风化和人类活动等方面系统讨论新疆天然水化学特征的区域分异。

1 研究方法和材料

2010年9月和2012年10月,于新疆自治区和田地区采集天然水样51组,其中地表水样15组,地下水样36组。使用GPS标定采样点位置（图1a）。取水样的聚乙烯塑料瓶需用硝酸浸泡24 h以上,采样时用所采集水样洗涤容器3次[17]。pH现场测定;盐酸滴定法测定重碳酸根（HCO3-）;阳离子和部分阴离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Sr2+、Li+和SO42-）及SiO2采用电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES)测定,氯离子（Cl-）和硝酸根（NO3-）采用离子色谱（IC）测定;选择电极法测定氟（F-）离子。总溶解性固体（TDS）使用计算值[5];总硬度（TH）通过钙（Ca2+）和镁（Mg2+）含量计算[5]。阴阳离子平衡相对误差小于±5%。

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图1   新疆地质构造（a）[15]和地形图（b）

Fig.1   Geologic structure (a) and topography (b) of Xinjiang

为研究新疆天然水化学性质区域分异及地质成因,收集了南疆阿克苏河、嘎斯河和玉龙喀什河流域34组天然水化学资料[18],塔里木河流域21组天然水化学资料[19]以及北疆额尔齐斯河、伊犁河流域和准格尔盆地48组[20,21]天然水化学资料。采用OriginLab 8.0、ArcGIS 9.3、CorelDraw 14.0和AquaChem 3.70处理数据和绘图。使用Visual Minteq 3.0计算饱和指数（SI）。

2 结果与分析

新疆和田地区天然水化学组分列于表1。和田地区天然水pH值为6.4~8.5,均值7.9,为弱碱性水。天然水TDS变化范围282.9~4 320.3 mg/L。天然水TH范围为98.6~1 788.1 mg/L。阳离子浓度排序为Na+>Ca2+>Mg2+（基于单位mg/L）,而阴离子排序为Cl->HCO3->SO42->NO3-（基于单位mg/L）。天然水F-、锶 （Sr2+）含量分别为0.0~4.4 mg/L和0.3~5.5 mg/L。天然水锂（Li+）含量变化也较大（0.0~1.8 mg/L）。

表1   新疆和田地区天然水化学组分统计特征（mg/L）

Table 1   Statistical summary of the parameters determined in the studied water samples from Hotan Prefecture, Xinjiang

参数最小值最大值平均值中位数文献[22]超标率（%）
pH6.48.57.98.06.5~8.51.96
TDS282.94320.31004.4833.6100037.25
TH98.61788.1389.1350.645021.57
Ca2+21.8327.673.164.3-
Mg2+10.6357.849.540.4-
Na+51.5746.7211.7158.620039.22
K+4.184.617.512.3-
HCO3-119.6663.8277.2203.3-
SO42-53.7904.7270.4190.125033.33
Cl-16.11819.8256.4167.725033.33
NO3-0.119.13.11.9105.88
SiO24.719.712.612.0-
F-0.04.41.20.91.037.25
Sr2+0.35.51.41.3≥0.2[23]100.00
Li+0.01.80.30.1≥0.2[23]39.22

注：Sr2+,Li+含量>0.2mg/L为饮用矿泉水标准;“-”指文献[22]中无此化学组分的规定。

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新疆和田天然水TDS、TH、SO42-、Cl-、Na+、NO3-、F-。超标率分别为37.25%,21.57%,33.33%,33.33%,39.22%,5.88%,37.25%（表1）。所取天然水Sr2+含量全部达到饮用矿泉水标准,39.22%的天然水样Li+含量达到中国饮用矿泉水标准（见表1）。

3 讨论

3.1 新疆天然水化学性质区域分异

根据TDS和TH,可对水进行化学分类[5]。表2为北疆天然水特征,主要为淡水-软水和淡水-硬水。南疆天然水主要为淡水-硬水和微咸水-硬水,个别天然水样TDS大于5 000 mg/L和TH大于1 000 mg/L。83.33%和89.59%的北疆天然水样TDS和TH符合饮用水卫生标准,南疆天然水样TDS和TH达标率分别为62.26%和70.75%（表2）。

表2   新疆天然水TDS和TH统计特征

Table 2   The statistical characteristics of TDS and TH for natural water in Xinjiang

TDS[5]TH[5]
淡水
（<1000mg/L）		咸水
（1000~5000mg/L）		盐水
（>5000mg/L）		极软水
（<75mg/L）		软水
（75~150mg/L）		中等硬水
（150~300mg/L）		硬水
（300~450mg/L）		极硬水
（>450mg/L）
北疆83.33%（40）14.58%（7）2.08%（1）29.17%（14）37.50%（18）16.67%（8）6.25%（3）10.42%（5）
南疆62.26%（66）33.02%（35）4.72%（5）0.94%（1）7.55%（8）36.79%（39）25.47%（27）29.25%（31）

注: 北、南疆二排中数值后括号中数值表示水样个数。

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北疆天然水主要阳离子浓度排序为Ca2+>Na+>Mg2+>K+（基于单位mg/L）,主要阴离子浓度排序为HCO3->SO42->Cl-[20,21]（基于单位mg/L）（图2,图3a）。因此,北疆天然水主要水化学类型为Ca-HCO3和Ca·Mg-HCO3·SO4（图3a）。

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图2   新疆天然水中主要离子平均密度和分布指印

Fig.2   The fingerprint diagram the average and the range of major solute concentrations for natural water in Xinjiang

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图3   新疆地区天然水Durov三线图

Fig.3   The trilinear chart of Durov for natural water in Xinjiang

南疆天然水中主要阳离子浓度排序为Na+>Ca2+>Mg2+>K+（基于单位mg/L）,主要阴离子浓度排序为Cl->SO42->HCO3-（基于单位mg/L）（图2,图3b）。所以,南疆天然水水化学类型主要为Na·Ca-Cl·SO4和Na·Mg-Cl·SO4型（图3b）。因此,南北疆天然水中主要离子所占比例具有明显差异（图3）。

3.2 新疆天然水化学特征与其他区域对比

为了全面地认识新疆天然水化学性质,将其与世界不同的区域天然水化学组分进行比较（表3）。新疆天然水化学类型为Na·Mg-Cl·SO4;西藏地区、巴丹吉林沙漠地下水、巴丹吉林沙漠湖水、西江上游、长江流域、淮河流域、珠江流域、黄河流域、埃塞俄比亚中央裂谷区和亚马逊河流域天然水水化学类型分为Ca·Mg-HCO3·Cl、Na-Cl·SO4、Na-Cl、Ca·Mg-HCO3、Ca-HCO3、Na·Ca-HCO3·Cl·SO4、Ca-HCO3、Na·Ca·Mg-HCO3·SO4、Na-HCO3和Ca-HCO3。新疆天然水TDS高于西藏、西江上游、长江流域、淮河流域、珠江流域、黄河流域和亚马逊河流域;与巴丹吉林沙漠地下水TDS相当。因此,不同地区具有不同的天然水化学特征。

表3   不同区域天然水中主要离子组成对比（mg/L）

Table 3   Water chemistry in different regions of the world

地点样数（个）pHCa2+Mg2+Na+K+HCO3-SO42-Cl-NO3-SiO2TDS
新疆1547.859.251.7218.215.8188.4314.9287.33.95-1045.3
北疆[20,21]487.929.127.2105.38.5117.3205.074.55.2-513.5
南疆[18,19]1067.789.376.1331.023.0259.5424.8500.12.712.61589.4
和田517.973.149.5211.717.5277.2270.4256.43.112.61004.4
西藏[24]577.655.318.734.93.1169.754.747.7-12.6311.9
巴丹吉林沙漠地下水[25]117.952.530.6257.918.6213.7267.8236.346.9-1017.5
巴丹吉林沙漠湖水[25]99.972012564190447073201530052900-40.59140705.6
西江上游[26]518.121.19.54.51.8166.623.02.47.16.1158.8
长江流域[27]191-34.17.68.2*-133.811.72.9-2.9134.3
淮河流域[28]527.445.021.587.36.7142.6106.981.49.58.4438.0
珠江流域[29]109-38.44.52.10.1132.07.71.2-6.0126.0
黄河流域[30]1008.144.922.460.03.5200.183.246.97.418.0386.4
埃塞俄比亚中央裂谷[31]418.119.65.31058.263.82326.862.5360.08.4-2741.2
亚马逊河流域[32]124-12.01.73.91.243.94.03.90.69.058.3

注： *表示Na+K的密度;“-”表示无数据。

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3.3 成因探讨

1） 地质因素。新疆大地构造单元主要以塔里木板块和准格尔板块为基底,并在其周边发育阿尔泰山、天山和昆仑山褶皱带（图1a）[14,15]。南北疆在地层框架发育上具有较大的区别（图1a）。

南疆古生代碳酸盐岩和中新生代碎屑岩出露面积略大于北疆,花岗岩出露面积小于北疆（图1a）。另外,北疆发源于阿尔泰山区的河流主要流经晚古生代碳酸盐岩、碎屑岩和晚古生代花岗岩,最后直接进入中新生代沉积盆地。天山北麓发育的河流主要流经晚古生代和南华纪-早古生代碳酸盐岩和碎屑岩。天山南麓河流主要流经志留纪-早中泥盆世陆缘沉积单元和南华纪-早古生代大陆裂谷-洋盆沉积单元（碳酸盐岩和碎屑岩为主）;昆仑山北麓河流主要流经晚古生代碳酸盐岩、火山碎屑岩和元古宙变质及浅变质岩;塔里木盆地西部阿克苏地区河流主要流经志留纪-早中泥盆世和南华纪-早古生代碳酸盐岩、碎屑岩。因此,若从物源考虑,南北疆天然水化学组分差异比较低,但实际上南北疆天然水化学组分差异较大（图2,图3）。可能与以下所述因素有关。

2） 降水影响。一般情况下,南疆气温高于北疆,北疆的降水量高于南疆[33]。大气降水携带一定含量化学成分[1]。随着远离海岸,大气降水中Na+和Cl-逐渐减少[1,32]。Na+和Cl-极易溶于水,且不易生成沉淀物和被胶体等物质吸附[3,23],源自海水的降水mNa与mCl的比值≈0.86[32],可通过mNa与mCl的比值确定Na+和Cl-是否受降水影响。图4a显示93.7%北疆天然水样mNa与mCl比值高于0.86,均值1.70;85.8%南疆天然水样mNa与mCl比值高于0.86,均值1.30。新疆平原降水量小于山区[18~21],且降水量随海拔升高而增加[18~21]。图4b显示,随着海拔增高,Cl-含量明显降低,但南疆天然水Cl-含量降低速率高于北疆。可能是南疆地区降水量小于北疆而造成。总之,新疆天然水中Na+和Cl-含量受大气降水影响较小。

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图4   mNa与mCl的比值、海拔H与Cl-密度关系

Fig.4   The relationship between mNa and mCl, and that between altitude H and Cl-

3） 蒸发浓缩。南北疆地质构造演化,造就了新疆三山夹两盆的地形地貌。准格尔盆地地势为西低东高（图1b）,有利于西部水汽进入;塔里木盆地地势西高东低（图1b）,在地形上阻碍了西北和西南部水汽的进入。因此造成了新疆降水量由南向北减少,致使南疆蒸发量高于北疆[34]。这导致南北疆天然水蒸发浓缩速率不同,蒸发浓缩易引起溶解度小的盐类沉淀,而溶解度高的盐类聚集[5],可用矿物饱和指数（SI）来表征蒸发结晶作用引起的水化学成分变化。表4显示了南北疆天然水中主要矿物的饱和指数,表明南疆天然水碳酸盐类矿物相对于北疆更容易沉淀。天然水中石膏和岩盐都未达到饱和,但南疆天然水中石膏和岩盐的饱和指数高于北疆,表明南疆天然水矿化程度较高。因此,南疆天然水中溶解度高的盐类离子（如Na+、Cl-、SO42-等）发生聚集。

表4   南北疆天然水中主要矿物的饱和指数（SI）

Table 4   The saturation index (SI) of major minerals in natural water of the southern and northern Xinjiang

地区SI值霰石方解石白云石菱镁矿石膏岩盐
北疆最小值-2.82-2.67-6.32-4.07-3.72-10.00
最大值1.011.162.891.30-0.88-4.74
平均值-0.67-0.52-1.74-1.65-1.82-8.28
SI>0（%）12.5018.7512.508.330.000.00
南疆最小值-1.52-1.37-3.48-2.70-2.65-9.07
最大值0.981.131.860.30-0.01-3.40
平均值-0.080.06-0.35-0.85-1.28-6.16
SI>0（%）58.8866.3653.277.480.000.00

注：SI（饱和指数）用软件Visual Minteq 3.0计算[35]。

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4） 岩石风化。从补给区到排泄区,天然水一直与周围岩石或沉积物发生水岩反应。因此,不同的岩性会造成天然水化学成分的差异[1,2]。水中主要离子的比例,在一定程度上可以反应不同岩石风化对天然水化学组分的影响[1,2,32]。新疆天然水样多数偏离Ca2+/HCO3-等值线（图5a）,说明碳酸盐岩风化并不能解释南北疆天然水中Ca2+和HCO3-全部来源。新疆天然水样多数位于Ca2++Mg2+/HCO3-等值线下方（图5b）,说明Ca2+、Mg2+,还有部分来源于其它岩石风化,如蒸发岩风化（图5c）。新疆天然水样多数落在Ca2++Mg2+/HCO3-+SO42-附近,表明Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-主要来源于碳酸盐岩和蒸发岩风化。北疆多数天然水样更接近Ca2++Mg2+/HCO3-+SO42-,表明碳酸盐岩和蒸发岩风化对北疆天然水Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的贡献高于南疆。南疆天然水样更远离Ca2++Mg2+/SO42-等值线（图5d）,和北疆天然水样相比更接近HCO3-/Cl-SO42-等值线（图5e）,表明南疆天然水化学组分受蒸发岩影响强于北疆。

Na+主要来源于大气降水、蒸发岩风化（石盐）和富钠矿物风化[20,21,32]。大气降水不是Na+主要来源（图4）。新疆天然水样偏离Na++K+/Cl-和Na++K+/Cl-+SO42-等值线（图5f、g）,表明Na+、K+并不是主要来源于蒸发岩的风化,另有部分来源于富钠矿物风化,如：钠长石、高岭石等。南疆天然水样更接近于Na++K+/Cl-和Na++K+/Cl-+SO42-等值线（图5f、g）,表明南疆天然水中Na+、K+受蒸发岩风化影响高于北疆。北疆天然水样多位于Ca2++Mg2+/Na++K+等值线下方,而南疆天然水样多接近Ca2++Mg2+/Na++K+等值线,表明南疆天然水化学组分受硅酸盐矿物风化影响高于北疆,事实也说明这一点。北疆天然水的补给区主要为碳酸盐岩和硅酸盐矿物[20,21,36],因此,降水及冰川融水易携带碳酸盐岩和硅酸盐矿物风化产物。南疆天然水补给区主要为昆仑山高山地带海拔（5 000 m）以上的岩浆岩和变质岩风化产物[36]。

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图5   新疆天然水中主要离子比例

Fig.5   Proportion of major ions in natural water in Xinjiang

综上所述,北疆天然水化学组分主要受控于碳酸盐岩和蒸发岩风化,南疆天然水主要受控于碳酸盐岩、硅酸盐矿物及蒸发岩风化。其中,南疆天然水化学组分受蒸发岩风化影响强于北疆。

5）人为因素。人类对环境的影响越来越广、越深[1,5,6]。NO3-的含量可以反映人类活动对天然水体的影响程度[37]。北疆天然水中NO3-平均含量分别为5.2 mg/L,高于南疆天然水（2.7 mg/L）,亚洲河水（0.7 mg/L）和世界河水（1.0 mg/L）NO3-含量[38],但低于西江上游（7.1 mg/L）、淮河流域（9.5 mg/L）和黄河流域（7.4 mg/L）（表3）。说明,新疆天然水体受到一定程度人为活动（如农业施氮肥）影响,并且北疆重于南疆。但整个新疆由于经济发达程度较低,所以天然水体受人为活动影响低于经济发达地区,如黄河流域和淮河流域。

4 结论

通过研究和分析新疆天然水区域分异主要得出以下结论：

1） 南疆天然水主要为淡水-硬水和微咸水-硬水,而北疆天然水主要为淡水-软水和淡水-硬水。83.33%和89.59%的北疆天然水样TDS和TH符合中国饮用水卫生标准;而南疆天然水样TDS和TH达标率分别为62.26%和70.75%。南疆天然水水化学类型主要为Na·Ca-Cl·SO4和Na·Mg-Cl·SO4,北疆天然水的主要水化学类型为Ca-HCO3 和Ca·Mg-HCO3·SO4。

2） 新疆地区南北疆天然水水化学特征有明显的区域差异,而这种区域差异与南北疆地质构造分区重合。新疆天然水化学特征区域分异主要是由地质因素、水文气象因素和人类活动等共同作用的结果。其中,南北疆地质构造单元的差异演化,造成了天然水的补给区和径流区岩性有差异,这为南北疆天然水提供了不同物源;南北疆水文气象因素的差异加剧了天然水化学特征区域分异。人类活动对NO3-区域分异的形成具有一定的贡献。

3） 新疆天然水化学组分主要受控于岩石风化和蒸发浓缩。北疆地区天然水化学组分主要来源于碳酸盐岩和蒸发岩风化,南疆天然水化学组分主要来源于碳酸盐岩、硅酸盐矿物及蒸发岩风化。北疆天然水化学组分的演化受蒸发浓缩作用弱于南疆。

The authors have declared that no competing interests exist.

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