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2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

日期: 2022-08-29
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2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

地下水是水文循环的重要组成部分,广泛用于饮用水、工农业活动以及战略储备。然而,人类活动的加剧(如水利工程建设、地下水过度开采、农药和生活污水排放)以及天然劣质地下水在大型流域中的广泛分布,导致地下水环境恶化。因此,水资源的合理管理和水环境的有效保护至关重要,基于地下水流系统(GFS)理论,全面理解地下水流模式(即更新速率、流径及演化趋势)有助于准确评估水文通量和预测污染物分布。汉江平原是长江流经三峡后第一个接收沉积物的大型河湖盆地。复杂的沉积环境、地下水-地表水强烈相互作用以及人为改造自然环境的共同作用,形成了汉江平原独特的GFS格局。了解汉江平原地下水循环演化及其控制机制,对于促进GFS的实际应用和该地区地下水资源保护具有高度紧迫性和挑战性。

基于此,在本研究中,来自中国地质大学(武汉)的研究团队在汉江平原腹地和过渡区进行了相关研究,旨在:(1)基于沉积物粒度特征、粘土孔隙水稳定同位素和古气候指标重建汉江平原第四纪含水层系统的沉积环境;(2)深入理解末次盛冰期(LGM)以来沉积环境驱动的GFS演化模式。

作者于2015年和2017年在汉江平原腹地和过渡区钻了两个钻孔G01和G05,深度分别为200 m和185 m。从钻孔中收集沉积物样品,分析其粒度分布,地球化学和矿物成分。并从钻孔G01和G05中分别采集了19个和17个粘土样品,利用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100,北京理加联合科技有限公司)提取粘土孔隙水,并进一步分析其δ18O。

2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

江汉平原第四纪沉积相、河系和主要钻孔分布。

【结果】

2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

G01(a)和G05(b)钻孔孔隙水δ18O、沉积物OSL年龄、粘土矿物和

地球化学指标的垂向分布以及第四纪古气候演化阶段。


古气候阶段G01和G05钻孔孔隙水δ18O值、 粘土矿物和沉积物地球化学指标。

2100 | 末次盛冰期以来长江中游沉积环境驱动的地下水流系统演化

【结论】

基于水文地质条件、粒度分布特征、沉积物年代学、古气候指标和现存地下水年龄等综合分析,阐明了江汉平原沉积环境驱动的GFS演化模式。该研究的主要发现总结如下:

在江汉平原第四纪含水层沉积环境的演化历史中,沉积相主要为河流相、湖泊相和河湖相,由中深层含水层的粗粒相过渡到浅层含水层的细粒相。这意味着水动力条件逐渐减弱并趋于稳定。此外,湖泊相沉积层厚度向平原腹地方向增加。

自LGM以来,江汉平原气候演化和沉积相之间具有一定的耦合关系。沉积环境从LGM期间深下切侵蚀环境转变为末次冰消期(LDP)快速冲填粗粒沉积物的河流相环境,然后转变为全新世暖期(HWP)具有细粒沉积物的稳定湖泊相环境。这些变化与长江水位的波动密切相关。

基于江汉平原现存地下水年龄的分布,自LGM以来,GFS的演化模式可分为三个阶段。阶段I(22-13 ka B.P.),长江水位急剧下降造成的强水势差增加了地下水的驱动力,极大促进了该阶段区域GFS充分发展,其环流深度达到第四纪底部。随着阶段II地下水驱动力的快速削弱(13-9 ka B.P.),区域GFS再循环深度下降至深层含水层上部,而阶段I的区域GFS逐渐深埋于盆地中。作为阶段III(9 ka B.P.至今)稳定在低水位地下水驱动力,阶段I和阶段II的区域GFS保存在盆地深处,被认为是一个停滞系统(地下水年龄在10 -20 ka之间)。此外,区域GFS(地下水年龄为4-10 ka)和中间GFS(地下水年龄为1-6 ka)共同被认为是稳定体系。随着微地形的充分发育,垂直于河流方向的浅层地下水流形成了活跃的局部GFS(地下水年龄 < 100 a)。


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