鄂尔多斯盆地嵌套式地下水流动系统中水文地质过程驱动的地球化学演化机制

针对干旱半干旱区厚层含水层中嵌套式地下水流动系统(LFS/IFS/RFS)的水文地球化学演化难题，研究人员通过分层采样与数值模拟，揭示了不同层级流动系统中碳酸盐溶解-蒸发岩溶蚀的递变规律，发现水力捕获带存在硫酸盐富集与碳酸盐沉淀的特殊地球化学行为，为缺水地区地下水环境管理提供了新视角。

　　

在广袤的鄂尔多斯盆地，地下水是维系半干旱区生态与民生的重要命脉。然而，这片土地正面临着一个科学难题：厚度超过千米的含水层中，嵌套着局部(LFS)、中间(IFS)和区域(RFS)三级地下水流动系统，它们像俄罗斯套娃般相互交织。传统钻孔采样难以穿透如此深度，导致人们对其水文地球化学演化机制知之甚少——究竟是什么样的水力条件在操控着深层水化学演变？不同层级流动系统中，矿物溶解与沉淀如何接力更替？这些问题的答案，关乎着西北缺水地区地下水资源可持续利用的命脉。

长安大学水资源与环境学院的研究团队独辟蹊径，利用盆地内仅有的两口深钻孔进行分层采样，结合民井与自流井数据，构建了耦合MODFLOW-2000数值模型的水文地球化学网络。他们创新性地采用环境示踪剂Cl^-与年龄拐点识别流动系统边界，通过离子比例分析和多同位素联用，首次系统揭示了厚层含水层中地球化学过程的"水力驱动密码"。

关键技术方法包括：1) 基于150m×5m网格的MODFLOW-2000三维流场模拟；2) 利用¹⁴C定年与Cl^-拐点识别流动系统层级；3) 水化学图谱与δ³⁴S同位素联用区分BSR(细菌硫酸盐还原)与硫化物氧化；4) PHREEQC模拟矿物饱和指数。

【Hierarchically nested groundwater flow system】章节显示，年龄拐点在K1孔210-310m(LFS/IFS界面)和610-690m(IFS/RFS界面)处突现，对应Cl^-浓度阶跃式增长。数值模拟证实，相邻反向流动系统交汇处形成流速<0.01m/d的水力捕获带，成为地球化学反应的"慢反应釜"。

【Water–rock interactions】部分揭示递变规律：LFS中快速流动(>1m/d)主导Ca-HCO₃型水形成，方解石饱和指数(SI_cal≈0.3)显示活跃的碳酸盐溶解；IFS中流速降至0.1-0.5m/d，石膏(SI_gyp=-0.8)开始溶解；RFS中长达千年的滞留时间使岩盐(SI_hal=-0.2)成为主要溶蚀相。捕获带则出现SO₄^2-富集(>600mg/L)与文石沉淀(SI_arag=0.5)的"化学悖论"。

【Conclusions】总结指出：1) 首次建立流动系统层级-流速-矿物溶解序列的定量关系，提出"碳酸盐→蒸发岩→氧化还原"的地球化学演化链；2) 揭示捕获带作为地球化学屏障的功能，其SO₄^2-富集机制为干旱区地下水污染防治提供新靶点；3) 开发的有限钻孔数据整合方法，为全球类似盆地研究建立范式。这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，不仅破解了嵌套式流动系统的"黑箱"难题，更通过厘清Ca²⁺/SO₄^2-迁移转化规律，为西北地区地下水质量预警系统奠定了理论基础。