《Water》：Multivariate Analysis and Hydrogeochemical Evolution of Groundwater in a Geologically Controlled Aquifer System: A Case Study in North Central Province, Sri Lanka
摘要
本研究调查了斯里兰卡Netiyagama干旱区裂隙结晶基岩内地下水化学、岩性和构造特征之间的耦合关系。地下水化学基本反映了由岩水相互作用决定的地质条件，我们假设非均质裂隙系统中地下水化学的特定空间模式明显受岩性变化、构造驱动的流动路径、含水层分层以及包括阳离子交换和矿物特异性风化在内的地球化学过程的综合效应控制。为了验证这一点，我们整合了水文地球化学特征与已测绘的水文地质数据，并应用了多阶段多元分析，包括Piper图、层次聚类分析（HCA）、主成分分析（PCA）以及各种双变量图。Piper图识别出五种不同的水化学相，但这些相并未与特定岩石类型直接相关，凸显了传统方法在非均质环境中的局限性。采用多阶段多元分析，我们识别出七个簇群（C1–C7），这些簇群在不同岩石类型上表现出独特的空间分布，并对地下水化学进行了更精细的分类。这些簇群与受区域向斜和线性构造控制的三单元含水层框架（浅部风化带、~80–100 m平均海平面的间歇性裂隙带和深部持续性裂隙）相一致。通过双变量图的进一步分析揭示了跨识别簇群的主要风化过程、阳离子交换机制和地下水滞留时间。补给型簇群（C1, C2, C5）反映了以斜长石为主的风化和短流动路径；过渡型簇群（C3, C7）显示了混合来源和增加的交换作用；演化型簇群（C4, C6）表现出更高的矿化度和更长的滞留时间。总体而言，集成工作流程（相图 + PCA/HCA + 双变量/过程图）在不进行额外钻探的情况下约束了含水层动态、补给路径和流动路径演化，并为井位选址和处理提供了实用指导。
1. 引言
干旱区地下水化学与岩性之间的联系是水文地质学中的一个重要课题。该领域的地质特征是影响地下水化学的几个变量之一。在裂隙结晶岩地区，地下水组成主要由矿物溶解-沉淀、阳离子交换和氧化还原反应等过程塑造，这些过程随滞留时间和裂隙连通性而变化。理解地下水化学、岩性和构造之间的联系对于干旱和半干旱地区的水资源可持续管理和规划具有重要意义，因为这些地区的水资源常常分散且脆弱。由于补给有限且循环缓慢，干旱带含水层通常因长时间的岩水接触而发育出高矿化度和空间异质性。
一个地区地下发现的矿物种类取决于其岩性。随着地下水与这些矿物相互作用，它可能经历许多影响其组成的化学反应。例如，某些矿物可以将离子释放到地下水中，改变其物理和化学性质。在斯里兰卡干旱带，这些过程在Wanni和Highland杂岩体的前寒武纪结晶含水层中进行，其中已记录到硅酸盐风化特征和阳离子交换反应。
在结晶岩含水层中，渗透性主要取决于裂隙的密度和连通性，因为只有少数这些构造是水力活跃的。这种非均质性导致即使在单一岩性内，地下水化学也存在强烈的空间变化。为了识别不同的水体和定义地下水系统，裂隙结晶岩中的水文地球化学调查通常使用主要和次要溶解离子。然而，为了解开重叠的地球化学影响，多变量统计工具如主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）越来越多地与传统的图形方法结合使用。在本研究中，我们假设地下水化学反映了受岩性和结构变异性控制的独特地质条件，并且即使在单一岩性内，裂隙连通性、矿物学和滞留时间的差异也会导致可变的岩水相互作用。
研究区Netiyagama是斯里兰卡中北部省阿努拉德普勒区的一个干旱带村庄，地下水赋存于裂隙结晶含水层中。先前的调查表明，该地区的地下水通常呈中性至弱碱性，具有较高的总溶解固体（TDS）和显著浓度的硅、锶和氯化物，这些特征表明强烈的硅酸盐风化和在含水层中的延长滞留时间。根据文献，该地区地下水的地球化学表明岩水相互作用的强烈影响，主要离子主要来自下伏变质岩层中的长石、角闪石和其他硅酸盐矿物。然而，大多数现有研究强调化学分类和物源，与结构地质学和地下非均质性的整合有限，而这对于理解地下水演化至关重要。
在全球范围内，裂隙结晶含水层的特点是强矿化度以及浅部和深部系统之间广泛的地球化学变异性，反映了较长的滞留时间和岩性控制。在斯里兰卡的基底含水层中也识别出了类似的模式。
本研究的目的是将水文地球化学特征与水文地质和地质数据相结合，以在不完全依赖昂贵钻探操作的情况下改进对地下框架的理解。具体而言，本研究旨在（i）使用Piper和Gibbs图表征地下水相；（ii）应用PCA和HCA识别统计上不同的地下水组；（iii）将这些簇群与岩性和结构域联系起来；（iv）推断主要的文地球化学过程，如硅酸盐风化、离子交换和混合。这种整合旨在利用水文地球化学绘图来圈定含水层、补给区和地下水流动路径，从而改进地下水演化和资源可持续性的概念模型。为了验证假设，本研究通过多阶段多元工作流程将地质和结构野外观测与化学数据集相结合。传统的Piper图提供一级水化学相分类，而HCA和PCA揭示了与岩性和结构相关的更精细的区别。在像Netiyagama这样的结晶岩地区，这种集成方法比任何单一分类方法都能提供对含水层非均质性更稳健的理解。
2. 材料与方法
2.1. 研究区
2.1.1. 研究区地质背景
研究区的选择旨在支持为位于阿努拉德普勒-米欣特莱地区资源有限的一所学校建立水处理厂，该地区是斯里兰卡中北部省的一个干旱带村庄（Netiyagama）。选择该地点是经过深思熟虑的，因为它位于研究区域的中心点，确保水文评估和后续的供水干预措施直接使学校社区受益。为了充分描述与该项目相关的地下水和地表水资源，圈定了覆盖Netiyagama地区（包括学校区域）的一个具有代表性的流域部分。
该地区地形相对平坦，海拔约90–140米。Aruvi Aru（Malwathu Oya）和Mahakanadara Ala的支流穿越该区，构成Malwathu Oya流域的一部分。Mahakanadarawa和Aruvi Aru的源头位于研究区的东南部。这两个河道汇入Mahakanadarawa水库，该水库的总库容为36,250英亩-英尺（相当于44,713,717立方米）。这个水库是通过拦截Malwathu Oya的主要支流Kanadarawa Oya筑坝形成的。该地区年降雨量超过775毫米的保证率为75%，大部分降雨来自12月至2月的东北季风。
2.1.2. 斯里兰卡的地质与水文地质历史
斯里兰卡的高级变质基底构造被认为是新元古代事件，发生在冈瓦纳大陆碰撞期间，由于东、西冈瓦纳大陆的碰撞导致莫桑比克洋闭合。基于地质、构造、矿物学和岩石学证据，斯里兰卡基底由四个明显不同的地壳块体组成，这些块体是在泛非造山运动中冈瓦纳大陆聚合的结果。这些块体被称为Wanni杂岩（WC）、Highland杂岩（HC）、Vijayan杂岩（VC）和Kadugannawa杂岩。该岛约十分之九的区域下伏着这些元古代高级变质岩。研究区在地质上属于Wanni杂岩，这是斯里兰卡最西端的地壳块体，由各种变质火成岩和变质沉积岩组成。
该岛的地质演化从根本上控制了水文地质历史和长期气候条件。结晶基底岩石的原生孔隙度可忽略不计。因此，地下水系统主要通过构造裂隙和深部热带风化产生的次生孔隙度发育。长期的地表暴露在热带气候条件下促进了强烈的化学风化，导致在该岛大部分区域形成风化壳剖面。这些风化带，连同下伏基岩中的裂隙网络，成为结晶岩地区的主要地下水储集层。对这些含水层的补给历来受季风降雨模式控制，导致地下水可用性和化学性质的强烈时空变异性。
一个主要的水文地质分异发生在中新世中期，当时海侵影响了斯里兰卡的北部和西北部，导致了中新世石灰岩地层的沉积，特别是在贾夫纳半岛。这些碳酸盐沉积随后演变成具有高导水率和储水能力的高产岩溶含水层。相比之下，斯里兰卡的中部和南部地区，包括中部国家的结晶岩地区，在中新世期间仍然露出地表，未经历海相沉积。从晚中新世到第四纪，气候波动和海平面变化进一步影响了地下水的发育。在沿海和冲积环境中，第四纪海平面变化影响了浅层含水层的几何形状和盐度分布，特别是在低洼的沿海平原。
2.1.3. 裂隙硬岩含水层的水文地质学
在前寒武纪变质岩地区，地下水赋存于裂隙硬岩含水层中，其特征是原生孔隙度可忽略不计，存储和传输完全依赖于次生裂隙孔隙度。这些含水层作为双孔隙度系统运行，包括一个浅部风化风化壳带（腐岩）和一个深部裂隙基岩带，每个带都表现出独特的水文地质特性、补给动力学以及对地下水盐度的影响。
浅部风化带，也称为风化壳含水层，通常深度范围为5至30米，在较厚的剖面中很少超过40米。该含水层由以粘土为主的腐岩组成，这些腐岩是通过在热带气候条件下下伏前寒武纪片麻岩、紫苏花岗岩和石英岩的强烈化学风化产生的，形成了一个多孔但低渗透性的层。尽管总孔隙度高（10–30%），但由于富含粘土的基质，水力传导度严重受限，将风化壳主要定位为具有有限传输能力的储集层，而非侧向流动的通道。补给在季风期间（东北季风：12月–2月；西南季风：5月–9月）直接且快速地发生，使得含水层对降雨变异性高度敏感，并在季风间干旱期容易季节性枯竭。产量低至中等（0.1–2升/秒），足以维持传统挖井和浅层农用井，这些井在农村干旱带社区广泛用于家庭供水和小规模灌溉。
深部裂隙基岩含水层位于斯里兰卡干旱带的风化壳之下，从>25米延伸到超过150米的产水带，地下水沿裂隙网络的流动在向斜槽或沿HC-VC逆冲边界等构造洼地可能达到>300米。该含水层包括Highland杂岩（HC）、Vijayan杂岩（VC）和Wanni杂岩（WC）的新鲜至轻微蚀变的结晶基岩，主要由花岗质片麻岩、紫苏花岗质片麻岩和混合岩组成，形成于元古代沉积作用（约20亿年）和泛非高级变质作用（约6.1–4.55亿年）。原生孔隙度接近于零（<0.5%），使得岩石基质实际上不透水；所有有效孔隙度和渗透率都是次生的，受变形产生的网络中的裂隙密度、开度、方向和相互连通性控制。补给缓慢且间接，通过上覆风化壳的渗透或沿主要裂隙通道发生，并且受到干旱气候、低基质渗透率和平坦地形中有限冲刷的严重限制。
2.1.4. 研究区的岩性和构造模式分布
1:100,000比例尺地质图提供了覆盖斯里兰卡全境的详细地质信息，分为一系列图幅。这种比例尺在详细表示和覆盖范围之间取得了平衡，使得这些地图对各种科学、教育和实际应用非常有用。该系列由斯里兰卡地质调查和矿业局出版，这是负责全国地质调查、制图和矿产资源评估的政府机构。使用了8-Anuradhapura-Polonnaruwa和6 A-Vavuniya-Trincomalee的1:100,000地质图进行该区域的岩性研究。
然而，依赖1:100,000比例尺地图会引入某些不确定性，特别是在应用于大规模研究时，例如地质控制含水层系统中的水文地球化学分析。这些地图虽然对区域概览有效，但本质上是小比例尺表示，为了适应更广的地理覆盖范围而概括了岩性边界。因此，岩石单元之间的边界可能以较低的精度描绘，可能过度简化了复杂的过渡带、断层线或细微的岩性变化。例如，角闪黑云母片麻岩或紫苏花岗岩层的测绘边缘可能是近似的，导致在圈定含水层边界、补给区或地下水流动路径时出现不确定性。这种概括可能无法捕捉到微观尺度的非均质性，例如局部裂隙或风化模式，这对准确的水文地质建模至关重要。为了减轻这些限制，我们通过地面实况调查（野外验证）、基于GPS的构造测量和卫星影像的线性构造分析来补充地图解释，遵循裂隙岩层地区的最佳实践。
研究区被厚层的、尽管是构造重复的正片麻岩序列所包围，这些序列具有复杂的紫苏花岗岩化、退变质和局部再紫苏花岗岩化历史，这妨碍了对原岩的轻易识别。在所关注的区域出露五种主要类型的元古代变质岩。大部分区域，包括源头区，代表花岗岩和流经厚层角闪黑云母片麻岩体。紫苏花岗岩层可以作为沿流动路径的次要出现来识别。下游区域以黑云母片麻岩为主，伴有少量紫苏花岗岩和伟晶岩层（1:100,000地质图，图幅8）。在该区域内主要发现的花岗质片麻岩，可识别为块状浅色石英长质片麻岩，石英 > 20%，少量镁铁质矿物。第二种主要岩石类型，角闪黑云母片麻岩，被识别为块状至成分层状的灰色片麻岩，石英 > 20%，斜长石和石榴石 < 10%，成分为英云闪长质。黑云母片麻岩是块状或成分层状的浅灰色片麻岩，含有石英、长石和>10%的黑云母，通常为花岗闪长质到石英二长质成分。通常，脊状形成的限制性露头紫苏花岗质片麻岩通常为粗粒，具有特有的棕色或绿色油脂光泽；它们可能缺乏紫苏辉石。含石榴石石英长石片麻岩是浅色石英长石片麻岩，富含粉色石榴石 > 20%，风化形成富铁残余沉积物。该区域内独特的富石英浅色白色或粉色伟晶岩层状片麻岩通常是由脊形成过程产生的。这些单元对应于Wanni杂岩结晶基底，并与区域综合资料一致。
2.1.5. 区域地下水盐度指标
电导率（EC）和总溶解固体（TDS）是地下水盐度的两个主要物理指标，它们提供了水中总离子含量的直接测量。由于EC测量水传导电流的能力，其随着溶解盐浓度的增加而增加，因此常被用作盐度的快速准确替代指标。TDS直接测量或从EC估算，代表溶解离子的总质量，在量化盐度水平方面对EC进行补充。
角闪黑云母片麻岩、黑云母片麻岩、紫苏花岗质片麻岩和花岗质片麻岩的岩石样本被收集用于岩石学和矿物学研究，代表了研究区的地质多样性。
2.2. 水样和岩石采样
用于地球化学分析的水样包括98个来自浅井，16个来自地表水，16个来自深井。浅层地下水样本从挖井（约8米深）采集，而深层地下水样本从管井（>25米深）获取。采样过程在整个研究区进行，并使用全球定位系统（GPS）接收器记录了位置的GPS坐标。水样被收集到适当标记的高密度聚乙烯（HDPE）瓶中，这些瓶事先用酸浸泡过夜，然后用去离子水彻底清洗并烘箱干燥。在灌装前，每个瓶子都用现场水冲洗三次。使用校准的多参数测量仪现场测量pH、温度、电导率（EC）和总溶解固体（TDS）。碱度在实验室中使用自动滴定仪测定。
2.3. 分析程序
总碱度、pH、TDS和EC用野外测量仪测量，并在采集后24小时内在实验室对每个未过滤的原始样品进行交叉检查。样品通过0.22 μm滤膜压力过滤，过滤后的样品通过离子色谱（IC）分析阴离子，通过电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）分析阳离子。所有水化学分析均在斯里兰卡国家基础研究所进行。
从收集的岩石样品制备薄片，并在佩拉德尼亚大学地质系使用偏光显微镜进行详细的光学分析。这使得能够对其矿物学和结构特征进行全面评估。
2.4. 水文地球化学分析
收集的物理化学数据用于使用Piper三线图研究水化学相。使用OriginPro 2024和R（v4.3.3）对样品进行基本统计分析。在进行多元分析之前，检查变量是否存在异常值和偏态；在适当情况下应用对数转换，并将所有变量标准化为z分数。创建Gibbs图以检查主要地球化学控制（降水、蒸发、岩水相互作用）。使用地质调查和矿业局（GSMB）提供的1:100,000地质图（Anuradhapura-Polonnaruwa和Vavuniya-Trincomalee）创建研究区地质图，并使用ArcGIS 10.8中的反距离权重（IDW）空间分析工具和30米SRTM DEM（使用Google Earth Pro进行可视化和野外导航）制备水化学相的空间分布图以及创建该区域的数字高程模型（DEM）图。使用留一法交叉验证评估IDW表面；均方根误差（RMSE）值和预测-观测图表明描述性制图的可接受性能。DEM图、水化学相图和图表都用于确定地下水的演化趋势。
2.5. 软件工具和平台
2.5.1. 水聚类
标准化数据集最初用于使用OriginPro 2024进行Piper分类，以识别和分类各种水类型，从而确定研究区内的主要水类型。随后，进行主成分分析（PCA）以识别和选择表征特定水类型的关键元素。这种选择基于该区域岩性内矿物反应和痕量元素，有效地将水化学与地质特征联系起来。PCA结果能够识别进一步分析所必需的痕量和微量元素。随后，使用R编程环境进行层次聚类分析（HCA），应用欧几里得距离度量结合Ward聚类方法，该方法因其能够有效最小化簇内方差而非常适合地质相关的聚类分析。主成分的保留遵循Kaiser准则（特征值 > 1）和累积方差（>70%）。通过改变连接距离截断来评估HCA树状图的稳定性。这种综合方法允许对水化学数据进行稳健的分类和解释，增强了对地下水特征及其控制因素的理解。
2.5.2. 地理空间分析
使用在ArcGIS 10.8版中实现的空间分析工具反距离权重（IDW）插值方法生成说明水文地球化学特征的地理空间分布图。该方法能够对整个感兴趣区域的地下水化学变化进行空间可视化和评估。此外，构建了数字高程模型（DEM）以捕捉影响地下水流动和质量的地形特征；高程数据来源于30米SRTM；Google Earth Pro辅助视觉验证和野外参考。地理空间工具的整合有助于检测空间模式和潜在的污染区或资源脆弱性区，从而为水资源管理和规划提供关键见解。
2.5.3. 地球化学过程分析
将从层次聚类分析获得的簇群随后绘制在Gibbs图和双变量图上，以阐明影响地下水质量的主要地球化学过程以及研究区域地下水簇群的演化趋势。这些图形工具提供了一个框架来解释过程，如降水主导、岩水相互作用和蒸发对水化学的影响。这些地球化学分析的结合使用有助于加深对研究区地质背景下地下水演化及其控制的自然过程的理解。
3. 结果与讨论
3.1. 含水层表征与水文地质背景
地质图和构造测量表明，大多数采样点位于一个显示向斜构造特征的区域内。在研究区内选择了一组井孔数据来定义该特定区域的含水层。在褶皱结晶岩地区，裂隙密度和导水率通常沿褶皱轴增加，有利于局部存储和集中流动；因此，向斜几何形状可以强烈影响地下水的赋存和化学性质。
构建了两个横跨研究区的剖面；一个从东到西延伸，另一个从西北到东南延伸。这些剖面覆盖了研究区的很大一部分，旨在研究裂隙模式和含水层背景。根据从国家供排水委员会获得的井孔记录，在表面以下9.5米至15.5米的深度遇到硬岩，平均覆盖层厚度为10-12米。在某些区域，浅井水位深至表面以下约8米。用于含水层研究的井的深度范围从36米到72米。位于向斜轴上的Netiyagama学校井显示出比其他井孔记录更多的裂隙，这与沿褶皱轴裂隙强度更高的趋势一致。更深的裂隙（>25米）显示出相当大的地下水产量，但大多数小裂隙是干的。相比之下，其他井孔记录显示，位于向斜轴之外的井含有产量更好的浅层裂隙，证明了向斜构造对裂隙分布的影响。产量数据表明，用于生成剖面的地下水开采井的产量范围从0到40升每分钟。分析研究区管井的地下水生产数据，记录的最大产量为60升每分钟。来自深部裂隙的地下水资源可用性从西北向西南
