2022年6— 7月对八岭山古墓群保护区进行了水文地质调查和采样工作, 分别在民用大口井(井深约5.93~10.46 m)采集潜水6组, 水文地质监测井(井深约15.00~25.00 m)潜水-孔隙水12组, 水文地质监测井(井深约45.00~65.00 m)2组, 共计地下水样品20组, 采样时水位埋深如表1所示, 采样位置见图1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 八岭山古墓群保护区地下水样品各指标统计值 Tab.1 Statistical results of groundwater sample indexes for Baling Mountain Tomb Group Reserve 项目 潜水(n=6) 潜水-承压水(n=12) 承压水(n=2) 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 井深/m 5.93 10.46 8.04 15.00 25.00 20.00 45.00 65.00 55.00 水位埋深/m 0.43 4.76 2.22 0.36 9.12 3.27 6.33 15.45 10.89 K+/(mg· L-1) 1.29 19.86 7.20 1.73 7.63 3.30 1.43 1.50 1.47 Na+/(mg· L-1) 8.53 27.59 19.23 7.46 116.20 29.67 14.34 17.62 15.98 Ca2+/(mg· L-1) 27.38 74.32 48.24 24.25 153.34 69.17 115.79 116.57 116.18 Mg2+/(mg· L-1) 4.27 20.40 11.07 7.59 24.20 14.63 15.18 22.30 18.74 Cl-/(mg· L-1) 5.87 40.49 19.01 1.66 29.71 10.76 5.16 12.40 8.78 S O42-/(mg· L-1) 17.57 80.77 38.54 17.20 86.21 38.78 17.05 20.41 18.73 HC O3-/(mg· L-1) 99.07 239.97 145.30 55.04 541.59 280.70 374.27 440.32 407.30 F-/(mg· L-1) 0.16 0.54 0.29 0.09 0.71 0.33 0.20 0.23 0.22 Si2+/(mg· L-1) 10.94 31.98 18.96 15.90 46.98 24.26 24.94 24.94 24.94 pH值 6.70 7.80 7.31 6.50 8.06 7.37 7.39 7.63 7.51 TDS/(mg· L-1) 161.97 493.72 279.67 149.30 608.56 342.34 440.49 461.86 451.18 δ 18O/‰ -11.08 -7.04 -9.09 -8.87 -5.40 -6.71 -7.39 -7.24 -7.31 δ D/‰ -78.43 -45.27 -61.48 -58.71 -32.95 -41.99 -46.79 -43.92 -45.36

表1 八岭山古墓群保护区地下水样品各指标统计值 Tab.1 Statistical results of groundwater sample indexes for Baling Mountain Tomb Group Reserve

样品采集于1.5 L、0.5 L、0.3 L的聚乙烯塑料瓶各一个, 分别用于分析阴离子(如Cl^-, SO^2-₄，HCO^-₃等)、阳离子(如K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等)和氢氧同位素。采样瓶在采样之前用待取水样润洗3~4次, 阳离子样品加硝酸酸化, 氢氧同位素样品无气泡采集, 冷藏保存直至分析。主要阴阳离子测试指标分析方法参照《GB 8538— 2016饮用天然矿泉水检验方法》^[20]和《GB/T 5750— 2006生活饮用水卫生标准检验方法》^[21]。

氢氧同位素的测定在中国地质调查局武汉地质调查中心完成。氢氧同位素样品测试由元素分析仪FlashEA 1112HT和质谱仪MAT253联机完成, 样品分析采用国际标准平均海水(Vienna- standard mean oceanic water, V-SMOW)重复样(标准和重复样数量为样品总数的20%以上)进行质控, 结果以相对于V-SMOW标准样品的千分差计算得出。δ D测定的精度为0.5‰ ; δ ¹⁸O测定的精度为0.2‰ 。

研究对八岭山古墓群保护区地下水样品进行统计分析(表1)。运用Piper三线图、Gibbs水化学图、离子比等研究方法分析了不同层位地下水水文地球化学的主要控制因素。利用地球化学模拟软件Phreeqc对地下水水化学作了反向地球化学模拟分析。通过计算氘盈余(d=δ D-8δ ¹⁸O)进一步提取地下水氢氧同位素反映的地球化学信息。

地下水样品的δ ¹⁸O和δ D值见表1, δ ¹⁸O-δ D关系如图3(a)所示。地下水样品点全部落在全球大气降水线(GMWL: δ D =8δ ¹⁸O+10)和当地大气降水线(LMWL: δ D=8.4δ ¹⁸O+15)附近, 且地下水样品的氢氧同位素平均值与邻近地区降雨平均值(δ ¹⁸O=-7‰ , δ D=-47.56‰ , 数据源于宜昌西陵峡2009年5— 10月降雨连续监测结果^[22])接近, 表明地下水主要来源于大气降雨。潜水的δ ¹⁸O-δ D拟合线方程为δ D=8.56δ ¹⁸O+16.35, 斜率与当地大气降水线高度相似, 可能反映了雨水选择性渗透直接补给潜水, 此过程未发生同位素分馏; 潜水-承压水的δ ¹⁸O和δ D较潜水氢氧同位素信号偏正, 其拟合线方程为δ D = 7.17δ ¹⁸O+6.15, 略微偏离了大气降雨线, 表明潜水-承压水经历了蒸发过程; 承压水的δ ¹⁸O和δ D值介于潜水和潜水-承压水之间, 反映了浅层水入渗补给深层水的特征。

图3

Fig.3

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	图3 地下水样品氢氧同位素信号(a)和氘盈余-溶解性总固体关系(b)Fig.3 Diagram of groundwater sample oxygen and hydrogen isotope signal (a) and the correlation between deuterium surplus and TDS (b)

氘盈余参数d值主要受空气相对温度控制, 蒸发是影响氘盈余值大小的一个重要因素, 蒸发作用越强, 氘盈余值越偏负^[23]。由图3(b)可知, 该区域地下水氢氧同位素d值为6.57‰ ~15.77‰ , 平均值为12.15‰ , 与全球大气降水平均d值(10‰ ) 相近, 表明地下水主要受水-岩作用影响。潜水-承压水出现部分d值低于10‰ , 可能反映了在大气降雨补给下渗过程中, 受蒸发作用的影响。但其低值主要出现在溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)较低含量的地下水样中, 说明蒸发过程对地下水TDS含量贡献有限, 其升高主要与水-岩相互作用有关。

八岭山古墓群保护区地下水pH值总体上为微酸性到弱碱性的水环境条件。古墓葬主要埋藏于潜水-承压水体系中, 说明古墓葬埋藏的环境主要为微酸性到弱碱性, TDS含量为149.30~608.56 mg/L, 平均值为336.64 mg/L, 属于淡水。潜水的TDS含量为162~494 mg/L, 均值为280 mg/L; 潜水-承压水的TDS含量为149~609 mg/L, 均值为342 mg/L; 承压水的TDS含量为440~462 mg/L, 均值为451 mg/L, 总体上呈现深层TDS含量大于浅层TDS含量的特征。

地下水化学类型以Ca-HCO₃型为主, 部分地下水样品为Ca· Mg-SO₄/Cl型和Na-HCO₃型(图4)。潜水Ca²⁺和Na⁺含量分别为 27.38~74.32 mg/L(平均值为48.24 mg/L)和8.53~27.59 mg/L(平均值为19.23 mg/L); 承压水Ca²⁺和Na⁺含量分别为115.79~116.57 mg/L(平均值为116.18 mg/L)和14.34~17.62 mg/L(平均值为15.98 mg/L), 表现出承压水Ca²⁺含量高于潜水Ca²⁺含量、潜水Na含量与承压水Na⁺含量相似的特征; 潜水-承压水Ca²⁺含量为24.25~154.34 mg/L, 平均值为69.17 mg/L, 介于潜水和深层承压水之间。主要离子成分Ca⁺和TDS值均呈现出浅层地下水小于深层地下水, 说明地下水从上向下的入渗过程中可能发生了一系列水-岩相互作用, 也佐证了前述氢氧同位素对于地下水补给方式的判断。潜水-承压水Na⁺含量为 7.46~116.20 mg/L, 平均值为29.67 mg/L, 大于潜水和深层承压水, 可能反映出潜水-承压水经历了较强烈的水文地球化学过程。

图4

Fig.4

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	图4 八岭山古墓群保护区地下水样品Piper三线图Fig.4 Piper diagram of groundwater samples in Baling Mountain Tomb Group Reserve

地下水与周围沉积物或岩石发生一系列水文地球化学过程影响地下水化学组分和地下环境。通过Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和TDS绘制的Gibbs图(图5(a))表明, 八岭山地区的地下水离子组分主要是来源于水-岩相互作用。利用Ca²⁺/Na⁺-Mg²⁺/Na⁺关系图(图5(b))判别出, 研究区的潜水主要受硅酸盐岩溶解影响, 潜水-承压水受硅酸盐、碳酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解的共同影响, 而深层承压水受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解影响。

图5

Fig.5

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	图5 地下水样品Gibbs水化学图(a)和Ca2+/Na+-Mg2+/Na+关系图(b)Fig.5 Gibbs hydrochemistry diagram (a) and ratio between Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ in groundwater samples (b)

氯碱指数(CAI-I和CAI-II)可用来判断阳离子交替吸附的方向和强度, 当其为负值时, 地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺与含水岩组颗粒表面吸附的Na²⁺和K⁺进行阳离子交换作用, 反之同理^[9]。研究区地下水的CAI-I和CAI-II均为负值, 表明地下水主要发生正向交换作用, 在降低水相中Ca²⁺和Mg⁺浓度的同时, 可进一步促进方解石和白云石的溶解(图6(a))。更大的氯碱指数负值在潜水-承压水中出现, 表明潜水-承压水中的正向阳离子交换作用更强烈。

图6

Fig.6

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	图6 地下水样品TDS-氯碱指数CAI-I, CAI-II(a)和TDS-方解石、白云石、石膏矿物饱和指数(b)Fig.6 TDS-Chlor-alkai index CAI-I, CAI-II(a) and TDS-Calcite dolomite and gypsum mineral suturation index (b) in groundwater samples

反向地球化学模拟是识别和量化地下水演化过程中发生的水文地球化学反应的有效工具, 通过选择与研究区相似地层的主要矿物组成, 依据地下水从上至下入渗补给选取典型初始条件和最终条件, 利用水文地球化学软件Phreeqc进行地球化学模拟^{[6, 24, 25]}。潜水选择样品JC05, 潜水-承压水选择样品ZK05, 承压水选择样品ZK04。研究区地层上部以第四系残坡积黏土和粉质黏土为主, 下部以古近系粉砂质泥岩为主, 因此选择矿物相成分包括钠长石、白云石、石膏、岩盐、高岭土、方解石、绿泥石、伊利石、石英等。反向地球化学模拟结果如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 八岭山古墓群保护区地下水反向地球化学模拟结果 Tab.2 Inverse geochemical simulation results of groundwater at Baling Mountain Tomb Group Reserve 项目 矿物相转移量/mol 潜水(JC05)→ 潜水- 承压水(ZK05) 潜水-承压水(ZK05)→ 承压水(ZK04) 钠长石 1.87× 10-4 -3.83× 10-3 方解石 -8.96× 10-4 -9.38× 10-5 CaX2 -5.78× 10-5 — 绿泥石 -5.98× 10-4 — 白云石 3.78× 10-3 2.27× 10-3 石膏 2.94× 10-5 -8.45× 10-5 岩盐 3.71× 10-4 -1.47× 10-4 伊利石 -1.85× 10-4 -2.14× 10-4 高岭土 9.90× 10-4 2.17× 10-3 MgX2 — -1.83× 10-3 NaX 1.16× 10-4 3.65× 10-3 石英 — 8.01× 10-3 注: “ — ” 代表矿物相转移未发生。

表2 八岭山古墓群保护区地下水反向地球化学模拟结果 Tab.2 Inverse geochemical simulation results of groundwater at Baling Mountain Tomb Group Reserve

降雨在进入地下潜水-承压水体系过程中, 钠长石、白云石、石膏、岩盐、高岭土发生溶解, 方解石、绿泥石、伊利石发生沉淀, 并伴随阳离子交换过程; 从潜水-承压水进入到深层承压水过程中, 钠长石、方解石、石膏、岩盐、伊利石发生沉淀, 白云石、高岭土、石英发生溶解, 并伴随阳离子交换过程。Phreeqc计算得出的矿物饱和指数表明, 地下水方解石和白云石的饱和指数在0附近波动, 呈溶解-沉淀平衡状态, 石膏饱和指数小于0, 在地下水中可发生进一步溶解(图6(b))。总体上, 方解石和白云石的饱和指数随TDS的增大呈显著上升趋势, 石膏饱和指数呈缓慢上升趋势, 表明水-岩相互作用增加了地下水中的离子浓度, 方解石、白云石及石膏溶解-沉淀平衡是八岭山古墓群保护区地下水水化学的主要控制过程, 更主要的是方解石和白云石的作用。

地下水被认为是古遗址古墓葬腐坏的重要影响因素之一, 一定程度上决定了地下文物的埋藏条件^{[3, 26]}。根据八岭山古墓的调查结果, 研究区内包含了东周至明代的古墓葬, 延续时间长达2 000余年, 其埋深多为5~20 m不等, 位于潜水-承压水的影响范围。据取样调查时水位测量结果, 潜水水位埋深为0.43~4.76 m, 潜水-承压水水位埋深 0.36~9.12 m, 承压水水位埋深为6.33~15.45 m, (表1)。正如前述, 研究区内的地下水来源于大气降雨, 雨水经包气带入渗, 补给潜水-承压水含水层, 反映出垂向渗滤是地下水运移和影响古墓葬埋藏条件的一个重要形式。

雨水入渗补给地下水过程中, 发生了一系列的水-岩相互作用, 其形成的水环境条件可能对古墓埋藏产生一定的影响。地下埋藏文物包括陶器、玉石器等, 以高岭土、黏土等为主的铝硅酸盐矿物可能在地下水的作用下发生溶解, 以碳酸钙为主的大理石、汉白玉等在水环境中发生溶解-沉淀, 可能影响文物长期保存^[27]。在水-岩相互作用过程中, TDS含量的升高使水环境中存在较多盐分, 溶解-沉淀平衡、离子交换过程的发生可导致铁器、青铜器等水解腐蚀^[28]。根据湖北荆州八岭山冯家冢楚墓相关发掘简报, 其埋藏的陶器、玉器、铜器等文物有腐蚀或表明损毁等现象, 潜在说明了地下水对古墓葬中文物的影响^{[15, 16]}。

研究区属亚热带季风气候区, 丰枯季节交替引起地下水水位波动可进一步加剧水文地球化学过程对古墓葬埋藏的影响。氢氧同位素结果显示, 潜水-承压水还经历了蒸发过程, 若遇极端干旱条件(如2022年的长江流域干旱), 则地下水中的TDS含量则会进一步增加, 甚至导致土壤含盐量增加, 不利于地下埋藏文物的保存。在强降雨条件下, 古墓葬中的文物可能浸泡在地下水中, 受地下水中化学组分的作用; 而干旱和降雨交替影响下, 古墓葬处于干湿交替和变化埋藏环境中, 其引起的土壤含水量、氧化还原条件等的波动不利于古墓葬中文物的长期保存。因此, 开展八岭山古墓群保护区地下水水位动态监测, 有助于识别气候变化和人类活动对古墓葬的潜在影响。