文摘

本研究的目的是研究自然和人为流程管理碱性的化学成分在破碎岩石(蛇绿混杂岩)含水层地下水潜在的季节性居住源区Aladağlar范围(阿达纳,土耳其)。这个含水层地下水流动的时空模式和化学研究在干(2011年10月)和湿(2012年5月)季节利用25浅手挖井。此外,代表性样本的雪,岩石和土壤是收集和分析,以限制PHREEQC逆地球化学模型用于模拟水岩相互作用(WRI)过程。含水层的水化学显示了强劲interseasonal Mg-HCO可变性₃和Mg-Ca-HCO₃水类型是流行,反映岩和碳酸盐岩的影响对当地地下水化学。型因子分析水化学数据暗示地球化学过程发生在地下水系统,也就是说,WRI涉及Ca -和Si-bearing阶段;WRI涉及非晶态氢氧化物和粘土矿物;WRI涉及Mg-bearing阶段;和大气/人为输入。PHREEQC建模表明,水文地球化学演化的结果是由风化的主要矿物(方解石、温石棉、镁橄榄石和铬),沉淀次生矿物(白云石、石英、斜绿泥石和Fe /铬氧化物),大气/人为输入(岩盐),从充电和季节性稀释。

1。介绍

实现一个可持续的含水层的管理需要一种改进的理解复杂的自然过程产生的观察构成地下水,以及所有人为活动阻碍它的安全使用和可用性(1]。这是至关重要的,尤其是在上游源头地区,因为他们通常占70 - 80%的总流域面积(2),占陆地水循环的起点3]。我们对山区水源涵养区的理解系统和人为活动的影响headwater-scale在很大程度上阻碍了他们的体积小,大量,偏远地区,崎岖的地形,恶劣的气候条件,以及缺乏道路访问、物流、和可用的数据4- - - - - -7]。尽管其重要性,在文献中没有明确定义什么构成“源区”[4,8]。人们普遍同意,这些地区是独一无二的和脆弱的充电环境附近的地形水系划分流动行0 -一阶集雨产生(7,9]。然而,由于尺度依赖的问题,大多数的这些低阶流渠道很少记录在地形图4,10];因此,他们经常忽略的订购计划(例如,11,12])。在现实中,这些山区上游源头系统作为传输媒介交付水、沉积物,营养,和其他材料,下游地区特别是在间歇降雨和融雪事件(4,6,10]。最近,主教et al。5叫做恰当这可以理解和忽略的领域”Aqua隐姓埋名的女人,“未知的水域。许多研究(例如,2,6,10,13- - - - - -15)表明,水文和水文地球化学过程发生在上游源头系统关键控制的数量和质量biophysicochemical底层浅层地下水和下游系统,都是通过水文循环密切相关。此外,这些领域和相关hyporheic区也重要的生态系统功能,提供独特的生境多样的植物,动物,微生物群(16- - - - - -18),是一个完整的功能系统势在必行。

在过去的几十年中,相对不发达和远程高原东部Aladağlar范围的十月已经越来越重视气候和bioecological多样性(例如,19- - - - - -21邻近]),原始水和空气质量(例如,21,22]),风景和美学美容(例如,20.])和休闲/旅游的机会(例如,23])。早在最近的升值,这些自然宝藏/品质,这些高地区域(称为yayla)被占领了本质上是由游牧民族(称为夏季露营理由Yoruk)常谋生的牲畜饲养(主要是山羊)和(在较小程度上的小规模家庭农业(24,25]。纯游牧的生活方式活着时在某些领域,目前,yaylas大多是经常光顾的城市居民,尤其是在夏季,由于他们舒适的气候(如凉爽和潮湿)相比,地中海沿海地区(即。,Cukurova地区)19,21]。作为应对这一新的趋势,形成了许多季节性定居点上游源头地区,进而不仅显著改变人口、文化和地区的社会经济特征(21),但也有一个显著的对自然环境的影响(23,24,26- - - - - -28]。

最近Seyhan流域的建模研究也提出了人为气候变化的担忧,预计将加剧水文系统的压力在即将到来的几十年(29日- - - - - -31日]。提出的第一个详细分析水文和水化学数据来自两个快照抽样活动在Kızılgedik季节性进行结算,位于一个使蛇纹石化岩地形Seyhan河流域的源头。本研究的具体目标是(我)定义矿物学和地球化学在该地区发现的岩石和土壤;(2)确定水位和复杂岩含水层地下水流方向;(3)调查可能的人为输入底层浅含水层的影响;及(iv)阐明主要水文地球化学过程使用反向地球化学模拟方法。

2。研究区域

2.1。地形学的环境、气候和土地利用

研究区位于~地中海海岸线以北100公里在亚达那省(土耳其),位于东部tauride Aladağlar范围(数据1(一)和1 (b)),是一个Seyhan流域的一部分(面积21700公里²)。纬度的特定区域研究是有界的37°31 55.50′′′N和37°32′28.70′′N,和经度35°25 10.75′′′E和35°25 52.51′′′E。这个区域包含一个崎岖不平的山地,海拔从1030到1310米以上平均海平面(实验室),它的特点是0.13°,45.9°之间的地形梯度(平均斜率为16.6°和E-SE方面)。在某种程度上(大陆气候19)和地中海和中央安纳托利亚的天气系统影响,带来温和,干燥的夏季,和寒冷、潮湿的冬季面积(20.]。基于可用的气候数据(1960 - 1991)记录Pozantı气象台(见图1 (b)),年平均气温为13.5°C和温度偶尔超过31°C在夏天冬天,很少低于−6°C (32]。接收面积平均年降水量略高于725毫米,85%发生在11月和5月之间32]。降水发生在冬季,夏季降雨和降雪,但偶尔的雷暴。

Kızılgedik网站,有85个人房屋容纳大约300人在旺季(六月到九月)。然而,人口仍然微不足道在今年剩下的时间(即。淡季)。目前,该地区没有排水网络,每个属性都有自己的花园里粪坑。传统上,污糟地方建造广场形式(尺寸:2米2米1.5米)并以宽松的石头使废水渗透到地面(图2)。没有自来水供应,直到2011年,大多数的居民仍然依赖于大口径手挖井(hdw)(图2)为他们的生活用水需求和灌溉。典型的serpentinitic地形,解决地区的自然植被稀疏的灌木和草本植被是有限的(又名蛇形荒野(35]),而驯化植物和树木主要是住宅周围发现。此外,补丁的混合针叶树森林(如松树,杉树,落叶松,冷杉,和雪松)经常发现解决周围的丘陵地区。

2.2。地质和水文地质环境

研究区位于东部的相对独立Karsantı盆地(见图1 (b)),它形成在渐新世期间(34,36- - - - - -38)在最东部的一部分tauride [33,39),立即广泛研究亚达那盆地北部[40- - - - - -45]。该地区地质结构发现的年龄范围在中生代和新生代代表高度复杂的构造和地层的关系(36,46)(图3(一个)和3 (b))。中生代岩石包括Triassic-Early侏罗纪末Etekli形成(megalodon-bearing石灰岩)[36),晚白垩世Kızılcadağ蛇绿混杂岩(使蛇纹石化纯橄榄岩和斜辉橄榄岩、蛇纹岩、radiolarite,燧石,和异国情调的块)(47,晚白垩世Pozantı-Karsantı蛇绿岩(斜辉橄榄岩、纯橄榄岩、辉石岩、辉长岩、辉绿岩堤坝,和变质岩)(48,49]。构造运动的Kızılcadağ蛇绿混杂岩,回Pozantı-Karsantı的蛇绿岩,包含止推片由Etekli形成(36]。块的蛇绿混杂岩是由异构和强烈变形的岩性(即。,exotic blocks decimeter to several hundreds of meters in size) set in a variably altered serpentinitic matrix [50]。大多数的蛇纹岩可能形成在洋底热液蚀变超基性的原岩(例如,方辉橄榄岩和纯橄榄岩)在陆地上侵位。中间Pozantı-Karsantı蛇绿岩形成的新特提斯洋主体在晚白垩世(51,52]。大规模的变形区域挤压有关事件发生在晚始新世(34]。

在研究区,新生代沉积始于中新世Oligocene-Late Karsantı形成(陆地和湖卵石砂岩,泥岩,含煤的粘土岩,泥灰岩)(43]。这形成分开底层中生代八单元由一个明显的不整合(53]。这个非海相沉积结束在中新世早期的罪过阿达纳盆地(54]。早中中新世(Aquitanian-Burdigalian) Kaplankaya形成(浅海洋泥灰岩、粘土岩、砂岩和砂质灰岩)(45)记录中的第一个海侵Karsantı盆地(37];这个单位也存在着一个不规则的基础不整合面(55]。Kaplankaya形成部分是回和横向传递到早中中新世(Burdigalian-Serravallian) Karaisalı形成(含有化石的礁灰岩)(43,56]。Karaisalı占据了从地形上形成更高的部分研究区域(例如,Korum山)和极易受岩溶作用期、灰岩坑的患病率就证明了这一点。详细的合成两个地区和地方Karsantı盆地构造格局和演化中可以找到(34,38]。

水文,研究区驻留在几个零集雨躺在当地的终极极端排水网络,在地面水流后只看到强降雨事件和融雪事件中不明确的表面流路径(例如,歌唱、沟壑和洼地)。研究区域内的含水层可分为两个主要团体基于主机的岩石和结构特性,如下:(i)碳酸盐岩含水层和(2)岩复杂的地下蓄水层。地下水赋存在碳酸盐岩不知道由于缺乏监测井,但次生孔隙度由骨折/缺点,结合岩溶特征如灰岩坑,可能允许重要的地下水循环,提高了充电。地下水中发现复杂岩含水层是至关重要的对该市农村生活环境和当地居民,尽管岩岩石这一地区被认为是不透水的早期研究[57,58]。在研究区,岩复杂地下蓄水层是由一组不同的缺点,区分SW-NE方向趋势。这个含水层地下水利用从高度蛇绿混杂岩的断裂部分浅hdw深度不超过10米。充电,在研究区含水层发生通过多种方式,如(i)渗透降水和融雪径流的事件;(2)侧,向下地下水流从上覆地质结构(主要是岩溶在自然界中);(3)从灌溉用水浸润;和(iv)污水渗滤污糟地方。主要充电区域定位研究N和西南区(数字3(一个)和3 (b))。岩复杂含水层的水位响应相对快速充电的事件,由于高度上部分蛇绿混杂岩的断裂性质。含水层的放电发生在不同的方式,包括相邻(i)地下流出山谷,穿过骨折/故障;(2)通过弹簧和渗漏放电;(3)浅层地下水蒸发;(iv)由植物蒸腾;并从“抽象(v)地下水。

3所示。材料和方法

3.1。摇滚/土壤采样和分析方法

岩石和土壤采样活动进行了2013年11月,为了与岩性与地下水化学。选择采样站点(参见图4)主要是基于空间分布的主要地质单位和野外观察前在现场调查。新鲜岩石样本( (即)收集在不同的位置。,R1–R10), generally as composite chip samples (~1 kg) from available outcrops with a rock hammer. Topsoil composite samples ( )收集深度0-15厘米不锈钢刮刀,消除石头后,植物/根碎片,和外国对象。在每个土壤采样站点(即。,S1–S8), representative composite samples were obtained by pooling four subsamples (~250 g) taken on the corners of a 1 m²广场(59]。所有样本被放置在标签自锁聚乙烯袋和转移到实验室作进一步处理。在实验室里,岩石和土壤样本风干在室温下好几天,瓦解和均质玛瑙研钵,然后通过一个2毫米筛。样品的x射线衍射(XRD)、波长色散x射线荧光(WDXRF)和强热失量(法)分析是由通常的粉方法所描述的程序Buhrke et al。60]。岩石和土壤样本地面通过RS 200碳化钨粉和均质振动盘磨机(德国Retsch),然后细磨完成使用玛瑙研钵和杵。

主要矿物阶段发生在岩石和土壤样本的特征是粉末XRD技术使用Rigaku SmartLab x射线衍射仪(Rigaku公司、日本)和铜K辐射加速电压40 kV和管电流30 mA。XRD衍射图的模式获得5°60°一步宽度为0.02°,扫描速度4°分钟¹,使用1毫米接收狭缝,10毫米长度限制狭缝和2/3°入射狭缝。软件PDXL和PDF-2数据库(http://www.icdd.com)用于矿物相鉴别。岩石和土壤样本的化学成分取决于Rigaku ZSX博智II WDXRF光谱仪(Rigaku公司、日本)和4千瓦铑目标,使用一个加速电压30 kV和100毫安的电流。主要氧化物(SiO₂,TiO₂,艾尔。₂O₃、铁₂O₃曹,MnO,分别以Na₂O K₂O P₂O₅,所以₃)和微量元素(Co、铬、镍和Sr)使用standardless散装固体是量化分析程序SQX [61年]。

WDXRF分析进行粉饼丸被彻底混合准备10 g的每个示例4 g的纤维素粘合剂(SPEX SamplePrep预付®,美国)的粒度≤20m。混合压制成38毫米直径颗粒使用手动液压机。压后,球团矿干在烤箱100°C 12 h, WDXRF前分析。LOI决心减肥后燃烧比例4 g的粉干样品在950°C的电动马弗炉1 h [62年,63年]。所有分析先进技术教育、研究和应用中心(MEİTAM)梅尔辛大学(土耳其)。

3.2。地下水位测量

地下水样本收集和水位测量完成后两天内,两个不同领域的活动,覆盖所有的井。场运动发生在2011年10月和2012年5月。为了方便起见,术语“旱季”和“雨季”将使用在其他论文引用测量/抽样在浅手挖井(hdw)在2011年10月和2012年5月,分别。井中发现的区域通常是大直径(0.8 -1.2)hdw深度从3.29到9.54不等。所有的井都是直接完成高度支离破碎的上半部分Kızılcadağ蛇绿混杂岩和没有被确认有套管或衬在饱和区(图2)。这些相对浅井通常配备手泵和用于国内目的和/或灌溉用水供应,主要是在夏季。水的深度hdw ( )确定手动通过平面带水位测深仪(Akım液体比重测定法,土耳其)与1毫米的精度。水位海拔(对韩剧)在地理信息系统(GIS)环境中计算减水的深度测量地形海拔获得的数字高程模型(DEM网格大小为10米)。地下水位地图是由采用普通克里格空间插值算法可在ArcGIS的地质统计分析扩展设备上装软件(64年]。

3.3。水取样和分析方法

从相同的hdw(地下水样品采集 (图)在干燥和潮湿的季节4)。在这项研究中,清除并不是由于未遂hdw存在大量的水。地下水样本收集从几米的深度低于地下水位降低塑料hdw水斗。此外,雪样本收集后不久两大降雪事件在2012年1月( 2013年2月),( )从不同地点的站点降水的物理化学特性。采样和分析技术的建议后APHA-AWWA-WEF [65年),类似于前面所述的那些在文献[1,66年]。场参数(pH值、氧化还原电位(呃),溶解氧(做),电导率(EC)和温度)原位测量使用WTW多340 i /多参数仪器(Wissenschaftlich-Technische Werkstatten,德国)。探针校准每日在抽样前的现场使用标准程序按照制造商的指示。地下水样本立即现场过滤通过一次性注射器过滤器(Econofilter)尼龙膜孔径为0.45米(安捷伦科技,德国)。总之,在每个站点上,两个250毫升整除收集在清洁HDPE瓶阳离子和阴离子的分析。整除了阳离子分析酸化的字段(pH值低于2.0)有65%额外的纯HNO₃(德国默克公司)以防止阳离子物种的生物活性和降水。所有的样品都存储在一个包含制成冰箱冰袋,防止可能的蒸发的影响。然后,他们被运送到实验室,冷藏在4°C到分析。

分析总浓度的五大元素(钙、镁、钠、钾和Si)和17微量元素(Al,, B,英航,Br,有限公司,铬、铜、铁、李、锰、钼、镍、Sr, Ti, V,和锌)的酸化整除MEİTAM进行,梅尔辛大学(土耳其)由安捷伦7500 ce icp(安捷伦科技、日本)配备八极反应系统。icp中使用氩气的纯度为99.998%或更高。外部标准标定方法是应用于所有决定使用⁶李,⁴⁵Sc,^72年通用电气、^89年Y,^115年在,^159年结核病,^209年Bi内标混合。五点校正曲线是由NIST单个元素分析参考标准由连续稀释股票的解决方案。氨的浓度(),硝酸(),亚硝酸盐()、硫酸()、正磷酸盐()、氯(Cl⁻)和氟(F⁻)unacidified整除测定梅尔辛大学地质工程部门与哈希兰格博士2800分光光度计(哈希兰格GmbH,德国)。碳酸()和重碳酸盐()在水容量滴定法测定0.01 n标准H₂所以₄分别用酚酞和甲基橙指示剂的解决方案。超纯水(从摩根士丹利获得Purelab UHQ系统;威立雅水解决方案,英国)用于分析过程在室温下的电阻率18.2 MΩ厘米。分析结果的准确性估计通过计算百分比(% CBE)电荷平衡错误,像被冻结和樱桃67年]。计算平均% CBE−0.55旱季雨季数据集的数据集和−0.30,标准差为0.86和0.40,分别。没有样品在数据库中有一个% CBE大于±2.31。

3.4。统计分析和数据处理

水化学数据受到基本和多元统计分析利用开源R统计软件版本。3.1.2 (68年]。基本统计分析,包括描述性统计(最小值,最大值,意思是,中位数,和标准偏差)、皮尔森积差相关系数(),Kolmogorov-Smirnov(钴)测试。钴测试(69年,70年)是用来评估变量的数据正常。型因子分析(R-mFA)是用于水化学数据的多元统计分析。R-mFA在提取隐藏信息可以帮助控制地下水化学因素,仅保留数据集的关键部件。数据还原技术,R-mFA减少大量的最小数量的不相关的变量(即。正交)新变量因素通过线性组合测量的原始变量(71年]。只有规范化和标准化变量被利用在R-mFA居尔提出的et al。72年]。在R-mFA,旋转因素进行了使用“最大方差法生”的方法,在凯撒标准(73年)是用来确定因素的数量。详细的技术描述R-mFA技术和最佳实践可以发现其他地方71年,74年- - - - - -77年]。

本研究中使用的GIS空间数据库使用(i)创建1:25000 -尺度地质地图出版的Alan et al。36];(2)1:25000 -比例尺地形图表(阿达纳M34c3)土耳其国防部发表的;(3)高分辨率(2.44米)QuickBird卫星图像在2012年收购了;及(iv)地理坐标测量在现场调查使用麦哲伦Triton 2000 GPS装置。空间数据层的地标在GIS环境中使用WGS84基准面(UTM区36 n),然后综合,操纵,分析和可视化利用ArcGIS设备上装软件及其扩展,即三维分析,地质统计分析和空间分析(64年]。

3.5。地球化学建模

地球化学代码PHREEQC互动版本。3.1.4 [78年)是用于测定水物种形成和饱和度指标,以及执行逆建模计算相关代表包体水类型。饱和指数()的矿物相的定义使用 在哪里是对于一个给定的矿物相,离子活度产品平衡常数的溶度积温度。如果参数描述了三种饱和状态。这是(我)欠饱和(SI < 0),(2)处于平衡状态(如果= 0),和(3)过饱和(SI > 0)。所有的地球化学计算和水岩相互作用(WRI)建模使用劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行热力学数据库,即LLNL。dat [79年]。

4所示。结果与讨论

4.1。岩石/土壤矿物学和地球化学

矿物学和化学成分的岩石和土壤中发现研究区可以印一个独特的特征区域地下水和将被用来限制矿物相的选择将用于WRI建模(80年]。XRD分析结果(表1)而WDXRF分析结果(表2)提供一个可靠的特征矿物相的岩石和土壤样本。XRD分析蛇纹岩岩石组成Kızılcadağ蛇绿混杂岩(即。,samples R1, R2, and R3) revealed that lizardite is the dominant mineral phase with trace amounts of antigorite, olivine, chromite, calcite, and phlogopite (Table1),而(即XRD分析的块。,samples R7, R8, and R9) dispersed in the ophiolitic mélange shows the presence of four predominant mineral phases, such as lizardite, quartz, calcite, and dolomite (Table1)。这些奇异的块(即。,limestone, siltstone, and sandstone) are also associated with minor and trace amounts of secondary mineral phases, such as hematite, ankerite, magnesite, dickite, and vermiculite (Table1)。反映在XRD结果,碳酸盐岩早中中新世Kaplankaya和Karaisalı岩层(样本R4和R5、职责)几乎完全由方解石组成,而近来Triassic-Early侏罗纪Etekli形成样本(R6)是主要由方解石组成,微量的白云石。温石棉(即。,fibrous asbestos) is the most common mineral phase found in veins and shear zones crosscutting the serpentinite rocks (Figure5),以及白云石和微量的斜绿泥石(即。R10、样品)。在研究区,白云石主要发生在白色到粉红色静脉fracture-seal纹理(图5)。注意抽样温石棉静脉有意避免由于危险的矿物;因此,温石棉中没有检测到XRD分析。

土壤中发现的区域通常是浅深度(0 30厘米)和不连续,大多直接产品下面的蛇纹岩和碳酸盐岩风化。S1-S7 serpentinitic土壤矿物学(样本),通过XRD、识别主要是矿物阶段如利蛇纹石和叶蛇纹石(表1)。在一些样品,除了这些矿物阶段,第二阶段如石英、赤铁矿、菱镁矿、高岭石、蛭石、斜绿泥石,透辉石(表1)。蛭石的存在和缺乏蒙脱石在土壤上层部分的资料表明,土壤排水良好,形成了在温带气候条件下(81年]。此外,存在广阔的粘土、蛭石等在土壤基质意味着高水平的阳离子交换能力(82年,83年serpentinitic的土壤。另一方面,土壤样本(即。,S8) taken from an area overlying an exotic block found within the Kızılcadağ ophiolitic mélange shows the presence of dolomite as the main phase, with lesser amounts of calcite and quartz.

岩石和土壤样本也通过WDXRF技术进行分析,以揭示他们的化学成分(表2)。蛇纹岩岩石化学分析结果的Kızılcadağ蛇绿混杂岩(即。、样品R1、R2和R3)表明SiO₂(35.80 - -38.52 wt. %)和采用(33.03 - -37.73 wt. %)是最丰富的氧化物,铁₂O₃(9.68 - -11.03 wt. %)。在这些样本中,氧化物如曹,MnO,艾尔₂O₃,TiO₂和K₂O浓度相对较低但高度可变。蛇纹岩岩石也含有高浓度的铬(1864 - 2982 ppm)和镍(2487 - 3857 ppm)(表2),这是典型的超镁铁的岩石中发现的地区(见[84年]),而WDXRF分析结果(即的块。,samples R7, R8, and R9) dispersed in the ophiolitic mélange are characterized by highly variable amounts of oxides (Table2),因为它们是由不同的岩性单元(即。、石灰石、粉砂岩和砂岩)。

样品R4, R5、R6和R7(所有石灰岩地层)几乎完全由方解石组成(表1在SiO)发现低₂,艾尔。₂O₃、铁₂O₃MnO,分别以K₂O P₂O₅,所以₃在曹和高(59.39 - -70.86 wt. %)(表2)。样本取自骨折填充材料(R10),由XRD白云石为主要矿物相(表1),特点是高曹(34.97 wt. %),分别以(15.99 wt. %)浓度(表2)。WDXRF分析反映,蜿蜒的土壤(样本S1-S7)显示主要氧化物成分非常相似,在曹耗尽,K₂O, MnO, TiO₂,Na₂O P₂O₅,所以₃,含有高水平的SiO₂、分别、铁₂O₃,艾尔。₂O₃并富含微量元素如Cr (1647 - 11603 ppm)和镍(2615 - 6493 ppm)(表2)。土壤之间的不同的铬和镍浓度的差异可以作为指示风化程度的差异和/或父岩石的矿物成分(83年,86年]。Cr最常见的发生作为副矿物(例如,铬铁矿)在蛇纹岩,而镍主要存在杂质矿物相的晶体结构在蛇形[87年,88年]。另一方面,S8样本,由XRD包含白云石、方解石、石英(表1),显示了高浓度的曹,分别以、SiO₂(表2),确认这些矿物相的存在。氧化物如钠的浓度₂O K₂O P₂O₅,所以₃通常很低(< 0.10 wt. %)在所有类型的岩石和土壤样本(表吗2),反映了营养物serpentinitic地形的特征。XRD和WDXRF分析的结果表明,发生矿物阶段和中一些元素浓度升高的研究区域的土壤主要是由于地球成因学的来源和地质结构发生在该地区的代表。

4.2。地下水位和流量的方向

水位旱季和雨季的地图数据4(一)和4 (b)地下水,平均深度分别为4.83和2.79米以下地面(英国),分别。减少平均深度水(2.04英国地质调查局)在旱季和雨季之间可以归因于增加充电通过降水、融雪、和微不足道的地下水开采在淡季期间(9月至5月)。尽管个人hdw显示重要的地下水位波动(从0.74到5.31米)在旱季和雨季之间,没有观察到明显的时空变化对地下水流动方向和梯度(数据4(一)和4 (b))。等位的地图构建复杂岩含水层表明地下水运动的方向主要从N NE / SE附近K2和从西南到东北附近转K6(数字4(一)和4 (b)),这两个地方充电附近区域。等位地图的水力梯度计算在0.047 - -0.235米之间变化为旱季和0.043 - -0.223 m / m / m雨季,显示没有明显的季节性梯度研究区域的变化。陡峭的水力梯度被限制在西南山区(转K6)附近,在高度破碎Kızılcadağ蛇绿混杂岩是回相对薄(~ 3 m)和低渗透系数弱透水层(即。Kaplankaya形成)由浅海洋泥灰岩、粘土岩,砂岩和砂质灰岩(数字4(一)和4 (b))。在该地区的一个有趣特性是大萧条锥形成K14,大多数upgradient流似乎是针对大萧条(在干燥和潮湿的季节),即使没有大量抽取地下水发生在或接近这一点。水的深度K14是记录为5.22和3.49 m英国地质调查局在旱季和雨季,分别。K14是附近(~ 60米)主要断裂带对比KızılcadağEtekli形成蛇绿混杂岩和碳酸盐岩(数字4(一)和4 (b)),开放性骨折和岩溶特征开发在这些单位可能共同提供高导电通路地下流出下邻干谷。有趣的是,同样的断层带作为一个流动的障碍在西南研究区域的一部分,就是明证地下水流动方向对齐的平行于断层带,显示一个结合conduit-barrier行为(例如,看到89年])。

4.3。水的水化学特征样本

地下水的季节性理化成分的汇总统计和雪样品展示在表3和完整的数据集作为支持提供网上信息表a . 1(补充材料https://doi.org/10.1155/2017/3153924)。平均电导率(EC)值和总溶解固体(TDS)浅层地下水的内容是419年µ年代厘米⁻¹L和288.2毫克⁻¹在旱季,而这些参数的平均值下降超过10%,28%在潮湿季节,分别(表3)。溶解氧和氧化还原电位(Eh)测量表示主要是氧化条件在干燥和潮湿的季节,用略微倾向减少旱季(表的状况3)。pH值变化从7.9到9.4在旱季和雨季从7.4到9.3(表3),表明略非常碱性地下水的性质。pH值显示低值在雨季由于供应低pH值从雨水和融雪补给水(例如,意味着雪pH = 5.78)。地下水浅hdw温度略有不同(取决于水)的深度和范围从12.6到20.2°C在旱季和雨季从11.0到16.6°C(表3)。

在岩复杂的含水层,明显季节性变化地下水微量元素和主要离子化学从汇总统计(表是显而易见的3)。一般来说,在旱季值浓度高于在雨季(除了Ca^{2 +},Cl⁻,、Br和Cr),从降水事件表明相对快速充电。在这个网站,微量元素可分为低(< 1.0µg L⁻¹;有限公司、钼、铜、V, -10),中等(1.0µg L⁻¹;李Ba、铬、镍、锰),和高(> 10µg L⁻¹;锌、铝、B Sr, Ti, Br,和铁)浓度范围根据他们的浅层地下水的平均丰度,考虑整个数据集(例如,结合干和湿季样品)。微量元素的相对丰度排名的顺序(考虑浓度中位数)B >老铁> Ti > Br > >锌> Al李> >英航>镍>锰> Cr > >莫> V >铜>有限公司为旱季样本,而他们排名的顺序Br > B Sr > Ti > > Al >锌>铁>镍> Cr李> >英航> > V >铜>锰>有限公司>莫为湿季样品(表3)。主要的阳离子和阴离子的浓度在旱季和雨季地下水样品(连同意味着雪组成)绘制Piper图(90年)为了确定主要水类型和描述水文地球化学演化路径(图6)。从这个图中,很明显,所有样品的主要离子毫克^{2 +}、钙^{2 +},,这是典型的碳酸岩和地形(91年,92年]。然而,许多地下水样品含有很低的钠⁺,Cl⁻,的浓度,在干燥和潮湿的季节(见表a . 1)(补充材料)。

根据Piper图,三个水化学相已确定,包括Mg-HCO₃,Mg-Ca-HCO₃,Ca-Mg-HCO₃(图6)。大约72%和40%的地下水样本旱季和雨季,分别属于Mg-HCO₃类型。其余的大多是列为Mg-Ca-HCO地下水样品₃类型,除了两个雨季样品(例如,K7和K16),分为Ca-Mg-HCO₃类型。的线性散射雨季水样沿着Ca-Mg轴Piper图(图6在雨季Ca)表示^{2 +}统治的增加,一些Mg-HCO₃旱季样本类型(如K2, K4、K5 K8、K10, K13,和K17)对Mg-Ca-HCO进化₃类型。EC值的下降和TDS(表3),连同增加Ca^{2 +}统治在湿季样品(图6)都可以解释为一种混合机制,更多Mg-HCO进化而来₃类型旱季地下水稀释减少Ca-HCO进化而来₃类型在雨季补给水。事实上,大多数的地下水样品显示水型的转变在潮湿季节在西南的一部分当地的补给区(即研究领域。Korum山),以碳酸盐岩为主,提供水浅岩复杂的地下蓄水层。

在研究区,地下水从几个hdw(即旱季。,K4, K5, K6, K10, K18, and K21) is probably affected by the aerobic denitrification processes mediated by the facultative anaerobes [93年较低),证明了这一点(0.7 - -6.2毫克L⁻¹)和相对较高(2.07 - -5.46毫克L⁻¹)、铁(100.7 -1018µg L⁻¹),Mn (5.76 - -78.6µg L⁻¹)浓度(见表a . 1)。铁和锰可能是动员解散的无定形铁/锰氢氧化物在浅含水层系统和土壤。如前所述,Cr显示更高的浓度比旱季雨季(表3),这可能是由于低pH值充电水域与铬铁矿反应(FeCr₂O₄),一个副矿物中发现的蛇纹岩(表1)。高地下水pH值(例如,pH > 6) Cr溶解度很低,并且分布在不同的羟基复合物包括CrOH^{2 +}、铬、和铬(94年]。

4.4。管理Kızılgedik地区地下水化学因素

Kızılgedik地区R-mFA利用多元统计方法来解释影响因素和关键过程碱性岩复杂含水层中地下水的成分。为此,结合地下水数据集( 从干和湿季受到R-mFA占观察到的水化学的时空变异性。Mg钴正常测试结果表明,该变量^{2 +},Na⁺、硅、铝、铁、锰、镍和Sr对数正态分布分布( ),而Ca的变量^{2 +},Cl⁻,,正态分布( )。因此,运用对数变换显示一个对数正态分布的变量。随后,所有的变量都是标准化通过计算他们分数的数据范围规模大约−3 + 3个标准差(),中心意思是()的零95年]。

在这项研究中,通过应用R-mFA方法,12个变量(Ca^{2 +}、镁^{2 +},Na⁺,Cl⁻,,、硅、铝、铁、锰、镍和Sr)联合生产四个因素解释原始数据集的方差的83.52%。只剩下的因素,解释数据方差的16.48%,被忽略的“噪音”,因为他们不符合凯撒标准(73年]。因素的正交性保证了旋转使用最大方差法原始方法。R-mFA的结果展示在表4降序排列的因素的重要性。

4.1.1。因素1:WRI Ca -和Si-Bearing阶段

因子1解释了27.68%的数据方差和Ca与化学相关的主要参数^{2 +}与载荷、Si和Sr (−0.854−0.817−0.901, resp)。(表4)。这些化学参数的来源可能是归因于天然WRI过程涉及Ca -和Si-bearing阶段(例如,方解石和石英),已知存在于地层发现从地形上更高的补给区(例如,Korum山)。Sr的紧密联系与相关因子1可能是其在碳酸盐岩的显著的浓度。Sr是很出名的,与碳酸盐如石灰石和白云石山脉(96年),它可以很容易地替代Ca^{2 +}和毫克^{2 +}由于其相似的电化学行为。例如,测量Sr石灰石样品中浓度(R4和R5)范围在701 - 1192 ppm,而奇异的块(R7和R8)分散在蛇绿混杂岩显示更低的值(即。240和491 ppm)(表2)。

10/24/11。因素二:WRI涉及非晶态氢氧化物和粘土矿物

化学参数铝、铁、锰和镍(载荷为0.926,0.909,0.766和0.746,分别地)贡献最强烈的因素2 25.64%的数据差异(表解释道4)。这些元素的高浓度可能由于WRI过程涉及非晶态铁/锰氢氧化物和粘土矿物中发现的浅层含水层系统和土壤。在这样的环境中,原地微生物调节复杂的生物地球化学反应使用的电子受体数量分解有机物质(97年]。站点特定的地球化学数据(表2)确认铝、铁、锰和镍中丰富的岩石和土壤样本,在总浓度(wt. %)可能达到7.41% (Al₂O₃),19.07%(如铁₂O₃),0.41% (MnO), 0.83% (NiO),分别。在天然地下水(pH < 10)、镍^{2 +}是优先吸附在铁(III)和锰(IV)氢氧化物(98年),可能存在一种无形的阶段或涂料在含水层的谷物。密切联系铁、锰和镍是一个函数的相似的原子半径和高铁/锰氢氧化物的吸附能力82年]。此外,菲^{2 +}、锰^{2 +},倪^{2 +}可能参与水相之间的阳离子交换过程和蓄水层材料,考虑到大量的粘土矿物研究区域(见表1)。

4.4.3。因素3:WRI涉及Mg-Bearing阶段

因子3,解释数据方差的18.84%,显示显著正载荷(0.913和0.853,分别地。)化学参数毫克^{2 +}和(表4)。这表明这个地区的矿化地下水可能发生通过WRI过程涉及Mg-bearing硅酸盐如蜿蜒的多晶型物(例如,利蛇纹石,叶蛇纹石,温石棉),橄榄石、透辉石、金云母和碳酸盐矿物的溶解性(例如,白云石)。虽然破碎岩含水层几乎完全是由Mg-silicates、Mg之间没有联系,如果是R-mFA结果(表4)。缺乏协会可能解释为风化反应涉及蜿蜒的多晶型物,在毫克^{2 +}离子是优先对Si删除^{4 +}离子或次要Si-bearing阶段(如石英或无定形氧化硅)沉淀。

4.4.4。因素四:大气和人为输入

因素4、解释数据方差的11.36%,表现出显著的积极与Na⁺,Cl⁻,(载荷为0.740、0.714和0.873,分别地),这些都是已知密切相关干/湿大气沉积和人为输入。在这项研究中,这些化学成分的大量可能来自国内浪费(污水)渗流通过污糟地方,特别是在干燥的季节。然而,在雨季,当人口是无关紧要的,干/湿大气沉积是另一个进程贡献这些选民底层岩石破碎含水层。在研究区,硝酸浓度与距离有关的污糟地方并不好。这是描绘在图7的散点图,它显示了粪坑因子(欧几里得距离地下水采样站点最近的坑)和硝酸浓度。含水层流动是由骨折而不是典型的多孔介质流意味着距离可能不是。此外,硝酸将进行脱氮在有氧条件下如发现在当地地下水(表3),使硝酸盐非保守的。因此,硝酸直接联系和氯预计不会,除非他们有一个共同的来源。事实上,硝酸和氯(不是强相关 旱季和 为湿季),符合非保守的硝酸从污糟地方氯化和保守的干/湿大气沉积。

Cl的贡献⁻从大气沉积可以由使用Cl⁻/ Br⁻数据。盐的来源(即。,halite) in atmospheric deposition is sea spray. As it can be seen in Figure8,Cl⁻/ Br⁻比例与Cl密切相关⁻旱季和雨季( )和比率值附近海水(200)或更低。Cl⁻/ Br⁻50到150之间的比率是典型的大气降水值较低的可能如果Br⁻优先吸附在粘土(99年]。没有迹象表明Cl⁻源从污糟地方生活污水Cl⁻/ Br⁻比300年和600年之间(99年]。因此,我们得出结论,大部分的Cl⁻来自大气沉积Kızılgedik站点。

4.5。总结空间和季节性的水化学变化

Kızılgedik网站,总体地下水化学主要是Mg-HCO₃。如前所述在图6,有一些与季节变化,旱季样本更丰富的镁和溶质的平均值(除了Ca^{2 +},Cl⁻,,Br和Cr)在旱季雨季(见下表3)。箭头在图4定义南部(转K6、K7 K8、K17 K15,和K14)、中部(K3、K19, K11 K12, K13 K14、和K15),和北部(K1, K2 K25, K23,和K24)流路径。井之间存在差异,但没有系统的增加溶质在流路径。大分水岭(东,例如,Korum山)主要由碳酸盐岩石(石灰岩)和岩溶。这一领域将产生化学由碳酸氢钙和水。虽然这可以解释Ca-HCO签名₃组件的本地水化学、镁组件显然从本地serpentinitic矿物学。

人为输入的影响可以看到底层浅含水层中化学成分的浓度,,(表a . 1)。我们也看到,铁和锰升高一些hdw位于中部和北部部门(即研究的区域。K21 K1, K18、K19, K25)。这些成分的浓度的增加可能是由于国内废物排放旱季期间通过污糟地方当人口大幅增加而淡季。例如,旱季浓度K1、K19 K25(表a . 1)被一个以上的标准价值(0.5毫克L的8倍⁻¹)设定的EC (One hundred.]。此外,旱季的浓度K1(0.68毫克L⁻¹在K18)、铁(205.6μg L⁻¹K21(78.6)和锰μg L⁻¹)略高于EC (One hundred.饮用水标准。根据数据,从当地地下水化学污糟地方影响有限,除了标准超过五井。

4.6。孔隙中的水-岩作用地球化学建模(WRI)

WRI的地球化学建模开始的物种形成水分析根据热力学数据库(例如,LLNL.dat)。的所有阶段中确定XRD,除了蛭石和利蛇纹石,在数据库中被发现。然而,LLNL数据库包含叶蛇纹石和温石棉,不同形式的蛇形。此外,通用的橄榄石数据不可用,但LLNL数据库并含有镁橄榄石,橄榄石的镁包体。因此,确定主要和次要矿物,除了蛭石,可以包括在模型中。地球化学建模中使用的数据包括温度、pH值、钠、钾、钙、镁、碱度(HCO₃),所以₄Cl F,不₃,在北半球₄、铁、锰、铬、铝、硅和Sr(表3)。其他微量元素不包括简化建模。PHREEQC用于物种形成的水样( )和计算饱和指数()选择矿物质。

4.6.1。饱和度数据

饱和指数()的旱季和雨季地下水样品如图9主(即为选中。,calcite, forsterite, chrysotile, and phlogopite) and secondary (product) minerals (i.e., dolomite, quartz, kaolinite, and clinochlore). Minerals with negative值(欠饱和)可能会溶解,而与积极的矿物质值(过饱和)可能会沉淀。

计算叶蛇纹石和铬铁矿的值(没有显示)都是非常积极的指示矿物不会溶解或热力学数据不是很准确。主要矿物温石棉是过饱和在旱季(的意思 ),但就欠饱和在大多数水井在雨季(的意思 )(图9)。橄榄石(镁橄榄石)是欠饱和(图在干燥和潮湿的季节9),平均值分别为3.94和7.07−−。类似于温石棉,金云母是过饱和在旱季(的意思 ),但就欠饱和在很多样品在潮湿季节(的意思 )(图9)。变化与更大的欠饱和饱和湿季期间相同的样本位置是一致的与补给地下水稀释降低TDS和促进主要矿物的溶解(风化)。方解石接近饱和最多的地方(平均在两个季节 在旱季和意思 在雨季(图)9),表明有限的方解石溶解或沉淀。在旱季,然而,一些次要矿物如白云石、斜绿泥石,和镁(图中未显示)显示强烈的过度饱和模式表明潜在的降水和低过饱和度在潮湿的季节,而其他如石英、高岭石、Fe(哦)₃(图中未显示),接近平衡(图在两个季节9)。

饱和指数显示主WRI反应包括解散镁橄榄石和在某些情况下在雨季还金云母和温石棉,连同白云石、斜绿泥石、高岭石和石英沉淀。溶解二氧化硅浓度出现限制形成的高岭石和石英。这个占缺乏(统计)Mg和Si地下水之间的联系。而从Mg-silicates溶质都提供的,损失是由不同的溶解能力不同的矿物质。硅的浓度和pH值对所有干和湿季样品绘制在图10MgO-Al,矿物稳定性图₂O₃-SiO₂- h₂O系统。phlogopite-dolomite-clinochlore边界附近的样品图或基于饱和指数如预期。这表明主要溶质毫克^{2 +}和(从R-mFA因素3)可能是由水岩控制这些矿物相之间的平衡。

4.6.2。逆地球化学建模

逆地球化学建模是一个方法来量化WRI反应产生观察到的地下水化学。一个解决方案是定义为起点和第二方案为终点。模型计算所需的矿物质和气体的摩尔转移产生第二个解决方案使用溶解或沉淀反应(102年]。

一套模型使用雪(见表3)作为初始解决方案和溶解或沉淀矿物质和气体达到干燥季节平均水成分(表3;模型1 - 3表5)。第二组模拟模型(表4 - 65)开始干燥季节平均水成分和达到雨季平均成分。表5显示了反向地球化学模拟的结果值是摩尔每公斤的水,和积极的价值观表明溶解(或ingassing)而负值表明降水(或脱气)。所有消费模型有限公司₂和O₂和最主要的矿物溶解(蛇纹石、橄榄石、方解石和铬铁矿)以及少量的岩盐。考虑到网站是位于地中海海岸线以北100公里,岩盐的来源(氯化钠)是最有可能的干/湿大气沉积海盐气溶胶粒子携入的海洋空气进入大气层被风行动接口。站点特定的地下水和雪Cl⁻/ Br⁻比率(图8)之间缺乏很强的相关性和Cl⁻离子表明国内垃圾排放的污糟地方不太可能是一个主要来源的岩盐季节性居住的源区。所有雪旱季模型需要ferrihydroxide,斜绿泥石、氧化铬和石英降水。然而,模型1溶解温石棉,但不是镁橄榄石占溶解镁,镁橄榄石溶解而另一模型。模型1和2白云石沉淀,而模型3没有,因为它吸收更少的公司₂(表5)。两个干燥潮湿季节模型(模型4和5)反应物水占充电(表的稀释效应5)。模型4 - 6是相似的;没有斜绿泥石或铬氧化物沉淀(很少有亚铬酸盐溶解),但有白云石沉淀。的模型完全干燥和潮湿季节展示主要溶质基本上是由主要矿物的溶解和次生矿物形成源区存在。显式地建模结果表明五反应物或溶解阶段和五个产品或沉淀阶段(见表5)足以解释季节性差异发生在地下水成分。干燥和潮湿季节地下水成分之间的差异似乎主要是由于增加了大量水(例如,从降雨或融雪补给)在雨季。然而,它应该强调逆模型往往会提供nonunique解决方案,也就是说,对于任何水化学演化一步多个模型通常是发现(见表5)。

广义上说,多元统计方法在本研究中(R-mFA)能够辨别的因素(即。因素1:WRI涉及Ca -和Si-bearing阶段;因素二:WRI涉及非晶态氢氧化物和粘土矿物;因素3:WRI涉及Mg-bearing阶段;和因素4:大气/人为输入)代表主要地球化学过程发生在地下水系统。这表明,作为一个初始步骤,R-mFA可以给予很大的帮助,同时制定逆地球化学模型和破译各种因素的相对重要性(地质、水文、地形、地形学的气候、人为,等等)影响地下水成分。概括地说,结果从饱和指数()计算表明,饱和镁橄榄石、石英、铬铁矿、岩盐和个人地下水样本之间不发生剧烈变化的季节,而温石棉的饱和状态,方解石,白云石,斜绿泥石个人地下水样本显示显著的变化。源区这表明矿物阶段发现的反应不同的流入增加充电在潮湿的季节,也反映在质量传递大量的反应物和产物通过地球化学模型(表计算5)。

5。结论

在这项研究中,图形,多元统计(如R-mFA)、GIS, PHREEQC逆地球化学建模工具被用来研究自然和人为的碱性地下水化学过程管理季节性居住源区位于高山环境(阿达纳,土耳其)。干季(2011年10月)和湿季(2012年5月)蛇绿混杂岩浅手挖井的地下水样本,以及雪,岩石,和整个网站采集土壤样本,用来评估水文地球化学过程发生在这个源头的环境。

XRD的结果和WDXRF收集岩石和土壤样本的分析表明,主要矿物阶段发现在该地区包括利蛇纹石,叶蛇纹石、方解石、白云石、石英,加上少量的赤铁矿和蛭石,微量的斜绿泥石、菱镁矿、高岭石,橄榄石,铬,铁白云石,地开石、透辉石、金云母。在这种源区,岩溶特征如灰岩坑,连同故障显示conduit-barrier行为相结合,似乎发挥重要作用在控制地下水流动模式和充电/放电机制。然而,没有观察到明显的季节性差异水力梯度和复杂岩含水层地下水流方向。Mg-HCO Piper图所示₃和Mg-Ca-HCO₃水类型是流行(pH值从7.4到9.4),表明岩和碳酸盐岩的影响对当地地下水化学。干燥和潮湿季节样本之间的差异主要是在充电期间溶质的稀释。结果从R-mFA证实这些结果还指出大气/人为输入(例如,Na⁺,Cl⁻,)。PHREEQC逆地球化学模型被用来量化影响地下水演化的过程之间的包体水类型。PHREEQC逆建模的结果表明,地下水化学是强烈依赖于当地的蛇形矿物学包含活性矿物质如利蛇纹石,叶蛇纹石、橄榄石、铬铁矿、方解石、金云母。主要的溶质(例如,毫克^{2 +}、钙^{2 +},)似乎这些矿物质的水岩相互作用的产物和地方充电。风化反应的副产品包括Fe-oxides、斜绿泥石、石英、白云石,所有在含水层中找到。附近的当地矿化和平衡矿物质和地下水在小流域意味着快速水岩反应。的存在污糟地方排放污水直接进入含水层引起局部超过数在亚硝酸盐和氨的饮用水标准,但硝酸盐浓度仍低于监管标准。

使用方法使用这些不同的工具可以提供一个增加地下水的化学性质的理解,其地球化学演化,人为输入的空间和季节的影响变量从点(即来源。在上游源头地区,污糟地方)增加人类的影响。这项研究的结果可以用来改善公共政策和水的质量法规,促进可持续发展和水资源有效管理在高山上游源头地区,通常认为是几乎原始的人类的影响。然而,持续的监控需要充分描述水文和水化学动力学在该市农村环境中,目前在世界的很多地方被忽视的研究课题。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

梅尔辛大学科研项目(BAP)单位通过两个独立的拨款资助这项研究的资深作者(BAP-MUH F JMB (CG) 2012 - 2 HD和BAP-MUH F JMB (CG) 2014 - 1高清)。作者要感谢他们以前本科生阿里Karakocİrfan Balbay,和Ozcan Canpolat热情的援助在野外和实验室。他们非常感谢所有的土地拥有者提供抽样网站和样本。他们感谢Mehmet Ali Kurt教育,依托先进的技术研究和应用中心(MEİTAM)梅尔辛大学,XRD, WDXRF, icp分析。

补充材料