余夢明，潘紅忠

（長江大學地球化學系，湖北荊州 443002）

同位素在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用與發(fā)展

余夢明，潘紅忠

（長江大學地球化學系，湖北荊州 443002）

本文通過總結(jié)前輩們的研究成果，綜合概括我國同位素水文地質(zhì)學近20余年取得的發(fā)展和成就。指出我們的不足與面臨的挑戰(zhàn)。

水文地質(zhì)；同位素；示蹤劑；分析測試

0 引言

同位素（Isotope）是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一組核素，包括放射性同位素 (Radioactive isotope)和穩(wěn)定同位素（Stable isotope）。凡能自發(fā)地放出粒子并衰變?yōu)榱硪环N同位素者稱為放射性同位素；目前技術(shù)條件下無可測放射性的同位素稱為穩(wěn)定同位素。水文地質(zhì)學（Hydrogeology）是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時間變化的規(guī)律，以及合理利用地下水或防治其危害的學科。將同位素技術(shù)應(yīng)用于水文地質(zhì)研究中，是發(fā)展水文地質(zhì)學的一項先進手段。

法國是把同位素應(yīng)用到水文地質(zhì)學上比較早的國家之一，從四五十年代就開始了同位素在水文地質(zhì)學方面的研究 。我國同位素技術(shù)在水文地質(zhì)上的應(yīng)用起步相對較晚。

自1988年在保定召開第一屆《全國同位素水文地質(zhì)方法學術(shù)討論會》以來，我國同位素水文地質(zhì)學理論研究與儀器設(shè)備的研發(fā)和引進上都取得了長足的進展，并已形成同位素地球化學的一重要分支 同位素水文地質(zhì)學(Isotope Hydrogeology)。目前普遍認為同位素水文地質(zhì)學是介于水文地質(zhì)學和同位素地球化學之間的一門新興交叉學科，主要研究地下水的環(huán)境同位素組成，探討其補給、徑流、排泄、水體之間的混合、水體年齡等水文地質(zhì)問題。

1 近20余年來同位素在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用

目前，同位素水文地質(zhì)學，主要從事研究地下水及土壤污染問題、地下水循環(huán)與演化、水文地質(zhì)勘察技術(shù)與方法、水文地質(zhì)野外實驗技術(shù)、水文地球化學信息技術(shù)以及其它與水文地質(zhì)環(huán)境相關(guān)研究領(lǐng)域。以下簡要介紹人工放射性同位素法和環(huán)境同位素法在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用。

（1）人工放射性同位素法的應(yīng)用

人工放射性同位素法是人為地將某些放射性同位素添加到某體系的環(huán)境中，然后通過測定地質(zhì)體中所添加的同位素豐度在各個方向上的變化，研究該體系的特征，如常用的131I、32Br等。該方法常用于水文地質(zhì)參數(shù)(如地下水的滲流速度，巖石的滲透率、裂隙度等)的測定、地下水污染示蹤和壩體滲漏研究等方面。

同位素單孔稀釋法測定地下水流速與流向，確定地下水補給關(guān)系原理。單孔稀釋法是用已確定達西滲透流速的示蹤劑稀釋測井。把放射性示蹤劑放到一定深度的鉆孔或井孔中；當濾水管中的水柱被示蹤劑標記后，被標記的地下水主要沿著地下水水流方向，以一定的流散角被地下水帶至孔外含水層中而稀釋，其稀釋速度與地下水滲透流速有關(guān)，而漂移到含水層中的示蹤劑放射性暈反射回來作用于孔內(nèi)。其方向各不相同，最強的方向相對應(yīng)于地下水流出濾水管的方向，而最弱的方向與流入濾水管的方向相對應(yīng)。故根據(jù)對孔周測得的計數(shù)率，便可確定地下水流向 。

在武漢市長江底部第四紀孔隙含水層中，用單井稀釋法測定了地下水流速、流向。測試結(jié)果表明：武漢長江底部JC-II-6號鉆孔處地下水流向從上到下都受到地表長江水流的影響，上部影響大，深部較弱，地下水流向從上到下逐漸向東偏轉(zhuǎn)35 左右。上部中細砂層中的地下水流速大于下部粗中砂層中地下水流速，表明長江水流對淺部含水層地下水流有較大的影響。

（2）環(huán)境同位素的應(yīng)用

環(huán)境同位素方法是利用自然體系中本來就有的同位素做示蹤劑來研究水文地質(zhì)學上的問題，它們分為放射性同位素(如T、14C、238U、232Th、87Sr等)和穩(wěn)定同位素(D、18O、13C、34S等)。該方法常應(yīng)用于研究地下水的起源與形成（包括補給來源、補給高程、循環(huán)深度），地熱水和咸水的成因，不同水體或含水層之間水力聯(lián)系與補給關(guān)系、混合比等。

①對比穩(wěn)定同位素特征，確定地下水補給源

原理。地表水和地下水具有不同的同位素組分，且水分子的穩(wěn)定同位素在含水層中的運移不變，只要含水層的地下水有同位素的差別，就可以識別地下水的運移方向 。

應(yīng)用實例。利用環(huán)境同位素預(yù)測秦嶺特長隧道的突水風險

通過不同水源中的氘和氚同位素對比，探討秦嶺特長隧道敏感地段突(涌)水的可能性（圖1）。位于隧址區(qū)北坡近EW向的F4斷層為控制秦嶺地區(qū)構(gòu)造格架的主要斷裂構(gòu)造之一，其導(dǎo)水性是隧道建設(shè)所考慮的重點問題。

圖1 秦嶺特長隧道地質(zhì)剖面圖

勘測階段的環(huán)境同位素數(shù)據(jù)顯示：嶺北隧址區(qū)地表水的氘含量 值平均為 -58.6 ，明顯較位于F4斷裂帶上的冉家坪QDSZ-2鉆孔中水樣的 值(平均-71.9 )重化，前者較后者平均富集氘13.3 。由此判斷,在天然狀態(tài)下，F(xiàn)4斷層帶本身的水力傳導(dǎo)性很差，下部地下水并非來源于石砭峪河水的滲漏補給，不會給隧道的建設(shè)帶來突水風險。

②放射性環(huán)境同位素的標記性和記時性

原理。環(huán)境同位素與在地球化學原產(chǎn)地的相應(yīng)天然同位素構(gòu)成具有一致性，它在演化過程中攜有其演化環(huán)境和過程的信息，具有表征特定環(huán)境和過程的特性，可作為原位或過程的標記，因而可廣泛應(yīng)用于示蹤研究，以示蹤大空間范圍、長時間跨度的物質(zhì)的運動，反演或預(yù)測元素演化過程的環(huán)境 。

應(yīng)用實例。放射性環(huán)境同位素T、Sr(鍶)技術(shù)在地下水循環(huán)深度確定中的應(yīng)用

地下水循環(huán)深度反映了地下水的可更新能力。在水文地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，利用同位素技術(shù)對鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區(qū)的地下水循環(huán)深度進行研究。T、Sr等同位素數(shù)據(jù)表明，盆地北區(qū)現(xiàn)代水循環(huán)深度為210 m左右，水循環(huán)更替速度較快；南區(qū)現(xiàn)代水循環(huán)深度大約為160 m，水循環(huán)更替速度較北區(qū)稍慢。中深部環(huán)河組和洛河組地下水則保存著古地下水特征，地下水更替速度慢。因而，可加大北區(qū)地下水的勘察力度。

2 我國近20余年同位素在水文地質(zhì)研究中的發(fā)展

2.1 我國同位素水文地質(zhì)研究的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1988年《全國同位素水文地質(zhì)方法學術(shù)討論會》在保定召開，專家學者總結(jié)了我們在以下領(lǐng)域取得的成果：（1）數(shù)學模型的研究；（2）利用環(huán)境同位素研究地下水成因和補給來源；（3）環(huán)境同位素方法在水文地質(zhì)勘察和環(huán)境評價中的應(yīng)用；（4）地下水成礦作用和水同位素特征找礦；（5）環(huán)境同位素測試技術(shù)裝備和方法；（6）用放射性同位素示蹤法和稀釋法測定滲透速度和流向等參數(shù)；（8）利用同位素開展室內(nèi)和野外彌散試驗；（8）在壩基和灌漿帷幕搶漏方面等 。

1993年第二屆《全國同位素水文地質(zhì)方法學術(shù)討論會》在長春召開，這次會議總結(jié)發(fā)表了《中國同位素水文地質(zhì)學之進展》(1988 1993)。此外，全國同位素地質(zhì)年代學和同位素地球化學學術(shù)討論會每四年舉辦一次。其中，第八屆主要議題是 地下水定年與同位素地球化學 ，主要有地下水氦氬同位素特征的報告（劉存富）、環(huán)境同位素在水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)研究中的應(yīng)用（賈艷琨等）、惰性氣體法測定地下水入滲補給量王鳳林（毛緒美等）、確定平原地下水4He年齡方法的嘗試（蔡鶴生等）、河北平原地下水鍶同位素特征（周愛國等）。第九屆學術(shù)會議主要討論了同位素地質(zhì)分析技術(shù)方法和礦產(chǎn)資源、能源及水資源的形成時代與同位素示蹤。

雖然與國外相比，我國在同位素技術(shù)的應(yīng)用方面相對滯后，但經(jīng)過歷代不懈的努力取得了一系列成果。國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾方面 :

（1） 應(yīng)用穩(wěn)定同位素 、18O和放射性同位素 、14C等研究地下水的起源與形成、地熱水和咸水的成因、不同水體(或含水層)之間水力聯(lián)系與補給關(guān)系、混合比等；

（2） 進行有關(guān)水循環(huán)過程的某些環(huán)節(jié)(如降水入滲、土面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、彌散等)的室內(nèi)或野外實驗；

（3） 利用人工放射性同位素測定水文地質(zhì)參數(shù)和地下水污染示蹤；

（4） 通過環(huán)境同位素或人工同位素研究壩體滲漏或庫區(qū)滲漏；

（5） 通過環(huán)境同位素研究地表徑流形成過程與流量分割；

（6） 對古氣候與古環(huán)境演化的研究；

（7） 對大氣降水同位素變化特征進行初步的理論與實驗研究。

2.2 同位素水文地質(zhì)學儀器及分析測試手段的發(fā)展

上世紀60年代以前的儀器很簡單，多由探頭和計數(shù)器構(gòu)成，分析方法一般為化學分析和光譜分析。60至80年代近代分析技術(shù)和其它有關(guān)學科理論的迅速發(fā)展，實驗方法由穿透式發(fā)展成反射式，單源法、多源法、單探頭、多探頭、伺服跟蹤法等相繼出現(xiàn)，中子、? 復(fù)合源使儀器朝多元復(fù)雜化、智能化發(fā)展。80年代后由于計算機的迅速普及，儀器和分析測試手段獲得劃時代的變革，一般都具備高自能化和高靈敏度、分辨度和準確度，普遍應(yīng)用SHIRIMPⅡ離子探針定年技術(shù)和高精度多接收器等離子質(zhì)譜技術(shù)、激光同位素測年技術(shù)、微區(qū)穩(wěn)定同位素測試、色質(zhì)聯(lián)用技術(shù)等。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所重點組建同位素水文學實驗室，主持IAEA地熱系統(tǒng)酸性流體研究等國際合作科研項目和國際間水化學實驗室等，這些都為同位素測試研究提供了堅實的基礎(chǔ)。

我國同位素儀器研發(fā)起步較晚，與國際先進水平還有很大的差距，目前國內(nèi)高精度的大型同位素儀器大都依賴于國外進口。 九五 及 十五 發(fā)展計劃以來，國家已加強了自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新力度，在許多領(lǐng)域已達到國際先進水平。

3 總結(jié)

近20年我國同位素水文地質(zhì)學研究取得了很大發(fā)展，但尚未形成系統(tǒng)化、標準化的學科，在技術(shù)上還主要引用國外同位素技術(shù)，自主創(chuàng)新的成果還較少。我們要進一步通過學術(shù)交流平臺，增強行業(yè)學術(shù)研究提高同位素水文地質(zhì)學水平，為我國水文地質(zhì)科學的發(fā)展做出貢獻。

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The Development and Application of Is otopes in Hydrological Geology Research

YU Mengming, PAN Hongzhong

(Geochemistry Department of Yangtze University, Jingzhou, Hubei Province 443002)

This paper summarizes the previous research achievement and acts on the det ail projects, and order with practical examples, to comprehensively conclude the development and achievement of hydrogeology isotopes various from theory, experiment methods and the analysis of test means in recent 20 years. While looking out of our international situation, this paper points out our absences, responsibilities, pressure and challenges for us to encounter. The conclusion can give guidance for our later work.

Hydrology geology; Isotope, Tracer material; Analysis of test

P641

A

1007-1903(2010)04-0021-04