馬應明, 李桂新, 王青海, 張永浩, 何藝峰, 劉 莉, 沈 忠

(1.西北核技術研究所,陜西西安 710024;2.新疆師范大學化工學院,新疆烏魯木齊 830054)

西北某區(qū)地下水同位素特征分析

馬應明1, 李桂新2, 王青海1, 張永浩1, 何藝峰1, 劉 莉1, 沈 忠1

(1.西北核技術研究所,陜西西安 710024;2.新疆師范大學化工學院,新疆烏魯木齊 830054)

采用環(huán)境同位素和水化學等分析方法,通過分析研究西北某區(qū)地下水的環(huán)境同位素特征和化學特征,確定了該研究區(qū)內地下水的起源及其相對年齡,明確了地下水的相對補給區(qū)與排泄區(qū)。研究結果表明,區(qū)內地下水的化學類型主要為SO4·Cl-Na·Ca型,地下水賦存的環(huán)境屬于弱堿性-強氧化環(huán)境,最終來源主要為大氣降水,大部分屬于古老地下水,且地下水同位素δ值高程效應明顯。地下水的補給和更新能力很差,呈現(xiàn)出研究區(qū)含水系統(tǒng)水循環(huán)交替速度很慢,更新周期很長的特征。

地下水;同位素;水化學;古老地下水;高程效應

同位素技術是核科學技術的重要組成部分,其在水文水資源領域應用非常廣泛。同位素技術在地下水勘測、地下水運動規(guī)律研究、地下水來源及組成分析等方面都有非常重要作用,特別在識別地下水補給源,判定地下水年齡、流速、流向及補給量,了解地表水和地下水相互轉換規(guī)律,確定不同含水層之間的相互聯(lián)系、地表水對地下水的污染等方面具有特殊的作用 (徐學選等,2010;張應華等,2006;劉心彪等,2009;蔣方媛等,2009;Paternoster等,2008)。為了深入了解西北某區(qū)地下水的循環(huán)特征,掌握地下水的變化規(guī)律,在開展了大量水文地質調查研究工作的基礎上,筆者利用同位素技術并結合水文地球化學手段對該區(qū)水文地質特征開展了相關研究,初步查清了研究區(qū)地下水的來源、滯留時間、地下水循環(huán)交替特征,確定了地下水的相對補給區(qū)與排泄區(qū),并分析了地下水的同位素特征及其所反應的水循環(huán)信息,從而為研究區(qū)水文地質條件評價等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要為荒無人煙的戈壁灘,地貌類型有基巖山區(qū)、山間洼地、山前沖洪積平原等,具有典型的干旱荒漠氣候特征。該區(qū)地下水資源十分貧乏,年均降水量約 30 mm,年均蒸發(fā)量達 2 900 mm,主要依靠大氣降水補給,降水量主要集中于 6至 8月,約占全年降水量的 60%以上,易形成暫時性地表洪水,無常年性流水。氣溫變化較大,年平均氣溫約 10℃,最高氣溫達 50℃。夏季酷熱,冬季干冷,四季不明顯,冬、夏季長,春、秋季短,日溫差很大,最大可達25℃。春冬兩季多風,風向北、北東,風力一般為3～5級,最大風力可達 7級。區(qū)內無固定居民居住,周邊有少數(shù)人員主要從事資源勘察、礦產(chǎn)開發(fā)、旅游和土地開發(fā)等。

2 樣品采集及測試

研究人員在西北某區(qū)不同區(qū)域共采集 16處以泉水形式出露地表的泉水水樣,并對所有水樣的化學成分和D,18O同位素含量進行了測試。此外,還對其中具有代表性的 13處地下水樣的14C同位素含量進行測試。地下水化學成分由清華大學分析中心利用離子色譜儀進行檢測。D,18O同位素由中國科學院地質與地球物理研究所穩(wěn)定同位素實驗室分別利用MAT-252和MAT-253型質譜計進行測試分析,測試結果采用 S MOW標準,δD測試精度小于 ±1‰,δ18O測試精度小于 ±0.1‰。14C同位素含量由中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環(huán)境地質重點實驗室利用超低本底-射線液閃計數(shù)儀進行檢測,所采用地下水14C年齡為樹輪校正年齡。

3 地下水水化學和同位素特征

3.1 地下水化學特征分析

表 1為研究區(qū)地下水化學成分分析結果。從表1可以看出,研究區(qū)內地下水呈弱堿性,地下水中陽離子主要以 Na+為主,其次為 Ca2+和 Mg2+;陰離子主要以和 Cl-為主,HC次之,地下水化學類型主要為 SO4·Cl-Na·Ca型。地下水經(jīng)過了強烈的蒸發(fā)濃縮作用,水中鹽分較高,以咸水為主,局部為鹽水,大部分區(qū)域地下水礦化度處于 1～20 g/L之間,有少數(shù)點處地下水礦化度高達 36 g/L。因此,研究區(qū)地下水賦存環(huán)境屬于弱堿性-強氧化環(huán)境。

表 1 研究區(qū)地下水化學成分分析結果Tab.1 The results of chem icalmeasurement for groundwater samples mg·L-1

3.2 地下水流向特征分析

地下水賦存在復雜的含水地質體中,與周圍環(huán)境有著密切的聯(lián)系,在其補給、徑流、排泄過程中,不斷地進行著循環(huán)流動。圖 1為利用研究區(qū)各采樣點處地下水位所繪制的等水位線圖,從圖中可以看出研究區(qū)地下水的流向特征,主要以M5,M13,M16等點附近區(qū)域為補給來源區(qū),進而向各個不同方向進行運移,地下水總體是沿著地下水位高處向地下水位低處進行運移。研究區(qū)內M5,M13,M16等點處的地下水位相對較高,而M4,M10,M11,M12等點處的地下水位相對較低,因此,可得出研究區(qū)內M5,M13,M16等點所處地下水位高的區(qū)域為地下水的相對補給區(qū),而M4,M10,M11,M12等點所處地下水位低的區(qū)域為地下水的相對排泄區(qū)。

從水文地球化學角度分析,地下水沿著徑流方向運移時,沿途不斷的溶解鹽類,使得水中易溶鹽類的數(shù)量增加,從而礦化度增加。同時地下水會由于溶濾作用使得其礦化度較低,因蒸發(fā)濃縮作用使得地下水的礦化度較高。而對于某一固定區(qū)域,地下水的溶濾作用主要發(fā)生于地下水的補給區(qū),因此會導致補給區(qū)地下水的礦化度較低;而蒸發(fā)濃縮作用主要發(fā)生于地下水的排泄區(qū),則導致該區(qū)域地下水的礦化度較高 (郭永海等,2003;蘇永紅等,2009)。據(jù)此,對表 1地下水的礦化度值進行對比分析,得出研究區(qū)內M5,M13,M16等點所處區(qū)域地下水礦化度低的區(qū)域,說明這些點所處區(qū)域主要為地下水的補給區(qū);M4,M10,M11,M12等點處地下水礦化度值較高,說明這些點所處區(qū)域主要為研究區(qū)地下水的排泄區(qū)。此結論與上述得出的結論相吻合。

圖 1 西北某區(qū)地下水等水位線圖Fig.1 groundwater-table contourmap in a northwest region

3.3 地下水年齡分析

圖 2為對研究區(qū)內 13處地下水樣品14C同位素年齡測試結果。由圖 2中可以看出,研究區(qū)內地下水在含水層中滯留時間為數(shù)千年至一、兩萬年不等。說明研究區(qū)內地下水形成于不同時代,也反映了形成過程的差異,但絕大部分地下水屬于古老地下水,現(xiàn)代降水補給的份額甚少或無,表明研究區(qū)內地下水的補給和更新能力很差,地下水滯留的時間較長,研究區(qū)含水系統(tǒng)水循環(huán)交替速度很慢,更新周期很長(Lan et al.,2006)。

3.4 地下水來源分析

表 2為研究區(qū)內地下水中δD和δ18O同位素測試結果。將表 2中地下水樣的同位素數(shù)據(jù),用線性回歸方法擬合,得到δD和δ18O線性關系 (圖 3),其方程式為δD=3.5δ18O-35.4(r=0.961)。由圖 3可見,研究區(qū)內地下水蒸發(fā)線斜率較小,各采樣點地下水中δD和δ18O值偏離全球大氣降水線較遠,處于全球平均大氣降水線右側下方,表明地下水的補給來源為同一來源。地下水中氫氧重同位素明顯富集,說明研究區(qū)地下水在補給的過程中經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用,導致氫氧重同位素富集,使氫氧重同位素點偏離大氣降水線并位于其右下方(Allen,2004)。

表 2 地下水δD和δ18O同位素組成Tab.2 δD andδ18O isotopic composition of the groundwater

同一地下水蒸發(fā)線上不同部位的水樣同位素信息則反映了它們遭受不平衡蒸發(fā)程度的差異,同時說明了不同時代地下水的同位素組成各不相同,也反映了其形成過程的差異。特定斜率的地下水蒸發(fā)線代表來源相同水樣的氫氧同位素組成特征,全球大氣降水線和地下水蒸發(fā)線的交點,可以近似反映出地下水的原始平均同位素組成。研究區(qū)地下水蒸發(fā)線與全球平均大氣降水線收斂于一點:δD=-70‰,δ18O=-10‰,說明區(qū)內地下水的最終起源為大氣降水,該點的值近似代表了研究區(qū)地下水初始同位素組成。

研究區(qū)地下水的δD和δ18O值都位于斜率為3.5的地下水蒸發(fā)線附近,可將它們分為 2個區(qū)域,更富集重同位素的區(qū)域 (Ⅱ組),位于此直線的右上方,相對貧集重同位素的區(qū)域 (Ⅰ組),處于該直線的左下方。通過對比分析ⅠⅡ組各點所對應地下水的礦化度值,可得出Ⅰ組區(qū)域內各點地下水的礦化度較低,說明Ⅰ組各點所處區(qū)域主要為地下水的補給區(qū);而Ⅱ組區(qū)域內各點地下水的礦化度較高,則說明Ⅱ組各點所處區(qū)域主要為地下水的補給區(qū)。同時通過分析圖 3還可以得出,Ⅰ組區(qū)域補給區(qū)地下水中相對富集氫氧重同位素,Ⅱ組區(qū)域排泄區(qū)地下水中相對較為貧集氫氧重同位素。這主要與研究區(qū)內地下水經(jīng)過了強烈的蒸發(fā)濃縮作用有關,由于水中重同位素D和18O所構成的水分子質量比普通水分子大,故在物質轉化過程中,會產(chǎn)生同位素分餾,當?shù)叵滤艿綇娏业恼舭l(fā)作用時,水中將會富集重同位素D和18O。地下水補給區(qū)受到的蒸發(fā)濃縮作用相對較弱,因此,其地下水中相對較為貧集氫氧重同位素;而對于地下水的排泄區(qū),地下水會受到強烈的蒸發(fā)濃縮作用,其地下水中將會相對富集氫氧重同位素。

3.5 地下水同位素δ值高程效應分析

圖 4和圖 5分別表示研究區(qū)內地下水同位素δD,δ18O值與地下水位之間的關系。由圖可以看出,研究區(qū)內地下水同位素δ值隨著地下水位的變化而發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為地下水位較低的區(qū)域地下水中δD和δ18O值較大,而地下水位較高的區(qū)域地下水中δD和δ18O值卻較低。此次所采集水樣主要是以泉水形式出露地表的水樣,因此各采集水樣點處的地下水位和地面高程基本相一致,這就說明研究區(qū)內地下水同位素δ值高程效應比較明顯,地面高程低的區(qū)域地下水中相對富集氫氧重同位素,地面高程高的區(qū)域地下水中相對貧集氫氧重同位素。

這主要也與研究區(qū)內氣候干旱,地下水受到了強烈的蒸發(fā)濃縮作用有關。根據(jù)圖 1分析得出,地下水沿著水位高處向水位低處進行滲流。此次所采集水樣為泉水水樣,各點處地下水位和相應點處的地面高程相接近,因此,地下水基本是沿著地勢高處向地勢低處進行運移。由于研究區(qū)氣候十分干旱,地下水在滲流的過程中,會經(jīng)受強烈的蒸發(fā)濃縮作用,滲流的時間越長,其受到的蒸發(fā)作用就會越強,地下水中就會富集更多的氫氧重同位素。研究區(qū)內地下水位高處,即地面高程高處為地下水的相對補給區(qū),地下水受到的蒸發(fā)濃縮作用相對較弱,使得該區(qū)域地下水中相對貧集氫氧重同位素;而地下水位低處,即地面高程低處為地下水的相對排泄區(qū),該區(qū)地下水受到的蒸發(fā)濃縮作用相對較強,導致該區(qū)域地下水中相對富集氫氧重同位素。因此,研究區(qū)地下水中同位素δ值高程效應明顯,且表現(xiàn)為負相關關系。同時根據(jù)前述分析,得出研究區(qū)各采集水樣點處的地下水位與礦化度之間呈現(xiàn)負相關關系,即地下水位低的區(qū)域,地下水的礦化度較高,而地下水位高的區(qū)域,地下水的礦化度較低。根據(jù)以上便可得出地下水中同位素δ值與礦化度之間呈正相關關系,即相對貧集重氫氧同位素的地下水礦化度較低,而相對富集氫氧重同位素的地下水礦化度較高。

4 結論

通過對西北某區(qū)地下環(huán)境同位素和水化學特征進行了分析,結果表明研究區(qū)地下水的主要化學特征是礦化度較高,呈弱堿性,水化學類型主要為SO4·Cl-Na·Ca型,區(qū)內地下水主要以咸水為主,局部為鹽水。

研究區(qū)內地下水為不同時代所形成的地下水,主要為大氣降水入滲補給形成,且滯留時間很長,主要屬于古老地下水,現(xiàn)代降水補給份額甚少,呈現(xiàn)出研究區(qū)含水系統(tǒng)水循環(huán)交替速度很慢,更新周期很長的特征。研究區(qū)內地下水初始同位素組成為:δD=-70‰,δ18O=-10‰。區(qū)內蒸發(fā)作用非常強烈,不同區(qū)域地下水遭受到了不平衡的蒸發(fā)作用。區(qū)內地下水中相對貧集重同位素的區(qū)域主要為地下水的補給區(qū),相對富集重同位素的區(qū)域主要為地下水的排泄區(qū)。地下水中的環(huán)境同位素環(huán)境效應表現(xiàn)出明顯的高程效應,地下水同位素的δ值與地面高程之間呈負相關關系,即地面高程較高區(qū)域的地下水中相對貧集氫氧重同位素;地面高程較低區(qū)域的地下水中相對富集氫氧重同位素。地下水同位素的δ值與礦化度之間呈正相關關系,即相對貧集氫氧重同位素的地下水礦化度較低,而相對富集氫氧重同位素的地下水礦化度較高。

郭永海,劉淑芬,呂川河.2003.高放廢物處置系統(tǒng)地下水同位素特征 [J].地球學報,12(6):525-528.

蔣方媛,韓繪芳,陳加紅,等.2009.地下水微量元素與同位素特征對海水入侵和地下水起源的指示意義——以深圳市寶安區(qū)為例[J].東華理工大學學報:自然科學版,32(3):253-260.

劉心彪,周斌,魏玉濤.2009.基于環(huán)境同位素的隴東盆地地下水分析[J].干旱區(qū)研究,26(6):804-810.

劉延鋒,江貴榮,靳孟貴等.2009.新疆焉耆盆地水環(huán)境氫氧同位素特征及其指示作用[J].地質科技情報,28(6):89-93.

史維浚,孫占學.應用水文地球化學[M].原子能出版社.2005,12.

蘇永紅,朱高峰,馮起.2009.額濟納盆地淺層地下水演化特征與滯留時間研究[J].干旱區(qū)地理,32(4):544-551.

徐學選,張北贏,田均良.2010.黃土丘陵區(qū)降水-土壤水-地下水轉化實驗研究[J].水科學進展,21(1):16-22.

張應華,仵彥卿,溫小虎,等.2006.環(huán)境同位素在水循環(huán)研究中的應用[J].水科學進展,17(5):738-747.

Allen D M.2004.Sources of groundwater salinity on islands using18O,2H and34S[J].GroundWater,42(1):17-31.

Lan D.Clark,Peter Fritz.2006.水文地質學中的環(huán)境同位素[M].鄭州:黃河水利出版社.

PaternosterM,LiottaM,Favara R.2008.Stable isotope ratios inmeteoric recharge and groundwater at Mt.Vulturevolcano,southern Italy[J].Journal of Hydrology,348:87-97.

The Analyses of Isotope Characteristics of Groundwater in a Northwest Region

MA Ying-ming1, L I Gui-xin2, WANGQing-hai1, ZHANG Yong-hao1,HE Yi-feng1, L IU Li1, SHEN Zhong1
(1.Northwest Institute ofNuclear Technique,Xi′an,SX 710024,China;2 Schoolof Chemistry and Chemical Engineering,XinjiangNor malUniversity,Urumchi,SX 830054,China)

The chemical and environmental isotopes characteristicsof groundwater in a northwest regionwere studied by the environmental isotopic and hydrochemistry methods,and the relative age,recharge,runoff and drainage of groundwater are identified.The results shows that the groundwater in the study area ismainly SO4·Cl-Na·Ca type water and mainly derived from the precipitation.The groundwatermostly consists of palaeo-groundwater,and its recharge and renewal is slow.Meanwhile,δvalues of the groundwater isotope show obvious altitude effect.

groundwater;isotope;hydrochemistry;palaeo-groundwater;altitude effect

P641.3

:A

:1674-3504(2010)04-345-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.007

2010-08-22

馬應明 (1976—),男,碩士研究生,工程師,現(xiàn)主要從事核環(huán)境科學方面的研究。E-mail:mayingming@sina.com