鄭　勇，孫忠偉，劉　濤

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水的應(yīng)用

鄭勇*，孫忠偉，劉濤

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫(kù)木蘇一帶水文地質(zhì)勘察”為例，探討了氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水時(shí)的應(yīng)用，供同類(lèi)找水地區(qū)探討。

地下水；同位素；含水層

同位素分為穩(wěn)定同位素以及放射性同位素。穩(wěn)定同位素一般用作分析地下水成因、流動(dòng)和環(huán)境因素影響的指示劑，放射性同位數(shù)主要用于確定地下水的年齡。本篇以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫(kù)木蘇一帶水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目”來(lái)進(jìn)行分析研究氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水的應(yīng)用。

1　項(xiàng)目概況

新疆巴里坤縣漢水泉—庫(kù)木蘇一帶水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目位于新疆巴里坤縣西北漢水泉一帶，屬于干旱半干旱地區(qū)，人口稀少，基本無(wú)人類(lèi)工程活動(dòng)，項(xiàng)目區(qū)北部為大哈甫提克山、呼洪得雷山，南部為白依山?？傮w地勢(shì)北部高于南部、西部高于東部，漢水泉一帶為本次項(xiàng)目的最低洼處，即本次項(xiàng)目的匯水中心。

在不同地質(zhì)歷史時(shí)期，由于受歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，勘察區(qū)的沉降幅度不盡相同，造成第四紀(jì)和新近紀(jì)地層在區(qū)內(nèi)的沉積厚度和分布范圍有所差異，區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為多層結(jié)構(gòu)，致使勘察區(qū)第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水和新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水的賦存及分布規(guī)律有所差別。

1.1第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水

勘察區(qū)內(nèi)第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水分布在庫(kù)木蘇洼地北部及F1斷裂南部和漢水泉三岔口—白泥地東井北部一帶，該地段第四系厚度50～150m，由北向南厚度逐漸變薄的趨勢(shì)，地下水埋深變淺，由100m漸變?yōu)?m，含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂、細(xì)砂，結(jié)構(gòu)松散、粒徑較大，含水層厚度在8.04～146.57m，含水層厚度變化較大，儲(chǔ)水條件良好，地下水富水性可分為豐富、中等、弱3類(lèi)（圖1）。

1.2新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水

在勘察區(qū)內(nèi)廣泛分布，地層巖性以砂巖、泥巖、礫巖為主，含水層巖性為砂巖、礫巖等，新近紀(jì)地層厚度一般在50～200m，可以劃分為1～2層承壓含水層，局部可劃分為3層。第一承壓含水層厚度一般在7.69～57.06m，含水層巖性為砂巖，結(jié)構(gòu)稍密，層理明顯；第二承壓含水層厚度10.00～45.11m，含水層巖性為砂巖、礫巖，結(jié)構(gòu)松散，隔水層厚度10.00～55.45m；局部含有第三承壓含水層厚度32.30m。勘察區(qū)內(nèi)碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水富水性可分為豐富、中等、弱3類(lèi)。總體富水性特征為勘察區(qū)四周向中心，呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)（圖2）。

2　同位素利用分析

2.1天然水環(huán)境同位素特征

（1）大氣降水。從勘察區(qū)采集的次降水樣品測(cè)試結(jié)果來(lái)看（表1），其的δD和δ18O分別為-28.79‰和-0.92‰。單一數(shù)據(jù)不能用來(lái)刻畫(huà)勘察區(qū)大氣降水的同位素組成特征，為此，參考烏魯木齊降水的同位素特征，新疆區(qū)域降水公式：δD=7.21δ18O+4.5（通過(guò)1986～2002年國(guó)際氣象研究站在烏魯木齊地區(qū)17觀測(cè)數(shù)據(jù)取值），勘察區(qū)大氣補(bǔ)給直線由于δ18O偏大而向上方偏移與烏魯木齊大氣降水線交叉于區(qū)內(nèi)ZK6-2樣品點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算可得勘察區(qū)區(qū)域降水公式δD=5.01δ18O-24.16。

表1　降水樣品測(cè)試分析結(jié)果

（2）地表水?？辈靺^(qū)屬干旱區(qū)內(nèi)陸性氣候，地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為周邊側(cè)向徑流補(bǔ)給，地表基本無(wú)地表水體分布，勘察區(qū)內(nèi)未采取地表水同位素樣品。

（3）地下水?？辈靺^(qū)第四系潛水樣品δD和δ18O過(guò)渡范圍分別為-127.76‰～-28.79‰和-16.77‰～-6.01‰，平均值分別為-103.93‰和-15.07‰。

勘察區(qū)新近系承壓含水層δD和δ18O過(guò)渡范圍分別為-195.03‰～-91.90‰和-12.32‰～-16.30‰，平均值分別為-114.63‰和-14.60‰。

2.2地下水的補(bǔ)給機(jī)制及流通途徑

不同來(lái)源水體經(jīng)歷了不同的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致其δD和δ18O值具有不同的組成特征，因此，可以根據(jù)地下水中的δD和δ18O同位素特征所反映的信息來(lái)識(shí)別地下水的補(bǔ)給來(lái)源。

（1）地下水的補(bǔ)給機(jī)制。

①潛水含水層?？辈靺^(qū)地下水整體樣品的同位素值明顯低于代表平原區(qū)降水的烏魯木齊降水加權(quán)平均值（圖3），說(shuō)明平原區(qū)降水不是地下水的主要補(bǔ)給源，其補(bǔ)給來(lái)源應(yīng)該是高海拔地區(qū)的降水。

圖3　潛水穩(wěn)定同位素組成特征

樣品ZK6-2落在烏魯木齊降水加權(quán)平均值線上，ZK6鉆孔其補(bǔ)給來(lái)源與雨水基本相同，為山區(qū)的降水。沿著蒸發(fā)線進(jìn)行外推與降水線交點(diǎn)處的同位素特征，即是未受蒸發(fā)影響的原始補(bǔ)給水的特征，漢水泉洼地芒硝礦樣品點(diǎn)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蒸發(fā)效應(yīng)，2個(gè)樣品均偏離區(qū)域補(bǔ)給水直線。因此，連接這2個(gè)樣品點(diǎn)的直線代表了該區(qū)的蒸發(fā)線，該蒸發(fā)線的斜率大致是3.33。其他樣品如漢水泉淺埋帶淺井HQJ26，也不同程度地向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，反映出了補(bǔ)給過(guò)程中經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，但將它們與芒硝礦附近的樣品對(duì)比偏離程度相對(duì)較小，說(shuō)明受到蒸發(fā)影響相對(duì)較小，印證了同位素試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

②承壓含水層?？辈靺^(qū)承壓含水層主要是新近系碎屑巖類(lèi)，從δD—δ18O關(guān)系圖（圖4）的分布特征來(lái)看，承壓水樣品都遠(yuǎn)離山區(qū)來(lái)水的區(qū)域補(bǔ)給直線，按照各樣品與區(qū)域補(bǔ)給直線及烏魯木齊降水加權(quán)平均值線的相對(duì)位置關(guān)系，大致可分為3組。

圖4　承壓水穩(wěn)定同位素組成特征

勘察區(qū)西部庫(kù)木蘇洼地采集2件承壓水同位素樣品，ZK6-1、ZK8-1樣品均較遠(yuǎn)的偏離區(qū)域補(bǔ)給水直線，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蒸發(fā)效應(yīng)。與其它漢水泉洼地樣品呈現(xiàn)明顯的分帶趨勢(shì)，根據(jù)2件樣品數(shù)據(jù)結(jié)果分區(qū)A。分區(qū)A總體向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，反映出了地下徑流過(guò)程中經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，同位素?cái)?shù)據(jù)證明區(qū)域A的承壓水與相應(yīng)區(qū)域的潛水有混合作用，相互之間有一定的水力聯(lián)系，庫(kù)木蘇洼地承壓含水層與潛水含水層存在相互補(bǔ)給交替。

勘察區(qū)東部漢水泉洼地樣品呈現(xiàn)明顯的分帶趨勢(shì)，根據(jù)6件樣品數(shù)據(jù)結(jié)果分區(qū)B和C。

B組為下層新近系地下水樣品，該組4件樣品落在大氣降水線的下側(cè)，是所有地下水樣品同位素值最貧的一組，該組樣品δD—δ18O值變化范圍很小，樣品沿著平行于大氣降水線的直線分布，表明下層新近系的地下水是晚更新世寒冷氣候條件下補(bǔ)給形成的，表明該含水層參與現(xiàn)代水循環(huán)很弱，現(xiàn)代水補(bǔ)給很少，更新能力極差。

C組為上層新近系承壓含水層樣品。分區(qū)C總體向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，2件樣品連線同樣沿著平行于大氣降水線的直線分布，其補(bǔ)給源與下層地下水基本相同，但較大的偏離距離證明，補(bǔ)給過(guò)程中受到蒸發(fā)影響。

與A組庫(kù)木蘇洼地承壓水樣及B組下層新近系承壓水樣相比，表明C組含水層與淺層水有一定循環(huán)交換，得到了現(xiàn)代水補(bǔ)給，但從偏離程度上分析漢水泉洼地承壓水更新能力普遍較庫(kù)木蘇洼地差，新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水由勘察區(qū)西部向東部勢(shì)匯。

（2）不同含水層之間的相互關(guān)系?？辈靺^(qū)主要賦存第四系潛水與新近系承壓水，比對(duì)分析勘察區(qū)內(nèi)同一鉆孔不同深度含水層的同位素與水化學(xué)特征（表2），無(wú)論是水化學(xué)還是同位素?cái)?shù)據(jù)都表明這些鉆孔上下段含水層具有相近的水化學(xué)與同位素特征。

表2　同位素與水化學(xué)特征一覽表

綜上所述，水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)支持勘察區(qū)第四系潛水與新近系承壓水之間存在一定的水力聯(lián)系，最終均以蒸發(fā)排泄。

（3）地下水流動(dòng)途徑。穩(wěn)定同位素組成特征表明，勘察區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源是山區(qū)大氣降水，并且經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，蒸發(fā)影響反映在地下水的穩(wěn)定同位素上表現(xiàn)為δ18O值隨著蒸發(fā)強(qiáng)度增加而增高，δD過(guò)量減小，由圖5可見(jiàn)，勘察區(qū)的地下水樣品表現(xiàn)出潛水及承壓水2組明顯不同的特征，代表了2條不同的流動(dòng)途徑（圖5）。

潛水的Cl-離子含量相對(duì)變化較大、受蒸發(fā)影響程度劇烈，流動(dòng)途徑相對(duì)較短，代表了整體由周邊山區(qū)途徑西部庫(kù)木蘇洼地匯流最終向漢水泉洼地匯集的地下水徑流途徑，潛水水體以來(lái)自周邊山區(qū)的地下水補(bǔ)給為主。

承壓水Cl-含量總體較高，受混合作用影響大，流動(dòng)途徑相對(duì)較長(zhǎng)，代表了由周邊山區(qū)至漢水泉洼地中部沉降中心的地下水徑流途徑，承壓水體均主要補(bǔ)給源以來(lái)自周邊山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給為主，同時(shí)與上部第四系潛水存在一定的交替補(bǔ)給。

3　結(jié)束語(yǔ)

新疆為干旱半干旱地區(qū)，因此工農(nóng)業(yè)的發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)水源，由于地表水較少，所以地下水在供水中占據(jù)舉足輕重的作用，再因?yàn)樾陆貐^(qū)的特殊條件，在大范圍地區(qū)找水時(shí)，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件是否清楚關(guān)系到后續(xù)開(kāi)采情況。根據(jù)本次實(shí)際應(yīng)用，可以看出氘、氧同位素在分析地下水補(bǔ)徑排條件中的應(yīng)用相對(duì)較為清晰、可靠。

圖5　地下水補(bǔ)給來(lái)源與流動(dòng)途徑示意圖

［1］趙野.同位素技術(shù)在水文研究中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2011

P641

B

1004-5716（2016）01-0125-04

2015-01-08

2015-01-12

鄭勇（1983-），男（漢族），四川南充人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。