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(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；3.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

喀什平原區(qū)地下水硫同位素分布特征及其硫酸鹽來源研究

乃尉華1，史杰2，王文科3，王藝星2，段磊3，李斌2

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；3.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

喀什平原區(qū)是沙漠與戈壁交界的綠洲平原，屬于典型的水質(zhì)型缺水地區(qū)，地下水的化學(xué)特征主要表現(xiàn)為高硫酸鹽、高硬度、高礦化度。本文針對喀什平原區(qū)300 m以淺鉆孔中完成的地下水樣品硫同位素進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，地下水中δ34S值均為正值，δ34S值范圍為2.1‰～13.6‰之間。采用統(tǒng)計(jì)、對比分析的方法，研究了喀什平原區(qū)地下水中硫同位素分布特征及其硫酸鹽來源，表明研究區(qū)地下水中的硫酸鹽主要來自于不同沉積相蒸發(fā)巖的溶解以及大氣降水的補(bǔ)給。從區(qū)域分布看，南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)的地下水中硫酸鹽濃度相對較低，北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)的地下水硫酸鹽濃度較高，沿水流方向，SO42-的濃度逐漸增加，而δ34S值變化不大，是蒸發(fā)濃縮和沿程累積共同作用的結(jié)果。研究結(jié)果為喀什平原區(qū)水質(zhì)典型缺水地區(qū)的地下水資源開發(fā)、利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

喀什平原區(qū)；地下水；硫同位素；硫酸鹽；來源

喀什平原區(qū)是沙漠與戈壁交界的綠洲平原，屬于典型的水質(zhì)型缺水地區(qū)，地下水的化學(xué)特征主要表現(xiàn)為高硫酸鹽、高硬度、高礦化度[1]。利用地下水中硫酸鹽的34S同位素可以分析地下水中硫酸鹽的來源[2]，通過對喀什平原區(qū)采取的地下水中硫酸鹽的34S同位素分析，得知其地下水中的硫酸鹽主要來自于陸相與海陸過渡相蒸發(fā)巖的溶解以及大氣降水的補(bǔ)給。本文為喀什平原區(qū)水質(zhì)型缺水地區(qū)的地下水資源開發(fā)、利用與保護(hù)工作提供了科學(xué)依據(jù)[3-4]。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)地處塔里木盆地西緣、喀什噶爾河流域上游地區(qū)，具有三面環(huán)山，一面敞開的獨(dú)特地形條件，形成了典型的半封閉盆地，總體地勢為南、西、北部高，東部低，高程在1 200～4 600 m。研究區(qū)主要位于構(gòu)造剝蝕低山丘陵、山麓斜坡堆積山前沖洪積平原和河流堆積沖積平原，屬暖溫帶大陸性干旱-半干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫8.02℃～12.67℃，多年平均降水量60.80～172.80 mm。

1.2 地層巖性

研究區(qū)位于塔里木盆地西部，新近紀(jì)(N)地層為海陸過渡相或陸相沉積，厚度大于400 m。研究區(qū)總體上從西向東第四系厚度變化一般在100～1 000 m，第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)、全新統(tǒng)松散層構(gòu)成本區(qū)主要的含水巖系，是賦存第四系松散巖類孔隙地下水的有利層位。平面方向上從南部、西部、北部低山丘陵山前帶的第四系松散沉積物厚度100～300 m向中部的平原區(qū)逐漸增大到400～500 m，到東部下游平原區(qū)可達(dá)500～1 000 m；第四系松散沉積物顆粒自北向南、由西向東、自南向北方向上地層顆粒逐漸變細(xì)，即平面方向上呈現(xiàn)出卵石～圓礫～礫砂～中粗砂～細(xì)砂～亞砂土～亞粘土～粘土的顆粒變細(xì)趨勢，垂向上第四系松散沉積物顆?？傮w呈現(xiàn)出上粗下細(xì)的特點(diǎn)。

1.3 水文地質(zhì)概況

喀什平原區(qū)第四系地下水流系統(tǒng)可劃分為北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)與南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)。研究區(qū)300 m鉆探深度內(nèi)的第四系地下水類型劃分為單一結(jié)構(gòu)的潛水與多層結(jié)構(gòu)的潛水-承壓水，其中第四系多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水含水層在90～110 m以淺可概化為潛水，90～210 m之間可概化為第一層承壓水，190～210 m以下含水層可概化為第二層承壓水。第四系含水層的單井涌水量一般在5 000～1 000 m3/d，滲透系數(shù)一般在7.24～83.50 m/d。

圖1 喀什平原區(qū)34S同位素采集水樣點(diǎn)分布圖

2 樣品采集和分析方法

在研究區(qū)采集地下水和地表河水樣品32組(圖1)，其中井孔中采取地下水樣品27組，采集地表河水樣品5組。采樣井深80～300 m，水位埋深4～106 m。硫酸鹽的34S同位素值由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試完成，所有數(shù)據(jù)已經(jīng)國際原子能標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正到VCDT國際標(biāo)準(zhǔn)。其中硫酸鋇硫同位素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)IAEA-NBS-127、IAEA-SO-5和IAEA-SO-6校正，黃鐵礦硫同位素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)IAEA-S1、IAEA-S2校正。硫酸鹽樣品的硫同位素?cái)?shù)值以熱轉(zhuǎn)變元素分析-同位素比值質(zhì)譜儀(型號DELTA V PLUS)測定，以VCDT為標(biāo)準(zhǔn)，分析精度為單個(gè)國際原子能標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各不少于3次分析的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2‰。

3 同位素分布特征及其來源

3.1 34S同位素分布特征

研究區(qū)北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)低山丘陵區(qū)出露的新近紀(jì)(N)地層巖性主要為棕黃色或褐紅色鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂質(zhì)細(xì)砂巖和石膏化泥灰?guī)r等，通過巖石化學(xué)分析其SO42-值一般為0.08%～0.87%，最大可達(dá)3.93%；南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)低山丘陵區(qū)的新近紀(jì)(N)地層出露巖性主要為灰褐色或青灰色含粉砂鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖等，通過巖石化學(xué)分析其SO42-值一般為0.03%～0.08%，最大可達(dá)0.51%；總體上研究區(qū)新近紀(jì)(N)地層發(fā)育大量的石膏等鹽類礦物。通常海相沉積具有較高的δ34S值，可達(dá)15‰以上，海陸交互相δ34S值在10‰～15‰之間，而陸相沉積δ34S值一般小于10‰[4]。

研究區(qū)地下水34S同位素分析表明(表1)，地下水δ34S值在北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)普遍高于南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)。南部地下水樣δ34S值范圍一般為2.1‰～7.2‰，平均值為+5.2‰。北部地下水樣δ34S值范圍一般為5.8‰～13.6‰之間，平均值為+12.4‰。

表1 研究區(qū)地下水δ34S值變化范圍表

3.2 硫酸鹽來源分析

研究區(qū)南部蓋孜河沖洪積平原中上游地區(qū)，南北向排布有隱伏背斜和向斜，上覆巨厚的第四系松散堆積物，形成天然地下水庫，為大厚度單一潛水結(jié)構(gòu)，利于接受大氣降水補(bǔ)給。相對于北部，南部地下水徑流條件較好，循環(huán)更新速率較快，對蒸發(fā)巖溶解而來的硫酸鹽產(chǎn)生較好的遷移和稀釋作用。因此，南部地下水中硫酸鹽濃度相對較低。

圖2 研究區(qū)地下水SO42-及δ34S關(guān)系圖

北部除個(gè)別取樣點(diǎn)位于沖洪積平原上部，其余均位于沖洪積平原中部或沖積細(xì)土平原。山前沖洪積平原區(qū)受山前斷裂及背斜的影響，潛水補(bǔ)給變?nèi)酢Ｖ翛_積細(xì)土平原，含水層顆粒逐漸變細(xì)，形成多層結(jié)構(gòu)潛水—承壓水。相對于南部，北部地下水徑流條件差，循環(huán)更新速率緩慢，長期對蒸發(fā)巖的侵蝕、溶濾，在地下水中形成較高濃度的硫酸鹽背景值。

沿地下水流向，SO42-的濃度逐漸增加，而δ34S值變化不大。例如SF594位于研究區(qū)東北部地下水的排泄區(qū)，該處SO42-濃度為1 757 mg/L，但其δ34S值為12.5‰，同上游地下水中δ34S值相比變化不大，表明其SO42-來源并未改變，SO42-濃度的增加是由于地下水在排泄區(qū)水位埋深變淺，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，是蒸發(fā)濃縮和沿程累積共同作用的結(jié)果。

根據(jù)研究區(qū)地下水中SO42-及δ34S關(guān)系圖可知(圖2)，研究區(qū)南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)的地下水2‰<δ34S<8‰，SO42-濃度一般小于250 mg/L，地下水硫酸鹽表現(xiàn)為陸相蒸發(fā)巖溶解及大氣降水來源的SO42-；研究區(qū)北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)的地下水5.8‰<δ34S<13.6‰，SO42-濃度大于250 mg/L，地下水δ34S值明顯高于南部，地下水硫酸鹽主要表現(xiàn)為海陸過渡相蒸發(fā)巖的溶濾，同時(shí)也存在陸相蒸發(fā)巖溶濾的混合影響。

綜上所述，研究區(qū)地下水中δ34S值均為正值，相對處于低值區(qū)間。δ34S值范圍為2.1‰～13.6‰，表明地下水中細(xì)菌還原作用微弱或不存在。研究區(qū)沉積蒸發(fā)巖中缺少黃鐵礦和黃銅礦等其它硫化物礦物，不存在硫酸鹽的氧化來源。因此，研究區(qū)地下水中硫酸鹽主要來自于陸相與海陸過渡相蒸發(fā)巖的溶解和大氣降水的補(bǔ)給。

4 結(jié)語

(1)南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)的地下水中硫酸鹽濃度相對較低，北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)的地下水中硫酸鹽濃度相對較高；沿地下水流向，SO42-的濃度逐漸增加，而δ34S值變化不大。表明其SO42-來源并未改變，SO42-濃度的增加是由于地下水在排泄區(qū)水位埋深變淺，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，是蒸發(fā)濃縮和沿程累積共同作用的結(jié)果。

(2)南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)的δ34S值為2‰<δ34S<8‰，SO42-濃度一般小于250 mg/L，硫酸鹽表現(xiàn)為陸相蒸發(fā)巖溶解及大氣降水來源的SO42-；北部克孜勒河地下水流亞系統(tǒng)的δ34S值為5.8‰<δ34S<13.6‰，SO42-濃度大于250 mg/L，硫酸鹽主要表現(xiàn)為海陸過渡相蒸發(fā)巖的溶濾，同時(shí)也存在陸相蒸發(fā)巖溶濾的混合影響。

(3)喀什平原區(qū)各縣市以后的改水防病工作中，其地下水水源地宜選擇在南部蓋孜河地下水流亞系統(tǒng)的中上游平原地區(qū)，地下水中的硫酸鹽、總硬度和礦化度均符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[5]。

[1]乃尉華,唐平輝,常志勇,等.新疆喀什經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)報(bào)告[R].昌吉，新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì).2015.

[2]李云,姜月華,周迅,等.揚(yáng)泰靖地區(qū)地下水硫同位素組成特征及其意義[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì).2010.37(4):12-17.

[3]呂曉立,邵景力,劉景濤,等.蘭州市區(qū)地下水礦化度分布特征及成因分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境.2013.27(7):23-27.

[4]王恒純.同位素水文地質(zhì)概論[M].北京:地質(zhì)出版社.1991.

[5]GB 5749-2006.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2007.

DistributioncharacteristicsofsulfurisotopesandsourceofsulfateingroundwaterofKashiplain

NAIWei-hua1，SHIJie2，WANGWen-ke3，WANGYi-xing2，DUANLei3，LIBin2

(1.Third hydrological engineering geological team of the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and mineral resources exploration and development,Chashi Xinjiang，844000；2.Second hydrological engineering geological team of the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and mineral resources exploration and development，Changji,Xinjiang 831100;3.School of environmental science and engineering, Chang'an University,Xian,Shannxi,710054)

Kashi plain is the oasis plain between desert and Gobi. It belongs to typical water quality water shortage area. The chemical characteristics of groundwater are mainly high sulfate, high hardness and high salinity. In this paper, the sulfur isotope of groundwater samples from shallow boreholes in 300 meters in Kashi plain is tested. The results show that the values of delta δ34S in groundwater are positive, and the range of delta δ34S is between 2.1 and 13.6 per thousand. By using the method of statistics and comparative analysis, study the distribution characteristics and sources of sulfate sulfur isotopes of groundwater in plain area in Kashgar, indicated that sulfate ingroundwater mainly comes from different sedimentary facies evaporite dissolution and precipitation recharge. From the regional distribution, the South River Sub System of underground water cover Zi in groundwater sulphate concentration is relatively low, high concentration sulfate Groundwater groundwater flow in northern qezel subsystem, along the flow direction, the concentration of SO42-increased, while34S values changed little, is along the cumulative evaporation and the result of joint action. The results provide scientific basis for the development, utilization and protection of groundwater resources in typical water shortage areas of Kashi plain.

Kashi plain；groundwater；sulfur isotope；sulfate；source

P641.12

A

1004-1184(2017)06-0007-02

2017-04-24

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查基金項(xiàng)目：“新疆喀什經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目(1212011220977)”資助

乃尉華(1977-)，男，新疆烏魯木齊人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的勘查、評價(jià)和研究工作。