楊 光，王建旺

（1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.濰坊縱橫建材有限公司，山東 濰坊 262404）

所謂的同位素地球化學(xué)研究，主要包括對地下水里所溶解同位素組分及這些組分時(shí)空演變規(guī)律的研究。一般情況下，我們將同位素分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素兩類，地下水穩(wěn)定同位素主要包括氘、氚和氧同位素，其中氘和氧同位素不僅可以指示地下水起源，還可以用來分析水文地球化學(xué)演化、地下水水質(zhì)、水-巖的相互作用、污染過程、鹽分來源和地下水的補(bǔ)給。氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)是探討地?zé)崴Y源屬性的重要且有效的一個(gè)工具[1]。

人類對地下熱水氫氧同位素的研究由來已久，但通常研究者分析重點(diǎn)是氫和氧比值的相對變化，絕對值大小并非關(guān)注的重點(diǎn)。δD值和δ18O值被用來表示氫、氧同位素的組成。δ值表示樣品中兩種同位素比值相對于某一標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)比值的相對千分差，單位用(‰)表示[2]。計(jì)算過程見如下兩公式。

VSMOW指的是所使用標(biāo)準(zhǔn)的代稱，在這里指國際通用、國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)認(rèn)證頒發(fā)的維也納平均海洋水標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際使用中，?值就是介質(zhì)里同位素的組成。

在河南理工大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室測試水樣的同位素測試結(jié)果如表1所示。

1 地?zé)崴畞碓捶治?/h2>

我們可以通過分析氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)來區(qū)分地下熱水的3種不同的來源。一般情況下，深層地?zé)崴畞碓纯梢苑诸悶楹Ｋ?、巖漿水和大氣降水。巖漿水同位素范圍為δD：-40‰～-80‰，δ18O：+6‰～+9‰，而我們所采集水樣的δD值和δ18O值范圍分別為-68.51‰～-74.49‰和-8.14‰～-9.79‰。盡管所采集水樣的δD值與巖漿水同位素范圍有部分重合，但δD值與巖漿水范圍完全不重合，因此，研究區(qū)地?zé)崴凰嘏c巖漿水不在同一區(qū)間，這表明研究區(qū)地?zé)崴粚儆趲r漿水。

表1 同位素測試結(jié)果

通過對地?zé)崴砘笜?biāo)的測試可知，地下熱水的電導(dǎo)率（Con）為1 093～1 334 μs，Cl-含量也僅為36.82～81.29 mg/L，一般情況下海洋起源的地?zé)崴粫?huì)有如此低的Cl-、Con、δD和δ18O含量，因此，我們也排除了海洋起源。

最后，通過對雨水線的分析來確定地?zé)崴欠駚碓从诖髿饨邓?。在河南省范圍?nèi)，統(tǒng)計(jì)了鄭州站1985～1992年的月和年降水的同位素平均值以及降水δD值和δ18O值的關(guān)系，分析并獲得了鄭州站月氘氧關(guān)系方程，當(dāng)?shù)卮髿庥晁€（LMWL）為δD=6.75δ18O－2.7，其相關(guān)性系數(shù)為0.88。

由圖1可以看到，研究區(qū)地?zé)崴畼悠返摩腄和δ18O數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上都落在當(dāng)?shù)卮髿庥晁€（LMWL）附近，這表明，研究區(qū)地?zé)崴鹪从诖髿饨邓?，是大氣降水在向地下深處徑流的過程中通過地溫梯度加熱形成的。圖1中地?zé)崴腄和δ18O數(shù)據(jù)點(diǎn)并沒有表現(xiàn)出明顯的氧漂移, 表明地?zé)崴c圍巖的同位素交換程度比較低。低溫?zé)醿?chǔ)沒有促進(jìn)同位素交換，而δ18O的正向漂移正是高溫?zé)醿?chǔ)的典型標(biāo)志，這表明地下深處的熱儲(chǔ)溫度不是太高，研究區(qū)地下熱水屬于中低溫等級。

通過確定天然地下水的補(bǔ)給區(qū)，可以幫助我們評價(jià)溫泉資源并對其合理開發(fā)利用提出建議。通常來說，若無法直接取得當(dāng)?shù)卮髿饨邓畼?，該地區(qū)的淺層裂隙水及常溫地表水可以被視為大氣降水，然而所研究的區(qū)域內(nèi)地?zé)崴畢s與當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩?8O值與δD值（δD的加權(quán)平均值-51‰，δ18O的加權(quán)平均值-7‰）存在較大的差距，δD平均相差大約20‰δ18O平均相差大約2‰。根據(jù)文獻(xiàn)資料，我國多個(gè)地區(qū)地?zé)崴c區(qū)內(nèi)地表水之間也發(fā)現(xiàn)有同樣的差異[3]。大多數(shù)情況下我們認(rèn)為這是由補(bǔ)給水源地區(qū)的同位素高程效應(yīng)造成的，即這種地?zé)崴皇莵碓从诋?dāng)?shù)氐牡乇硭?，而是來源于外圍地區(qū)的雨水或地表水[4]。另外一種可能性是與蒸發(fā)有關(guān)，由于當(dāng)?shù)貫榘敫珊禋夂?，使得?dāng)?shù)氐臏\層裂隙水或地表水發(fā)生了同位素分餾作用，因此使得地下熱水中氫氧同位素含量較高。

圖1 同位素關(guān)系圖

在自由大氣中，氣溫隨高程的增大會(huì)逐漸降低，降低率大約為-0.6 ℃/100 m。同樣的，由于山體屏障和溫度效應(yīng)共同作用，使得δ18O值和δD值隨高程增大而減小，這被稱之為同位素高程效應(yīng)[5]。δ18O和δD的高程梯度通常分別為-0.15‰～0.5‰/100 m和-1.2‰～4‰/100 m。由此可知，海拔較高地區(qū)降水補(bǔ)給的地下水同海拔較低地區(qū)降水所補(bǔ)給的地下水的δD值和δ18O值著明顯的差別。根據(jù)這個(gè)原理，可由當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩?8O或δD的高程降低梯度來確定研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴难a(bǔ)給高程及補(bǔ)給區(qū)。

地下熱水補(bǔ)給區(qū)高程的計(jì)算公式為：

H為地?zé)崴难a(bǔ)給高程，m；Hr為所采水樣點(diǎn)高程，m；D為補(bǔ)給區(qū)大氣降水δD值，‰；Dr為地下熱水δD值；gradD為每100mδD值隨高度所遞減梯度。

補(bǔ)給區(qū)大氣降水中的δD值可由當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程與地?zé)崴?8O和δD擬合關(guān)系線的交點(diǎn)來確定[6]。使用Origin軟件對所測水樣氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，可知研究區(qū)內(nèi)7個(gè)地?zé)崴畼拥摩腄值與δ18O值所擬合成的直線方程為：

該方程與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程的交點(diǎn)為δD=-84.74‰、δ18O=-12.96‰。研究區(qū)的高程遞減梯度取δD為-2.25‰/100m，δ18O為-0.23‰/100 m。按（3）計(jì)算可知研究區(qū)地?zé)崴a(bǔ)給高程為-156～299 m。

根據(jù)先前所收集資料可知寒武灰?guī)r含水層在整個(gè)平頂山煤田都有分布，其埋深和標(biāo)高主要受李口向斜的影響。研究區(qū)西北部有寒武灰?guī)r淺埋區(qū)，上部被100 m左右厚度的第四系所覆蓋，標(biāo)高大約為-69.6～100 m。因此，盡管計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間可能存在著一定的誤差，但從中仍可得出結(jié)論：補(bǔ)給來源是平煤十三礦西北部寒武灰?guī)r淺埋區(qū)，汝河水及大氣降水通過上覆四系松散層垂直入滲補(bǔ)給，再通過越流逐步補(bǔ)給下部的碳酸鹽巖裂隙溶洞水以及西北部裸露碎屑巖和灰?guī)r區(qū)地下水沿構(gòu)造方向形成的地下徑流補(bǔ)給。這也與收集到的研究區(qū)水文地質(zhì)報(bào)告相符合。

2 地?zé)崴筛履芰?/h2>

造成地?zé)崴凰匮跗频脑蚴歉邷貤l件下圍巖與地?zé)崴?8O交換，由于2H幾乎不產(chǎn)生反應(yīng)，可以定義d=δD－8δ18O中的氘盈余參數(shù)d作為δ18O交換程度的指標(biāo)。地?zé)崴鄥?shù)d數(shù)值越大，則表示地?zé)崴诘叵潞畬永锏臏魰r(shí)間越短，地?zé)崴膹搅魉俣仍娇烨腋履芰σ苍綇?qiáng)。另外，我們也可用氘盈余參數(shù)d來表示地?zé)崴€(wěn)定同位素相較于當(dāng)?shù)卮髿庥晁€的偏離程度。當(dāng)d＞10‰時(shí)，地?zé)崴畞碓从谂c現(xiàn)在不同的氣候條件下的降水；當(dāng)d＜-10‰時(shí)，表示干旱氣候條件下的降水；當(dāng)-10‰＜d＜10‰時(shí)，表示其為正常的大氣降水。通過計(jì)算我們可知，平煤十三礦地下熱水氘盈余參數(shù)d值在-3.35‰～3.99‰，平均值為1.49‰，這再次表明該區(qū)地?zé)崴疄檎４髿饨邓a(bǔ)給，與前文分析結(jié)果一致。值得我們注意的是，氘盈余參數(shù)d處于中間的位置且并沒有產(chǎn)生明顯的氧漂移。先前所收集到的大氣降水同位素資料，研究區(qū)地?zé)崴鄥?shù)d明顯大于當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓?，表明地?zé)崴诤畬又袦舻臅r(shí)間比較短，地下徑流速度較快且更新交替作用較強(qiáng)。

3 結(jié)語

（1）研究區(qū)地?zé)崴鹪从诖髿饨邓?，是大氣降水在向地下深處徑流的過程中通過地溫梯度加熱形成的。地下深處的熱儲(chǔ)溫度不是太高，研究區(qū)地下熱水屬于中低溫等級。

（2）研究區(qū)地?zé)崴a(bǔ)給高程為-156～299 m，補(bǔ)給來源是平煤十三礦西北部寒武灰?guī)r淺埋區(qū)。地?zé)崴诤畬又袦舻臅r(shí)間比較短，地下徑流速度較快且更新交替作用較強(qiáng)。