高娟琴， 于揚， 王登紅， 王偉， 代鴻章， 于沨， 秦燕

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院， 北京 100083；2.自然資源部成礦作用與資源評價國家重點實驗室， 中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所， 北京 100037；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)礦產(chǎn)科學研究所， 四川 成都 610036)

氫氧同位素是廣泛存在于自然界各類水體中的穩(wěn)定同位素。在水循環(huán)過程中，受到同位素分餾作用的影響，水分子中的輕同位素傾向于在水汽中富集，重同位素則傾向于留在液相中，不同來源、不同緯度及高程的水體氫氧同位素差異明顯，故通過水體的氫氧同位素組成特征差異可以確定其來源，分析運移過程，從而示蹤水循環(huán)[1]。氫氧同位素作為水體的有效示蹤劑，已廣泛應用于水文地球化學領域[2-4]。國際上水體穩(wěn)定同位素的研究始于20世紀50年代，Dansgaard[5]首次分析了大氣水中的18O。中國水體穩(wěn)定同位素研究開展較晚，20世紀70年代，中國學者研究了珠穆朗瑪峰高海拔地帶水體的氫氧同位素[6]，其后逐步將氫氧同位素應用于其他各類型水體來源及循環(huán)過程的分析[4,7-11]。

目前已有學者開展了新疆烏魯木齊地區(qū)大氣降水[12-13]、塔里木盆地河水[14]、博斯騰湖流域[15]、呼圖壁河流域[16-17]、哈薩克斯坦東部額爾齊斯河[18]的氫氧同位素分布特征研究。新疆阿勒泰地區(qū)有部分大氣降水的研究結(jié)果可供參考，但該區(qū)域地表河流穩(wěn)定同位素變化特征研究尚需補充。此外Natalia等[19]收集了阿爾泰山區(qū)域7個氣象站點的降雨量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自1959年至2014年阿爾泰山脈暖季(4月—10月)降雨量有明顯的提高。在此氣候條件變化的背景下，開展阿勒泰地區(qū)各類型水體氫氧同位素組成的研究具有重要的意義。

本文采集了新疆阿勒泰地區(qū)主要河流及湖泊水樣品，采用LGR DT100液體水激光同位素分析法研究氫氧同位素組成，獲得阿勒泰地區(qū)河流、湖泊等水體穩(wěn)定同位素組成數(shù)據(jù)，對該區(qū)各類型水的氫氧同位素組成特征進行了總結(jié)并判斷其水汽補給來源。

1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)地處阿爾泰山南麓，新疆最北部，西北部與哈薩克斯坦、俄羅斯相接，東北部與蒙古國接壤，年平均降水量200mm，蒸發(fā)量1814.9mm[20]。阿勒泰地區(qū)常年受到西風帶水汽的影響，在冬天還會受到極地水汽侵入。水系發(fā)育，是新疆的豐水區(qū)之一，多見山間河流，發(fā)育于阿爾泰山南部的諸多支流以梳狀排列匯入額爾齊斯河，發(fā)育于阿爾泰山東部的山間河流匯入烏倫古河[21]。

額爾齊斯河為鄂畢河最大的支流，起源于新疆維吾爾族自治州富蘊縣阿爾泰山東南部，由喀依爾特河及庫依爾特河匯集而成，沿阿爾泰山南麓向西北方向流出哈巴河縣后流經(jīng)哈薩克斯坦國，轉(zhuǎn)而進入俄羅斯境內(nèi)匯入鄂畢河，最終注入北冰洋，是起源于中國的唯一一條注入北冰洋的河流。額爾齊斯河河流總長4248km，流域面積1.64×106km2，在中國境內(nèi)上游長度及面積分別占2.76%及14.90%，是同處干旱區(qū)的哈薩克斯坦國以及中國新疆的重要水資源[22]。

烏倫古河總長573km，流域總面積3.79×104km2[23]，是準噶爾盆地的內(nèi)陸河，起源于青河縣境內(nèi)阿爾泰山，自東向西流經(jīng)富蘊縣，于福?？h先注入吉力湖，經(jīng)8km長的庫依戈河最終流入烏倫古湖。烏倫古湖與吉力湖位于準噶爾—北天山褶皺系的福海凹陷中。烏倫古湖和吉力湖在全新世時期原本為一個湖體，后由于烏倫古河入湖三角洲發(fā)育，進一步形成沙丘阻塞河道，遂演變而成的兩個獨立湖泊[24]。其中烏倫古湖大部分湖體位于福?？h境內(nèi)，北部屬于阿勒泰市及吉木乃縣；吉力湖位于福?？h內(nèi)。據(jù)已有研究統(tǒng)計[25]，2012年烏倫古湖平均水位482m，面積約859km2，蓄水量8.88×109m3；吉力湖面積為169km2，蓄水量1.48×109m3。

2 實驗部分

2.1 樣品采集

本文重點選取阿勒泰地區(qū)額爾齊斯河及烏倫古河湖水系采集水樣品，共采集水樣品32件。其中河水樣品25件(編號1～20、23～27)，湖水樣品3件(編號21-22、32，其中采自南疆艾丁湖的32號湖水為對比樣品)，山泉水樣品2件(編號30、31)，雪水樣品1件(編號28)，可可托海3號礦坑裂隙水樣品1件(編號29)。各采樣點位分布如圖1所示。

使用有機玻璃采水器于寬闊的河湖面中間采集地表水樣品，樣品采集前用蒸餾水洗凈采樣器及采樣瓶，并用待采水樣品潤洗三次。保證樣品采集于水面之下至少20cm，采樣之前排盡瓶內(nèi)空氣避免進一步發(fā)生同位素分餾，每個采樣點采集樣品1500mL，記錄編號。使用一次性醫(yī)用注射器及0.45μm孔徑的聚醚砜濾膜過濾原水樣品，于預先酸洗的聚乙烯瓶中收集過濾水樣品10mL以上，記錄樣品編號。

注：32號采樣點為艾丁湖湖水樣品，因與阿勒泰地區(qū)距離較遠，未繪制于圖上。Note:No. 32 is a water sample from Aiding Lake, which is not drawn on the map due to the long distance from Altay Region.圖 1 采樣點位置圖Fig.1 Map of sampling sites

2.2 樣品測試

為了掌握各類水體水質(zhì)基本情況，使用德國WTW3430多參數(shù)水質(zhì)分析儀于野外現(xiàn)場測定了水樣品的溫度(temperature, T)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)、溶解性總固體(total dissolved solids, TDS)、pH等基本參數(shù)。

過濾水樣品在中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所同位素實驗室采用LGR DT100液體水激光同位素分析儀測定氫氧同位素，測定結(jié)果以相對于國際上公認的V-SMOW(standard mean ocean water，標準平均海水)的千分差來表示，即δD和δ18O，分析精度分別為1.0‰和0.1‰。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品氫氧同位素及主要陰陽離子測試結(jié)果

阿勒泰地區(qū)水樣品氫氧同位素組成、主要陰陽離子及氘過量參數(shù)的測試結(jié)果見表1。阿勒泰地區(qū)水體氫氧同位素變化幅度較大，δ18O值變化范圍為-15.4‰～-5‰，算術平均值為-12.64‰，δD值變化范圍為-121‰～-49‰，平均值為-102.75‰。其中，地表河流(額河、烏倫古河、額河支流)的δ18O值變化范圍為-15.4‰～-11.5‰，平均值為-13.48‰，δD值變化范圍為-114‰～-100‰，平均值為-106.04‰；兩件山泉水的δ18O值及δD值分別為-14.9‰、-121‰以及-11.8‰、-114‰，δ18O平均值為-13.35‰，δD平均值為-117.5‰；三件湖泊水的δ18O值變化范圍為-6.9‰～-5‰，平均值為-5.77‰，δD值變化范圍為-98‰～-49‰，平均值為-68.67‰；礦坑裂隙水的δ18O值為-11.6‰，δD值為-106‰；雪水的δ18O值和δD值分別為-11.8‰及-90‰。

表1 阿勒泰地區(qū)水體氫氧同位素及主要陰陽離子含量

樣品采集于2016年秋季10月9日至10月16日，河湖水體溫度介于3.2～23.3℃，最高者為南疆艾丁湖樣品，最低者為布爾津河周邊雪水及喀依爾特河樣品。

3.2 氫氧同位素分布特征

前人研究阿勒泰地區(qū)各類水體氫氧同位素的原始結(jié)果較少(表2)，本文中雪水的δ18O及δD值高于田立德等對阿勒泰大氣降水以及Alzen等對俄羅斯Belukha山(阿勒泰山脈)雪坑中雪和雪芯的研究結(jié)果，可能是由于本研究中采集的雪水經(jīng)歷了蒸發(fā)分餾作用，與大氣降水數(shù)據(jù)有一定的差別。河水的氫氧同位素組成比較接近大氣降水，但δD值略低于阿勒泰地區(qū)大氣降水，可能是由于除大氣降水外阿勒泰部分河水還受到冰川融水的補給。山泉水、湖水與大氣降水差異較大，本文中的烏倫古湖(δD：-98‰～-59‰；δ18O：-6.9‰～-5‰)與新疆博斯騰湖(δD：-33‰～-10‰；δ18O：-2‰～3‰)相比具有更低的δ18O值及δD值[15]，這是由緯度效應及湖泊蒸發(fā)量差異造成的。博斯騰湖所處的緯度較低，年均氣溫較高，湖水蒸發(fā)量更大，富集重同位素的特征較明顯。

表2 前人研究中阿勒泰水體氫氧同位素組成與本研究對比

由于阿勒泰地區(qū)缺乏具有代表性的大氣降水的氫氧同位素組成數(shù)據(jù)，故以Craig在1961年提出的全球大氣降水線方程(GNML)[29]δD=8δ18O+10以及烏魯木齊大氣降水線方程[12](LNML)δD=7.21δ18O+4.5作為對比。阿勒泰地區(qū)32件水樣品氫氧同位素線性擬合方程為：y=4.7102x-43.21，R2=0.7048，大部分水樣品位于全球及烏魯木齊大氣降水線的右下側(cè)(圖2)，說明該區(qū)各種類型水體與全球及烏魯木齊降水平均水平相比，在形成過程中發(fā)生了相當程度的蒸發(fā)作用；此外說明阿勒泰水體的補給源除大氣降水之外，有一定比例的冰川融水補給。且由于存在緯度效應的存在，阿勒泰地區(qū)的大氣降水亦擁有更低的δD及δ18O值，故當?shù)厮杉难┧饵c位置位于GNML及LNML下方。地表河流水樣品的氫氧同位素組成相近，投點區(qū)域較為集中，與其相比，山泉水的δD值明顯低于其他類型水，因為山泉水補給源主要為地下水，其氫氧同位素組成與地表水體有較大差別。烏倫古湖及艾丁湖的三件湖水與其他類型水差異較大，δ18O及δD值均遠高于其他水體，說明湖水相對于河流來說是更為穩(wěn)定的開放性水體，流動性較差，從而受到更強烈的蒸發(fā)作用，使得重同位素趨于富集。

注：額爾齊斯河各支流代號已于表1中標注。Note：The tributaries’ serial numbers of the Irtysh River have been shown in Table 1.圖2 阿勒泰地區(qū)水體δD-δ18O關系Fig.2 δD-δ18O diagram of Altay waters

位于圖1左下角的額爾齊斯河水樣品富輕同位素，反映其來源除大氣降水之外也有冰雪及冰川融水的混入。鋰礦坑裂隙水和山泉水與GNML及LNML距離均較遠，說明其并非由大氣降水完全補給，或者由大氣降水補給后發(fā)生的一系列水循環(huán)過程使其偏離大氣降水線，其與地表河流水樣品氫氧同位素組成較為相似，說明鋰礦坑裂隙水流經(jīng)鋰礦脈并未對其氫氧同位素組成造成明顯影響，與地表河流經(jīng)歷了相似的水循環(huán)過程。

額爾齊斯河及烏倫古河水樣品δD-δ18O關系圖(圖3)顯示，額爾齊斯河10件水樣品δD-δ18O線性擬合方程為：δD=1.7297δ18O-83.879，R2為0.3550。烏倫古河樣品的δD-δ18O關系可表示為：δD=1.986δ18O-76.5，R2為0.4823。兩河流樣品氫氧同位素組成分布范圍較大，擬合相關系數(shù)偏小，這是由于采樣范圍內(nèi)額爾齊斯河及烏倫古河河流流程均較長，途中不斷有支流補給混入，沿河氫氧同位素組成差異很大。

圖3 (a)額爾齊斯河及(b)烏倫古河的δD-δ18O關系Fig.3 δD-δ18O diagrams of (a) Irtysh River and (b) Ulungur River

3.3 氘過量參數(shù)

每個地區(qū)的大氣降水氫氧同位素線性方程與全球大氣降水線均會有一定的差異，Dansgaard首次將降水氫氧同位素關系的差異值定義為過量氘(d)，即大氣降水線斜率為8時的截距值，用來衡量降水蒸發(fā)時同位素分餾的不平衡程度[30]，作為大氣降水δD、δ18O的補充數(shù)據(jù)，其季節(jié)變化特征亦為識別水汽來源、研究水循環(huán)及當?shù)貧夂驐l件的有力依據(jù)[26]。在2001年之前，中國學者對氘過量參數(shù)的應用多為描述大氣降水樣品同位素分餾不平衡程度。尹觀等[31-33]經(jīng)大量實踐研究發(fā)現(xiàn)，特定地區(qū)的大氣降水的d值固定，且在地表循環(huán)過程中不發(fā)生改變，而當其補給到地下后，地下水的d值在水巖作用過程中會發(fā)生明顯改變，已確定d值與地下水在巖層中滯留時間、流速、巖層易溶程度明顯相關，若將此概念應用于地表水中，則d值大小可以代表地下水混入的程度，d值越小，則地下水補給越多。

阿勒泰地區(qū)水體氘過量參數(shù)見表1，d值變化范圍在-42.8‰～12.4‰之間。其中烏倫古湖水體氘過量參數(shù)最低(-42.8‰～-19‰)，若按照d值的新的水文地質(zhì)內(nèi)涵，則說明與艾丁湖(-5.8‰)、山泉水(-19.6‰～-1.8‰)及地表河流(-12.4‰～12.4‰)相比，烏倫古湖受到更多的地下水補給。地下水的氘過量參數(shù)(均值為-10.7‰)遠小于地表河流(均值為1.832‰)，地表河流中烏倫古河的氘過量參數(shù)(均值為-0.05‰)小于額爾齊斯河及其支流(均值為2.11‰)水系。兩件山泉水的d值差異較大，山泉水1的d值為-19.6‰，山泉水2的d值為-1.8‰。

3.4 氫氧同位素與水體屬性的關系

前人曾對中國東部季風區(qū)[7]及丹江流域[34]大氣降水氫氧同位素與地理及化學參數(shù)的相關關系作了研究，結(jié)果表明δD值與緯度、高程呈極顯著負相關關系，與源頭距離、水溫呈極顯著正相關關系。此外有學者對阿勒泰大氣降水季節(jié)性變化研究發(fā)現(xiàn)，阿勒泰地區(qū)大氣降水δ18O值與逐月氣溫變化趨勢一致，正相關關系明顯[26]。本研究分析阿勒泰地區(qū)水體氫氧同位素與地理及化學屬性(包括經(jīng)緯度、TDS值、DO、pH、水溫、主要離子的摩爾濃度)的關系結(jié)果見表3。

表3 氫氧同位素及其他參數(shù)相關分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文在阿勒泰地區(qū)采用LGR DT100液體水激光同位素分析法開展了以地表水為主的區(qū)域水體氫氧同位素組成研究，基于此，探討了阿勒泰地區(qū)水體氫氧同位素組成特征、空間分布規(guī)律及水體來源等。新疆阿勒泰地區(qū)水體的δ18O及δD值變化范圍分別為-15.4‰～-5‰以及-121‰～-49‰。不同類型水體δ18O及δD值差別很大，湖水由于強蒸發(fā)其δ18O、δD值明顯大于地表河水，地下水δ18O值與地表河流相近，但δD值略高于地表河流，表明其來源于地表河流補給但受到了水巖反應的影響。阿勒泰地表河流主要受到大氣降水及冰川融水的補給，地表河流氫氧同位素組成差異主要是由不同補給源以及蒸發(fā)程度強弱導致，結(jié)合地表河流氫氧同位素組成數(shù)據(jù)，得出額爾齊斯河和烏倫古河氫氧同位素擬合方程。阿勒泰地區(qū)各類水體δ18O及δD與水體屬性有明顯的相關關系，δ18O和δD與水溫、總?cè)芙庑怨腆w含量成正比，與緯度及水體溶解氧含量成反比。

本研究得到的氫氧同位素組成特征，為阿勒泰地區(qū)各類型水體穩(wěn)定同位素研究提供了基礎數(shù)據(jù)，以氫氧同位素組成為依據(jù)對地表水體水汽補給來源作了判定。阿勒泰近幾十年降水明顯增多，在此背景下，對阿勒泰大氣降水及其他各類型水體氫氧同位素組成繼續(xù)開展長期深入的系統(tǒng)研究確有必要。