西北某區地下水同位素特征分析

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)

采用環境同位素和水化學等分析方法,通過分析研究西北某區地下水的環境同位素特征和化學特征,確定了該研究區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與排泄區。研究結果表明,區內地下水的化學類型主要為SO4·Cl-Na·Ca型,地下水賦存的環境屬于弱堿性-強氧化環境,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,呈現出研究區含水系統水循環交替速度很慢,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律,確定不同含水層之間的相互聯系、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地下水的循環特征,掌握地下水的變化規律,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水文地質特征開展了相關研究,初步查清了研究區地下水的來源、滯留時間、地下水循環交替特征,確定了地下水的相對補給區與排泄區,并分析了地下水的同位素特征及其所反應的水循環信息,從而為研究區水文地質條件評價等提供依據。

1 研究區概況

研究區主要為荒無人煙的戈壁灘,地貌類型有基巖山區、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。該區地下水資源十分貧乏,年均降水量約 30 mm,年均蒸發量達 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。區內無固定居民居住,周邊有少數人員主要從事資源勘察、礦產開發、旅游和土地開發等。

2 樣品采集及測試

研究人員在西北某區不同區域共采集 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境地質重點實驗室利用超低本底-射線液閃計數儀進行檢測,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為研究區地下水化學成分分析結果。從表1可以看出,研究區內地下水呈弱堿性,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。地下水經過了強烈的蒸發濃縮作用,水中鹽分較高,以咸水為主,局部為鹽水,大部分區域地下水礦化度處于 1～20 g/L之間,有少數點處地下水礦化度高達 36 g/L。因此,研究區地下水賦存環境屬于弱堿性-強氧化環境。

表 1 研究區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,與周圍環境有著密切的聯系,在其補給、徑流、排泄過程中,不斷地進行著循環流動。圖 1為利用研究區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地下水的流向特征,主要以M5,M13,M16等點附近區域為補給來源區,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,可得出研究區內M5,M13,M16等點所處地下水位高的區域為地下水的相對補給區,而M4,M10,M11,M12等點所處地下水位低的區域為地下水的相對排泄區。

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,因蒸發濃縮作用使得地下水的礦化度較高。而對于某一固定區域,地下水的溶濾作用主要發生于地下水的補給區,因此會導致補給區地下水的礦化度較低;而蒸發濃縮作用主要發生于地下水的排泄區,則導致該區域地下水的礦化度較高 (郭永海等,2003;蘇永紅等,2009)。據此,對表 1地下水的礦化度值進行對比分析,得出研究區內M5,M13,M16等點所處區域地下水礦化度低的區域,說明這些點所處區域主要為地下水的補給區;M4,M10,M11,M12等點處地下水礦化度值較高,說明這些點所處區域主要為研究區地下水的排泄區。此結論與上述得出的結論相吻合。

圖 1 西北某區地下水等水位線圖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,研究區內地下水在含水層中滯留時間為數千年至一、兩萬年不等。說明研究區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,現代降水補給的份額甚少或無,表明研究區內地下水的補給和更新能力很差,地下水滯留的時間較長,研究區含水系統水循環交替速度很慢,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據,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,研究區內地下水蒸發線斜率較小,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,說明研究區地下水在補給的過程中經歷了較強的蒸發作用,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。研究區地下水蒸發線與全球平均大氣降水線收斂于一點:δD=-70‰,δ18O=-10‰,說明區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地下水初始同位素組成。

研究區地下水的δD和δ18O值都位于斜率為3.5的地下水蒸發線附近,可將它們分為 2個區域,更富集重同位素的區域 (Ⅱ組),位于此直線的右上方,相對貧集重同位素的區域 (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組區域內各點地下水的礦化度較低,說明Ⅰ組各點所處區域主要為地下水的補給區;而Ⅱ組區域內各點地下水的礦化度較高,則說明Ⅱ組各點所處區域主要為地下水的補給區。同時通過分析圖 3還可以得出,Ⅰ組區域補給區地下水中相對富集氫氧重同位素,Ⅱ組區域排泄區地下水中相對較為貧集氫氧重同位素。這主要與研究區內地下水經過了強烈的蒸發濃縮作用有關,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,會產生同位素分餾,當地下水受到強烈的蒸發作用時,水中將會富集重同位素D和18O。地下水補給區受到的蒸發濃縮作用相對較弱,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,地下水會受到強烈的蒸發濃縮作用,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,研究區內地下水同位素δ值隨著地下水位的變化而發生變化,主要表現為地下水位較低的區域地下水中δD和δ18O值較大,而地下水位較高的區域地下水中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,這就說明研究區內地下水同位素δ值高程效應比較明顯,地面高程低的區域地下水中相對富集氫氧重同位素,地面高程高的區域地下水中相對貧集氫氧重同位素。

這主要也與研究區內氣候干旱,地下水受到了強烈的蒸發濃縮作用有關。根據圖 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。由于研究區氣候十分干旱,地下水在滲流的過程中,會經受強烈的蒸發濃縮作用,滲流的時間越長,其受到的蒸發作用就會越強,地下水中就會富集更多的氫氧重同位素。研究區內地下水位高處,即地面高程高處為地下水的相對補給區,地下水受到的蒸發濃縮作用相對較弱,使得該區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,該區地下水受到的蒸發濃縮作用相對較強,導致該區域地下水中相對富集氫氧重同位素。因此,研究區地下水中同位素δ值高程效應明顯,且表現為負相關關系。同時根據前述分析,得出研究區各采集水樣點處的地下水位與礦化度之間呈現負相關關系,即地下水位低的區域,地下水的礦化度較高,而地下水位高的區域,地下水的礦化度較低。根據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

通過對西北某區地下環境同位素和水化學特征進行了分析,結果表明研究區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,區內地下水主要以咸水為主,局部為鹽水。

研究區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,現代降水補給份額甚少,呈現出研究區含水系統水循環交替速度很慢,更新周期很長的特征。研究區內地下水初始同位素組成為:δD=-70‰,δ18O=-10‰。區內蒸發作用非常強烈,不同區域地下水遭受到了不平衡的蒸發作用。區內地下水中相對貧集重同位素的區域主要為地下水的補給區,相對富集重同位素的區域主要為地下水的排泄區。地下水中的環境同位素環境效應表現出明顯的高程效應,地下水同位素的δ值與地面高程之間呈負相關關系,即地面高程較高區域的地下水中相對貧集氫氧重同位素;地面高程較低區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.基于環境同位素的隴東盆地地下水分析[J].干旱區研究,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].干旱區地理,32(4):544-551.

徐學選,張北贏,田均良.2010.黃土丘陵區降水-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.環境同位素在水循環研究中的應用[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,現主要從事核環境科學方面的研究。E-mail:mayingming@sina.com