稳定同位素对地下水的指示作用研究

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摘要：本文以地下水为研究对象，搜集和整理了西北地区、东部安徽宿州两个典型区域地下水的稳定同位素数据，通过研究区域地下水的同位素组成特征，并与全球降水线进行比较，探讨深层地下水的补给来源。研究结果表明：浅层地下水的氢氧稳定同位素的δ值位于全球大气降水线附近及其右下侧，说明浅层地下水的补给来源是现代大气降水，部分可能受蒸发浓缩效应影响，水循环交替快；深层地下水的稳定同位素的δ值都比较偏负，说明深层地下水是早期降水补给形成的，属于年代较早的“古水”，水循环交替缓慢。

关键词：稳定同位素；深層地下水；浅层地下水；补给来源

Abstract： This paper based on the deep groundwater as the research object， collects and collates the Northwest， North China Changzhou region typical of groundwater stable isotope data， and through the research of groundwater isotope composition characteristics， and global precipitation line analysis of the characteristics of the stable isotope composition of the study area， reveals the source of groundwater recharge. The results showed that shallow groundwater stable isotope δ values ​​in the global meteoric water line near the lower right side of the shallow groundwater recharge source of the modern atmospheric precipitation， some may be affected by evaporation and concentration effect， the water cycle alternating； deep groundwater stable isotope δ values ​​are more negative side， the deep groundwater is the early formation of precipitation recharge in the late Pleistocene last glacial formation， belonging to the earlier era of "ancient water" in a semi-closed or closed system， the water cycle alternating slow.

Key words： stable isotope； deep groundwater； shallow groundwater； supply source

1.引言

随着社会的发展，水资源形势越来越紧迫，由于大肆开发地下水，现已引发诸如地下水水质恶化、地面沉降等问题 [1-2] ，水文地质学面临的问题变得越来越复杂。稳定同位素作为水文地质学研究中最普遍的示踪剂，在发达国家受到高度重视，且在科学研究领域中得到广泛应用，它是用存在于水中的稳定同位素2H、180等对水的来源、组成与特性进行标记以研究水的运动过程[3]。Zimmerman[4、5]等国外专家在1960s，发现土壤水的δ18O和δD的富集效应主要受蒸发作用的影响。1986年，Pearce等人根据地下水中δ18O、δD及δ3H，对地下水的蒸发进行了研究分析，并分析了降水对地下水的补给情况。我国的同位素水文学研究开始于20世纪60年代，如陈建生等利用同位素分析了额济纳盆地地下水的补给。关秉钧等人运用14C、13C和3H作为示踪指示剂，研究了北京地下水的运移规律。地下水作为饮用水的主要来源，对它的研究具有重要的意义，本文通过研究各区域氢氧稳定同位素的特征关系，并与全球降水线进行比较，来分析研究区域稳定同位素的组成特征，并说明地下水的补给来源。

2.数据来源

本文主要选取西北甘肃野马泉及安徽省宿州市任楼井田作为研究对象。本文数据主要来源于前人[6、7、8]的采样测试，在搜集和整理前人数据的基础上进行分析研究。

3.结果分析

3.1西北地区稳定同位素分析

西北地区主要选野马泉为研究区，野马泉位于甘肃河西走廊以北，此区域为干旱气候区，降雨少，蒸发量大，没有常年性河流。

如图所示，区域内浅层地下水的稳定氢氧同位素的构成主要分布在全球大气水线（GWML）的附近和右下侧，说明浅层地下水的起源是当地大气降水的入渗补给。GWML附近及其上方的点，多取自于地下水循环交替比较快的沟谷内，蒸发作用影响非常弱。而位于GWML右下侧的点，重稳定同位素的含量相对较高，这是由于该区域属于干旱地区，受到潜水的蒸发浓缩作用的影响所致。地下水稳定同位素构成偏离GWML的程度都比较小，说明地下水受到的蒸发浓缩作用并不是很强烈，同时表明浅层地下水的水循环能力比较强。深层地下水δ18O含量比较高，而δD的含量比较低，可知深层与浅层地下水的成因及水循环条件是不同的，是由早期降水补给形成的，是时代比较老的“古水”，且循环交替比较缓慢。

3.2东部稳定同位素分析

任楼井田位于安徽省宿州市，矿区自上而下依次是“四含”（埋深大约300米）、“煤系”（和开采煤层的埋深有关）、“太灰”（埋深大约600米）及“奥灰”（埋深大约900米），其埋藏比较浅 [20]。

从上图可以看出，地表水线的斜率小于全球大降水线（GWML）的斜率，在大气降水形成地表水时要受到蒸发效应。该区域年平均大气降水氢氧同位素的组成应为两条线的交点，即δ2H=-5.4%，δ18O=-0.79%.地表水的点始终位于GWML的右下侧，说明大气降水形成的地表水都要受到不同程度的蒸发浓缩作用。另外，矿区四含水的δD平均值为-6.310%，δ18O平均值为-0.819%。煤系水的δD平均值为-6.996%，δ18O平均值为-0.885%。太灰水的δD平均值为-6.043%，δ18O平均值为-0.780%。奥灰水δD平均值为-5.317%，δ18O平均值为-0.589%，各种类型的水点大部分都落在GWML的下部，说明深层地下水的补给来源是大气降水。地表水线可以看成是蒸发线，奥灰水、太灰水、煤系水与四含水的水点不在GWML和蒸发线之间，说明深层地下水不是现代降水补给的，是形成于年代较早的“古水”。

4.结论

（1）浅层地下水中的氢氧稳定同位素δ值位于全球大气降水线（GWML）附近或右下侧，说明浅层地下水的补给来源是大气降水，在GWML右下侧说明浅层地下水受到一定的蒸发浓缩作用，导致稳定同位素的δ值偏高。而湿润地区，蒸发浓缩相对较弱，浅层地下水的重同位素偏高不明显。稳定同位素的δ值偏离GWML的程度比较小时，蒸发作用不明顯，水循环更新较快。

（2）深层地下水δ18O和δ2H的都比较偏负，可判断出深层与浅层地下水的成因及水循环条件不同，浅层地下水是现代降水补给的，而深层地下水是区域内早期降水补给形成的，属于时代比较老的“古水”，并且循环交替比较缓慢。

参考文献

[1] 张宗祜， 沈照理， 薛禹群等. 华北平原地下水环境演化[M]. 北京： 地质出版社， 2000：62-68

[2] 施雅风. 华北地区水资源合理开发利用[M]. 北京： 水利电力出版社， 1990：12-14

[3] 沈照理. 长江流域水稳定同位素变化特征研究[D]. 河海： 河海大学， 2007：1-59

[4] Zimmermann U D， Ehhalt K O， Munnich. Soil water movement and evapotranspiration C： hangesin the isotopic composition of the water [J]. paper presented at International Atomic Energy Agency Symposium on Isotopes in Hydrology， Int. At. Energ. Agency， Vienna， 1967，11：28-36

[5] Darling W G， Bath A H. A stable isotope study of recharge processes in the English Chalk [J]. Hydrol， 1988，101：31-46

[6] 刘淑芳， 郭永海等. 高放废物地质野马泉预选场地地下水同位素分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2007，26（2）：3995-3999

[7] 桂和荣， 陈陆望. 皖北矿区主要突水水源水文地质特征研究[J]. 煤炭学报， 2004，29（3）：323- 327

[8] 陈陆望， 桂和荣. 深层地下水氢氧稳定同位素组成与水循环示踪[J]. 煤炭学报， 2008，33（10）：

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