巴丹吉林沙漠湖泊和地下水補(bǔ)給機(jī)制

劉建剛

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

巴丹吉林沙漠湖泊和地下水補(bǔ)給機(jī)制

劉建剛

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

巴丹吉林沙漠湖泊及地下水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給途徑問題近年來爭議很大。根據(jù)巴丹吉林沙漠湖泊及地下水的特征,就水化學(xué)條件、環(huán)境同位素及相關(guān)的示蹤理論研究巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給機(jī)制。結(jié)果表明:巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給源有黑河中上游河水、祁連山大氣降水和冰雪融水,比較有爭議的補(bǔ)給源是青藏高原上的一些湖泊水,盡管都有同位素依據(jù),但沒有考慮到氧漂移因素。在補(bǔ)給途徑上,既有河西走廊祁連山前緣洪積扇地下水、雅布賴山前洪積扇地下水等通過巨厚覆蓋層潛水或承壓盆地水對巴丹吉林沙漠湖泊和周邊地下水的緩慢補(bǔ)給,也有祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水入滲通過基巖地層的深部循環(huán)后向上滲透補(bǔ)給沙漠湖泊及周邊地下水的快速補(bǔ)給,而且已經(jīng)從古老碳酸鹽巖地層的存在、區(qū)域活動斷裂構(gòu)造體系的發(fā)育,以及地下水幔源氦同位素特征、巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華幔源碳特征等方面得到驗(yàn)證。

巴丹吉林沙漠;礦化度;地下水;環(huán)境同位素;大氣降水線;蒸發(fā)線;基巖;水循環(huán)深度

巴丹吉林沙漠在阿拉善高原的西部,地理坐標(biāo)39°20′～ 42°N,99°48′～ 104°14′E,面積約4.92 萬km2,為我國第3大沙漠,世界第4大沙漠。區(qū)內(nèi)以極端干旱的大陸性氣候?yàn)樘卣?多年平均降雨量由東南向西北減少,東南部為100mm左右,西北部不足40mm[1]。年平均氣溫1～8℃,7月份最高達(dá)37～41℃,沙面溫度則高達(dá)70～80℃。年平均降水量僅50mm左右,而理論上的年蒸發(fā)量卻高達(dá)4000mm[2]。

巴丹吉林沙漠分布有湖泊約144個(gè),總面積超過23km2。其中約一半的湖泊是常年有水的永久性湖泊,少量還是水質(zhì)很好的淡水湖泊?，F(xiàn)存的湖泊面積最大的是諾爾圖,其面積約1.5km2,最大深度達(dá)16m[3]。巴丹吉林湖泊群區(qū)存在一條10km寬的無湖風(fēng)蝕帶,即伊克力敖包,將湖泊分為南北2個(gè)區(qū)域,在沙漠的東南邊緣主要是面積不足0.2km2、深度不到2m的小型淺湖,但是北部沙漠腹地中則分布著一些大而深的湖泊[4],見圖1。

圖1 巴丹吉林沙漠主要湖泊分布[4]

巴丹吉林沙漠湖泊水礦化度變化范圍特別大,介于1.2～398.2g/L之間[5]。北部幾處大湖體積雖然很大,但鹽度較高,皆屬于鹽湖,而東南部湖泊體積雖然都不是很大,卻有一些鹽度較低的微咸湖存在[4]?？康煤芙膬蓚€(gè)湖泊,礦化度出現(xiàn)很大差別,如:沙漠東南部的東巴丹和西巴丹兩湖在1988年前是同一個(gè)湖,由于水位的下降使其1999年變成了兩個(gè)湖[4],東巴丹礦化度為1.8g/L,而相距不到50m的西巴丹礦化度達(dá)到398.2g/L;沙漠北部的諾爾圖和毛日圖也是靠得近的兩個(gè)湖,諾爾圖湖的礦化度89.8g/L,而毛日圖湖的礦化度達(dá)到380.6g/L。而且,即使是同一個(gè)湖,不同部位的礦化度也可能不同。在沙漠外圍地區(qū)的低凹處,當(dāng)夏季洪水到來時(shí)也會出現(xiàn)季節(jié)性湖泊,例如,位于北部邊緣的天鵝湖(42°01′N,101°35′E)時(shí)而也有水,1999 年采集水樣的礦化度為9.8g/L[5]。沙漠區(qū)地下水的礦化度很小,根據(jù)野外導(dǎo)電性測量和取樣分析結(jié)果得知,注入湖泊的泉水水質(zhì)均為淡水,沙漠區(qū)外圍的雅布賴鹽場地下水礦化度小于6.2g/L,僅個(gè)別為12.3g/L。阿拉善左旗和金昌北部地區(qū)地下水礦化度最大為2.19g/L[3-4]。

巴丹吉林沙漠湖泊咸水或鹽水的成因可能有二:①極端干旱氣候條件下蒸發(fā)濃縮形成;②沙漠區(qū)外圍其他咸水或鹽水水體的補(bǔ)給,如青藏高原上高礦化湖水的遠(yuǎn)距離深循環(huán)補(bǔ)給。對于后者,雖有個(gè)別類似觀點(diǎn)報(bào)道[6-8],但尚未達(dá)成共識,因?yàn)槿绻嬖?則在遠(yuǎn)源的咸水或鹽水體與巴丹吉林沙漠之間一定范圍的地下水特別是深層地下水也應(yīng)存在咸水徑流條帶,但目前沒有這方面的報(bào)道;前者容易被大家接受,客觀的自然環(huán)境和古氣候符合蒸發(fā)濃縮條件。但筆者認(rèn)為,處在同一沙漠內(nèi)相同環(huán)境氣候條件下的如此眾多的大小湖泊,其礦化度變化范圍如此之大,反映了湖泊水不同的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給強(qiáng)度和補(bǔ)給量。淡水湖泊反映了強(qiáng)滲透地下水的補(bǔ)給,且補(bǔ)給量大,甚至可以超過蒸發(fā)量,而咸水或鹽水湖泊可以有較強(qiáng)的地下水補(bǔ)給,但補(bǔ)給量小,一定不超過蒸發(fā)量。研究巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的水化學(xué)成分特征和環(huán)境演變,就必須研究其補(bǔ)給機(jī)制。

1 巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給源

陳建生等[8-10]推斷青藏高原一些湖泊水及祁連山融水通過祁連山區(qū)存在的深大斷裂直接補(bǔ)給巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水后,對巴丹吉林沙漠湖泊和地下水補(bǔ)給源的研究和爭論頗多。目前的基本共識是:湖泊水接受了地下水源源不斷的補(bǔ)給,湖水和地下水的補(bǔ)給來源均不是沙漠區(qū)的大氣降水。形成此共識可以基于以下兩個(gè)事實(shí):①理論年蒸發(fā)量高達(dá)4000mm,年平均50mm左右的降水量不足以維持永久性湖泊水面,盡管總體上沙漠區(qū)的湖水面在持續(xù)緩慢下降;②河海大學(xué)、中國科學(xué)院等單位在1997～2003年連續(xù)對巴丹吉林沙漠沙山表層孔隙水及雨后入滲深度進(jìn)行了觀測,發(fā)現(xiàn)觀測期間表層2m附近的含水體積分?jǐn)?shù)約為3%,達(dá)到相應(yīng)實(shí)測最大持水量的65%或更高;表層25cm至1m孔隙水δ18O(δ表示千分偏差)的正值表明它經(jīng)過了反復(fù)補(bǔ)給-蒸發(fā)過程。2000年9月25日4mm的降水和2003年也是9月25日5.5mm的降水全部滲入地下僅構(gòu)成小于10cm的濕潤表層[11],對地下水補(bǔ)給沒有明顯貢獻(xiàn)。

巴丹吉林沙漠外圍的地貌見圖2。沙漠的西北角是古日乃草原,草原外是黑河下游的額濟(jì)納盆地,東北角上有干湖盆拐子湖,西南是斷續(xù)分布的龍首山和北大山(高程1800～2300m[12]),兩山之外是祁連山,之間即是河西走廊,也是黑河的中游地區(qū),東南是雅布賴山(高程1300～2200m[12]),雅布賴山外是騰格里沙漠,南面有雅布賴鹽場、石羊河流域、阿拉善右旗、施家井及甘肅的金昌。黑河全長821km,海拔1674～5120m,相對高差3000m左右。古日乃草原地面高程900～1000m,拐子湖地面高程為900 m左右,巴丹吉林沙漠湖泊的水位高程在1 150～1200m左右[10]。顯然,從地勢和水位看,近源的黑河水、石羊河水、祁連山冰雪融水、雅布賴山區(qū)地下水、祁連山和雅布賴山山前沖洪積扇地下水以及這些地區(qū)的大氣降水均有可能成為巴丹吉林沙漠湖泊水及地下水的補(bǔ)給源,遠(yuǎn)源的青藏高原大氣降水及湖泊水和地下水是否也可能成為巴丹吉林沙漠湖水和地下水的補(bǔ)給源,從宏觀大尺度水循環(huán)的角度考慮不能斷定絕對不可能,但需要科學(xué)工作者做進(jìn)一步的系統(tǒng)研究和考證。

圖2 巴丹吉林沙漠及其外圍地區(qū)地貌概況[4]

水化學(xué)和環(huán)境同位素分析方法,尤其是環(huán)境同位素方法是研究巴丹吉林沙漠湖泊水及地下水補(bǔ)給源的重要技術(shù)方法。用全球和大區(qū)域降水線方程反映各地區(qū)的環(huán)境條件差異,用蒸發(fā)線反映水體的蒸發(fā)程度,用 δ D(D指氫的穩(wěn)定同位素)和 δ18O值的大小比較不同的補(bǔ)給水源或補(bǔ)給高程。降水線斜率反映的是蒸發(fā)效應(yīng),一般隨蒸發(fā)量與降水量比值的增大而減小。截距大小則反映水氣云團(tuán)形成過程中氣、液兩相同位素的動力分餾程度。有關(guān)單位用水化學(xué)和環(huán)境同位素方法對巴丹吉林沙漠湖泊水及地下水進(jìn)行了系統(tǒng)研究,巴丹吉林沙漠及外圍地區(qū)的降水線方程見表1?？傮w上,巴丹吉林沙漠及外圍地區(qū)降水線方程與全國的降水線十分接近,但由于穩(wěn)定同位素的溫度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和高程效應(yīng)等,δ D、δ18O值冬季偏負(fù),夏季偏高,比其他任何地區(qū)有更大的變化范圍,較好地反映了當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境氣候特征和大氣降水同位素特征,也為應(yīng)用降水線確定巴丹吉林沙漠湖泊及地下水補(bǔ)給源提供了條件。巴丹吉林沙漠及周邊鄰近地區(qū)環(huán)境水同位素值見表2。由表2可見,由于蒸發(fā)作用,δ D、δ18O 值均偏離了大氣降水線,特別是沙漠湖泊水,由于湖泊水面的直接強(qiáng)烈蒸發(fā),已經(jīng)不能直接利用其 δ D、δ18O值根據(jù)降水線和蒸發(fā)線確定補(bǔ)給水源。

表1 巴丹吉林沙漠及外圍地區(qū)降水線方程

表2 巴丹吉林沙漠及周邊鄰近地區(qū)環(huán)境水同位素值

由于古日乃草原和拐子湖地面高程遠(yuǎn)低于巴丹吉林沙漠湖泊水面,沒有人提及巴丹吉林沙漠湖泊及地下水可能來自黑河下游河水或額濟(jì)納盆地地下水的補(bǔ)給。由于分屬不同的流域,也沒有人提及石羊河流域河水對巴丹吉林沙漠湖泊及地下水的跨流域地下徑流補(bǔ)給。從一般的水文地質(zhì)基本規(guī)律出發(fā),有人提出了無湖風(fēng)蝕帶南部湖泊水可能來自雅布賴山區(qū)大氣降水入滲并經(jīng)緩慢的水平滲透補(bǔ)給[4],但實(shí)際上也沒有足夠甚至基本的環(huán)境同位素依據(jù)。有水化學(xué)和環(huán)境同位素依據(jù),且比較趨同的觀點(diǎn)是巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給源有:黑河中上游河水的滲漏、祁連山大氣降水和冰雪融水的入滲。黑河發(fā)源于祁連山山脈,中上游河水實(shí)際上也代表了祁連山區(qū)的大氣降水,只是由于高程效應(yīng)和形成地表徑流后一定程度的蒸發(fā)效應(yīng),使其穩(wěn)定同位素比祁連山區(qū)降水略有偏重。比較有爭議的補(bǔ)給源是青藏高原黃河源頭的鄂陵湖與扎陵湖水的滲漏[8]。確定這些補(bǔ)給源的核心依據(jù)是大氣降水線、蒸發(fā)線及環(huán)境同位素的高程效應(yīng),但特別要注意地下水的氧飄移影響。

直接給出巴丹吉林沙漠及鄰近地區(qū)地下水蒸發(fā)線方程的文獻(xiàn)不多,以下2個(gè)十分接近的方程有較好的參考意義:

蒸發(fā)線的斜率和截距無疑反映了地下水的蒸發(fā)程度,但蒸發(fā)程度又往往與地下水的埋藏條件和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣候條件有關(guān),對于同一地區(qū),不同研究單位得到十分相近的蒸發(fā)線方程,完全可依據(jù)它來確定蒸發(fā)源的環(huán)境同位素值。

環(huán)境同位素的高程效應(yīng)也與多種因素有關(guān)。但巴丹吉林沙漠本身地形高程的變化還不足以產(chǎn)生環(huán)境同位素的高程效應(yīng),黑河上中游雖有近3000m的高程落差,張應(yīng)華[20]統(tǒng)計(jì)的黑河上中游16個(gè)不同海拔高程的降水氫氧穩(wěn)定同位素平均值與海拔H之間的關(guān)系是:

根據(jù)西北地區(qū)在全球大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)(GNIP)中的烏魯木齊、和田、張掖、蘭州、銀川、拉薩、烏蘭巴托、包頭、西安 9個(gè)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì),δ18O與海拔H之間的相關(guān)關(guān)系為[16]:

黑河流域的和大區(qū)域西北地區(qū)的δ18O高度梯度也十分接近,即海拔增加1000m,δ18O值減少2.1‰～2.4‰。完全可依據(jù)δ18O高度梯度來確定大氣降水的補(bǔ)給高度。按巴丹吉林沙漠及古日乃地區(qū)大氣降水線和上述任何一條蒸發(fā)線及高度梯度公式計(jì)算,補(bǔ)給高程至少達(dá)到了祁連山區(qū)雪線以上,如果氧飄移程度不高,補(bǔ)給高程完全能夠達(dá)到青藏高原黃河源頭的高程。

巴丹吉林沙漠地區(qū)地下水的氧飄移現(xiàn)象是一定存在的,但很少有人關(guān)注。對一般非碳酸鹽巖基巖地層,地下水在常溫條件下不會發(fā)生氧飄移,但對于碳酸鹽巖基巖地層,地下水在常溫條件下則會發(fā)生氧飄移[21]。巴丹吉林沙漠至祁連山區(qū)地帶有大量的碳酸鹽巖地層分布,沙漠湖泊中又出現(xiàn)大量的鈣化和根狀結(jié)核[10],說明沙漠湖泊及地下水中的δ18O增大完全是可能的。氧飄移的結(jié)果會使實(shí)際蒸發(fā)線右移,并導(dǎo)致利用大氣降水線和蒸發(fā)線確定的實(shí)際蒸發(fā)源位置沿降水線向左下方移動,最終得到的蒸發(fā)源偏負(fù),見圖3。用偏負(fù)的蒸發(fā)源環(huán)境同位素值,再根據(jù)環(huán)境同位素的高程效應(yīng)來確定的大氣降水補(bǔ)給高程就偏高。陳建生等[18]提出的青藏高原黃河源頭的鄂陵湖與扎陵湖的水滲入斷裂帶并補(bǔ)給至巴丹吉林沙漠及周邊地區(qū)的觀點(diǎn)也是有同位素依據(jù)的,只是沒有考慮到氧漂移因素。但問題是,巴丹吉林沙漠地區(qū)氧漂移的發(fā)生程度到底如何,至今沒有人研究并作出回答,因此,這是個(gè)需要大家進(jìn)一步研究的問題。

圖3 氧飄移引起的蒸發(fā)線位移

2 巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給途徑

巴丹吉林沙漠湖泊泉水以下降泉和上升泉兩種情況出露[2-3,5,11,18],因此,巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給途徑有2個(gè):①通過淺層潛水補(bǔ)給;②通過深層地下水補(bǔ)給。

巴丹吉林沙漠屬阿拉善臺塊的拗陷盆地,以宗乃山西側(cè)斷裂與阿拉善隆起分開。自早更新世以來,總的趨勢表現(xiàn)為地殼大幅度下沉,從而堆積了厚達(dá)150m以上的第四系。盆地邊緣有侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)以及第三紀(jì)地層出露。第四系主要為一套灰黃色疏松至半固結(jié)的陸相堆積,巖性在垂直方向上碎屑物質(zhì)與黏性土相互交替頻繁出現(xiàn),呈現(xiàn)明顯的沉積旋回。在水平方向上大致由山前至盆地中心部位,由山麓堆積逐漸過渡為河湖相或湖泊相沉積,表現(xiàn)出明顯的巖性及巖相分帶現(xiàn)象[22]。沙漠腹部湖泊群區(qū)地層結(jié)構(gòu)為:上覆更新統(tǒng)湖積砂土、亞砂土和亞黏土互層,下伏第三系泥質(zhì)碎屑基巖。南部湖泊區(qū)巴丹一帶則基巖為凹凸不平的白堊系碎屑巖,上覆全新統(tǒng)湖積沙層、亞砂土與風(fēng)積沙層[4]。

構(gòu)造和巖性特征決定了巨厚的覆蓋層可形成多層含水層系統(tǒng),如表層潛水、深層承壓盆地水等。據(jù)現(xiàn)有觀察,北部湖區(qū)潛水位埋深相對大些,南部湖區(qū)潛水位則較淺,一般在0～6m[4]。河西走廊祁連山前緣洪積扇地下水、雅布賴山前洪積扇地下水等若通過潛水或承壓盆地水補(bǔ)給湖泊,滲透應(yīng)該是緩慢的,將導(dǎo)致湖泊泉水(無論是下降泉還是上升泉)礦化度提高,放射性同位素31H減小。但在實(shí)際上,沙漠邊緣地區(qū)地下水的TDS總體上高于沙漠腹地[5],巴丹吉林沙漠腹地地下水的31H為1.54～33.37 TU,而龍首山一帶地下水的31H為6.51～29.16TU[8],部分沙漠腹地地下水的31H高于龍首山一帶地下水的

,這說明存在祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水通過基巖地層的深部循環(huán)后向上滲透補(bǔ)給沙漠湖泊及周邊地下水的情況。另外,沙漠中5個(gè)面積超過1km2湖泊中的兩個(gè):面積1.5km2、最大水深 16m的諾爾圖最大湖泊,與面積超過1.0km2的蘇木巴潤吉林湖泊,在嚴(yán)冬時(shí)仍不結(jié)冰[8],表明補(bǔ)給湖泊的水溫度高且補(bǔ)給量大,也應(yīng)該是補(bǔ)給水源通過基巖深部循環(huán)的反應(yīng)。

祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水入滲基巖后通過深部循環(huán)補(bǔ)給沙漠湖泊及地下水還在兩個(gè)水化學(xué)成分的比例系數(shù)上得到直接和間接的反映:3He/4He值和87Sr/86Sr值。地下水中氦同位素特征主要取決于三方面,即溶解的空氣氦、含水巖石釋放出來的氦(放射成因氦)和來自地幔的氦(幔源氦)。3He/4He值是氦源的一個(gè)靈敏指示劑,可作為盆地地下水的一種穩(wěn)定的示蹤劑,并且它受溫度和鹽度的影響甚微。大氣氦3He/4He是一個(gè)常數(shù),即1.399×10-6;地幔的3He/4He值大約為10-5,且變化范圍很小;基巖中富含鈾釷的巖漿巖和變質(zhì)巖是放射性核素4He的主要來源,鈾和釷及其蛻變系列子體蛻變的產(chǎn)物均產(chǎn)生大量的4He,放射成因的氦進(jìn)人地下水的速率取決于含水巖石中鈾和釷的濃度、含水巖石的孔隙度和密度以及脫氣效率等[23]。陳建生等[10]研究認(rèn)為沙漠泉水中的3He/4He在1.10×10-6～6.7×10-8之間,部分泉水的3He/4He值小于大氣降水中的值,有殼源的放射成因4He增加,說明經(jīng)過了基巖地層,這是直接證據(jù)。史基安等[23]在研究了石羊河、黑河流域地下水氦同位素組成后發(fā)現(xiàn)大部分樣品的3He/4He具有大氣降水特征,部分地區(qū)地下水4He同位素過剩是基巖裂隙水和鹵水的混合作用所致,這說明了巴丹吉林沙漠地區(qū)外圍就有大氣降水入滲經(jīng)過基巖地層的循環(huán),這是間接證據(jù)。

87Sr/86Sr值也是示蹤不同水源的可靠依據(jù)。87Sr/86Sr值:現(xiàn)代海水和海相碳酸鹽沉積為0.709198,地殼上部的平均值0.7119,全球石炭系碳酸鹽為0.70760～0.78080,奧陶系碳酸鹽為0.708988～0.718266,大陸地幔為0.705 77[24]。巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華與根狀結(jié)核樣品中的87Sr/86Sr比值為0.710345～0.713207[10],與地殼上部87Sr/86Sr平均值0.7119十分接近,說明補(bǔ)給水源經(jīng)過了基巖地層的循環(huán)。

補(bǔ)給水源在基巖中的循環(huán)深度又是一個(gè)值得研究的問題。實(shí)際上,巴丹吉林沙漠地區(qū)及外圍山區(qū)基巖具備很好的深循環(huán)條件,依據(jù)有以下三個(gè):①基巖中斷裂體系十分發(fā)育,呈棋盤格式,區(qū)域上存在深大斷裂,如阿爾金山斷裂體系和祁連山斷裂體系等,阿爾金山斷裂還是活動斷裂;②斷裂體系同樣在該地區(qū)碳酸鹽巖地層中發(fā)育,碳酸鹽巖地層古老,串珠狀、廳堂式大溶洞甚至暗河以斷裂體系為溝通渠道形成暢通式深循環(huán)徑流通道的可能性是存在的;③目前已經(jīng)有了深循環(huán)的水化學(xué)依據(jù):祁連山前深大斷裂帶附近地下水的氦同位素具有明顯的幔源氦特征[23];巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華的δ13C的值為3.175‰,四川黃龍溝的鈣華沉積中的δ13C為2.03‰～3.65‰[9],兩者十分接近,而后者被有關(guān)學(xué)者認(rèn)為是地殼幔源碳。補(bǔ)給水源在基巖中的循環(huán)深度和強(qiáng)度還取決于宏觀水動力條件,補(bǔ)給水源與巴丹吉林沙漠湖泊及地下水之間的水頭差越大,相距越遠(yuǎn),循環(huán)的深度就越大,也就是說,祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水的入滲高程越高,距離巴丹吉林沙漠越遠(yuǎn),循環(huán)深度將越深。

3 結(jié) 語

巴丹吉林沙漠東南部的幾十個(gè)永久性沙漠湖泊中,除了少數(shù)水質(zhì)很好的淡水湖泊外,其余均為咸水或鹽水湖泊。湖泊礦化度變化范圍十分大。筆者認(rèn)為,處在同一沙漠內(nèi)相同環(huán)境氣候條件下的眾多大小湖泊,其礦化度的大小變化反映了湖泊水不同的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給強(qiáng)度和補(bǔ)給量。淡水湖泊反映了強(qiáng)滲透地下水的補(bǔ)給,而咸水或鹽水湖泊反映了較弱的地下水補(bǔ)給。巴丹吉林沙漠湖泊及地下水補(bǔ)給機(jī)制問題是研究其他問題的關(guān)鍵。環(huán)境同位素方法是研究巴丹吉林沙漠湖泊及地下水補(bǔ)給源的重要技術(shù)方法,比較趨同的觀點(diǎn)是巴丹吉林沙漠湖泊和地下水的補(bǔ)給源有:黑河中上游河水、祁連山大氣降水和冰雪融水,比較有爭議的補(bǔ)給源是青藏高原上的一些湖泊水,盡管它們都有同位素依據(jù),但沒有考慮到氧漂移因素。巴丹吉林沙漠地區(qū)氧漂移的發(fā)生程度是個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

在補(bǔ)給途徑上,既有河西走廊祁連山前緣洪積扇地下水、雅布賴山前洪積扇地下水等通過巨厚覆蓋層潛水或承壓盆地水對巴丹吉林沙漠湖泊和周邊地下水的緩慢補(bǔ)給,也有祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水入滲通過基巖地層的深部循環(huán)后向上滲透補(bǔ)給沙漠湖泊及周邊地下水的快速補(bǔ)給,而且,從古老碳酸鹽巖地層的存在、區(qū)域活動斷裂構(gòu)造體系的發(fā)育,以及地下水幔源氦同位素特征、巴丹吉林沙漠湖泊中鈣華幔源碳特征等方面得到驗(yàn)證。補(bǔ)給水源在基巖中的循環(huán)深度和強(qiáng)度還取決于宏觀水動力條件,祁連山區(qū)大氣降水和冰雪融水的入滲高程越高,距離巴丹吉林沙漠越遠(yuǎn),循環(huán)深度將越深。

[1]馬金珠,李丁,李相虎,等.巴丹吉林沙漠包氣帶Cl-示蹤與氣候記錄研究[J].中國沙漠,2004,24(6):674-678.

[2]李明森.探訪巴丹吉林沙漠[J].自然雜志,2007,29(5):300-302.

[3]楊小平.近3萬年來巴丹吉林沙漠的景觀發(fā)育與雨量變化[J].科學(xué)通報(bào),2000,45(4):428-433.

[4]馬妮娜,楊小平.巴丹吉林沙漠及其東南邊緣地區(qū)水化學(xué)和環(huán)境同位素特征及其水文學(xué)意義[J].第四紀(jì)研究,2008,28(4):702-709.

[5]楊小平.巴丹吉林沙漠腹地湖泊的水化學(xué)特征及其全新世以來的演變[J].第四紀(jì)研究,2002,22(2):97-103.

[8]陳建生,趙霞,盛雪芬,等.巴丹吉林沙漠湖泊群與沙山形成機(jī)理研究[J].科學(xué)通報(bào),2006,51(23):2789-2796.

[9]CHEN Jian-sheng.Groundwater maintains dune landscape[J].Nature,2004,432:459-460.

[12]黃天明,龐忠和.應(yīng)用環(huán)境示蹤劑探討巴丹吉林沙漠及古日乃綠洲地下水補(bǔ)給[J].現(xiàn)代地質(zhì),2007,21(4):624-630.

[13]鄭淑蕙,侯發(fā)高,倪葆齡.我國大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素研究[J].科學(xué)通報(bào),1983,28(13):801-806.

[14]馬金珠,黃天明,丁貞玉,等.同位素指示的巴丹吉林沙漠南緣地下水補(bǔ)給來源[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(9):922-929.

[15]張光輝,聶振龍,王金哲,等.黑河流域水循環(huán)過程中地下水同位素特征及補(bǔ)給效應(yīng)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(5):511-518.

[16]黃天明,聶中青,袁利娟.西部降水氫氧穩(wěn)定同位素溫度及地理效應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(8):76-80.

[17]李學(xué)禮,劉金輝,史維浚,等.新疆準(zhǔn)噶爾盆地北部天然水的同位素研究及其應(yīng)用[J].地球?qū)W報(bào),2000,21(4):401-406.

[19]陳宗宇,萬力,聶振龍,等.利用穩(wěn)定同位素識別黑河流域地下水的補(bǔ)給來源[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,(6):9-14.

[20]張應(yīng)華.應(yīng)用環(huán)境同位素對黑河流域水循環(huán)的研究[D].中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所,2005.

[21]劉純恒.同位素水文地質(zhì)概論[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[22]馬金珠,陳發(fā)虎,趙華.1000年以來巴丹吉林沙漠地下水補(bǔ)給與氣候變化的包氣帶地球化學(xué)記錄[J].科學(xué)通報(bào),2004,49(1):22-26.

[23]史基安,王先彬,王琪,等.地下水補(bǔ)給、循環(huán)和混合作用的氦同位素證據(jù)[J].沉積學(xué)報(bào),1999,17(12):815-818.

[24]張虎才,明慶忠.中國西北極端干旱區(qū)水文與湖泊演化及其巴丹吉林沙漠大型沙丘的形成[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(5):532-537.

Recharge mechanisms of lakes and groundwater in Badain Jaran Desert

LIU Jian-gang
(College of Earth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

There has been a huge dispute about the source and pathways of recharge of scarce groundwater in the Badain Jaran Desert in recent years.Based on the characteristics of lakes and groundwater in the Badain Jaran Desert,their recharge mechanisms were studied in terms of hydrochemistry conditions,environmental isotopes,and related tracing theory.The results showed that the commonly recognized recharge sourceswere the river water of the upper and middle reaches of the Heihe River,meteoric water,and ice-snow melt water from the Qilian Mountains.Some recharge sources,such as some lake water on the Tibetan Plateau,provoked some controversy,and all of them had an isotopic basis without consideration of the factor of isotopic shift of oxygen.As for the pathways of recharge,proluvial fan groundwater in the front of the QilianMountains in the Hexi Corridor and proluvial fan groundwater in the front of Yabulai Mountain infiltrate through a phreatic aquifer in a large thick covering layer,and confined basinwater slowly recharges lakes and surrounding groundwater in the Badain Jaran Desert.On the other hand,in the area of the Qilian Mountains,atmospheric precipitation and ice-snow melt water infiltrate through the deep-cycle of bedrock up to the desert lakes and surrounding groundwater,this can be verified by the existence of an ancient carbonate formation,the development of a regional active fracture zone system,and the characteristics of mantle-derived helium isotopes in groundwater and travertine mantlederived carbon in lakes in the Badain Jaran Desert.

Badain Jaran Desert;salinity;groundwater;environmental isotope;meteoric water line;evaporation line;bedrock;water circulation depth

P641.3

A

1004-6933(2010)02-0018-06

劉建剛(1963—),男,江蘇江陰人,教授,博士,從事水文地質(zhì)的教學(xué)與研究工作。E-mail:Liujg02@163.com

(收稿日期:2009-04-22 編輯:徐 娟)