氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水的應(yīng)用

鄭　勇，孫忠偉，劉　濤

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水的應(yīng)用

鄭勇*，孫忠偉，劉濤

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質(zhì)勘察”為例，探討了氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水時(shí)的應(yīng)用，供同類找水地區(qū)探討。

地下水；同位素；含水層

同位素分為穩(wěn)定同位素以及放射性同位素。穩(wěn)定同位素一般用作分析地下水成因、流動(dòng)和環(huán)境因素影響的指示劑，放射性同位數(shù)主要用于確定地下水的年齡。本篇以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目”來進(jìn)行分析研究氘、氧同位素在新疆半干旱地區(qū)找水的應(yīng)用。

1　項(xiàng)目概況

新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目位于新疆巴里坤縣西北漢水泉一帶，屬于干旱半干旱地區(qū)，人口稀少，基本無人類工程活動(dòng)，項(xiàng)目區(qū)北部為大哈甫提克山、呼洪得雷山，南部為白依山?？傮w地勢北部高于南部、西部高于東部，漢水泉一帶為本次項(xiàng)目的最低洼處，即本次項(xiàng)目的匯水中心。

在不同地質(zhì)歷史時(shí)期，由于受歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，勘察區(qū)的沉降幅度不盡相同，造成第四紀(jì)和新近紀(jì)地層在區(qū)內(nèi)的沉積厚度和分布范圍有所差異，區(qū)內(nèi)地下水類型為多層結(jié)構(gòu)，致使勘察區(qū)第四系松散巖類孔隙潛水和新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水的賦存及分布規(guī)律有所差別。

1.1第四系松散巖類孔隙潛水

勘察區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙潛水分布在庫木蘇洼地北部及F1斷裂南部和漢水泉三岔口—白泥地東井北部一帶，該地段第四系厚度50～150m，由北向南厚度逐漸變薄的趨勢，地下水埋深變淺，由100m漸變?yōu)?m，含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂、細(xì)砂，結(jié)構(gòu)松散、粒徑較大，含水層厚度在8.04～146.57m，含水層厚度變化較大，儲(chǔ)水條件良好，地下水富水性可分為豐富、中等、弱3類（圖1）。

1.2新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水

在勘察區(qū)內(nèi)廣泛分布，地層巖性以砂巖、泥巖、礫巖為主，含水層巖性為砂巖、礫巖等，新近紀(jì)地層厚度一般在50～200m，可以劃分為1～2層承壓含水層，局部可劃分為3層。第一承壓含水層厚度一般在7.69～57.06m，含水層巖性為砂巖，結(jié)構(gòu)稍密，層理明顯；第二承壓含水層厚度10.00～45.11m，含水層巖性為砂巖、礫巖，結(jié)構(gòu)松散，隔水層厚度10.00～55.45m；局部含有第三承壓含水層厚度32.30m。勘察區(qū)內(nèi)碎屑巖類孔隙裂隙承壓水富水性可分為豐富、中等、弱3類。總體富水性特征為勘察區(qū)四周向中心，呈逐漸增強(qiáng)的趨勢（圖2）。

2　同位素利用分析

2.1天然水環(huán)境同位素特征

（1）大氣降水。從勘察區(qū)采集的次降水樣品測試結(jié)果來看（表1），其的δD和δ18O分別為-28.79‰和-0.92‰。單一數(shù)據(jù)不能用來刻畫勘察區(qū)大氣降水的同位素組成特征，為此，參考烏魯木齊降水的同位素特征，新疆區(qū)域降水公式：δD=7.21δ18O+4.5（通過1986～2002年國際氣象研究站在烏魯木齊地區(qū)17觀測數(shù)據(jù)取值），勘察區(qū)大氣補(bǔ)給直線由于δ18O偏大而向上方偏移與烏魯木齊大氣降水線交叉于區(qū)內(nèi)ZK6-2樣品點(diǎn)。通過計(jì)算可得勘察區(qū)區(qū)域降水公式δD=5.01δ18O-24.16。

表1　降水樣品測試分析結(jié)果

（2）地表水?？辈靺^(qū)屬干旱區(qū)內(nèi)陸性氣候，地下水的主要補(bǔ)給來源為周邊側(cè)向徑流補(bǔ)給，地表基本無地表水體分布，勘察區(qū)內(nèi)未采取地表水同位素樣品。

（3）地下水?？辈靺^(qū)第四系潛水樣品δD和δ18O過渡范圍分別為-127.76‰～-28.79‰和-16.77‰～-6.01‰，平均值分別為-103.93‰和-15.07‰。

勘察區(qū)新近系承壓含水層δD和δ18O過渡范圍分別為-195.03‰～-91.90‰和-12.32‰～-16.30‰，平均值分別為-114.63‰和-14.60‰。

2.2地下水的補(bǔ)給機(jī)制及流通途徑

不同來源水體經(jīng)歷了不同的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致其δD和δ18O值具有不同的組成特征，因此，可以根據(jù)地下水中的δD和δ18O同位素特征所反映的信息來識(shí)別地下水的補(bǔ)給來源。

（1）地下水的補(bǔ)給機(jī)制。

①潛水含水層?？辈靺^(qū)地下水整體樣品的同位素值明顯低于代表平原區(qū)降水的烏魯木齊降水加權(quán)平均值（圖3），說明平原區(qū)降水不是地下水的主要補(bǔ)給源，其補(bǔ)給來源應(yīng)該是高海拔地區(qū)的降水。

圖3　潛水穩(wěn)定同位素組成特征

樣品ZK6-2落在烏魯木齊降水加權(quán)平均值線上，ZK6鉆孔其補(bǔ)給來源與雨水基本相同，為山區(qū)的降水。沿著蒸發(fā)線進(jìn)行外推與降水線交點(diǎn)處的同位素特征，即是未受蒸發(fā)影響的原始補(bǔ)給水的特征，漢水泉洼地芒硝礦樣品點(diǎn)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蒸發(fā)效應(yīng)，2個(gè)樣品均偏離區(qū)域補(bǔ)給水直線。因此，連接這2個(gè)樣品點(diǎn)的直線代表了該區(qū)的蒸發(fā)線，該蒸發(fā)線的斜率大致是3.33。其他樣品如漢水泉淺埋帶淺井HQJ26，也不同程度地向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，反映出了補(bǔ)給過程中經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，但將它們與芒硝礦附近的樣品對(duì)比偏離程度相對(duì)較小，說明受到蒸發(fā)影響相對(duì)較小，印證了同位素試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

②承壓含水層?？辈靺^(qū)承壓含水層主要是新近系碎屑巖類，從δD—δ18O關(guān)系圖（圖4）的分布特征來看，承壓水樣品都遠(yuǎn)離山區(qū)來水的區(qū)域補(bǔ)給直線，按照各樣品與區(qū)域補(bǔ)給直線及烏魯木齊降水加權(quán)平均值線的相對(duì)位置關(guān)系，大致可分為3組。

圖4　承壓水穩(wěn)定同位素組成特征

勘察區(qū)西部庫木蘇洼地采集2件承壓水同位素樣品，ZK6-1、ZK8-1樣品均較遠(yuǎn)的偏離區(qū)域補(bǔ)給水直線，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的蒸發(fā)效應(yīng)。與其它漢水泉洼地樣品呈現(xiàn)明顯的分帶趨勢，根據(jù)2件樣品數(shù)據(jù)結(jié)果分區(qū)A。分區(qū)A總體向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，反映出了地下徑流過程中經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，同位素?cái)?shù)據(jù)證明區(qū)域A的承壓水與相應(yīng)區(qū)域的潛水有混合作用，相互之間有一定的水力聯(lián)系，庫木蘇洼地承壓含水層與潛水含水層存在相互補(bǔ)給交替。

勘察區(qū)東部漢水泉洼地樣品呈現(xiàn)明顯的分帶趨勢，根據(jù)6件樣品數(shù)據(jù)結(jié)果分區(qū)B和C。

B組為下層新近系地下水樣品，該組4件樣品落在大氣降水線的下側(cè)，是所有地下水樣品同位素值最貧的一組，該組樣品δD—δ18O值變化范圍很小，樣品沿著平行于大氣降水線的直線分布，表明下層新近系的地下水是晚更新世寒冷氣候條件下補(bǔ)給形成的，表明該含水層參與現(xiàn)代水循環(huán)很弱，現(xiàn)代水補(bǔ)給很少，更新能力極差。

C組為上層新近系承壓含水層樣品。分區(qū)C總體向區(qū)域補(bǔ)給水直線右下方偏移，2件樣品連線同樣沿著平行于大氣降水線的直線分布，其補(bǔ)給源與下層地下水基本相同，但較大的偏離距離證明，補(bǔ)給過程中受到蒸發(fā)影響。

與A組庫木蘇洼地承壓水樣及B組下層新近系承壓水樣相比，表明C組含水層與淺層水有一定循環(huán)交換，得到了現(xiàn)代水補(bǔ)給，但從偏離程度上分析漢水泉洼地承壓水更新能力普遍較庫木蘇洼地差，新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水由勘察區(qū)西部向東部勢匯。

（2）不同含水層之間的相互關(guān)系?？辈靺^(qū)主要賦存第四系潛水與新近系承壓水，比對(duì)分析勘察區(qū)內(nèi)同一鉆孔不同深度含水層的同位素與水化學(xué)特征（表2），無論是水化學(xué)還是同位素?cái)?shù)據(jù)都表明這些鉆孔上下段含水層具有相近的水化學(xué)與同位素特征。

表2　同位素與水化學(xué)特征一覽表

綜上所述，水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)支持勘察區(qū)第四系潛水與新近系承壓水之間存在一定的水力聯(lián)系，最終均以蒸發(fā)排泄。

（3）地下水流動(dòng)途徑。穩(wěn)定同位素組成特征表明，勘察區(qū)地下水補(bǔ)給來源是山區(qū)大氣降水，并且經(jīng)歷了蒸發(fā)影響，蒸發(fā)影響反映在地下水的穩(wěn)定同位素上表現(xiàn)為δ18O值隨著蒸發(fā)強(qiáng)度增加而增高，δD過量減小，由圖5可見，勘察區(qū)的地下水樣品表現(xiàn)出潛水及承壓水2組明顯不同的特征，代表了2條不同的流動(dòng)途徑（圖5）。

潛水的Cl-離子含量相對(duì)變化較大、受蒸發(fā)影響程度劇烈，流動(dòng)途徑相對(duì)較短，代表了整體由周邊山區(qū)途徑西部庫木蘇洼地匯流最終向漢水泉洼地匯集的地下水徑流途徑，潛水水體以來自周邊山區(qū)的地下水補(bǔ)給為主。

承壓水Cl-含量總體較高，受混合作用影響大，流動(dòng)途徑相對(duì)較長，代表了由周邊山區(qū)至漢水泉洼地中部沉降中心的地下水徑流途徑，承壓水體均主要補(bǔ)給源以來自周邊山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給為主，同時(shí)與上部第四系潛水存在一定的交替補(bǔ)給。

3　結(jié)束語

新疆為干旱半干旱地區(qū)，因此工農(nóng)業(yè)的發(fā)展嚴(yán)重依賴水源，由于地表水較少，所以地下水在供水中占據(jù)舉足輕重的作用，再因?yàn)樾陆貐^(qū)的特殊條件，在大范圍地區(qū)找水時(shí)，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件是否清楚關(guān)系到后續(xù)開采情況。根據(jù)本次實(shí)際應(yīng)用，可以看出氘、氧同位素在分析地下水補(bǔ)徑排條件中的應(yīng)用相對(duì)較為清晰、可靠。

圖5　地下水補(bǔ)給來源與流動(dòng)途徑示意圖

［1］趙野.同位素技術(shù)在水文研究中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2011

P641

B

1004-5716（2016）01-0125-04

2015-01-08

2015-01-12

鄭勇（1983-），男（漢族），四川南充人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。