地下水深循環(huán)研究進(jìn)展分析

張成文

摘要：地下水除了區(qū)域性水文地質(zhì)循環(huán)的特征之外，還可以在中地殼中流動(dòng)或者在地?？锥葱蛯?dǎo)水構(gòu)造中流動(dòng)，基于此發(fā)現(xiàn)，地下深循環(huán)形式的水資源的研究也受到技術(shù)研究人員的關(guān)注。通過(guò)深循環(huán)地下水的研究，緩和水資源危機(jī)，尤其是對(duì)北方干旱地區(qū)的河流和湖泊水資源補(bǔ)給具有十分重要的作用。本文圍繞地下水深循環(huán)的議題進(jìn)行了探討，分別對(duì)巖石圈導(dǎo)水構(gòu)造、水量平衡以及同位素依據(jù)進(jìn)行了分析，旨在不斷推動(dòng)地下水深循環(huán)技術(shù)研究加快發(fā)展。

關(guān)鍵詞：地下水深循環(huán)；導(dǎo)水構(gòu)造；同位素；水量平衡

1引言

水資源危機(jī)是我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中面臨的重大問(wèn)題。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，淡水資源主要是來(lái)自地下水抽取，一方面工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致水污染狀況加重，另一方面民眾生活生產(chǎn)對(duì)水資源需求量不斷提升，在這一境況下，防治水污染并積極探索新的淡水資源成為重要的解決途徑。河海大學(xué)陳建生教授2009年6月上旬在中國(guó)科協(xié)主持的學(xué)術(shù)沙龍中，報(bào)告了的一項(xiàng)新的研究成果——中國(guó)北方沙漠中可能存在著深循環(huán)水，從而在世界上首次提出地下水深循環(huán)的觀點(diǎn)，打破了地下水僅限于在上地殼循環(huán)的傳統(tǒng)水文地質(zhì)理論，自此該理論受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。本文主要對(duì)該理論研究進(jìn)展作了分析，供相關(guān)人士參考。

2巖石圈導(dǎo)水構(gòu)造分析

巖石圈導(dǎo)水層的構(gòu)造主要是依托歐亞大陸板塊的拼接及各小板塊之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析的。歐亞大陸板塊涉及到青藏高原、阿拉善臺(tái)地、內(nèi)蒙古山帶、華北地區(qū)以及長(zhǎng)白山帶，由于大小板塊之間的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，尤以火山噴發(fā)最為明顯，導(dǎo)致所在區(qū)域巖石圈層內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生變化。在火山活動(dòng)中，巖漿與水既具有各自獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)屬性，同時(shí)二者又具備了相互融合的關(guān)系形式，最終對(duì)所在巖石圈層的結(jié)構(gòu)造成影響。有研究人員在火山玄武巖中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量眾多的導(dǎo)水孔洞，這些孔洞相互連通，擁有巨大的表面積，而這些相互連通的孔洞正是深層地下水實(shí)現(xiàn)流通的路徑，為地下水涌入地表提供了前提條件。在歐亞大陸板塊與印度板塊相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，火山巖漿所引發(fā)的一系列物理化學(xué)反應(yīng)不僅把板塊周邊的高原地區(qū)和平原地區(qū)緊密聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)隨著火山巖漿的噴發(fā)和冷卻，巖石圈層也形成了特殊的孔洞型玄武巖，成為地下水深循環(huán)導(dǎo)水構(gòu)造的典型特征。

為了進(jìn)一步證明在歐亞大陸板塊周邊的巖石圈中存在孔洞型的導(dǎo)水構(gòu)造，研究人員采用了電磁探測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在青藏高原、河西走廊、內(nèi)蒙古高原地區(qū)、太行山以及長(zhǎng)白山等地的板塊斷裂帶區(qū)域具有連續(xù)的高導(dǎo)帶或高導(dǎo)層。如羌塘盆地的高導(dǎo)層位于火山爆發(fā)形成的裂谷或斷裂帶區(qū)域，高導(dǎo)層結(jié)構(gòu)從10km直至延伸到400km，而在羌塘盆地高導(dǎo)層所連接的火山裂谷以及斷裂地帶與周邊河流湖泊等水體有著密切的聯(lián)系。如在對(duì)山西裂谷和貝加爾裂谷的導(dǎo)水構(gòu)造研究中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)中地殼和上地幔的高導(dǎo)層電阻率發(fā)生了較大的落差梯度，推測(cè)在兩個(gè)地層結(jié)構(gòu)中存在有液態(tài)水或者超臨界流體。由于超臨界流體會(huì)溶解巖石圈中的金屬元素，因此同樣會(huì)具有高導(dǎo)性，而很難出現(xiàn)中地殼和上地幔兩層電阻率落差特別大的情況，進(jìn)而間接推測(cè)出地殼高導(dǎo)層中存有液態(tài)水，由此推斷山西裂谷和貝加爾裂谷地下區(qū)域極可能存在大量的地下水。

3水量平衡分析

在河西走廊區(qū)域，深層水主要分布于早古生界含水層、石炭系-二疊系含水層、三疊系-侏羅系含水層、白堊系-古近系含水層以及新近系-第四系含水層中。有研究人員在水量平衡分析中發(fā)現(xiàn)，河西走廊深層地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要有兩方面，一方面是大氣降水過(guò)程中周邊的山區(qū)地下水資源在區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)入到盆地，另一方面是分布于早古生界含水層、石炭系-二疊系含水層、三疊系-侏羅系含水層、白堊系-古近系含水層中的深層地下水與第四系含水層借助孔洞型流通途徑實(shí)現(xiàn)了相互補(bǔ)給，最終實(shí)現(xiàn)了水量平衡。另有研究人員對(duì)貝加爾湖進(jìn)行了地下水補(bǔ)給的研究，發(fā)現(xiàn)自1901年至1976年，貝加爾湖的水資源補(bǔ)給量中有4.3%～5.0%的水是來(lái)自于地下水。此外，又有人對(duì)降水量較低且僅有500mm/a的山西裂谷區(qū)域所在的泉群進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在太行山區(qū)域強(qiáng)巖溶所在的徑流帶呈現(xiàn)出與裂谷方向平行分布的特點(diǎn)，而且這些巖溶泉大多出現(xiàn)在斷裂帶附近，從而一定程度上暗示著板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與區(qū)域巖溶的發(fā)育有關(guān)，這些泉群的天然流量大多在1m3/s之上，以大氣降水來(lái)解釋顯然不合常理，因此推測(cè)泉群的出現(xiàn)與深層地下水有著不可分割的關(guān)系。還有人對(duì)羌塘盆地所在的雙湖地區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r中存在有大量的孔洞型構(gòu)造，同時(shí)在鉆井過(guò)程中發(fā)生了不同程度的塌孔，這也為該地區(qū)深層地下水補(bǔ)給提供了有利證據(jù)。

4同位素依據(jù)分析

專家學(xué)者對(duì)地區(qū)水資源的δD-δ18O關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)的降水加權(quán)平均值δD-δ18O大多分布在全球雨水平均線一側(cè)，而且北方地區(qū)的降水同位素相對(duì)東北地區(qū)的降水同位素分布更加密集，表明北方地區(qū)的地下水和地表水的主要補(bǔ)給源除了大氣降水以外還有其他的補(bǔ)給來(lái)源，這也是推測(cè)深層地下水補(bǔ)給源的有利佐證。在對(duì)水中87Sr/86Sr的分析試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大氣降水與海水的87Sr/86Sr相近，約為0.7091，以這一數(shù)據(jù)為基點(diǎn)可以判斷檢測(cè)位置的地下水是否經(jīng)過(guò)了地幔循環(huán)。長(zhǎng)白山地下水的87Sr/86Sr數(shù)值位于0.7060～0.7081之間，比大氣降水同位素比值低，說(shuō)明該地區(qū)的地下水還有其他的補(bǔ)給來(lái)源，可能是地幔水，也有可能是羌塘盆地降水沿著大量巖石孔洞滲透到地下深部的水。此外在利用氚來(lái)測(cè)定歐亞大陸板塊帶各區(qū)域地下水的年齡時(shí)發(fā)現(xiàn)，北方地下水的年齡呈現(xiàn)出自東向西減小的遞變特征，這恰與地下水深循環(huán)的補(bǔ)給徑排特征吻合，成為又一重要的論斷佐證。

5結(jié)語(yǔ)

目前，在地下水深循環(huán)理論研究中還存在一些疑點(diǎn)和爭(zhēng)議，如北方地區(qū)地下水的δD和δ18O之間的關(guān)系有多種可能性解釋，這些爭(zhēng)議有待各專家學(xué)者以及業(yè)內(nèi)人士做出進(jìn)一步的研究和探討，從而得出更為科學(xué)的結(jié)論，有力的充實(shí)和完善地下水深循環(huán)理論，最終為地下水資源的開發(fā)利用打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]地下水深循環(huán)研究進(jìn)展，陳建生，江巧寧，《水資源保護(hù)》，2015，31（6）

[2]松遼盆地北部帝城水同位素特征及其地質(zhì)意義，史婷婷，成建梅，解習(xí)農(nóng)，等，《沉積學(xué)報(bào)》，2012，30（2）

[3] 深循環(huán)地下水補(bǔ)給長(zhǎng)白山天池的水量平衡分析，江巧寧，陳建生，《水資源保護(hù)》，2015，31（5）