五大連池自然保護(hù)區(qū)淺層地下水化學(xué)及氫氧穩(wěn)定同位素特征

李月興 王菁華 孫義敏 劉威 吳婧

摘要[目的]探明五大連池自然保護(hù)區(qū)淺層地下水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素特征。[方法]在五大連池自然保護(hù)區(qū)內(nèi)代表性區(qū)域進(jìn)行了露頭泉和井水的采樣，并對水中常規(guī)離子及D和18O進(jìn)行分析。[結(jié)果]該地區(qū)淺層地下水為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型的低礦化度水，以大氣降水補(bǔ)給為主。其氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)值基本落在在降水線上，且呈現(xiàn)東北低西南高的分布趨勢。地下水中δD和δ18O值的分布與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，同一斷裂帶上采樣點(diǎn)的δD和δ18O值極其相似，其值由低到高可分為尾山-龍門山線、格拉球山-藥泉山線、老黑山-莫拉布山線和火燒山-藥泉山線。[結(jié)論]該研究可為研究地下水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給范圍奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞五大連池自然保護(hù)區(qū);地下水;氫氧穩(wěn)定同位素;水化學(xué)

中圖分類號P641.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0048-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.015

穩(wěn)定同位素 D和18O作為環(huán)境示蹤劑，在水文學(xué)中被廣泛應(yīng)用于地下水補(bǔ)給、徑流、排泄等方面的研究，是研究流域地下水補(bǔ)給關(guān)系的先進(jìn)手段。自1960 年以來，穩(wěn)定同位素已經(jīng)被應(yīng)用在國內(nèi)外河流、湖泊、地下水的研究中，許多學(xué)者對不同水體中的D 和18O 值進(jìn)行測定分析，探討了不同水體中同位素的變化規(guī)律，揭示了影響水體中穩(wěn)定同位素變化的各種因素[1-7]。

五大連池地下水是世界珍稀水資源，其鐵硅質(zhì)重碳酸鈣鎂型的礦泉水有“世界三大冷泉”之稱。該地區(qū)地下水資源是當(dāng)?shù)氐V泉產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的支柱，但近年由于地下水的大量開采，其水質(zhì)和水量都有所下降。為合理開發(fā)當(dāng)?shù)厮Y源，筆者開展了該區(qū)淺層地下水的水化學(xué)與氫氧同位素特征研究，以期為研究地下水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給范圍奠定基礎(chǔ)。

1研究區(qū)概況

五大連池自然保護(hù)區(qū)位于小興安嶺山地向松嫩平原的過渡地帶，直屬黑龍江省黑河市，該地區(qū)以其獨(dú)特水文地質(zhì)構(gòu)造被列為中國地質(zhì)公園和世界地質(zhì)公園，同時也是世界三大冷礦泉分布地之一。該區(qū)地理坐標(biāo)為127°37′～125°42′E，48°16′～49°12′N。東西長142 km，南北寬104 km[8]，隸屬典型的寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季風(fēng)大干旱，夏季炎熱多雨，秋季涼爽霜早，冬季寒冷干燥。有效積溫2 316.4 ℃，無霜期121 d，平均降水量515.7 mm，最大凍結(jié)深度為2.47 m，區(qū)內(nèi)有多處島狀多年凍土年。

保護(hù)區(qū)內(nèi)地形東、北、西地勢較高，中南部相對較低[9]，區(qū)內(nèi)海拔248～600 m。區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，主要河流有訥謨爾河、引龍河、固西河、張通世溝等，主要湖泊為火山熔巖流堵塞河道形成的堰塞湖。區(qū)內(nèi)地層從老至新主要有下寒武系、上白堊系和第四系。境內(nèi)有14座火山噴發(fā)形成的火山地形，地形切割程度較強(qiáng)，境內(nèi)普遍被第四系松散層所覆蓋。由于裸露的基巖長期遭受地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)華侵蝕作用，致使巖層破碎、節(jié)理、裂隙比較發(fā)育[10]，該地質(zhì)條件非常有利于大氣降水的下滲補(bǔ)給，形成潛水含水帶[11]。

2樣品采集與分析

2.1樣品采集方法

樣品來自五大連池自然保護(hù)區(qū)藥泉山區(qū)域和堰塞湖區(qū)域，遍布自然保護(hù)區(qū)典型的露頭泉，共采集17個樣品，其中天然露頭泉水樣品11個，井水樣品6個。露頭泉樣品直接采集。井水樣品采樣前先抽取地下水5～10 min，將井管內(nèi)前期存水排出，以保證所采取的地下水的代表性。取樣前，用待取水樣潤洗2～3次，取500 mL水樣用于氫氧同位素測定，另取水樣進(jìn)行常規(guī)離子測定。采樣點(diǎn)的分布如圖1所示。

2.2樣品測定方法

常規(guī)離子使用離子色譜儀（型號PIC-10A）測定。氫氧穩(wěn)定同位素分析采用波長掃描-光腔衰蕩光譜法，分析精密度δ18O達(dá)0.011‰;δD達(dá)0.038‰，由國土資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用L2130i同位素分析儀完成測試。

3 水化學(xué)特征

3.1常規(guī)離子特征分析

地下水的水化學(xué)特征能夠反映出地下水在流動過程中與圍巖的相互作用情況，并且能夠?yàn)榈叵滤乃菰刺峁┮欢ǖ囊罁?jù)[12]。根據(jù)對17個采樣點(diǎn)的離子的測定與分析，得到自然保護(hù)區(qū)淺層地下水化學(xué)數(shù)據(jù)，見表1。

五大連池地下水中分布最廣，含量最多的離子共8種，分別為Na+、K+、Ca2+和Mg2+，Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-。

由表1可以看出，樣本水樣中陽離子中含量最多的是Na+，其次為K+和Ca2+，Mg2+含量最低。在樣品13、11、9、15中，其Na+含量最高，均在20.00 mg/L以上，其他樣品Na+含量集中在9.41～19.27 mg/L。各樣品K+含量差別不大，為10.10～21.40 mg/L。Ca2+含量除樣品13、4、6在10.00 mg/L以上，其他樣品含量較低，一般不高于5.00 mg/L。Mg2+含量除13號樣品為14.67 mg/L外，其他樣品Mg2+含量為0.90～6.90 mg/L。陰離子中含量從高到低依次為HCO3-、NO3-、Cl-和SO42-。其中HCO3-含量除樣品5、7、3號在50 mg/L

以下外，其他樣品含量相對較高，均值為133.43 mg/L。樣品12、9、15、6、7 NO3-含量超過天然飲用礦泉水限值（45.00 mg/L）外，其他樣品含量較低，整體品質(zhì)較好。除12號樣品SO42-含量為37.42 mg/L外，其他樣品含量均在20.00 mg/L以下，均值為6.95 mg/L。14、12樣品Cl-含量在60.00 mg/L以上，其他樣品含量較低，均值為9.26 mg/L。

基于以上分析，各水樣間一些離子含量存在較大差異，說明五大連池地下水系錯綜復(fù)雜，但總體上均為低礦化度地下水。

3.2水化學(xué)類型的確定

將樣品中的水化學(xué)成分換算成毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，投影到Piper三線圖中，如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)?shù)販\層地下水的化學(xué)類型為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型。由于當(dāng)?shù)氐蒯嶂顒赢a(chǎn)生了大量的二氧化碳?xì)怏w，該氣體沿地層裂隙或孔洞溢出，當(dāng)運(yùn)移到蓋層下石炭系或侵入巖中的地下水時，部分二氧化碳?xì)怏w溶于水中，形成具有弱酸性的碳酸水。由于當(dāng)?shù)鼗鹕綆r的巖石化學(xué)特點(diǎn)全都強(qiáng)堿富鉀，而在巖漿演化晚期，因鉀質(zhì)礦物大量晶出導(dǎo)致巖漿相對富鈉，出現(xiàn)他形霞石和方鈉石等填隙礦物[13]，在水巖作用及淺層地下水與承壓水的混合作用下，形成自然保護(hù)區(qū)淺層地下水的HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化學(xué)類型。

4氫氧穩(wěn)定同位素特征

不同水體的氫氧穩(wěn)定同位素組分可以反映不同水體間

的相互作用關(guān)系。五大連池自然保護(hù)區(qū)淺層地下水的δD和δ18O關(guān)系見圖3。

由圖3可知，東北地區(qū)大氣降水線（y=7.14x-3.22）位于全球大氣降水線（y=8.13x+10.8）下方，其方程的斜率和截距都小于全球大氣降水線的數(shù)值，這是由于穩(wěn)定同位素分布的緯度效應(yīng)造成。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同水體δD～δ18O值分布于東北地區(qū)大氣降水線附近，說明當(dāng)?shù)販\層地下水與大氣降水有較大相關(guān)性且地下水循環(huán)交替較快，蒸發(fā)作用影響較弱。五大連池自然保護(hù)區(qū)裸露地表的基巖因長期遭受構(gòu)造運(yùn)動和風(fēng)化侵蝕的破壞，使得自然保護(hù)區(qū)內(nèi)有大量裂隙發(fā)育的玄武巖和松散堆積物，非常有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，綜上自然保護(hù)區(qū)淺層地下水中δD和δ18O值的分布情況與當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)狀況相吻合，說明當(dāng)?shù)販\層地下水起源于大氣降水。

五大連池自然保護(hù)區(qū)淺層地下水的樣品采自東北部的火山帶和西南部較為平坦的居民區(qū)。樣品的δD和δ18O值如表2所示。由表2可知，該區(qū)域淺層地下水δD和δ18O的變化范圍較小，δD為-89%～-81%，均值為-85.5‰，極差為8‰;δ18O為-12.0%～-10.7%，均值為-11.6‰，極差為1.3‰。這表明自然保護(hù)區(qū)內(nèi)淺層地下水補(bǔ)給來源較為單一。

從其分布來看，自然保護(hù)區(qū)δD和δ18O值由東北部向西南部逐漸增大。該地區(qū)整體的地勢相似，北、東、西三面高，中南部低，形成一個南向開口的箕狀地形[10]，控制了區(qū)域地下水的補(bǔ)給。地下水整體流向?yàn)闁|北向西南，并最終匯入訥謨爾河。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)δD和δ18O值的分布與當(dāng)?shù)氐乇硭牧飨蛳嘁恢拢f明當(dāng)?shù)氐叵滤c地表水水力聯(lián)系較為密切。

采樣點(diǎn)δD和δ18O值及分布位置與當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造斷裂帶有較高的相關(guān)性，處于同一斷裂帶上地下水的穩(wěn)定同位素值處于同一水平，具體可將其分為4個區(qū)域：

①尾山-龍門山沿線。包括采樣點(diǎn)14、03、01，該區(qū)域δD和δ18O值處于研究區(qū)內(nèi)最低水平，一方面是該區(qū)域地勢較高由于降水穩(wěn)定同位素的高地效應(yīng)造成，另一方面采樣點(diǎn)位于尾山-龍門山斷裂構(gòu)造帶上，不排除該區(qū)域地下水有深層地下水補(bǔ)給的可能性。

②格拉球山-藥泉山沿線。包括采樣點(diǎn)12、16、04、13、08，該區(qū)域δD和δ18O值處于研究區(qū)較低水平，這是由于研究區(qū)雖然11、09、12位于研究區(qū)南部但是西北部12、16地勢相對較高且采樣點(diǎn)均位于該斷裂帶沿線，δD和δ18O值接近，說明此區(qū)域補(bǔ)給來源相同。

③老黑山-莫拉布山沿線。包括采樣點(diǎn)11、02、09，該區(qū)域δD和δ18O值處于研究區(qū)較高水平，是由于火燒山-莫拉布山斷裂帶橫穿二池湖，地表水對地下水的影響較大。

④火燒山-藥泉山沿線，包括采樣點(diǎn)10、15、06，該區(qū)域δD和δ18O值處于研究區(qū)最高水平，此沿線位于北東向壓性斷裂帶上，阻隔了西北區(qū)域地下水的補(bǔ)給，同時該區(qū)域地下水埋深淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈造成。

5結(jié)論與討論

五大連池自然保護(hù)區(qū)地下水系錯綜復(fù)雜，但總體上均為低礦化度地下水，主要陰離子為Na+、K+、Ca2+和Mg2+，主要陰離子為Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-，其水質(zhì)類型為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化學(xué)類型。自然保護(hù)區(qū)淺層地下水的δD和δ18O值變化范圍較小，補(bǔ)給源較為單一。δD為-89%～-81%;δ18O為-12.0%～-10.7%，基本落在東北地區(qū)大氣降水線上，說明當(dāng)?shù)氐叵滤饕獊碓从诖髿饨邓?。地下水的δD和δ18O值呈現(xiàn)由東北向西南逐漸升高的趨勢，這與地下水由東北向西南匯集有關(guān)，另外當(dāng)?shù)乇?、東、西三面高，中南部低的地形，也促進(jìn)了地表水和地下徑流的走向，最終地下水向西南排泄到訥謨爾河。地下水中δD和δ18O值的分布與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切。斷裂帶走向與露頭泉分布一致，為地下水排泄提供通道，這也使得在同一斷裂帶上取樣點(diǎn)的 δD和δ18O值相近。根據(jù)各采樣點(diǎn)δD和δ18O值可將其由低到高分為尾山-龍門山線、格拉球山-藥泉山線、老黑山-莫拉布山線和火燒山-藥泉山線。

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