滇東黔西地下水氫氧同位素特征

張明亮

滇東黔西地下水氫氧同位素特征

張明亮

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川眉山 620010）

通過大氣降雨氫氧同位素進(jìn)行分析，得出了滇東黔西的大氣降水線為δ(D)=7.848δ(18O)+11.00，地下水氫氧同位素組成落在滇東黔西大氣降雨線附近，說明研究區(qū)地下水是由大氣降雨補(bǔ)給。從貴州中部向西云南昆明，地下水中越來越貧重同位素，顯示夏季滇東黔西地區(qū)大氣自東向西運(yùn)移的特點(diǎn)。研究區(qū)自東向西地下水中氧漂移越來越明顯，說明自黔西到滇東水巖作用越來越強(qiáng)烈。研究區(qū)氘過量系數(shù)d為9.9，顯示了滇東黔西地區(qū)不平衡蒸發(fā)強(qiáng)烈。滇東黔西地區(qū)地下水出露高程和δ18O值的關(guān)系為δ18O(‰)=-0.00259H-5.657，地下水出露高程與δD值得關(guān)系為δD(‰)=-0.0236H-31.08。即在滇東黔西地區(qū)海拔每上升100m，地下水中δ18O值下降0.259‰，δD值下降2.36‰。

地下水；氫氧同位素；大氣降水；滇東黔西

氫氧穩(wěn)定同位素是水體的一種天然示蹤劑，已廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)、氣候?qū)W[1]、生態(tài)地質(zhì)學(xué)[2]]等領(lǐng)域。由蒸發(fā)、凝聚、降落和徑流等過程形成的水體，在運(yùn)移過程中發(fā)生不同程度的同位素分餾，水中穩(wěn)定同位素18O和2H受氣候過程的影響，提供了它們起源的標(biāo)志特征，對(duì)水分的來源具有指示意義，因此可以通過水體的氫氧同位素組成變化來示蹤水循環(huán)、判別其來源[3-4]。水中環(huán)境同位素記錄了水循環(huán)的過程信息，是研究區(qū)域水文循環(huán)的理想方法[5、6]。前人對(duì)氫氧同位素特征做了不少研究[7-10]，但云貴高原地區(qū)研究相對(duì)較少。云貴高原地理位置特殊，位于二級(jí)臺(tái)階之上，前人對(duì)該區(qū)域的地下水同位素特征研究甚少。本文利用地下水中的氫氧同位素查明了云貴高原滇東黔西地區(qū)的地下水的起源，給出了昆明-貴州地區(qū)的大氣降雨線，并計(jì)算了云貴高原地區(qū)地下水18O的高度梯度，為該區(qū)域地下水和大氣循環(huán)的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖1 滇東黔西大氣降雨線

1 研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件

云貴高原地處青藏高原東側(cè)的中低緯度過渡地帶，大致位于100°~110°E、21°~29°N，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)的共同影響，降水豐沛，日照較少，具有“一山有四季，十里不同天”的氣候特點(diǎn)。受環(huán)流因子的東西向差異與地形條件的影響，從西向東氣溫有明顯下降的趨勢(shì)，地帶性植被分布呈現(xiàn)顯著的垂直和水平差異。該區(qū)是六大水系長(zhǎng)江的金沙江，珠江的南、北盤江，紅河的元江，湄公河的瀾滄江，薩爾溫江的怒江，伊洛瓦底江的獨(dú)龍江的分水嶺。由北向南年平均氣溫為3.0~24.0℃，最冷月1月平均氣溫為-6.0~16.6℃，最熱月7月平均氣溫為16.0~28.0℃，日平均氣溫≥10℃的積溫一般為4 500℃~7 500℃。年降水量一般在600~2 000mm，降水在時(shí)間及空間上分布極不平衡，東部、西部及南部降水量大，可達(dá)1 500~2 000mm，中部及北部減少為500~600mm。雨季出現(xiàn)在5~10月，干季出現(xiàn)在11~翌年4月，雨季的降水量占全年的80%左右[11]。

研究區(qū)位于云貴高原滇東黔西地區(qū)，位于101°53′~107°48′E、24°35′~27°00′N之間，跨越貴州省和云南省，涉及5個(gè)地級(jí)市3個(gè)自治州，分別為昆明市、曲靖市、六盤水市、黔西南布依族苗族自治州、安順市、貴陽市、黔南布依族苗族自治州、黔東南苗族侗族自治州。滇東黔西地層出露較為完整，從第四系(Q)到昆陽群(Pt)地層均有出露，局部地區(qū)因沉積間斷造成地層缺失。區(qū)域上構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，總體以南北向構(gòu)造為主，北東向構(gòu)造次之，體現(xiàn)出一定的規(guī)律性。研究區(qū)東低西高，從貴陽地區(qū)至昆明地區(qū)海拔從1 000m升至2 000m，貴州東部海拔近1 000m左右，經(jīng)過威寧北西向構(gòu)造變形區(qū)海拔上升至2 000m，到云南東部形成2 000m左右的高原面。

2 云貴地區(qū)大氣降雨氫氧同位素特征

Craig(1961)通過研究北美大陸大氣降水，發(fā)現(xiàn)降水的氫氧同位素組成顯示線性相關(guān)的變化，并給出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式δD=8δ18O+10，這就是公認(rèn)的全球大氣降水方程，即Craig方程[12]。在δD-δ18O圖中，它是一條斜率為8，截距為10的直線，又稱為全球大氣降水線(GMWL)。大氣降水的同位素組成變化很大，隨空間、時(shí)間而異，故世界各地不同地區(qū)的降水方程往往偏離全球性方程，除全球降水線外，不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線，即地區(qū)大氣降水線(LMWL)。為了更確切地了解一個(gè)地區(qū)的降水規(guī)律，特別是在干旱或半干旱地區(qū)，研究地區(qū)降水線是必不可少的。Yurtsever根據(jù)IAEA的觀測(cè)資料，給出了北美洲的地區(qū)降水線[13]，Ingraham等根據(jù)在南內(nèi)華達(dá)州采集的降水同位素資料，得出當(dāng)?shù)氐慕邓€[14]，在我國，于津生、劉東生、章新平等研究了不同地區(qū)的大氣降水氫氧同位素的關(guān)系[15-17]。鄭淑慧給出了我國的大氣降水線(CMWL)方程為：δ(D)=7.9δ(18O)+8.2[18]。

圖2 取樣點(diǎn)分布圖

大氣降雨的根本源是海水的蒸發(fā)，降水過程即是蒸發(fā)、運(yùn)移、冷凝、降落。當(dāng)潮濕的氣團(tuán)凝結(jié)成雨滴時(shí)富D和富18O的水蒸氣優(yōu)先凝結(jié)，蒸汽團(tuán)進(jìn)一少含重同位素，第二次凝結(jié)的雨滴便會(huì)比第一次的δD和δ18O值更負(fù)。從海水蒸發(fā)到內(nèi)陸降水，連續(xù)的瑞利分餾過程，是造成大氣降水中氫氧同位素變化的原因。由于降水過程在本質(zhì)上是建立在冷凝和蒸發(fā)之間的平衡條件下，因此，大氣降水中δD和δ18O值呈現(xiàn)著線性關(guān)系，即稱為雨水線。其關(guān)系式為：δD=aδ18O+b。

國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）與世界氣象組織（WMO）自1961年起共同建立了全球降雨同位素觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)全球降水中氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前已經(jīng)積累了大量觀測(cè)資料[19]。本文分析了貴陽地區(qū)1988-1992年和昆明地區(qū)1986-2003年大氣降雨氫氧同位素組成的逐月變化，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的月平均值（據(jù)IAEA網(wǎng)站），用最小二乘法得出了滇東黔西的大氣降水線為δ(D)=7.848δ(18O)+11.00，相關(guān)系數(shù)為0.939。該大氣降水線與王恒純描述的昆明地區(qū)大氣降雨線δ(D)=7.87δ(18O)+11.09極為接近[20]，能反映滇東黔西大氣降雨氫氧同位素的特征，為研究云貴高原大氣降雨提供了基礎(chǔ)。

3 滇東黔西地下水同位素特征

文章以滇東黔西地區(qū)的項(xiàng)目為依托，在夏季對(duì)滇東黔西地區(qū)地下水進(jìn)行了采集，采樣路線垂直于云貴高原地貌單元，以研究滇東黔西地下水同位素特征，共采集了108組地下水水樣，并委托中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所對(duì)樣品的氫、氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析。取樣點(diǎn)分布情況見圖2。

環(huán)境同位素氘和氧-18的含量通常用δ表示，δ18O為樣品中氧-18含量與國際標(biāo)準(zhǔn)水樣VSMOW(Vienna StandardMean O-ceanWater)氧-18含量比值的千分差，筆者統(tǒng)一用δD、δ18O表示穩(wěn)定同位素氘和氧-18的含量。

圖3 研究區(qū)地下水氫氧同位素分布

將研究區(qū)地下水δD、δ18O的實(shí)測(cè)值繪制成δD~δ18O關(guān)系圖，如圖3。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出δD分布于-94.2~-41.3，δ18O分布于-12.43~-6.49，用最小二乘法得出108組水樣的擬合線方程為δD=8.732δ18O+16.85。研究區(qū)地下水氫氧同位素組成落在滇東黔西大氣降雨線附近，顯示了研究區(qū)地下水主要是由大氣降雨補(bǔ)給。從貴州中部麻江縣地區(qū)到云南昆明地區(qū)，地下水中越來越貧重同位素，顯示了在夏季滇東黔西地區(qū)大氣運(yùn)移的方向，即大氣運(yùn)移由東向西的特點(diǎn)。

從圖3中還可以看出，麻江縣到盤縣再到昆明地區(qū)，地下水氫氧同位素組成越來越偏離滇東黔西大氣降雨線，特別是在昆明地區(qū)，出現(xiàn)了較為明顯的“氧漂移”，這反映出從黔西到滇東，地下水與巖石的作用越來越強(qiáng)烈。尤其是昆明地區(qū)中的大灣溫泉點(diǎn)δ18O值為-8.54，為昆明地區(qū)所采水樣中δ18O值最高的，其溫度較高，水巖作用強(qiáng)烈，所以地下水中富集了更多18O。

從測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得地下水中氘過量系數(shù)為9.9，從氘過量系數(shù)d可以看出，滇東黔西地區(qū)不平衡蒸發(fā)強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的蒸發(fā)使得蒸汽中D和18O相對(duì)貧乏，水汽緊接著又補(bǔ)給形成降雨，補(bǔ)給地下水，從而使得地下水中δD和δ18O較低，由于分餾作用造成δ18O比δD更負(fù)，所以形成了偏正的氘過量系數(shù)，大氣降雨補(bǔ)給地下水較快，地下水埋藏較深。通常出現(xiàn)在降雨量和蒸發(fā)量都較大的地區(qū)。從IAEA在昆明和貴州設(shè)的大氣降雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)資料可以得出昆明d值為11.2，貴州d值為14.4，也顯示出大氣降雨氘過量系數(shù)偏正的特征。

4 滇東黔西地下水氫氧同位素的高程效應(yīng)

大陸上δ18O分布形式變化很大。一般說來，δ18O分布模仿大陸地形，山脈地區(qū)有更負(fù)δ18O值標(biāo)記，這個(gè)特征叫做高度效應(yīng)。另一個(gè)明顯趨勢(shì)是隨著距海距離的增加，降水δ18O值更負(fù)。這個(gè)特征叫做“大陸效應(yīng)”。引起這兩效應(yīng)的原理基本相同，隨大氣團(tuán)向內(nèi)陸遷移以及隨山地抬升漸漸移出水汽，在冷凝過程中重同位素優(yōu)先移出[21]。δD的分布規(guī)律與δ18O相似。

同位素高程效應(yīng)實(shí)際上是同位素溫度效應(yīng)或氣溫高度效應(yīng)的反映，對(duì)某一地區(qū)來說，同位素高度梯度是同位素氣溫變化率和氣溫高度梯度的函數(shù)[22]。當(dāng)海拔高度增加，地勢(shì)變高，氣溫下降，大氣降水中δD和δ18O值就越低[23]。研究區(qū)跨越的緯度范圍較小，可不考慮緯度變化所帶來的影響。

根據(jù)采樣點(diǎn)的高程值與測(cè)試的δ18O和δD值做線性回歸，得到滇東黔西地下水出露高程和δ18O值得關(guān)系為δ18O(‰)=-0.002 59H-5.657，相關(guān)系數(shù)R為0.749，即在滇東黔西地區(qū)海拔每上升100m，δ18O值下降0.259‰；地下水出露高程與δD值得關(guān)系為δD(‰)=-0.0236H-31.08，相關(guān)系數(shù)R為0.765，在滇東黔西地區(qū)海拔每上升100m，δD值下降2.36‰。

圖4 δ18O值與高程的關(guān)系

圖5 δD值與高程的關(guān)系

于津生等曾研究了西藏東部和川黔西部的大氣降水的高度效應(yīng)，得出δ18O值與海拔之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系：δ18O(‰)=-0.002 6H-7.75[24]，與筆者得出的地下水出露高程與δ18O值的關(guān)系：δ18O(‰)=-0.002 59H-5.657極為接近，這并非偶然，該關(guān)系式的得出表明在大尺度的研究中大氣降雨中δ18O值隨高程的梯度與地下水中δ18O值隨高程的梯度十分接近。其根本原因在于在高原地區(qū)各泉點(diǎn)的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)高程差值變化不大所致。

5 結(jié)論

通過分析貴州和昆明大氣降雨氫氧同位素組成，得出了滇東黔西的大氣降水線為δ(D)=7.848 δ(18O)+11.00。對(duì)在滇東黔西地區(qū)采取的108組地下水樣品的氫氧同位素進(jìn)行了分析，得出地下水氫氧同位素關(guān)系為δD=8.732δ18O+16.85，研究區(qū)地下水氫氧同位素組成落在滇東黔西大氣降雨線附近，顯示了研究區(qū)地下水主要是由大氣降雨補(bǔ)給。

從貴州中部麻江縣地區(qū)向西到云南昆明地區(qū)，地下水中重同位素越來越低，顯示了夏季滇東黔西地區(qū)大氣自東向西運(yùn)移的特點(diǎn)。

自黔西到滇東，氧漂移越來越明顯，顯示出從黔西到滇東，地下水與巖石的作用越來越強(qiáng)烈。研究區(qū)氘過量系數(shù)為9.9，說明研究區(qū)不平衡蒸發(fā)強(qiáng)烈。

滇東黔西地區(qū)地下水出露高程和δ18O值得關(guān)系為δ18O(‰)=-0.00 259H-5.657，地下水出露高程與δD值得關(guān)系為δD(‰)=-0.0236H-31.08。即在滇東黔西地區(qū)海拔每上升100m，地下水中δ18O值下降0.259‰，δD值下降2.36‰。

[1] 張應(yīng)華，仵彥卿．黑河流域中上游地區(qū)降水中氫氧同位素與溫度關(guān)系研究[J].干旱區(qū)地理,2007,30(1):16-21.

[2] 邊俊景，孫自永，周愛國，等. 干旱區(qū)植物水分來源的D、18O同位素示蹤研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2009, 28(4): 117-120.

[3] 張慧，張新基. 水文地質(zhì)學(xué)中的環(huán)境同位素[M]. 鄭州：黃河水利出版社, 2006:3-77.

[4] 張應(yīng)華，仵彥卿，溫小虎，等. 環(huán)境同位素在水循環(huán)研究中的應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2006, 5(17): 738-746.

[5] Dansgaard,W .Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus, 1964, 16(4): 436-468.

[6] 聶振龍，陳宗宇，申建梅，等．應(yīng)用環(huán)境同位素方法研究黑河源區(qū)水文循環(huán)特征[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2005, 21(1): 104-108.

[7] 劉鋒，李延河，林建. 北京永定河流域地下水氫氧同位素研究及環(huán)境意義[J].地球?qū)W報(bào),2008,29(2)：161-166.

[8] 黃冠星，孫繼朝. 中國北方平原盆地地下水氫氧同位素組成特征[J]. 地下水，2007,29(4):30-31,39.

[9] 李滿洲，高淑琴，李貺家. 河南平原第四系地下水氫氧同位素特征與補(bǔ)給分析[J]. 工程勘察，2011,11:42- 47.

[10] 徐樹媛. 李雅莊礦區(qū)地下水水化學(xué)及環(huán)境同位素特征研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2013,11(2):67- 70,120.

[11] 薛治國，陳滸，李曉娜，等. 云貴高原石漠化與古氣候演變分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(23): 12303-12305.

[12] Craig H. Isotopic variations meteoric waters[J].Science, 1961, 133: 1702-1703.

[13] IAEA, 1969, 1970, 1971, 1973, 1975, 1979, 1981, 1983, 1986, 1990, 1992·Environmental Isotope Data·World survey of isotope concentrations in precipitation[R]·Technical Report Series No 69, 117, 129, 147, 165, 192, 210, 226, 264, 311, 331·Vienna: International Atomic Energy Agency.

[14] Ingraham NL, Lyles B, Jacobson R L,et al.Stable Isotopic Study of Precipitation and Spring Discharge in southern Nevada[J]·Jour of Hy-drol, 1991, 125: 243-258.

[15] 于津生，虞?；?，劉德平. 中國東部大氣降水氫氧同位素組成[J]. 地球化學(xué), 1987, (1): 22-26.

[16] 劉東生，陳正明，羅可文. 桂林地區(qū)大氣降水的氫氧同位素研究[J]. 中國巖溶, 1987, 6(3): 225-231.

[17] 章新平，中巴正義，等. 青藏高原及其毗鄰地區(qū)降水中穩(wěn)定同位素成分的時(shí)空變化[J]. 中國科學(xué)(D輯), 2001, 31(5): 353-361. [ZHANG

[18] 鄭淑慧，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), 1982, (13): 801-806.

[19] 錢會(huì)，馬致遠(yuǎn).水文地球化學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社,2005.

[20] 王恒純. 同位素水文地質(zhì)學(xué)概論[M].北京：地質(zhì)出版社, 1991:49.

[21] 李政紅，張發(fā)旺. 全球降水氫氧同位素研究進(jìn)展[J]. 勘察科學(xué)技術(shù), 2004, 1: 3-6.

[22] Clark,I.D.,Fritz,P.,1997.Environmental isotopes in hydrology [M]. Lewis, Boca Raton, Florida.

[23] Joussaume,S.,Sadourny,R.,Jouzel,J.,1984.A general circulation model of water isotope cycles in the atmosphere [J]. Nature, 311: 24-29.doi:10.1038/311024a0.

[24] 于津生，張鴻斌，虞福基，等. 西藏東部大氣降水氧同位素組成特征[J].地球化學(xué),1986, (2): 113-121.

The δ18O and δD Values of Groundwater in East Yunnan and West Guizhou

ZHANG Ming-liang

(No. 915 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Meishan, Sichuan 620010)

Meteoric water line in east Yunnan and west Guizhou is δ (D) = 7.848δ (18O) + 11.00. The δ18O and δD values of groundwater in east Yunnan and west Guizhou are near the meteoric water line of east Yunnan and west Guizhou. It means that the groundwater in the study area is recharged by atmospheric precipitation. The groundwater is more and more depleted in heavy isotopes from central Guizhou to Kunming which shows westward atmospheric migration in the west Guizhou-east Yunnan area in summer. The more and more obvious oxygen drift in groundwater in the study area from east to west shows that water-rock interaction is more and more intense from west Guizhou to east Yunnan. The deuterium excess coefficient in the study area is 9.9, showing a strong imbalance evaporation. The relationship between groundwater outcrop elevation and δ18O value is δ18O (‰) = ? 0.00259H ? 5.657 and the relationship between groundwater outcrop elevation and δD value is δD (‰) = ? 0.0236H ? 31.08 which means that for every 100 meters rise in altitude, the δ18O value decreases by 0.259‰ and the δD value decreases by 2.36‰ in the east Yunnan-west Guizhou area.

east Yunnan and west Guizhou; groundwater; hydrogen and oxygen isotope; precipitation

2018-12-31

張明亮（1987-），男，四川廣漢人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)

P641.6

A

1006-0995（2019）02-0508-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.032