氫氧同位素在巖溶山區(qū)地下水循環(huán)條件研究上的應(yīng)用——以貴州省鎮(zhèn)寧地區(qū)為例

易瑞，江峰，王若帆，焦恒

氫氧同位素在巖溶山區(qū)地下水循環(huán)條件研究上的應(yīng)用——以貴州省鎮(zhèn)寧地區(qū)為例

易瑞，江峰，王若帆，焦恒

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000）

通過對貴州鎮(zhèn)寧地區(qū)地下水調(diào)查取樣，測定氫氧同位素組成，計算氘過量參數(shù)（）表明，不同取樣點(diǎn)δD、δ18O、值差異明顯, δD值范圍為-77‰～-53‰，平均值-63.7‰；δ18O值變化范圍為-11.1‰～-7.8‰，平均值-9.3‰；值變化范圍為9.4‰～12.6‰，平均值11‰。對鎮(zhèn)寧地區(qū)地下水環(huán)境同位素特征綜合研究，揭示了地下水系統(tǒng)規(guī)模及含水介質(zhì)組合類型對地下水循環(huán)的控制規(guī)律。

鎮(zhèn)寧地區(qū)；地下水；同位素特征；地下水循環(huán)

環(huán)境同位素廣泛存在于自然界水體中，在降水、地表水、地下水、土壤水和植物體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化的水循環(huán)過程中，不同水體的同位素含量不同（張應(yīng)華等，2006）。利用氫氧同位素技術(shù)研究流域水循環(huán)，已廣泛應(yīng)用于地下水與地表水轉(zhuǎn)化及水循環(huán)方面的研究（張明亮，2019；章新平等，2003；武亞遵等，2011），通過分析水循環(huán)中不同組分的氫氧同位素特征，可以揭示區(qū)域水循環(huán)規(guī)律，對水資源的合理開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鎮(zhèn)寧地區(qū)位于貴州省西南部，毗鄰貴州黔中經(jīng)濟(jì)核心，為貴州省區(qū)劃中的國家重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域。

大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子陸塊西南緣（程裕淇，1994），南鄰右江造山帶，黔西山字型構(gòu)造的“前弧”東冀。

處于長江流域與珠江流域的分水嶺地帶;為黔中山原向黔南斜坡轉(zhuǎn)換的過渡地帶;巖溶地下水系統(tǒng)特征由北西向南東呈現(xiàn)明顯的不同特征：

北、西部幺鋪鎮(zhèn)至大山鎮(zhèn)至鎮(zhèn)寧縣城一帶處于黔中山原區(qū)，巖溶地貌以丘峰谷地為主，地勢平坦、切割小，地下水露頭為典型巖溶下降泉分散排泄形式。受寬緩向斜構(gòu)造及北北東向斷層控制，地下水富集于地勢平緩谷地中，水位埋深淺，機(jī)井開采為主。中部-東南部向黔南斜坡地帶過渡，地貌組合類型以峰叢斜坡洼地為主，受局部排泄基準(zhǔn)面控制，地下水以巖溶大泉、地下河出口形式呈集中排泄特征，集中排泄點(diǎn)多分布于河谷中，在上游補(bǔ)給區(qū)則分布大量表層巖溶泉、天窗、豎井等。

圖1 取樣點(diǎn)平面位置示意圖

1.地層代號；2.斷層；3.地質(zhì)界線；4.相變線；5.下降泉；6.上升泉；7.地下河出口；8.地下河天窗；9.豎井

2 樣品采集及測試

2019年8月3日至11日對研究區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行采樣，采集水樣25個，其中地下河出口及天窗9個，泉點(diǎn)14個，豎井2個：涉及到研究區(qū)主要含水巖組，采樣點(diǎn)分布位置、類型、地表出露地層及地下水系統(tǒng)情況見圖1。

表1 采樣點(diǎn)同位素分析結(jié)果

同位素分析測試項包括氫（D）、氧（18O)同位素。取樣按不同分析項目樣品采集與保存要求，對氫氧同位素，樣品用2.5 L潔凈PE瓶采集，取樣前用原水潤洗3遍，取樣中無頂空取滿，蠟封后常溫下保存并送樣。

樣品同位素測試由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所完成，其中D及18O樣品采用L2130i同位素分析儀檢測，D及18O測試結(jié)果用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（V-SMOW）千分差表示：δD（或δ18O）（‰）=（Rs/R V-SMOW－1）×1000。

3 測試結(jié)果

水樣氫（D）、氧（18O)同位素分析測試結(jié)果見表1，由表1可以看出，研究區(qū)內(nèi)地下水δD值變化范圍為-77‰～-53‰，均值-63.7‰；δ18O值變化范圍為-11.1‰～-7.8‰，均值-9.3‰。

4 討論

4.1 δD和δ18O同位素特征地下水來源分析

大氣降水δD和δ18O呈線性關(guān)系（大氣降水線），1961年Craig 首先提出的全球降雨線公式為δD=8.δ18O+10。1991年原地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所得出中國西南地區(qū)降水線方程（石昱禎，2010）為：δD=7.87δ18O+11.09。由于地方大氣降水受地方氣候因子包括水蒸汽氣團(tuán)的起源、降水期間的二次蒸發(fā)等控制，前人（毛慶亞等，2017）通過對40件樣品的分析研究，得出安順一帶的大氣降水線方程為δD=8.34δ18O+13.49。

根據(jù)取樣同位素分析測試結(jié)果，繪制δD-δ18O關(guān)系圖（圖2），可以看出，研究區(qū)各個水樣點(diǎn)均分布在安順市大氣降水線附近，表明研究區(qū)巖溶地下水來源于大氣降水補(bǔ)給。2014年6月至11月，貴州安順大氣降水δD值（毛慶亞等，2017）變化范圍為-144.51‰～1.62‰，均值-68.44‰；δ18O值變化范圍為-19.17‰～1.88‰，均值-9.83‰，對比發(fā)現(xiàn)，本次樣品中δD值及δ18O值處于全年變幅中間值范圍。

4.2 氘過量參數(shù)特征

不同地區(qū)測得大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截距均有一定偏移，偏移反映了區(qū)域大氣降水形成時，水汽的來源及降水云氣在運(yùn)移過程中環(huán)境條件變化，導(dǎo)致氣、液兩相同位素分餾不平衡程度差異（尹觀等，2001）。為了量化這種差異，W.Dansgaard提出了氘過量參數(shù)（）的概念，定義為=δD-8δ18O。

本次取樣時間集中在2019年8月3日至11日，取樣范圍集中在鎮(zhèn)寧地區(qū)，取樣點(diǎn)分布面積約350km2，大氣降水中受季節(jié)、溫度、濕度及降雨等因素影響小。但是，當(dāng)大氣降水補(bǔ)給到地下水后，由于水—巖作用，地下水與圍巖會發(fā)生同位素交換，導(dǎo)致值發(fā)生變化。將取樣點(diǎn)主要巖性特征（徐安全等，2010）列于下表（表2）：

表2 各采樣點(diǎn)所涉及含水層巖性簡表

圖2 δD—δ18O關(guān)系圖

灰?guī)r主要礦物成分為CaCO3（方解石），白云巖主要礦物成分為CaMg(CO3)2（白云石），地下水與圍巖發(fā)生的水巖交互作用方程為：

CaCO3+CO2+H2O = Ca2++2HCO3-（1）

CaMg(CO3)2+2CO2+2H2O = Ca2++Mg2++4HCO3-（2）

CaCO3+ CaMg(CO3)2+3CO2+3H2O = 2Ca2++Mg2++6HCO3-（3）

上述同位素交換，會導(dǎo)致地下水中δ18O值升高，而對δD值影響很小，根據(jù)值定義，當(dāng)δD值不變，而δ18O值升高時，值就會變小。而δ18O值升高的程度，主要取決于地下水在該地下水系統(tǒng)中的滯留時間：在同一地區(qū)，同一含水層中，地下水滯留時間越長，水—巖交互作用程度越高，水中δ18O值越高，相應(yīng)的值約?。ㄒ^等，2001）。滯留時間受地下水在系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)移的速度和時間控制，主要由地下水系統(tǒng)及系統(tǒng)中含水介質(zhì)組合類型決定，將取樣點(diǎn)所在地下水系統(tǒng)進(jìn)行分類后，結(jié)合值來進(jìn)行分析（表3）：

表3 采樣點(diǎn)d值

本次采樣點(diǎn)涉及含水巖組、含水介質(zhì)類型及地下水系統(tǒng)較多，地下水滲流速度及循環(huán)交替速度差異大，本文從地下水系統(tǒng)規(guī)模及地下水系統(tǒng)類型分析比較值差異如下：

4.2.1 不同地下水系統(tǒng)循環(huán)條件分析

達(dá)到地下河系統(tǒng)W02與下屯巖溶大泉系統(tǒng)S06兩者有較多相似處。均為地下水系統(tǒng)的集中排泄點(diǎn)、地下水系統(tǒng)面積相近、流量相近；但W02值（11.8）比S06（9.6）大得多，上述差異主要原因為地下水循環(huán)條件不一樣（圖3）。

W02 含水巖組為T2厚層塊狀灰?guī)r，補(bǔ)給區(qū)內(nèi)多處落水洞、天窗、豎井發(fā)育，大氣降水及地表水沿落水洞等補(bǔ)給，沿巖溶管道向南東徑流，受谷地切割出露。

S06含水巖組為T1薄層夾少量厚層灰?guī)r，含水介質(zhì)以裂隙—溶隙為主，受朵卜隴背斜構(gòu)造控制，30°走向的層間裂隙極為發(fā)育，補(bǔ)給區(qū)發(fā)育有洼地、豎井等巖溶，無明顯地下河；大氣降水及地表溪水沿裂隙滲入補(bǔ)給，沿層間裂隙自北東向南西徑流，受河谷切割出露。

W02地下水系統(tǒng)中的滯留時間短，地下水值大于S06地下水。

圖3 地下河系統(tǒng)與巖溶大泉系統(tǒng)地下水循環(huán)條件對比圖

4.2.2 地下河系統(tǒng)規(guī)模對值影響

龍宮地下河系統(tǒng)、螞蟥箐地下河系統(tǒng)、達(dá)到地下河系統(tǒng)的含水巖組類型（T2溶洞—管道水）、排泄邊界相似，其值表現(xiàn)：達(dá)到地下河系統(tǒng)集中排泄點(diǎn)W02（=11.8）>螞蟥箐地下河系統(tǒng)集中排泄點(diǎn)W01（=11.4）>龍宮地下河系統(tǒng)集中排泄點(diǎn)W07（=10.2）。

取樣點(diǎn)水循環(huán)條件類似，值差異為地下水系統(tǒng)規(guī)模不同：龍宮地下河系統(tǒng)面積76.15km2，W07流量最大，補(bǔ)給來源遠(yuǎn)、范圍大，地下水滯留時間最長，值最?。晃涹涞叵潞酉到y(tǒng)面積12.67km2，W01流量小于W07且大于W02，補(bǔ)給來源中等，地下水滯留時間一般，值小于W01且大于W07；達(dá)到地下河系統(tǒng)面積5.07km2，W02流量最小，地下水補(bǔ)給來源近、范圍小，地下水在系統(tǒng)中滯留時間短，值最大。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)各個水樣點(diǎn)均分布在安順市大氣降水線附近，表明巖溶地下水來源于大氣降水補(bǔ)給。

（2）地下水值與含水介質(zhì)組合類型、地下水滯留時間相關(guān)。

張應(yīng)華，仵彥卿，溫小虎，等．2006．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，17(5)：738-747．

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The Application of Hydrogen and Oxygen Isotope Geochemistry to the Study of Groundwater Circulation Conditions in Karst Mountain Area——By the Example of Groundwater in the Zhenning Region

YI Rui JIANG Feng WANG Ruo-fan JIAO Heng

(The 114th Geological Party, Guizhou Bureau of Geology & Mineral Exploration and Development, Zunyi, Guizhou 563000)

The δD values for groundwater samples in the Zhenning region range from -77‰ to -53‰ with an average of -63.7‰，and the δ18O values vary from -11.1‰ to -7.8‰ with an average of -9.3‰ and thevalues vary from 9.4‰ to 12.6‰ with an average of 11‰. These values show that groundwater circulation is controlled by groundwater system scale and aquifer medium association type.

groundwater; isotopic composition; groundwater circulation; Zhenning, Guizhou

P641.8

A

1006-0995（2021）04-0678-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.026

2020-12-30

貴州深切河谷開放型巖溶流域地下水找水模式研究（黔地礦科合（2018）23號）

易瑞（1990-），男，湖北黃岡人，工程師，主要從事水文地質(zhì)方向研究