新疆賽里木湖水化學及氫氧同位素特征分析

邵 杰,李 瑛,滕 超,楊欣杰,曹 軍,陳喜慶

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源實物地質(zhì)資料中心，河北三河 065201；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054)

賽里木湖古稱“凈?！保溆谖覈陆S吾爾自治區(qū)西部伊寧市西邊天山西段的高山盆地中，位于陸上絲綢之路的北道，且緊鄰伊犁州霍城縣[1]，憑借其優(yōu)美的自然環(huán)境與景色，2021年賽里木湖景區(qū)被評為5A級景區(qū)。賽里木湖與湖濱四周的雪山、冰川、森林、草原等地類構(gòu)成了一個寬闊而獨立的山澗盆地，是新疆海拔最高、面積最大的高山湖，對維護新疆北疆生態(tài)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)北疆氣候、涵養(yǎng)山地水源起著極其重要的作用[2]。

近年來相關(guān)學者圍繞賽里木湖水化學特征、水質(zhì)評價等進行了相關(guān)研究。如陳志軍等[3]通過結(jié)合博州水文局和博州環(huán)境監(jiān)測站近幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，對該湖水化學特征、水質(zhì)現(xiàn)狀及營養(yǎng)狀況進行初步研究；欒瀚韜[4]對該湖水主要理化因子和營養(yǎng)鹽狀況進行了檢測和評價；郝永志等[5]對該湖水質(zhì)評價與時空分布規(guī)律進行了研究。但有關(guān)賽里木湖水環(huán)境同位素特征研究鮮見報道。筆者在參考有關(guān)學者研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖水樣水質(zhì)和同位素測試結(jié)果，探討了現(xiàn)階段賽里木湖水化學特征，并且首次對賽里木湖水及其周邊河流的同位素特征進行研究，以期為當?shù)卣嚓P(guān)部門對賽里木湖水資源的科學保護及景區(qū)旅游業(yè)的健康發(fā)展提供相關(guān)支撐與建議。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況賽里木湖地處81°59′35″～81°22′17.5″E、44°29′37.4″～44°32′19″N，湖面海拔2 071 m。湖泊略呈橢圓形，東西長30 km，南北寬25 km，面積453 km2，最大水深99 m，平均水深56 m，蓄水量達210億 m3[6]。

研究區(qū)水位及水化學特征方面主要受氣象、水文、地質(zhì)構(gòu)造等因素制約。賽里木湖地處歐亞大陸腹地，屬溫帶大陸性半干旱氣候。近年觀測資料表明，研究區(qū)平均氣溫0.5 ℃，年降水量350 mm以上[7]。賽里木湖為斷陷而成，四周構(gòu)造裂隙極為發(fā)育。在大地構(gòu)造單元上，屬海西寧早期地槽褶皺帶。經(jīng)加里東、海西寧造山運動隆起為山地，形成軸向大致為東西向的帶狀構(gòu)造基礎(chǔ)，與此同時，在褶皺帶內(nèi)產(chǎn)生了若干北西向的斷裂地帶。湖盆就發(fā)育在一組斷裂帶上[8]。湖水主要接受大氣降水、地表水流入和基巖裂隙水的側(cè)向補給。四周入湖河流達32條，其中常流水河流7條，其余為季節(jié)性河流，主要分布于湖泊的西面和西北面，最長流入湖泊的河流薩嘎克勒，長18.0 km。湖水的排泄主要有蒸發(fā)和滲漏。

1.2 數(shù)據(jù)來源所需研究數(shù)據(jù)來源于自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“新疆伊犁河谷地下水資源及環(huán)境問題調(diào)查與評價”。2014年在伊犁進行野外水文地質(zhì)調(diào)查過程中，在賽里木湖湖邊相應(yīng)位置采集水化學樣品1組、同位素樣品1組，在距賽里木湖西南方向約25 km果子溝河流相應(yīng)位置采集水化學樣品1組、同位素樣品1組。具體采樣位置見圖1。樣品采集過程中嚴格按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》(SL 187—96)、《環(huán)境同位素分析水樣采集》導則進行。樣品測試工作由自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心完成。水化學樣品測試項目包括溶解性總固體(TDS)、pH、電導率、溶解氧、總硬度(以CaCO3計)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-、CO32-、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、NH4+、NO3-、NO2-、PO43-等[9]。同位素樣品測試項目包括δD、δ18O兩項[10]。

圖1 賽里木湖及周邊河流采樣點位置

1.3 研究方法在前人研究相關(guān)成果基礎(chǔ)上，根據(jù)此次試驗測試結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析研究區(qū)水化學分布特征。將所測水體氫氧穩(wěn)定同位素樣品置于全球大氣降水線以及當?shù)卮髿饨邓€中，并采用對比分析法，將賽里木湖水樣與臨近的果子溝河水樣的氫氧同位素進行對比，進而分析賽里木湖水樣δD與δ18O之間的關(guān)系及其分布特征，分析賽里木湖水的補給來源。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學特征在賽里木湖邊取一組水化學樣品，在距賽里木湖采樣點西南方向約25 km處取一組果子溝河水化學樣品。水化學樣品測試指標包括陽離子8項、陰離子9項、其他指標7項，共計24項指標。具體水化學樣品測試結(jié)果見表1。

表1 水化學樣品測試結(jié)果

陽離子測試指標為K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+。其中賽里木湖水中各陽離子含量Mg2+>Na+>K+>Ca2+，果子溝河水中各陽離子含量Ca2+>Mg2+>Na+>K+，二者的Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+均未檢測出。賽里木湖水中K+、Na+、Mg2+含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而Ca2+含量卻遠遠小于果子溝河水中的含量。

陰離子測試指標為Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-、NO3-、NO2-、PO43-、F-。其中賽里木湖水中各陰離子含量SO42->HCO3->Cl->CO32->NO3->F->PO43-，OH-、NO2-未檢測出。果子溝河水中各陰離子含量HCO3->SO42->Cl->NO3->F-，CO32-、OH-、NO2-、PO43-均未檢測出。賽里木湖水中SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量遠遠大于果子溝河水中的含量。

賽里木湖水中的TDS、礦化度、總硬度含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而游離CO2、H2SiO3含量較小以致未檢測出結(jié)果。賽里木湖水屬于偏堿性，果子溝河水屬于弱堿性。賽里木湖水化學類型為SO4·Mg-Na型，果子溝河水化學類型則為HCO3·SO4-Ca·Mg型。

賽里木湖多年來水位及水化學方面變化甚微，主要是由于當?shù)靥厥獾乃?、氣象、地質(zhì)構(gòu)造等條件導致的結(jié)果。湖水的主要補給來源為當?shù)卮髿饨邓?、周圍地表水和基巖裂隙水，且賽里木湖為斷陷成因形成，周圍發(fā)育較多的構(gòu)造裂隙，加之湖水位置較高，造成湖水沿裂隙大量滲漏，主要表現(xiàn)為發(fā)源于湖西面約10 km處的庫色木契克河，發(fā)源于湖南面的果子溝、烏拉斯溪、阿克蘇溪和發(fā)源于湖東面的刊吉尕河等，流量都有增大的現(xiàn)象，表明果子溝等河流受湖水滲漏補給的影響。表面上湖水排泄量大于補給量，但實際上目前湖水位變化甚微，礦化度和水化學類型等特征能長期保持穩(wěn)定，礦化度近50年來維持在2 500～2 900 mg/L(表2)。因此也說明湖水接受了四周基巖裂隙水的補給，補給與排泄基本處于平衡狀態(tài)。而果子溝河水中的主要化學指標則表現(xiàn)出與賽里木湖截然不同的結(jié)果。主要是由于所處的環(huán)境不同，包括河水水動力條件較強、與地下水存在較強的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系、河水流動過程中與周圍巖石發(fā)生較強的水-巖相互作用等因素共同作用形成的。

表2 1965、1985、2004、2014年賽里木湖主要化學指標

2.2 氫氧穩(wěn)定同位素特征在賽里木湖邊取一組氫氧同位素樣品，在距賽里木湖采樣點西南方向約25 km處取一組果子溝河水氫氧同位素樣品。具體測試結(jié)果見表3。由于賽里木湖屬于高山湖泊，根據(jù)Wang等[11]在研究區(qū)附近山區(qū)(位于天山北坡，伊寧市以北山區(qū))觀測得到的大氣降水同位素數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)附近山區(qū)降水線方程為δD=8.131 6δ18O+10.577，所以將此方程視為當?shù)卮髿饨邓€，由此可以看出，當?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)非常接近。

結(jié)合表3和當?shù)卮髿饨邓€方程，發(fā)現(xiàn)賽里木湖水樣更加靠近當?shù)卮髿饨邓€，而果子溝河水樣遠離當?shù)卮髿饨邓€。說明山區(qū)的大氣降水是賽里木湖的主要補給來源之一，與果子溝河水樣相比，賽里木湖水樣的δ18O和δD值更加富集，這與賽里木湖水補給來源相對穩(wěn)定、高山湖泊受到蒸發(fā)作用有很大關(guān)系。

表3 水樣氫氧穩(wěn)定同位素測試結(jié)果

3 討論

該研究通過野外調(diào)查查明賽里木湖周邊地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，采集相關(guān)樣品并室內(nèi)測試樣品的水化學指標，通過與臨近的果子溝河水水化學指標進行對比分析，將賽里木湖水分別在1965、1985、2004年測試結(jié)果與此次2014年主要化學指標測試結(jié)果進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，賽里木湖多年來水位及水化學方面變化甚微，主要是由于受水文、氣象、地質(zhì)構(gòu)造等因素制約形成。賽里木湖水的主要補給來源為當?shù)卮髿饨邓?、周邊的基巖裂隙水及地表水，湖水的礦化度和水化學類型長期保持穩(wěn)定說明賽里木湖水的補給量與排泄量基本能夠維持平衡。該研究首次采集了湖水的氫氧同位素樣品并進行了室內(nèi)分析，發(fā)現(xiàn)氫氧同位素靠近當?shù)卮髿饨邓€并受到了一定程度的蒸發(fā)作用而引起氫氧重同位素的富集。

4 結(jié)論

(1)賽里木湖水中的陽離子K+、Na+、Mg2+含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而Ca2+含量卻遠遠小于果子溝河水中的含量，其陰離子SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量遠遠大于果子溝河水中的含量。并且其主要陰陽離子近50年來保持穩(wěn)定。

(2)賽里木湖水中的礦化度近50年來維持在2 500～2 900 mg/L，其水化學類型為SO4·Mg-Na型，湖水水質(zhì)偏堿性。

(3)賽里木湖水氫氧穩(wěn)定同位素值非常接近當?shù)卮髿饨邓€并受到了一定程度的蒸發(fā)作用而引起氫氧重同位素的富集，其δ18O值約為-20.63‰，δD值約為-1.51‰。