硇洲岛地下水氢氧同位素特征分析

O/‰
－ 6. 76 － 6. 84 － 4. 79 － 6. 62 － 6. 5
－ 5. 74 － 6. 78 － 8. 59 － 6. 06 － 7. 16 － 7. 40 － 6. 72 － 4. 80 － 6. 12 － 2. 26 － 10. 5 － 2. 1 － 16. 7 － 47. 1
32 5. 10 浅层淡水
33 13. 0 浅层淡水
34 2. 53 浅层淡水
35 10. 0 浅层淡水
36 24. 0 浅层淡水
37 21. 1 浅层淡水
38 50. 0 浅层淡水
39 9. 68 浅层微咸水
40 48. 0 浅层淡水
D/‰
－ 47. 1 － 36. 4 － 40. 8 － 47. 2 － 45. 5 － 41. 9 － 46. 9 － 50. 2 － 42. 4 － 47. 8 － 44. 6 － 55. 4 － 48. 6 － 47. 8 － 44 － 45. 1 － 47. 6 － 48. 3 － 42. 8 － 43. 4
硇洲岛位于广东省湛江市东南 40 km 的海域上，北傍东 海岛与湛江湾相邻，西依雷州湾与雷 州 半 岛 相 望，面 积 56 km2 。地质构造上属于中晚更新世时期由基性玄武岩浆喷发 形成的火山岛屿，岛上地貌以玄武岩台地为主，间有滨海狭 窄平原和沿海 滩 地。 属 热 带 和 亚 热 带 季 风 气 候，终 年 受 海 洋气候调节，冬季温和多雨，夏季干爽，年平均气温 22. 7 ～ 23. 3℃ 。
根据同位素分馏原理，水蒸发时，水蒸汽富集 H126 O，而 残余水相中则相对富集 HD16 O 和 D18 O。海洋水常年蒸发导 致海水富集 HD16 O 和 D18 O，同位素值偏正，潜层地下水主要 由降雨补给，相对富集 H126 O，同位素值偏负，两者的同位素
值差异是示踪海水入侵的原理［3］。 2 样品采集与氢氧同位素测试 2. 1 样品采集
硇洲岛由于持续大量开采地下水，自 2003 年开始出现 海水入侵迹象［1］，至 2006 年左右，海水入侵的面积、入侵的 距离在不断加 大。近 年 来，由 于 实 施 了 农 村 饮 水 解 困 工 程、 推广使用喷灌技术、控制近岸浅层井的开采、控制农业及海 水养殖业开发等措施，海水入侵现象稍有改善。据地下水埋 藏条件及水力联系特征，地下水可分为浅层潜水 ～ 微承压水 （ 埋藏深度一般小于 30 m） 、中层承压水（ 30 ～ 200 m） 和深层 承压水（ 大于 200 m） 三大含水层组［2］。 1 同位素示踪原理
类型
浅层淡水 浅层淡水 浅层咸水
深层水 深层水
深层水 浅层水 中层水 浅层水 中层水 深层水 浅层水 深层水 中层水
D/‰
－ 46. 3 － 44. 3 － 33. 9 － 46. 1 － 44. 3
－ 42. 8 － 43. 8 － 56. 7 － 47. 0 － 47. 3 － 45. 7 － 54. 0 － 38. 2 － 47. 4 － 9. 9 － 1. 13 0. 30 － 2. 03 － 5. 37
样品 号 41 42 43 44 45
井深 / m
40. 0 80. 0 100 129 270
NSD1 285 NSD2 10. 0 NSD3 180 ZJS1 15. 0 ZJS2 200 ZJS3 598 DHD1 9. 00 DHD2 220 DHD3 130 海水 春季降水 夏季降水 秋季降水 冬季降水
样品 井深 / 号m
类型
21 50. 0 浅层淡水
22 80. 0 浅层咸水
23 50. 0 浅层咸水
24 50. 0 浅层淡水
25 250 深层水
26 90. 0 浅层咸水
27 50. 0 浅层微咸水
28 25. 0 浅层淡水
29 41. 0 浅层淡水
30 3. 10 浅层淡水
31 220 深层水
a） 浅层微咸或咸水。δD 值分布于 － 46. 9‰ ～ － 33. 9‰ 之间，平均为 － 42. 3‰； δ1O8 值分布于 － 7. 37‰ ～ － 4. 79‰之 间，平均值为 － 6. 28‰。
b） 浅层淡地下水。δD 值普遍低于微咸或咸地下水，分 布于 － 55. 4‰ ～ － 42. 4‰之间，平均为 － 46. 7‰； δ1O8 值也相 应地低于微咸或咸地 下 水，分 布 于 － 8. 22‰ ～ － 5. 07‰ 之 间，平均值为 － 6. 83‰。
3 氢氧同位素特征分析 3. 1 地下水氢氧同位素分布特征
为便于对比研究，根据当地地下水开发利用情况和水化 学特征，把含水层深度大于 100 m 的视为深层地下水，100 m 以下作为浅层地下水。根据水质划分，TDS 小于 1 000 mg / L 为淡水，1 000 mg / L≤TDS ＜ 3 000 mg / L 为微咸水，TDS≥ 3 000 mg / L则为咸水。根据测定结果，所采样品深层地下水 全为淡水，浅层地下水分别为淡水、微咸水及咸水。
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见表 1。
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样品 井深 / 号m
类型
1 4. 26 浅层微咸水
2 3. 49 浅层微咸水
3 150 深层水
4 80. 0 浅层淡水
5 30. 0 浅层微咸水
6 200 深层水
7 3. 77 浅层咸水
8 200 深层水
9 180 深层水
10 180 深层水
11 37. 4 浅层淡水
12 39. 0 浅层咸水
图 1 硇洲岛地理位置及采样点分布 2. 2 测试分析
氢、氧同位素样 品 均 采 用 MAT253 气 体 同 位 素 质 谱 仪 （ H、O） 测定，分析误差 δD ≤3‰； δ18O ≤0. 3‰，测试分析结果
收稿日期： 2014-05-29 作者简介： 曹基富，男，广西防城人，主要从事水文与水资源管理工作。
13 40. 0 浅层水
14 100 浅层微咸水
15 32. 0 浅层微咸水
16 9. 56 浅层微咸水
17 50. 0 浅层微咸水
18 20. 0 浅层淡水
19 100 浅层淡水
20 80 浅层咸水
D/‰
－ 43. 6 － 43. 2 － 43. 5 － 45. 6 － 46. 6 － 42. 6 － 40. 1 － 43 － 45. 1 － 47. 5 － 48. 5 － 45. 4 － 10. 7 － 46. 8 － 44. 4 － 42 － 42 － 44. 7 － 46. 9 － 40. 2
人民珠江 2014 年第 5 期·PEAＲL ＲIVEＲ
doi： 10. 3969 / j. issn. 1001-9235. 2014. 05. 012
硇洲岛地下水氢氧同位素特征分析
曹基富1 ，吴瑞钦1 ，肖子平1 ，张国桃1 ，陈 喜2
（ 1． 广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037； 2． 河海大学，江苏 南京 210098）
于当地雨水线左侧，表明当地降水不是中、深层地下水的补 给源。至于浅层地下水，由于受到海水入侵、蒸发，特别是农 业灌溉、生活污水等的污染，如湛江市区浅层地下水 pH 值小 于 5，表明受到比较严重的污染，样品点在 H － O 相关图上分 布凌乱，没 有 规 律，已 很 难 根 据 H、O 同 位 素 提 取 补 给 源 信息。
O/‰
－ 7. 14 － 5. 51 － 6. 06 － 6. 99 － 6. 65 － 6. 28 － 7. 37 － 7. 35 － 6. 41 － 7. 28 － 6. 65 － 8. 22 － 7. 28 － 7. 08 － 5. 07 － 6. 83 － 6. 06 － 7. 41 － 6. 2 － 6. 78
质子数相同而中子数不同的原子称为同位素，稳定同位 素是指原子 核 稳 定 且 不 能 自 发 进 行 放 射 性 衰 变 或 核 裂 变。 同位素分馏是指同一元素的同位素之间由于核质量的差别， 使体系内不同相或不同阶段（ 如反应物和生成物物） 的同位 素组成发生微小的改变。常用同位素组成表示方法是千分 偏差值（ δ 值） ，指样品的同位素比值（ ＲSA ） 相对于标准样品 同位素比值（ ＲST ） 的千分偏差，其表示式为： δ（ ‰） = （ ＲSA / ＲST － 1） × 1 000。其中 Ｒ 表示 2 种同位素的原子比，下角标 SA 代表样品，ST 代表标准物质。δ 值能反映同位素组成变 化的方向和程度，δ 值越高，反映重同位素越富集。采用标准 样品是 VSMOW （ 维也纳平均海洋水标准） 。
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下水咸化程度，把海水混合比例（ f） 大于 0. 5% 作为确定是否 发生海水入侵的临界值。f ＞ 20% （ TDS ＞ 3 000 mg / L） 为严 重海 水 入 侵 区，地 下 水 转 变 为 咸 水； f 介 于 0. 5% （ 1 000 mg / L） 和 15% （ TDS ＜ 3 000 mg / L） 之间为早期轻微海水入侵 区，地下水转化为微咸水； f 介于 15% 和 20% 之间则为中等 程度海水入 侵 区，地 下 水 质 由 微 咸 向 咸 水 转 化； f ＜ 0. 5% （ TDS ＜ 1 000 mg / L） 为未受到海水入侵影响区，地下水属于 淡水。
摘 要: 根据氢氧同位素示踪原理，分析硇洲岛地下水同位素的分布特征，并以氧同位素估算的海水混合比例作为 判断海水入侵程度的指标来分析硇洲岛海水入侵的情况，结合周边岛屿的地下水及当地的降水同位素，对比分析 不同层位天然地下水在雨水线的分布位置，推断不同层位地下水补给信息及相互间的水力联系。 关键词： 地下水; 海水入侵; 同位素; 硇洲岛 中图分类号： P641． 25 文献标识码： B 文章编号： 1001-9235（ 2014） 05-0046-04
表 1 硇洲岛地下水 H、O 同位素测试结果
O/‰
－ 6. 4 － 6. 44 － 6. 66 － 6. 69 － 7. 11 － 6. 26 － 6. 21 － 6. 53 － 7. 14 － 6. 96 － 7. 31 － 6. 6 － 1. 77 － 7. 06 － 6. 37 － 5. 64 － 6. 44 － 6. 3 － 6. 53 － 5. 97
漂移现象，这一分布特征并不表明地下水与大气降水没有补 给关系，而是由于硇洲岛特殊的水文地质条件，火山作用强 烈，地下水温度较高，井水普遍大于 20℃ ，许多深层地下水超 过 30℃ ，水—岩作用一定程度上对 O 同位素有影响。
图 2 各类水 δD ～ δ1O8 相关性 3. 2 以同位素为指标评估海水入侵情况
c） 深层地下水： δD 值分布于 － 47. 5‰ ～ － 42. 6‰之间， 平均为 － 44. 7‰，δ1O8 值分布于 － 7. 14‰ ～ － 6. 26‰之间，平 均值为 － 6. 66‰，分别介于浅层微咸或咸地下水和浅层淡地 下水值之间。
常用于判断地下水与大气降水之间补给关系的 δD ～ δ1O8 相关图（ 图 2） 表明，深、浅层地下水点分布都比较凌乱，大多 都没有落在 大 气 降 水 线 上 或 靠 近 雨 水 线，没 有 显 著 线 性 关 系，表明地下水 补 给 源 复 杂，不 是 单 一 当 地 降 水 补 给。 相 比 之下，浅层微咸或咸地下水大致顺着不同比例海水与当地低 TDS 淡水混合线附近分布。另外，许多点出现明显 O 同位素
样品采集时间，2011 年 3、9 月 2 次上岛采样，首先对大 部分水井测定其电导率、盐度及 TDS，然后根据测定结果对 TDS ＞ 1 000 mg / L 的水井尽可能全部取样，TDS ＜ 1 000 mg / L 的地下水按区域代表性（ 空间分布位置及含水层深度） 有选 择性地采样，保证浅、中、深层地下水采样点（ 图 1） 基本覆盖 整个岛屿。除此外，在湛江市区、南三岛、东海岛取了地下水 样品，在硇洲岛取了降水样品，供降水与前人划分的浅、中、 深 3 套含水系统主采层地下水氢氧同位素比对分析使用。
以南海海水和选择的背景淡水为两个典型端元，δD 、δ1O8 值与 Cl － 浓度为指标，根据质量守恒定律估算获得硇洲岛微 咸或咸化地下水与海水混合的比例（ 表 2） 。由于 H 同位素 的测试精度（ 3‰） 低于 O 同位素（ 0. 3‰） ，且海水入侵混合 后较高的 Mg2 + 等水解对 H 同位素 组 成 及 Cl － 有 一 定 的 干 扰。所以，我们认为 O 同位素估算的海水混合比例更符合实 际水质情况，并根据 O 同位素估算的海水混合比例来划分地