晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

林良俊

1,2

,王金生

1

(11北京师范大学环境科学研究所,北京　100875;21中国地质环境监测院,北京　100081)

摘要:本文研究采用同位素和水化学分析的方法对本地区2个泉域即天桥和柳林泉域的地下水系统

进行分析。研究发现:(1)天桥泉域北部大部分地区岩溶地下水主要接受了大气降水的补给,同时

在局部地区也接受了地表水的补给;天桥泉域南部岩溶地下水接受了不同高程的大气降水的补给,迳流较为活跃。(2)柳林泉域岩溶水系统存在浅部和深部2个子系统,来自这2个系统的地下水互相混合,形成了排泄区较为复杂的地下水化学类型。关键词:岩溶地下水;同位素;水化学分析中图分类号:P6411134文献标识码:A Abstract :Through is otopic and geochemical methods the karst groundwater system in tw o large spring areas (T ianqiao spring area and Liulin spring area )is analyzed.It is shown that :(1)In north part of T ianqiao sping area ,the karst groundwater is mainly recharged by the rain fall of m ountain area and is partly recharged by sur 2face water.In s outh part of T ianqiao spring area ,the karst groundwater with active runoff is recharged by rainfall from varied elevation.(2)In Liulin spring area ,there exist tw o karst groundwater sub 2systems.The karst groundwater from the tw o sub 2systems mixes up and various water types of the spring water in the discharge area are formed.

K ey w ords :karst groundwater ;is otope ;analysis of hydrochemistry

收稿日期:2003206202;修订日期:2003211225

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目

(G 1999043606)

作者简介:林良俊(1975-),男(汉族),江西丰城人,在

读博士,工程师.

黄河流域晋陕峡谷地区是位于陕西和山西之间的狭长地带,多年来,在该地区的2个大泉域开展

了一些地下水资源勘察工作[1,2]

。许多研究表明晋陕峡谷地区天桥泉域多层含水层之间存在着水平或者垂向的水力联系,构成一个巨大的岩溶地下水系统[3,4],而在柳林泉域的研究表明在柳林泉域的岩

溶地下水系统是一个非常复杂的系统[5,6]

。

同位素和水化学技术是分析岩溶地下水系统有效工具[7～9]

,环境同位素和水化学成分可以用来确定岩溶含水层中地下水的起源以及确定地下水的年龄(滞留时间),王怀颖和袁志梅曾应用同位素和

水化学技术研究了该区的岩溶地下水[4,5]

。但是,由于近年来的自然和人类活动影响,岩溶地下水系统是否发生变化是一个需要研究的问题,而且,袁志梅采用同位素分析柳林泉域的地下水系统时采用了全球大气降水线,而晋陕峡谷地区的大气降水的

同位素成分与全球大气降水存在较大差异[7]

。因此,本次研究拟采用同位素和水化学的方法对该区岩溶地下水系统开展进一步深入研究。1　研究区概况

[10]

晋陕峡谷地区横跨吕梁复背斜和鄂尔多斯盆地

两大构造单元。吕梁复背斜的轴部主要有太古宙变

质岩及部分太古宙花岗岩组成,其西翼由震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系构成,并形成一系列的次一级背斜和向斜。天桥泉域和柳林泉域均属于这一地区。晋陕峡谷地区地处大陆型半干旱气候区,多年平均气温817～10℃,年平均降雨量353～548mm ,7～9三个月的降雨量约占年降雨量的63%。区内岩溶地下水的补给主要有大气降水在寒武系、奥陶系碳酸盐岩裸露和半裸露地区的入渗补给,裸露与隐伏松散层下的可溶岩,溶岩裂隙发育,可直接接受大气降水补给。

天桥泉域是一个向西缓倾的自流斜地。东界为海拔2500m 左右的管涔山分水岭,西侧为海拔800m 的黄河谷地,近百公里的斜坡坡降达20%,南北两侧山脊高1600～1700m ,中间大片地区高1300m 左右。泉域周围基本上以褶皱隆起或断裂为界。在清水川—林阴会一段多被黄河切穿,形成开启的窗

口,从而形成了一个相对完整的补给、迳流、排泄的循环系统。偏关—岢岚一带寒武系—奥陶系碳酸

盐岩广泛出露,总面积约111×104km 2

。在偏关以北大面积裸露,偏关至岢岚之间则多为黄土松散层所覆盖,厚n ・10m ,在靠近黄河时大都有石炭系、二叠系碎屑岩叠置。据统计,在汇水范围内,碳酸盐岩直接出露的面积只占12%。

柳林泉域位于晋西黄土高原中部,整个泉域东部、北部以太古宇组成的地表分水岭为界,南部则以寒武系—奥陶系碳酸盐岩组成的地表分水岭为界,西部由于受柳林单斜的影响,含水层向西倾斜,构成单斜贮水构造,并深埋于地面以下,无明显边界。寒武系—奥陶系碳酸盐岩组自柳林往西埋没于地面以下,上覆石炭系、二叠系砂页岩,水流至此受阻,山川河谷又深切,因此出露了大量的泉水。

图1　晋陕峡谷地区同位素及水化学取样点位2　样品的采集及测试

在充分分析已有资料的基础上,沿着区域岩

溶地下水的迳流方向在研究区内的2大泉域确立了3条取样剖面(图1),即万家寨剖面、府谷剖面和吴堡剖面,并分别于2000年8月至9月丰水季节和2001年3月至4月枯水季节沿剖面进行采样,共采集岩溶地下水样12个,泉水样6个,黄河水样3个,采样点位置见图1。水化学分析由中国地质大学水文及水资源系实验室完成,丰枯水期同位素18O 、D 和13

C 在国土资源部同位素测试中心测定,丰水期水样在英国贝尔法斯特女王大学(The Queen ′s University of Belfast ,UK )环境工程中心实验

室IRMS 质谱仪上进行外检;18O/16

O 比值采用C O 2

平衡方法测定,D ΠH 比值采用锌还原法测定,结果

表示采用实测氢、氧同位素比值D ΠH 、18O Π16

O 相对于标准平均海水(S MOW ,Standard Mean Ocean Wa 2

ter )比值的千分差。13C Π12

C 用100%磷酸法G C 质谱仪上测定,并用对于标准样PDB 的千分差表示。放射性氚和氢氧稳定同位素样品采集1L ,置于聚酯塑料瓶中并密封。放射性碳样是在采集的地下水加入NaOH ,使pH 值大于12,然后加入过量的BaCl 2,以BaC O 3形式沉淀,所取的地下水样量以获得3g 碳为止。14

C 是将样品转化为苯后通过液体闪烁计数

器来测定,14

C 的测定结果以现代碳(Percent m odern carbon ,PMC )形式表示;氚是在样品电解富集后,通过低本底液体计数器来测定,并以氚单位(T riti 2um Unit ,简称T U )形式给出,测试误差为±

215T U 。放射性同位素均在中国地震局14

C 实验室测定完成。本次研究没有收集到大气降雨的水样,为了获取本地区的大气降雨线,采用G NIP 数据库中离研究区域最近的太原站大气降雨同位素数据。本

次采用的大气降水线方程为δ2H S M OW =6141δ18

O S M OW

-4177(R 2

=01924)。3　测试结果分析

在天桥泉域有2条采样剖面,即万家寨剖面和

府谷剖面。在万家寨剖面上,从图2中可以看出,除了308(丰水期)、310(丰水期)、311(丰水期)

和335(枯水期),大部分岩溶地下水样品18O 和2

H 都分布在区域大气降水线附近,说明天桥泉域大部分地区的岩溶地下水以大气降水为主要补给来源。在丰水期沿着万家寨剖面岩溶地下水迳流,样品中的3

H 值有升高的趋势(图3-a ),同时,样品308

和310具有比其他样品更富集的18O 和2

H 含量。以往研究表明,黄河水的水位比黄河东岸310和308

取样点位的水位要低[11],而且这2个样品的18

O 和2

H 含量比黄河水中的含量要高(图2),因此,

不可能由黄河水的补给导致岩溶地下水的3

H 值升

高和18O 和2

H 含量增大。由于308和310取样点位

的地下水位比较深,分别为2810m 和8916m [11]

,所以,这种同位素异常现象也不可能由蒸发导致。综上所述,导致这种现象的原因很可能是地下水在迳流过程中接受了地表水的渗漏补给。王怀颖等(1994)通过同位素河水化学分析发现,黄河万家寨段的西岸岩溶地下水不同程度的接受了黄河水的补给,而本次在西岸的334样品的氚值相当低(0178T U ),说明尽管334样品采样点位的地下水位较黄河水位低,却受黄河水的补给的影响很低。因