同位素技术在地下水循环深度确定中的应用

=水资源>

同位素技术在地下水循环深度确定中的应用柳富田1,2,苏小四1,2,董维红1,2,苏耀明1,2,俞发康1,2

(1.吉林大学环境与资源学院,吉林长春130026;2.吉林大学水资源与环境研究所,吉林长春130026)

摘要:地下水循环深度反映了地下水的可更新能力。在水文地质调查基础上,利用同位素技术对鄂尔多斯白垩系地下水盆地南北两区的地下水循环深度进行了研究。同位素数据表明,盆地北区现代水循环深度为210m左右,现代水循环更替速度较快;南区现代水循环深度大约为160m,水循环更替速度较北区稍慢。中深部环河组和洛河组地下水则保存着古地下水特征,地下水更替速度慢。因而可以加大北区地下水的勘察力度。

关键词:白垩系地下水盆地;水循环深度;锶;氚;CFCs;鄂尔多斯

中图分类号:P641.72文献标识码:A文章编号:1000-1379(2008)04-0052-03

地下水循环深度是地下水循环研究内容之一,体现了地下水补、径、排的总体特征,可以在一定程度上反映出地下水的可更新能力。一般说来,地下水循环深度大,表明地下水资源可更新能力较强,可开发利用程度高。在制定地下水资源开发利用规划及进行地下水资源管理时,需要了解当地地下水的可更新能力,而确定地下水循环深度便是一个很好的途径。

目前,用于研究地下水循环深度的方法主要有地下水动力学法和利用同位素的标志性和记时性的同位素水文地质学方法。由于地下水动力学方法需要地下水位及含水层参数等资料较多,因此在一些人类活动较少、基础资料贫乏的地区不太适用。在过去的几十年里,同位素水文地质学方法已被广泛地应用于水体的起源、年龄和径流途径的研究[1-3]。氢、氧是组成水的元素,可以直接反映地下水的循环过程,从而成为水循环的理想示踪剂。其中,氢的放射性同位素氚(3H),因20世纪60年代全球范围内进行的大规模核爆试验、具备放射性和与水经历相同的演化过程而成为浅层地下水研究的理想示踪剂[4]。大气中的CFCs浓度自20世纪40年代开始逐渐提高,至90年代逐渐达到平衡,成为近年来测定年龄在50年[3]以内的地下水的重要同位素方法[5-7]。因此,结合水文地质条件合理地分析水体环境同位素特征,可以确定出地下水的循环深度。

鄂尔多斯盆地内蕴藏着丰富的矿产资源,但水资源严重短缺,成为阻碍区内社会经济发展及能源基地建设的重要因素[8]。水资源短缺的现状要求了解当地的地下水循环条件,确定现代水的循环深度,从而找出合理的开发利用层位,以指导地下水的开发与管理。

1研究区概况

鄂尔多斯白垩系地下水盆地位于黄河中游地区,面积约为13.21万k m2[9],地跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古4省(区)。白垩系含水层自下而上可以分为洛河含水岩组、环河含水岩组和罗汉洞含水岩组、上覆新生界含水岩组。受气候条件限制,盆地内降水及蒸发分布不均,降水量从东南向西北逐渐递减、蒸发则越来越强烈。大致以白于山为界,可以将盆地分为北区南部黄土高原坳陷盆地和北部沙漠高原坳陷盆地2个具有不同地形地貌特征的地下水系统。

1.1南部黄土高原坳陷盆地

南部黄土高原坳陷盆地内水系发育、沟谷深切,除河谷地带外,白垩系地层普遍覆盖30~120m厚的第四系黄土和古近系泥岩[10]。白垩系含水层系统中泥质含量较高,沉积韵律清楚,地层分层明显。在环河组顶部和底部分别分布有厚20~ 160m的泥岩,共同构成了该亚系统区域性隔水层,从而将白垩系含水层系统分隔为3个相对独立的含水岩组,自下而上依次为洛河含水岩组、环河含水岩组和罗汉洞含水岩组:¹洛河组含水介质为沙漠相的中细砂岩,结构疏松,孔隙率较高且连通性比较好,地下水赋存条件优越,为盆地南部的主要含水层。º环河组含水介质以湖相泥岩为主体,间夹砂岩和膏盐层,含水介质致密,泥质含量高,地下水赋存条件较差,常构成区域上的隔水层或弱含水层,水交替滞缓。»罗汉洞含水岩组由沙漠相砂岩构成,分布范围较小,受后期侵蚀改造,其厚度变化很大。

第四系黄土含水层分布十分零散,与白垩系地下水无直接的水力联系,仅在黄土含水层连续分布的黄土塬区具有一定开采价值。白垩系地下水主要接受上游地表水线状补给和西南边界的六盘山侧向补给,从盆地的周边向侵蚀基准面(泾河和洛河河谷)方向汇集排泄,具有较典型的承压水盆地的特征。

收稿日期:2007-08-30

基金项目:中国地质调查局地质调查项目(12120103302-ZT2);教育部博士点基金资助项目(20030027020)。

作者简介:柳富田(1980)),男,山东胶州人,博士研究生,主要从事同位素水文地球化学研究工作。

E-ma i:l zi hun@

第30卷第4期人民黄河Vol.30,N o.4 2008年4月YELLOW R I VER A pr.,2008

1.2北部沙漠高原坳陷盆地

北部沙漠高原坳陷盆地气候干旱、沙漠广布、河流稀少、地形起伏不大,白垩系地层和第四系风积沙构成含水层的主体。含水层系统以白垩系河流相的砂岩和砾岩为主,岩石呈半胶结状态,结构疏松,岩性单一,孔隙发育,泥质含量较少,沉积韵律不明显。在区域上没有连续稳定的隔水层,总体上构成大厚度的单一含水层亚系统,总体透水能力较强并由上向下逐渐变弱。第四系不连续沉积在下伏地层之上,为高原型不连续的孔隙潜水含水层。地下水以大气降水为主要补给源,流向受地表水文系统控制,由地形较高的地表分水岭向盆地周边的都思兔河、摩林河、无定河和乌兰木伦河等水文系统汇集,以蒸发和向地表水系统汇集为排泄方式。受含水岩组间缺乏稳定连续隔水层的影响,各含水岩组间垂向水力联系密切。

2采样与测试

本次研究工作利用了大量的同位素数据,既有收集到的前人研究成果和资料,也有近期工作中采集到的同位素数据。测试单位多为国内单位,部分样品由I AEA组织帮助测试。样品采集前,先抽水一定时间,以排除井管中积水的影响。D、18O、3H取样量均为1000mL,分别存放于洗净的玻璃瓶或新聚氯乙烯采样瓶(桶)中。利用IRM S测定地下水的D D、D18O,利用低本底液闪仪测定地下水中的3H。Sr样品采集时,通过0.45L m孔径多孔滤膜过滤,阳离子测试样品,用HC l酸化至p H=2左右,样品保存在聚丙烯瓶中。采用AA S分析方法测试水样中S r含量;经过离子交换分离程序后,利用多接收器质谱仪F i nu i ganM AT262V分析87S r/86S r值。Sr的所有分析工作均在维也纳I A EA实验室完成[11]。

3地下水中稳定同位素的分布特征

3.1D18O和D D的垂向分布特征

盆地南区地下水的D18O和D D在垂向上具有明显的分层特点。总体表现为随地下水埋藏深度的增大,地下水的D18O 和D D值逐渐偏负,指示着盆地南区各含水岩组间地下水垂向水力联系较弱。

盆地北区地下水的D18O和D D在垂向上总体表现出均一性的特点。在0~200m深度范围内,D18O和D D值逐渐偏负且不稳定,显示其补给源的同位素组成变化比较快,应该是受现代降水影响较为强烈的积极循环带。200m埋深以下,同位素无明显分层,表现出均一性的特点,指示着盆地北区各含水岩组之间地下水垂向水力联系比较密切。

3.2锶(Sr)沿深度变化特征

从图1可以看出,在236m深度附近的地下水中,S r和87Sr/86Sr表现出完全相反的相关关系。一般说来,水流交替越强烈,则Sr的浓度越低,主要由硅酸盐矿物组成的表层土壤物质在化学风化过程中释放的S r往往具有较高的87Sr/86S r值,大多为0.716~0.720[12]。B14孔附近地表主要为第四纪风积沙,硅酸盐含量较高,因此风化物及经过的水流中87Sr/86Sr值也较高;又因为地下水交替强烈,所以地下水溶滤含水层中的盐分比较多,残留在含水层中的盐分相对减少。因此,出现了浅层地下水中低Sr浓度、高87Sr/86Sr值的现象。地下水中Sr浓度随深度逐渐增加,而87Sr/86Sr值却逐渐减小,二者呈负相关关系,这主要是沿途低87Sr/86Sr值的锶加入的缘故。随着深度的加大,在236m以下地层中偶夹泥岩,渗透性能相对减小, 87Sr/86Sr也相对较高,出现了随径流路径的延长以及靠近泥岩地层越近S r浓度越大的现象。根据杨郧城等的分析结果[11],在300~400m深处存在侧向排泄带,也可以证明排泄带以上为垂向积极循环带的认识是正确的。

图1B14孔Sr与87Sr/86Sr随深度变化情况

3.3CFCs同位素分布特征

利用CFCs测试浓度,可以分析确定南北两区浅层地下水的年龄。据文献[7]可以知道,多数样品采样深度都不超过200m,甚至只有50m,属地下水盆地局部循环系统。在该系统中,地下水普遍接受现代水补给,循环路径短、深度浅,地下水的年龄大都在19~27a。与南区相比,北区浅层地下水循环深度更大,地下水交替更强烈。

4地下水放射性同位素的分布特征

根据采样点氚浓度和取样深度,得到盆地南北两区浓度与深度之间的关系(见图2、图3)。

图2盆地北区地下水氚浓度与地下水埋深的关系可以看出,沙漠高原坳陷盆地核爆炸试验以后形成的地下水(氚浓度大于测试精度)采样点多数分布于深度小于210m 的含水层中,表明其为现代水积极循环带;当深度大于210m 时,地下水氚浓度多数小于测试精度,水循环速度变慢。部分采样深度小于210m的采样点的氚浓度低于测试精度,主要是其位于中深层水的排泄区,所采集样品中古水所占比例较大而现代补给水比例较小造成的。

#

53

#

第4期柳富田等:同位素技术在地下水循环深度确定中的应用