Sr同位素在地下工程水文地質中的示蹤意義——以錦屏一級水電站壩區(qū)地下水為例

季 備，康 江

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安710000;2.陜西省地礦局 陜西工程勘察研究院，陜西西安710068)

Sr同位素在地下工程水文地質中的示蹤意義
——以錦屏一級水電站壩區(qū)地下水為例

季 備1，康 江2

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 地質路基處，陜西 西安710000;2.陜西省地礦局 陜西工程勘察研究院，陜西西安710068)

天然水中的Sr同位素比值是環(huán)境地質、水文地質作用重要的示蹤劑。研究地下水中的Sr同位素比值(87Sr/86Sr)能夠較好的反映地下水的水巖相互作用。通過對研究區(qū)Sr同位素比值(87Sr/86Sr)的分析，能夠在一定程度上說明研究區(qū)含水系統的地下水補給、徑流、排泄特征。從而為地下工程的防治水措施及排水方案的設計提供可靠依據。本文以錦屏一級水電站壩區(qū)地下水為例，探討了天然水中87Sr/86Sr的分布特征以及水文地質示蹤意義。為壩區(qū)地下工程開挖的涌水問題中的涌水水源問題提供了較為可靠的依據。

87Sr/86Sr;地下水;錦屏一級水電站

錦屏一級水電站是雅礱江干流上的重要梯級電站，工程規(guī)模巨大，位于普斯羅溝與手爬溝間1.5 km長的河段上，壩高300 m，電站裝機容量3 600 MW，安裝6臺600 MW的水輪發(fā)電機組，引水發(fā)電系統及泄洪洞均布置在右岸，地下引水發(fā)電系統洞室群規(guī)模巨大。由于地下工程的開挖大量集中于右岸，右岸水文地質條件的分析尤為重要。

壩區(qū)主要出露的巖層為中上三疊統雜谷腦組第二段大理巖(T2－3Z2)及雜谷腦組第三段砂板巖(T2－3z3)(圖1)，從區(qū)域地層情況來看，壩址區(qū)不存在較大的深部地下水對工程的影響，主要是地下工程所處的地層中地下水及其有水力聯系的周邊的其他地下水系統對工程的影響。

圖1 三灘向斜構造示意剖面圖

1 壩區(qū)地下水Sr同位素測試結果

壩區(qū)Sr環(huán)境同位素取樣點總計13個，送中國地調局宜昌地質礦產研究所測試中心檢測，測試結果如表1。

2 87Sr/86Sr同位素分析

自然界巖石礦物中的鍶同位素組成特征并不是一定的，它隨時間在不斷的變化著。因為同位素87Rb與87Sr之間存在一個衰變過程，使得巖石礦物中的87Sr含量隨時間不斷的增加。這樣導致巖石礦物中的87Sr/86Sr比值主要受以下兩因素控制:巖石礦物中的Rb/Sr;巖石礦物的形成時間。地下水中的87Sr/86Sr比值主要受地下水流經巖石礦物的類型決定。地下水的Sr含量低，易受所流經區(qū)域巖石、礦物成分及同位素交換作用的影響。當地下水與流程中的礦物發(fā)生反應時，溶解進入水體中的Sr具有與該礦物相近的87Sr/86Sr比值，不同巖石中鍶含量有明顯差異。所以，地下水鍶同位素比值反映其補給水源、所流經區(qū)域巖石、礦物的同位素成分特征，換句話說，地下水中87Sr/86Sr比值的變化可以反映不同的環(huán)境特征。

從圖2分析得出以下結果:

1)左右岸的87Sr/86Sr值分析結果顯示:砂板巖地下水＞普斯羅溝水＞雅礱江河水＞左岸大理巖地下水＞右岸F13斷層以里大理巖地下水＞右岸F13與F14斷層之間大理巖地下水＞右岸F14斷層以外大理巖地下水＞大理巖。

砂板巖雖然沒有進行87Sr/86Sr測試，但據項目組在卡基娃水電站的研究結果，砂板巖中87Sr/86Sr值較高，均大于0.72。

左岸砂板巖裂隙水中的87Sr/86Sr值較高，主要是由于補給的砂巖裂隙水在砂巖中徑流的過程中，與砂巖接觸并與砂巖中的礦物進行同位素交換，由于砂巖中礦物的87Sr/86Sr值較高，使得砂巖裂隙水中的87Sr/86Sr值也較高。

(2)左岸大理巖中的地下水的87Sr/86Sr值較右岸大理巖裂隙水的值要高，主要是由于受左岸砂巖裂隙水的混合作用的影響，使得該區(qū)域的87Sr/86Sr值較高。

(3)普斯羅溝地表水的87Sr/86Sr值最大，為0.713 14，代表匯水區(qū)大氣降水特征，視為右岸大理巖地下水的補給水源。大理巖巖石的87Sr/86Sr值最低，為0.707～0.708 9

(4)壩址區(qū)水體與巖樣87Sr/86Sr值的相對大小排列:山坡高處地表普斯羅溝溝水＞右岸F13斷層以里大理巖地下水＞右岸F13與F14斷層之間大理巖地下水＞右岸F14斷層以外大理巖地下水＞大理巖。說明大理巖含水系統中的裂隙水在接受降水入滲補給(高87Sr/86Sr值)后，在地下徑流過程中，由于水—巖相互作用，與低含量的(87Sr/86Sr值)巖石溶解混合，使裂隙水中87Sr/86Sr含量降低。因此，地下水中87Sr/86Sr值越低反映地下水徑流較緩慢、地下水平均滯留時間長，即地下水—巖作用越強;反之，地下水中87Sr/86Sr值越高，地下水徑流較快、水循環(huán)交替迅速，平均滯留時間越短，水—巖作用越弱。

(5)廠房區(qū)大理巖裂隙水87Sr/86Sr值的特點:在第一層排水廊道地下水樣中的87Sr/86Sr比值也與F13斷層和F14斷層分布有關。F13斷層以里地下水87Sr/86Sr比值高于F14斷層以外地下水的比值(圖3)，更接近于普斯羅溝水中的87Sr/86Sr比值，這也說明F13斷層具有阻水性質。F13斷層以里受上游普斯羅溝地表水補給影響，地下水徑流較快，水循環(huán)交替迅速。下水系統，而定點取樣測試的87Sr/86Sr比值只能反映取樣時開挖條件下的地下水系統的87Sr/86Sr比值特征，而地下工程是一個動態(tài)的過程，不同的開挖條件，所對應的地下水系統特征也不凈相同。

表1 壩區(qū)水樣點Sr同位素測試結果

圖2 壩區(qū)不同地質環(huán)境下87Sr/86Sr值特征

基于此，我認為對取樣點的觀測應該要進行動態(tài)觀測，記錄不同時間斷及不同開挖情況下的流量數據，如發(fā)現流量有突變的情況，應該重新取樣進行分析，這樣才能做到真實的反映區(qū)域的地下水特征，更好的為工程服務。

3 結論

通過對壩區(qū)不同區(qū)域地下水中87Sr/86Sr比值的分析，可以較為清楚的了解到不同區(qū)域地下水以及地下水、地表水的相互影響關系。從而為不同區(qū)域開挖過程的防排水設計提供了可靠的依據。

不過，該方法在工程實際的運用過程中也存在一定的不足。由于地下水中87Sr/86Sr比值是在一定條件下穩(wěn)定的地下水系統中形成的。由于工程的過度開挖，可能破壞原有的地

［1］王大純，張人權等.水文地質學基礎［M］.北京:地質出版社.1994.

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P641.72

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2012－03－30

季 備(1984－)，男，湖北監(jiān)利人，助理工程師，主要從事水文地質，工程地質方面工作。