同位素技術(shù)在地下水起源研究中的應(yīng)用

楊雪娟， 王成龍， 王俊杰

（河北省地礦局 水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050016）

自然界中的化學反應(yīng)、不可逆反應(yīng)、蒸發(fā)作用、擴散作用、吸附作用、生物化學反應(yīng)等過程都能引起同位素分餾，這種分餾作用可造成不同環(huán)境下的同位素含量產(chǎn)生差異.因此，可根據(jù)同位素的含量特征分析其來源.對于氫氧穩(wěn)定同位素來說，蒸發(fā)和凝結(jié)是引起同位素分餾的重要因素.一般來說，由于蒸發(fā)和凝結(jié)所造成的同位素分餾，往往使氣相富集于較輕的同位素，而液相和固相富集于較重的同位素.大氣水的氫、氧同位素組成呈有規(guī)律的變化：從赤道到高緯度地區(qū)、從海洋到大陸內(nèi)部、從低海拔到高海拔地區(qū)，重同位素的虧損依次遞增，構(gòu)成所謂的緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)、高度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)、降水量效應(yīng)等.這是由于水在蒸發(fā)、凝聚過程中的同位素分餾293效應(yīng)造成的，蒸發(fā)時輕同位素優(yōu)先汽化，凝聚時重同位素優(yōu)先液化，隨著蒸發(fā)、凝聚過程的不斷進行，輕同位素逐漸增加［1］.研究表明，北京采育和風河營兩地水的氚值隨地下水埋深的增大而減小，淺層到深層水的氚濃度迅速降低，這說明深層地下水的年齡較大，屬于“老水”，而淺層地下水較為年輕［2］.西藏地熱水的氫、氧同位素含量也表現(xiàn)出類似的規(guī)律［3］.本文利用石家莊地區(qū)的地下水資料研究不同地下水環(huán)境中氫同位素D和氧同位素18O的含量特征，以分析石家莊地區(qū)地下水的起源.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于石家莊市區(qū)及周圍縣市，在河北省中南部、太行山東麓、華北平原西緣.地貌類型為山前沖洪積傾斜平原，地面高程45m～85m.屬北溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，四季分明.平均氣溫為11.8℃～13.3℃.溫度年內(nèi)變化明顯，一月平均氣溫為－2.7℃；七月平均氣溫為20.5℃～26.9℃.1970－2003年多年平均降水量為495.7 mm.年內(nèi)降水量分配不均，多集中在7－9月，約占年降水量的70%.多年平均水面蒸發(fā)量為1972 mm.本文的研究對象為地下水，主要集中在深層（埋深＞1000m）基巖地下熱水和第四系的淺層（埋深＜100m）地下熱水.

2 資料收集

近幾年，我們在石家莊地區(qū)做了大量的工作.收集的資料主要來自以往的工作成果.共收集了28份水樣，包括雨水、地表水和地下水.其中，地下水的取樣巖層為館陶組、中生界、下古生界和中上元古界.取樣位置主要分布在石家莊市區(qū)附近的縣市.其中，1號水樣來自無極、藁城2000m以下的深層含水層中的基巖地下水（三組數(shù)據(jù)），水溫在40℃～50℃.8號至11號水樣取自埋深1000m以上的基巖地下熱水，水溫在60℃～90℃.24號水樣為石津渠地表水.25號和26號取自雨水.其他編號的取水水樣來自不同深度的地下水.28份水樣的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

表1 石家莊地區(qū)地下水中同位素含量特征表 ／‰

3 數(shù)據(jù)分析

大氣水同位素組成的另一特點是δD和δ18O之間有明顯的線性關(guān)系，表達式為：δD＝8δ18O＋10，它被稱為雨水線方程或Craig方程.方程中的斜率反映同位素平衡條件下水氣二相中氫、氧同位素富集系數(shù)之比，而截距則反映氣相中氫、氧同位素組成的絕對值之差.由于溫度及過程進行程度不一，各地區(qū)水的氫、氧同位素組成有時并不嚴格服從Craig方程，但原則上方程的斜率可用特定溫度下大氣水凝聚過程中同位素平衡交換結(jié)果來解釋.截距則包含了動力分餾結(jié)果，它是由同位素的質(zhì)量差、溫度、環(huán)境等諸因素決定的.當大氣降水經(jīng)深部循環(huán)加熱后，其δD值和緯度效應(yīng)一致，δ18O值則變化較大，偏向更大值.這種氧同位素和大氣降水值的漂移取決于水的溫度、圍巖的δ18O值和水巖交換作用中水、巖的比值等因素.

將表1中28份水樣的氫氧同位素進行對比分析，在圖1中標記結(jié)果，圖中的直線為克雷格降水線.由圖1可知，第三系熱水與基巖熱水中氫氧同位素的比值落在克雷格降水線下方，距降水線較近.根據(jù)前人的研究成果（如西藏地熱水中氫氧同位素的研究），深層地下熱水中氫氧同位素的比值應(yīng)位于克雷格降水線下方.第四系地下熱水中氫氧同位素的比值主要分布在克雷格降水線兩側(cè)，且與雨水和地表水較接近，表明其地下水是較新的水，主要靠降水和地表水來補給.綜合上述內(nèi)容可知，地下熱水中氫氧同位素的比值主要分布在克雷格降水線下方，上第三系熱水的δ18O值和δD值都較小，且與克雷格降水線較接近，說明該地下水可能為古降水，封閉性較好.下第三系熱水中氫氧同位素的比值位于克雷格降水線下方，且δ18O值偏大，說明其形成與圍巖的相互作用有關(guān).基巖熱水的δD值較小，表明基巖熱水是較古老的水，這可能與其封閉性有關(guān)，該區(qū)的基巖地熱水的封閉性好.

圖1 水中氫氧同位素相關(guān)圖

4 結(jié)論

地下水中的氫氧同位素含量受環(huán)境的影響表現(xiàn)出一定的特點.通過對石家莊地區(qū)地下水中氫氧同位素的分析研究可以看出，地下水中氫氧同位素比值主要分布在克雷格降水線下方.淺層的地下熱水中氫氧同位素含量與地表水、降水的氫氧同位素含量較為接近，說明其主要來源于大氣降水.深層地下熱水中的氫同位素氚的含量較低，表明其來源于古降水，其存在的環(huán)境較為封閉；氧同位素含量較高的古地下熱水說明其水巖相互作用較強，經(jīng)歷了長距離的運移和深循環(huán)，經(jīng)高溫高壓與圍巖發(fā)生了交換.

在進行地下水開發(fā)的過程中，研究氫氧同位素的含量特征并分析其來源，對于開展地下水的開發(fā)與利用具有重要意義.氫同位素氚的含量較低，表明地下水是較為封閉環(huán)境下的地下熱水，而氧同位素含量高的地下熱水的水巖相互作用較強，開發(fā)利用這種封閉環(huán)境中的地下熱水具有重要意義.氫氧同位素含量與地表水或雨水較為接近時，說明其存在的環(huán)境較為開放，補給較為充足.

［1］劉存富.環(huán)境同位素水文地質(zhì)基礎(chǔ) ［M］.武漢：武漢地質(zhì)學院水文地質(zhì)教研室，1984：21－27.

［2］劉鋒，李延河，林建.北京永定河流域地下水氫氧同位素研究及環(huán)境意義 ［J］.地球?qū)W報，2008，29（2）：161－166.

［3］鄭淑惠，張知非，倪葆齡，等.西藏地熱水的氫氧穩(wěn)定同位素研究 ［J］.北京：北京大學學報：自然科學版，1982，（1）：5－6.