地下水深循環(huán)研究進(jìn)展

陳建生，江巧寧

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

地下水深循環(huán)研究進(jìn)展

陳建生，江巧寧

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

對自然界中地下水深循環(huán)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。西藏內(nèi)流區(qū)的湖泊與河流存在滲漏,水量呈現(xiàn)出巨大的不平衡,估算每年通過滲漏流出西藏高原的地下水超過了1000億m3；與此同時(shí),中國北方的地下水也呈現(xiàn)出極大的不平衡,降水量較少的火山與裂谷地區(qū)有大量的泉水涌出形成了河流與湖泊,內(nèi)蒙古高原與東北地區(qū)的河流與湖泊在北東方向上呈現(xiàn)出串珠狀的分布。通過對長白山天池地下水補(bǔ)給源區(qū)的各項(xiàng)分析確定,補(bǔ)給天池的地下水來自于外源水,能夠同時(shí)滿足補(bǔ)給源區(qū)高程、降水同位素、滲漏等特征條件的地區(qū)只有西藏內(nèi)流區(qū)。北方地下水中的鍶、氦同位素特征關(guān)系揭示了深循環(huán)地下水與地幔玄武巖等發(fā)生了水巖反應(yīng)。貝加爾與山西裂谷地區(qū)中地殼高導(dǎo)低速層可能是深循環(huán)地下水的導(dǎo)水通道,玄武巖孔洞構(gòu)成了導(dǎo)水構(gòu)造。深循環(huán)水在火山及裂谷附近向地表排泄形成河流與湖泊,河流源頭附近的地溫梯度偏低。西藏內(nèi)流區(qū)的滲漏水通過深循環(huán)方式補(bǔ)給內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、阿拉善、華北平原、東北平原、貝加爾湖、東海、南海等地區(qū),地下水的年齡自西向東呈增加趨勢,一般在20～40 a之間。

地下水深循環(huán)；水量平衡；同位素分析；導(dǎo)水構(gòu)造；玄武巖孔洞；西藏內(nèi)流區(qū)；長白山天池

2004年陳建生等[1]在《自然》雜志上發(fā)表了地下水維系沙山景觀的文章,指出維系巴丹吉林沙漠沙山與湖泊的地下水來自于青藏高原北緣祁連山的冰川融雪,地下水可通過深大斷裂帶實(shí)現(xiàn)跨流域的補(bǔ)給。2009年6月,中國科協(xié)舉辦了第30期新觀點(diǎn)新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍——“青藏高原冰川融水深循環(huán)及其地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)”,陳建生等首次提出,地下水除了區(qū)域水文地質(zhì)循環(huán)之外,還存在著一種深循環(huán)形式,地下水在水力梯度驅(qū)動下,可以在中地殼甚至地幔孔洞型導(dǎo)水構(gòu)造中流動,青藏高原的冰川融水補(bǔ)給到了內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、阿拉善、華北平原、東北平原等東部地區(qū),除此之外,深循環(huán)地下水還補(bǔ)給了塔里木盆地、貝加爾湖、東海、沖繩海溝、雷瓊半島、南海鶯歌海盆地等[2-5]。中國北方干旱區(qū)的穩(wěn)定河流與湖泊的主要補(bǔ)給源都來自于深循環(huán)地下水,而不是區(qū)域水文地質(zhì)循環(huán)水。2013年P(guān)ost等[6]在《自然》上發(fā)表論文指出,大陸架下存在的淡水資源量為50萬km3,該水量是過去100年人類抽取地下淡水總量的100倍,這意味今后的水資源危機(jī)或?qū)⒕徍?。由此可?地下水深循環(huán)可能是一種更為重要的水循環(huán)方式,控制著更為宏觀的地下水平衡系統(tǒng)。

關(guān)于地下水深循環(huán)是真命題還是偽命題仍然存在爭議:①缺少西藏的湖泊與河流存在滲漏的水量平衡證據(jù)；①缺少北方地區(qū)地下水來自于羌塘盆地滲漏水補(bǔ)給的觀點(diǎn)的水力學(xué)證據(jù)；③經(jīng)過地幔巖漿巖深循環(huán)地下水的高溫特征；④同位素與地球化學(xué)分析具有多解性。近幾年來針對上述質(zhì)疑展開了深入的研究,獲得了大量的除了氘(D)、氧(18O)同位素之外的重要證據(jù),尤其是具有排他性的水力學(xué)證據(jù),并通過深循環(huán)理論為阿拉善右旗找到了飲用水源。隨著研究的深入,地下水深循環(huán)在地質(zhì)演變過程中的重要作用將被逐漸揭示出來,其作用范圍包括:湖泊、河流、油氣運(yùn)移、地震、成礦、黃土高原成因、沙漠、青藏高原隆升等,這項(xiàng)研究將推動地質(zhì)學(xué)大統(tǒng)一理論的發(fā)展。

1 西藏高原內(nèi)流區(qū)湖泊與河流存在滲漏

西藏高原面積120萬km2,平均海拔超過5000m,年平均氣溫低于0℃。西藏高原根據(jù)天然的分水嶺被分為內(nèi)流區(qū)與外流區(qū),內(nèi)流區(qū)被冰川與雪山包圍,冰川融水通過地表或地下徑流匯集到羌塘盆地,形成河流與湖泊。西藏內(nèi)流區(qū)的面積為61萬km2,河流稀疏短小,徑流量202億m3；西藏外流區(qū)面積為59萬km2,徑流量為4 280億m3[7]。西藏外流區(qū)是長江、黃河、雅魯藏布江、塔里木河等的補(bǔ)給源區(qū)。野外考察與衛(wèi)星遙感資料分析表明,內(nèi)流區(qū)的河流

為了尋找西藏內(nèi)流區(qū)滲漏水的排泄區(qū),筆者對青藏高原周邊地區(qū)的地下水進(jìn)行了采樣分析,通過同位素及水化學(xué)確定其補(bǔ)給源是否來自于西藏內(nèi)流區(qū)。多年的調(diào)查發(fā)現(xiàn),西藏內(nèi)流區(qū)的滲漏水在青藏高原周邊廣泛的地區(qū)都有排泄,其中內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、華北平原及東北平原是滲漏水的主要排泄區(qū)。1990年以來,河西走廊地下水的水位持續(xù)下降,張掖城區(qū)地下水的水位下降幅度超過了5m,但是2002年之后,河西走廊地下水出現(xiàn)了上升趨勢,張掖城區(qū)的地下水位也快速上升,到了2005年,城區(qū)最大的上升幅度達(dá)到8m,造成2000多戶居民被迫搬遷。研究表明,河西走廊的地下水來自于青藏高原北東斷裂帶,氦氖同位素異常表明地下水來自于深循環(huán)過程[12],滲漏水通過斷裂帶補(bǔ)給到張掖盆地,溫度上升使得融水量增加造成盆地地下水位上升[13]。塔克拉瑪干沙漠東部的臺特瑪湖,在接近干涸30 a之后,于2002年在泉水的補(bǔ)給下重現(xiàn),湖水存在滲漏,例如,昆侖山卡拉米蘭山口南坡幾十條小河流匯集成的寬度超過1 km的大型河流最終并未匯聚成一條更大的河流或形成尾閭湖,僅流經(jīng)了幾十千米便在地表消失了。通過對比分析可以看出,內(nèi)流區(qū)與外流區(qū)徑流量存在巨大的差異,徑流量相差達(dá)到21倍[8]。

西藏內(nèi)流區(qū)最大的湖泊納木錯面積約2000 km2,集水面積約1.061萬km2。對納木錯鹽分與水量的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),湖水不同位置的TDS值雖然有一些波動,但基本上保持在1.7 g/L左右,稍高于1960年前的TDS值[9]。該湖總?cè)萘繛? 280億m3,可以得到湖泊鹽分總量為0.388億t。納木錯年入湖補(bǔ)給量為18億m3,入湖河流TDS值在0.15～0.18 g/L之間。若該湖不存在滲漏,湖泊蒸發(fā)量應(yīng)該等于入湖水量,那么3萬a以來流入納木錯總鹽分的下限值為81億t,比目前湖泊中的總鹽量高出了200多倍,低鹽度表明湖泊存在滲漏[5]。周石硚等[10]在2007—2011年間,對納木錯入湖河水流量、水位、降水、蒸發(fā)等進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測與水量平衡分析,研究表明,納木錯湖存在嚴(yán)重的滲漏,滲漏量達(dá)到了120～190m3/s。由于納木錯的集水區(qū)面積僅占西藏內(nèi)流區(qū)的1.74%,還有98.26%面積的湖泊與河流的滲漏量是未知的。西藏內(nèi)流區(qū)湖水TDS在0.3～1 g/L之間的封閉湖泊有13個,總面積達(dá)到2700 km2[11],顯然,這些淡水湖泊存在著嚴(yán)重的滲漏。根據(jù)水量平衡關(guān)系估算出西藏內(nèi)流區(qū)最小的年滲漏量超過100 km3[8]。

2 青藏高原周邊地區(qū)地下水補(bǔ)給源調(diào)查

面積最大達(dá)到了300 km2,湖泊群接受地下水補(bǔ)給,湖泊重現(xiàn)的時(shí)間與河西走廊地下水位上升的時(shí)間相同[2]。2005年以來,阿拉善左旗巴彥浩特地下水位上升并溢出地表；2010年以來,烏海市海南區(qū)地下水上涌,迄今為止已經(jīng)在地表形成了諸多的水泡子。內(nèi)蒙古高原的地下水位自西向東呈上升趨勢。

成千上萬的湖泊/水泡子呈北東走向分布在內(nèi)蒙古高原與東北平原一帶,湖泊群集中分布地帶位于內(nèi)蒙古造山帶與大興安嶺,屬于歐亞板塊之間的縫合帶。大型的湖泊包括烏梁素海、岱海、黃旗海、達(dá)里諾爾湖、月亮湖等呈現(xiàn)串珠狀分布。水量平衡、環(huán)境同位素、地球化學(xué)研究證實(shí),岱海、達(dá)里諾爾湖、烏梁素海及周邊的泉水、井水的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)與當(dāng)?shù)亟邓黠@不同,研究表明,湖泊主要接受外源地下水的補(bǔ)給,外源水具有δD、δ18O貧化的特征[14-20]。

在降水量稀少的鄂爾多斯西北的烏海地區(qū)發(fā)現(xiàn)了泉群與自流井群,烏海的年平均降水量只有159.8mm,6—9月的降水量占全年的70%以上,而年均蒸發(fā)量達(dá)到3 279.7mm,約為降水量的21倍,平均日蒸發(fā)量達(dá)到了18mm,而平均日降水量只有0.4mm,平均日蒸發(fā)量是平均日降水量的45倍[21]。烏海的泉水與自流井水的δD、δ18O明顯比當(dāng)?shù)亟邓毣?現(xiàn)場模擬試驗(yàn)表明,降水不能入滲到地下水中,地下水來源于鄂爾多斯高原以外的地區(qū),降水同位素具有貧化特征,能夠同時(shí)滿足水力學(xué)與同位素特征的補(bǔ)給源區(qū)只有青藏高原[15]。中國地質(zhì)調(diào)查局經(jīng)過10多年的水文地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯是個大水盆,通過鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)得出的年補(bǔ)給量達(dá)105億m3[22]。通過對鄂爾多斯盆地的渭河、涇河、無定河、洛河等河水的同位素分析發(fā)現(xiàn),鄂爾多斯盆地的河水與泉水都接受外源地下水的補(bǔ)給,當(dāng)?shù)亟邓畬Φ叵滤旧蠜]有補(bǔ)給[14]。研究表明,深循環(huán)地下水維系了風(fēng)塵顆粒在鄂爾多斯高原的連續(xù)堆積,黃土高原的形成亦與深循環(huán)地下水有關(guān)[16]。

華北平原的降水量從西北至東南呈現(xiàn)增加趨勢,從200～800mm；但地下水的分布趨勢卻與降水量的分布完全相反,降水量較少的西北山區(qū)地下水極為豐富,而降水量偏多的東南地區(qū)地下水資源相對匱乏。華北地區(qū)每年抽取的地下水量超過20 km3,地下水曾被認(rèn)為是接受了當(dāng)?shù)亟邓稗r(nóng)業(yè)灌溉水的入滲補(bǔ)給,實(shí)際上,主要抽取的地下水為深層承壓水。以衡水地區(qū)的含水層為例,目前揭露的含水層為5層,潛水的TDS大于或等于9 g/L,而以下4層承壓水的TDS小于1g/L,高鹽分的潛水顯然不可能是低鹽分承壓水的補(bǔ)給源。承壓水的δD、δ18O比當(dāng)?shù)亟邓募訖?quán)平均值貧化,這表明華北平原的地下水主要來自于羌塘盆地的外源水[8],地下水的循環(huán)周期大約為30 a[23]。

3 東部地區(qū)火山玄武巖地下水的來源

自20世紀(jì)70年代起,在地礦部賈福海院士領(lǐng)導(dǎo)下,開展了新生代玄武巖地下水的研究。調(diào)查發(fā)現(xiàn),長白山、黑龍江、嫩江、五大連池、達(dá)里諾爾、遼寧寬甸、河北平泉等火山玄武巖地區(qū)地下水極為豐富,認(rèn)為新生代玄武巖地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄方式完全不同于孔隙水、裂隙水與巖溶水,屬于一種特殊類型的地下水[24]。新生代玄武巖中的熔巖隧道、孔洞與孔隙發(fā)育,90%以上的孔洞、孔隙與微孔隙是相互連通的[25]。在大面積新生代玄武巖臺地分布地區(qū),往往出現(xiàn)較大和特大泉水,泉水在枯水季節(jié)的絕對流量仍然很大。

長白山火山屬于新生代,最早噴發(fā)于新近紀(jì)中新世,經(jīng)上新世和更新世直至全新世[26]。長白山區(qū)的徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他非火山玄武巖地區(qū),多年平均流量為310億m3,占吉林省全省的87%,呈現(xiàn)出高度不對稱的分布特點(diǎn)[27]。長白山天池火山錐體最高峰海拔2750m,錐體頂部的破火山口湖即長白山天池的湖面海拔2 189.7m,南北長4.4 km,東西寬3.37 km[28]。天池湖面20 m以下水溫在3.5～4℃之間,但靠近將軍峰的水溫達(dá)到10℃,存在一處不凍水面,表明補(bǔ)給天池的地下水為冷水,地下水年補(bǔ)給天池的水量為0.252億m3,占天池總水量的65%[29]。補(bǔ)給天池的地下水屬于大氣降水,地下水年齡為40 a[30]。在天池火山錐體的玄武巖階地上,還發(fā)育著眾多的呈放射狀分布的河流,松花江、圖們江與鴨綠江都發(fā)源于此[31]。長白山天池及其周邊地區(qū)的降水量與徑流量呈現(xiàn)出極大的不平衡,總排泄量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量,接受外源水補(bǔ)給[32]。

由于同位素具有多解性,所以,地下水深循環(huán)的同位素證據(jù)受到了強(qiáng)烈的質(zhì)疑。因此,要證實(shí)地下水存在深循環(huán)過程,必須找到水力學(xué)證據(jù)。地下水存在跨流域補(bǔ)給的水動力學(xué)證據(jù)來自于長白山天池,由于天池地下水的補(bǔ)給源區(qū)的高程必須高于2200m,天池周邊1 300 km范圍內(nèi)找不到符合高程條件的補(bǔ)給源區(qū),地下水的補(bǔ)給源區(qū)應(yīng)該在更遠(yuǎn)的區(qū)域。擴(kuò)大尋找范圍,海拔高于2200m的區(qū)域包括青藏高原、五臺山、秦嶺、六盤山、賀蘭山等地區(qū),但除了青藏高原的湖泊河流存在滲漏外,其他高程大于2200m地區(qū)的面積較小,基本上沒有河流與湖泊發(fā)育。通過同位素對比分析發(fā)現(xiàn)[32],只有羌塘盆地降水的D、18O同位素與長白山等北方地區(qū)的相似,這就是說,只有羌塘盆地滿足了補(bǔ)給源區(qū)所必備的條件。

4 巖石圈導(dǎo)水構(gòu)造形成機(jī)制

眾所周知,歐亞大陸板塊是由很多的小板塊拼接而成的,在西藏高原與長白山之間跨越了祁連山、阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、內(nèi)蒙古造山帶、華北地塊、興安地塊等,這些地塊之間的相對運(yùn)動持續(xù)到今。考慮到五大連池火山噴發(fā)是在公元1719—1721年,距今只有短短的270多a,由此看來,巖石圈中地下水深循環(huán)導(dǎo)水構(gòu)造形成的時(shí)間不會很長。巖石圈中的導(dǎo)水構(gòu)造與近代的火山活動有關(guān),“巖漿”與“水”具有完全不能相容的兩種屬性,但二者卻匪夷所思地聯(lián)系到了一起,地下水在巖漿中開辟出了最為捷徑的通道。研究發(fā)現(xiàn),火山玄武巖中存在著大量相互連通的導(dǎo)水孔洞,地下水正是從這些孔洞中涌出[24-33]。連通青藏高原與東部地區(qū)的地下水深循環(huán)通道應(yīng)該位于火山巖中,印度板塊在與歐亞大陸板塊的碰撞過程中引起的巖漿活動范圍包括青藏高原及其東部地區(qū)[34],沿著縫合帶出現(xiàn)了一系列的火山噴發(fā),巖漿活動將高原與平原聯(lián)系起來,火山停息后,未噴發(fā)出的巖漿快速冷卻成孔洞型玄武巖,形成了深循環(huán)導(dǎo)水構(gòu)造,如圖1所示(根據(jù)文獻(xiàn)[34]圖5修改)。

圖1 印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞引起巖漿活動及火山噴發(fā)

如果地下水深循環(huán)是客觀存在的事實(shí),那么在巖石圈中必然存在著集中導(dǎo)水的通道,這些通道應(yīng)該具有高導(dǎo)電性與低密度,應(yīng)該符合高導(dǎo)低速的地球物理特征。大地電磁測深表明,青藏高原到河西走廊、內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、太行山、大興安嶺一帶的斷裂帶或縫合帶中存在連續(xù)的高導(dǎo)層[35]。羌塘中部地區(qū)則廣泛分布了低速物質(zhì),大范圍的Sn波缺失[36]。存在強(qiáng)烈滲漏的納木錯湖位于嘉黎斷裂上,嘉黎斷裂帶電性顯示為高導(dǎo)性質(zhì),連續(xù)的高導(dǎo)性延伸到100 km以下,中間存在陡直向地幔延伸的低阻通道,電阻率10～16Ω·m[37]；羌塘盆地的高導(dǎo)低速結(jié)構(gòu)從10 km延伸到400 km,電阻在10～30Ω之間[38-40]。羌塘盆地所有的高導(dǎo)層都與火山裂谷、斷裂帶相通,而這些裂谷與斷裂帶往往與河道或斷陷湖泊有密切聯(lián)系[41]。西藏高原滲漏水接近垂向地進(jìn)入地幔,在東部地區(qū)排出地表,地下水深循環(huán)造成導(dǎo)水構(gòu)造附近的溫度大幅度降低,西藏巖石圈成為“冷幔熱殼”,而東部巖石圈成為“冷殼熱?！?。

山西裂谷和貝加爾裂谷分別存在兩個高導(dǎo)層,第一高導(dǎo)層在中地殼,第二高導(dǎo)層在上地幔,高導(dǎo)層在裂谷處都出現(xiàn)了上隆,山西裂谷中地殼(15～20 km)高導(dǎo)層的電阻率為4～18Ω·m,上地幔(55～80 km)高導(dǎo)層的電阻率為6～9Ω·m[42]。中地殼與地幔高導(dǎo)層中的流體可能是液態(tài)水或超臨界流體(SCF),當(dāng)溫度和壓力達(dá)到374.15℃和22.1MPa時(shí),液態(tài)或氣態(tài)的水都變成為超臨界態(tài)水(SCW),超臨界態(tài)水萃取溶蝕了巖石中的鐵、鎂等元素,形成超臨界流體,超臨界流體也具有高導(dǎo)特性[43]。如果兩層高導(dǎo)層都是超臨界流體,那么中地殼高導(dǎo)層的電阻率應(yīng)該遠(yuǎn)大于地幔高導(dǎo)層,因?yàn)槌R界流體的導(dǎo)電性與離子積相關(guān),壓力、溫度越高,離子積越大,導(dǎo)電性能越強(qiáng)。如果中地殼與地幔高導(dǎo)層中的流體都是超臨界流體,由于地幔的溫度、壓力比中地殼更高,于是地幔高導(dǎo)層的電阻率應(yīng)該比中地殼高導(dǎo)層更低。但實(shí)際上,地幔與地殼高導(dǎo)層的電阻率的差異不是很大,由此可知,至少中地殼高導(dǎo)層中應(yīng)該是流動的液態(tài)水,因?yàn)橹挥辛鲃拥乃拍鼙３值蜏氐男再|(zhì)。據(jù)此推斷,山西裂谷與貝加爾裂谷都應(yīng)該是地下水集中排泄的區(qū)域。

Afanasjev根據(jù)水量平衡提出了貝加爾湖中存在地下水的補(bǔ)給,1901—1955占總量的5% (3.12 km3/a),1901—1976占總量的4.3%[44]。補(bǔ)給貝加爾湖河流同位素的加權(quán)平均值δ18O為-15.5‰、δD為-117‰,降水的加權(quán)平均值δ18O為-13.3‰、δD為-103‰；降水與河流輸入湖同位素的加權(quán)平均值δ18O為-15.2‰、δD為-116‰；而湖水的同位素值δ18O為-15.8‰、δD-123‰,比入湖水貧化[45],同位素關(guān)系表明,更加貧化的地下水補(bǔ)給到了貝加爾湖,西藏內(nèi)流區(qū)河流的滲漏水符合補(bǔ)給源區(qū)同位素貧化特征。Mats等[46]發(fā)現(xiàn)貝加爾湖底附近的平均流速達(dá)到5 cm/s,并沒有觀測到入湖的低溫河水迅速沉入底部的現(xiàn)象,更多的觀測結(jié)果是底部低溫水向上的對流運(yùn)動；上述現(xiàn)象表明,貝加爾湖接受深循環(huán)地下水的補(bǔ)給,補(bǔ)給湖泊的導(dǎo)水通道很可能就是高導(dǎo)低速層。

圖2 北方降水、河流、泉水、井水及西藏湖泊的δD-δ18O關(guān)系

全世界最大的泉群出現(xiàn)在降水量只有500mm的山西裂谷地區(qū),遙感研究表明,太行山區(qū)強(qiáng)巖溶發(fā)育的徑流帶都是沿著裂谷方向分布,巖溶泉常出露于斷陷盆地邊緣與斷裂帶附近,構(gòu)造控制著巖溶分布及泉群發(fā)育,灰?guī)r裸露區(qū)透水性強(qiáng)[47],這表明巖溶發(fā)育與地下水有關(guān)。僅太行山南部一帶巖溶泉的數(shù)量就十分可觀,其中天然流量在1m3/s以上的大泉約60個,其流量超過了200m3/s[48]。泉群集中在降水量較低的地區(qū)顯然不符合常理,泉群的出現(xiàn)可能與山西裂谷中的高導(dǎo)低速層有關(guān)。羌塘盆地雙湖地區(qū)鉆孔揭露了石灰?guī)r中巨大的溶洞群,在鉆孔過程中出現(xiàn)了井漏[49],溶洞顯然是在滲漏水的溶蝕下形成的。調(diào)查發(fā)現(xiàn),山西裂谷地區(qū)發(fā)源的汾河、沁河、桑干河、滹沱河等河流的穩(wěn)定補(bǔ)給源都來自于泉水,通過對泉水、河水與當(dāng)?shù)亟邓摩腄-δ18O關(guān)系分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)亟邓皇侨难a(bǔ)給源,泉水來自于同位素更為貧化的外源水地區(qū),外源水的同位素特征與西藏羌塘盆地的地表水相同[32],如圖2所示。這就是說,山西裂谷泉群附近沉積的巖溶有可能是來自于羌塘盆地的石灰?guī)r。

5 地下水與降水同位素分析

北方地區(qū)降水與地下水、泉水、河水中的δD、δ18O值存在明顯差異,長白山天池地下水的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)落在全球雨水線(GMWL)上(參見圖2),顯然來自于大氣降水,但是與東北地區(qū)(長春、錦州、哈爾濱、齊齊哈爾)降水同位素的加權(quán)平均值存在明顯差異,排除了長白山本地降水入滲補(bǔ)給的可能性。另外,北方地區(qū)(張掖、蘭州、銀川、石家莊、太原、天津、包頭、西安、鄭州)降水加權(quán)平均值的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)分布在GMWL的右邊,如果地表水或地下水來自于北方降水,則δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)應(yīng)該沿著蒸發(fā)線EL1分布,但在圖2中,北方降水線EL1附近的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)很少,這表明北方地下水與地表水的主要補(bǔ)給源并非來自于當(dāng)?shù)氐慕邓?由于北方降水同位素比東北地區(qū)的降水還要富集,所以,海拔高于2200m的北方地區(qū)不可能是長白山天池及東北地下水的補(bǔ)給源區(qū)。通過對比發(fā)現(xiàn),東北及北方地區(qū)地下水、泉水與河水的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)落在EL2蒸發(fā)線附近,EL2與GMWL的交點(diǎn)正好是長白山天池地下水的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)所在位置,這表明北方地區(qū)地下水與地表水的補(bǔ)給源區(qū)是相同或相近的,與西藏湖泊的δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)落在了相同的區(qū)域內(nèi),所以,降水δD-δ18O關(guān)系點(diǎn)滿足北方地下水來自于西藏內(nèi)流區(qū)河流、湖泊補(bǔ)給的條件。

如果地下水經(jīng)過了地殼或上地幔巖石圈的深循環(huán),則巖石圈中的氦將溶于地下水中,所以氦可用來作為地下水的示蹤劑。大氣的3He/4He比值Ra=1.4 ×10-6,由于地殼中富集鈾、釷,它們可衰變產(chǎn)生4He,所以陸殼具有較低的比率(3He/4He為0.01Ra),而虧損地幔(MORB)具有高比值(8±1)Ra[50]。對于R/Ra＞1的地下水而言,地下水中存在來自地幔的3He。長白山泉水(14個樣)的R/Ra值在3.91～6.32之間,均值為5.61,五大連池泉水(9個樣)的R/Ra值在1.46～4.55之間,均值為2.88[51]。五大連池火山巖(7個樣)包裹體中R/Ra均值為4.61[52],接近泉水值,而在松遼盆地火山巖包裹體(37個樣)中的R/Ra范圍在0.2～5.24之間,均值為1.79[53],明顯小于火山巖泉水。由于地殼及沉積地層中的R/Ra值遠(yuǎn)小于1,如果泉水經(jīng)過了地表沉積層,水中的R/ Ra值將受到混染。由此也可以判斷,東部火山地區(qū)的泉水經(jīng)歷了地?；鹕綆r地層。典型例子來自于渾善達(dá)克沙漠的錫林河,錫林河發(fā)源于沙漠腹地的火山口,河水的R/Ra為1.265,明顯具有幔源性質(zhì),δD-δ18O關(guān)系確認(rèn)河水的補(bǔ)給源為貧化的外源水,據(jù)此判斷,外源水經(jīng)過了孔洞型火山玄武巖導(dǎo)水構(gòu)造。

水中的87Sr/86Sr可以用來判定地下水是否經(jīng)過了地幔循環(huán),由于鍶同位素不發(fā)生分餾,大氣降水中的87Sr/86Sr比值接近海水(0.709073),降水入滲巖石圈后,巖石中的鍶溶入水中,富集的87Sr來自于風(fēng)化地殼,而貧乏的87Sr來自于地幔[54]。地下水中的87Sr/86Sr比值自西向東逐漸減小。西藏河流中的87Sr/86Sr比值自西南向東北逐漸增加,藏南河流中的比值最小達(dá)到0.705 534[55]。五大連池泉水87Sr/86Sr比值在0.70644～0.70798之間,平均值為0.7068171,而含水介質(zhì)的87Sr/86Sr比值在0.71180～0.71751之間[56]。長白山火山玄武巖中(8個樣)的87Sr/86Sr比值在0.704 95～0.710 387之間,均值為0.705786[57]；長白山發(fā)源的河水中的87Sr/86Sr比值(18個樣)在0.706 029～0.708061之間,均值為0.707252 7,河水的87Sr/86Sr比值略高于火山巖的均值。降水的87Sr/86Sr為0.709,如果長白山的地下水來自于大氣降水的補(bǔ)給,那么地下水的87Sr/86Sr比值低于0.709只有兩種可能性,其一,混入了其他來源低87Sr/86Sr比值水——地幔水(0.705786)；其二,入滲降水經(jīng)過了地幔巖漿巖,巖漿巖中低值的鍶被溶解進(jìn)入到地下水中。因?yàn)檠a(bǔ)給天池的地下水為低溫性質(zhì),不可能是地幔水,第一種可能性被排除,表明補(bǔ)給天池的地下水可能是來自于羌塘盆地的降水,在流經(jīng)玄武巖孔洞的過程中發(fā)生了水巖反應(yīng),地幔巖漿巖中的鍶融入了地下水中。松遼盆地含水層介質(zhì)巖樣的87Sr/86Sr比值在0.70652～0.71324之間,均值為0.709 67；而深層地下水87Sr/86Sr比值在0.70662～0.70704之間,低于地殼含水層介質(zhì)。這表明水巖反應(yīng)主要發(fā)生在地幔物質(zhì)中,地下水更多地受到高濃度低比值(87Sr/86Sr)火山地?zé)崴柔Ｔ此难a(bǔ)給[58]。

鄂爾多斯盆地的河水氚值在7～27 TU之間,平均氚值17.2TU；泉水氚值在2～55TU之間,平均氚值13.7 TU[59]；地下水的CFCS年齡主要集中在20～40 a之間[60]。阿拉善沙漠地下水的年齡在20～30 a之間[1,61],太行山東部地區(qū)地下水的年齡大于30a[23],采用氚測定的長白山地下水年齡約40a[30]。東北三江平原的淺水年齡大于40 a[62]。北方地下水的年齡自西向東呈增大趨勢,符合深循環(huán)地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄特征。

6 阿拉善找水取得的突破

位于內(nèi)蒙古高原的阿拉善右旗自建旗以來始終沒有找到生活水源,人畜飲水非常困難。阿拉善是一個古老獨(dú)立的板塊,全區(qū)內(nèi)廣泛分布的花崗巖多集中于早二疊世[63],野外考察發(fā)現(xiàn),在阿拉善沙漠中存在第四紀(jì)火山,大部分的火山口被沙山掩埋。如果維系沙山的地下水來自火山通道,那么,在部分沙山中可能存在涌水的火山口,類似于長白山、五大連池等火山巖地區(qū)。新生代以來的巖漿活動將阿拉善花崗巖基底隆起,火山噴發(fā)停息后,地下水通過火山通道中的玄武巖孔洞涌入到火山口中形成火山湖,風(fēng)塵顆粒在火山湖中沉積形成了沙山,從火山口中涌出的水經(jīng)過潛流進(jìn)入到盆地中。通過沙山周圍的火山巖碎屑、根管結(jié)核、鈣質(zhì)膠結(jié)及沙山頂部附近的植被發(fā)育,判斷出沙山中存在著導(dǎo)水的火山口,鉆孔揭示出的沙山與盆地的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 阿拉善右旗沙山中的火山口構(gòu)造及深循環(huán)地下水排泄示意圖

根據(jù)深循環(huán)理論布置了勘探孔,8個鉆孔都分布在疑似存在火山口的沙山周圍,地貌特征見圖3,在盆地中都找到火山巖碎屑與根管結(jié)核,符合深循環(huán)特征。鉆孔揭示盆地的沉積物主要為風(fēng)化的花崗巖顆粒,顆粒沒有經(jīng)過磨圓過程,距離沙山越近顆粒越粗,盆地表面的風(fēng)積沙厚度在0～2m之間,平均小于1m。8個水源井的深度分別在90～260m,水位埋深30～120m,井間距最近的為0.9 km,最遠(yuǎn)的相距45 km。每一口井都位于一個獨(dú)立的小盆地,8口井的靜水位高程分布在1215.5～1298m之間,井水位之間錯落無序,最東邊(1 215.5m)與最西邊(1218.5m)是兩個最低值。抽水試驗(yàn)表明,8口井總水量接近1萬m3,其中有3口井的涌水量達(dá)到80m3/h,盆地與盆地之間沒有水力聯(lián)系,也不符合斷裂帶導(dǎo)水特征。地下水具有較高的水溫(18～19℃),其中含有大量的13C富集的CO2氣體,符合深循環(huán)特征；地下水的TDS在0.6～1.7 g/L之間,其中6口井的TDS小于或等于1g/L,達(dá)到了富鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn),TDS小于或等于1 g/L的優(yōu)質(zhì)水源位于井群中部。地下水中的δD、δ18O貧化,符合青藏高原地表水特征,與當(dāng)?shù)亟邓嬖诿黠@差異,氚測定的地下水年齡大約為50 a。示蹤測井證實(shí),補(bǔ)給盆地的地下水來自于沙山中的火山口。

7 討 論

通過上述分析可知,鄂爾多斯、華北平原、內(nèi)蒙古高原、東北平原等地的地下水的補(bǔ)給源不是當(dāng)?shù)氐慕邓?在這些串珠狀的河流與湖泊的下部可能存在著導(dǎo)水通道,巖石圈中的高導(dǎo)低速層可能就是遠(yuǎn)距離輸水的導(dǎo)水通道。地溫梯度較低的地區(qū)主要分布在華北平原、鄂爾多斯、內(nèi)蒙古高原、青藏高原北緣一帶,河流與湖泊的源頭都屬于低溫帶,例如,渭河、涇河、桑干河、永定河、洛河、西拉木倫河、灤河、滹沱河、陡河、大沙河等河流源頭的地溫梯度在7.1～13.0℃/km之間,遠(yuǎn)低于30℃/km的平均地溫梯度[8]。

研究表明,在深循環(huán)通道的形成演變過程中,玄武巖孔洞曾被超臨界態(tài)水強(qiáng)烈的萃取溶蝕,而且還經(jīng)歷了從高溫到低溫的降溫過程。孔洞構(gòu)造中大量的鐵、鎂、錳等被超臨界態(tài)流體萃取帶出,在地表附近成巖、成礦,被溶蝕的孔洞逐漸發(fā)展成為導(dǎo)水通道。研究發(fā)現(xiàn),在地下水豐富的內(nèi)蒙古高原一帶存在熱液礦藏與白云巖,在熱液礦藏中存在淡水白云巖,表明熱液經(jīng)歷了從高溫到低溫的過程[64-65]。北方地下水豐富的地區(qū),廣泛分布著紅色風(fēng)化殼；六盤山南邊發(fā)現(xiàn)了最早的紅土,從0.22億～0.62億a的紅土呈現(xiàn)連續(xù)的堆積[66],但在空間上為點(diǎn)狀或帶狀分布,例如,分布在火山口附近,河流或湖泊附近。青藏高原曾經(jīng)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,但是在羌塘盆地的鉆探中僅發(fā)現(xiàn)瀝青脈或干瀝青,在蓋層完好的情況下,流動的油氣缺失了[49]。但在大慶、新疆、鄂爾多斯等油氣藏研究中卻發(fā)現(xiàn)了來自地幔的物質(zhì),在瀝青包裹體中檢測到了來自地幔的錸、鎳、釩等成分,錸被公認(rèn)為地球核幔成分,瀝青包裹體中的釤釹同位素得出,這些來自地幔的深部物質(zhì)可能與大陸高原玄武巖有關(guān)[67-69]；石油、瀝青中的鉛、鍶、釹同位素示蹤與定年則顯示原油特別是甲烷與氫氣均具有深源特征,這表明,砂巖型鈾礦的沉淀與成礦是由于深部油氣的還原作用所造成的[70]。

8 結(jié) 語

研究證實(shí),地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄形式除了區(qū)域水文地質(zhì)水循環(huán)之外,還存在著一種深循環(huán)形式——地下水經(jīng)過中地殼或上地幔巖石圈中的導(dǎo)水構(gòu)造實(shí)現(xiàn)跨流域循環(huán)。根據(jù)水量平衡估算出的深循環(huán)水量超過100 km3,深循環(huán)水成為北方地區(qū)的地下水、河流、湖泊及海溝中的上升泉的主要補(bǔ)給源。西藏內(nèi)流區(qū)的滲漏水自西向東排泄,循環(huán)周期一般為20～40 a。

地下水深循環(huán)究竟是真命題還是偽命題的問題曾在學(xué)術(shù)界引起了爭議,質(zhì)疑的焦點(diǎn)聚集在北方地區(qū)地下水的δD、δ18O具有多解性。調(diào)查發(fā)現(xiàn),長白山周邊1300 km之內(nèi)的地表高程都低于天池水位,符合補(bǔ)給源區(qū)所有條件的僅有西藏內(nèi)流區(qū)。在山西與貝加爾裂谷地區(qū)中地殼與上地幔低電阻率層的存在提供了低溫地下水在中地殼中循環(huán)的可靠證據(jù)。東北地下水與河水的87Sr/86Sr比值遠(yuǎn)低于降水值,低的鍶同位素比值意味著地下水與地幔巖漿巖發(fā)生了水巖反應(yīng)。白云巖化與紅土堆積都表明深循環(huán)地下水經(jīng)歷了從高溫到低溫的過程,含有鎂、鐵等的熱液礦物都來自于超臨界態(tài)水萃取的地幔物質(zhì)。

羌塘盆地的滲漏水經(jīng)過深循環(huán)通道輸送到了鄂爾多斯、華北、東北、貝加爾湖、東海、南海等地區(qū),所以,西藏地區(qū)降水量、冰川、凍土層的增加與減少,都將影響到未來北方干旱區(qū)的生態(tài)與環(huán)境。地下水深循環(huán)的方式的發(fā)現(xiàn)表明,我們對北方等地區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄的認(rèn)知程度還較低,許多相關(guān)的地質(zhì)學(xué)問題都與地下水的深循環(huán)過程有關(guān),目前所揭示的地下水深循環(huán)過程僅是冰山一角。

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Research progress of ground water deep circulation

CHEN Jiansheng,JIANG Qiaoning (School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The research progress of ground water deep circulation was summarized.In the inner flow area of Tibet Plateau,the water resources presenta huge imbalance,lakes and rivers have a strong leakage.The annual leakage ofwater is estimated to exceed 1 012m3.Meanwhile,the groundwater in northern China is also showing a great imbalance.The volcano or rift valley areas,where the precipitation is very small,have a large number of springs gushing out into the rivers and lakes.Rivers and lakes in Inner Mongolia Plateau and Northeast China are beaded distribution in the north-east direction.By analyzing the groundwater supply source of Tianchi Lake in Changbai Mountains,it is determined that themain source of groundwater is from outside regions.The only area which can meet the altitude,isotope signature and others features like leakage at the same time is the inner flow area of Tibet plateau.Isotope signature of strontium and helium of groundwater in Northern China reveal the water rock interaction occurring between the deep-circle groundwaterandmantle basalt.The high-conductivity and low-velocity layer in Baikal and Shanxi Rift Valley may be deep-circle groundwater pathways,wherein the basalt porous is conveyance structure.Deep-circle groundwater flowed out from the volcano and rift valley areas,springing water flowed into rivers and lakes.The geothermal gradient in the river source region is lower than the normal value.The leakage water of inner flow area of Tibet Plateau through the deep circulation transport to Inner Mongolia Plateau, Ordos,Alashan,North China Plain,Northeast China Plain,Lake Baikal,the East China Sea,South China Sea, etc.The age of groundwater is increasing,from west to east,generally between 20～40 a.

deep-circle groundwater；water balance；isotope signature analysis；conveyance structure；basalt porosity；inner flow area of Tibet Plateau；Tianchi Lake of ChangbaiMountains

P641.2

：A

：1004 6933(2015)06 0008 10

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.002

2015 08 20 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(51578212)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB417005)

陳建生(1955—),男,教授,博士,主要從事地下水深循環(huán)研究。E-mail:jschen@hhu.edu.cn