深州地區(qū)淺層地下水同位素組成及其指示意義

馮 欣， 高業(yè)新， 張 冰， 崔浩浩， 張亞哲

(中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所， 河北 石家莊 050061)

1 研究背景

同位素技術(shù)應(yīng)用于地下水研究，始與20世紀(jì)50年代，初期主要以人工同位素示蹤為主，利用中子、γ射線源測(cè)定土壤含水量、密度、孔隙度等。60年代以來，隨著測(cè)量技術(shù)的不斷改進(jìn)，使得該學(xué)科迅速發(fā)展而得到普遍應(yīng)用[1]，經(jīng)過幾十年的不斷研究，穩(wěn)定同位素方法特別是氫氧同位素已被證明是認(rèn)識(shí)地下水來源和演化的特有工具之一[2]。

近30余年來，隨著高精度測(cè)試方法的建立，使硼、氯同位素應(yīng)用于地球化學(xué)領(lǐng)域的方法得到了改進(jìn)和創(chuàng)新，硼同位素作為良好的示蹤劑，已廣泛用于解決地球化學(xué)過程中的許多問題，在示蹤水體特別是地下水污染物來源、受污染程度及范圍方面取得了一定研究成果[3]。

濱海區(qū)域咸水研究較為深入，國內(nèi)外學(xué)者在咸淡水界面運(yùn)動(dòng)、咸淡水驅(qū)替研究、咸水微咸水開發(fā)利用、水文地球化學(xué)模擬地下水化學(xué)環(huán)境演化等方面取得了較為豐富的研究成果[4-8]。而針對(duì)內(nèi)陸咸水區(qū)的研究較少，內(nèi)容集中在室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)和常規(guī)水化學(xué)等方面[9-10]，在應(yīng)用同位素開展內(nèi)陸淺層咸水的形成機(jī)理以及水動(dòng)力和水化學(xué)演化規(guī)律方面的研究程度較低，同時(shí)與濱海區(qū)的海侵運(yùn)動(dòng)和過度開采造成的地下水咸化相比內(nèi)陸咸水區(qū)古地理環(huán)境和古水文地質(zhì)條件及基底構(gòu)造等綜合作用是其咸水形成的內(nèi)因，二者有其本質(zhì)上的區(qū)別；因此，針對(duì)內(nèi)陸咸水區(qū)的同位素組成特征、地下水補(bǔ)給來源等問題開展研究，對(duì)合理開發(fā)利用地下水、防治地下淡水過量開采所引起環(huán)境問題具有重要的理論和實(shí)際意義。

本項(xiàng)目依托國土資源部地下水科學(xué)與工程試驗(yàn)基地-深州基地(以下簡(jiǎn)稱深州試驗(yàn)基地)，開展分層水樣采集，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料等，采用氫氧穩(wěn)定同位素及硼同位素研究了區(qū)域地下咸水、微咸水的來源及咸淡水混合比例。該研究對(duì)于掌握區(qū)域咸水特征和進(jìn)一步開展減緩咸水下移研究工作，有重要的支撐作用。

2 研究區(qū)概況

深州試驗(yàn)基地位于河北省衡水深州市東南護(hù)駕遲鎮(zhèn)南張家莊，地理坐標(biāo)：N37°54′23.0″；E115°40′44.3″，占地面積24 300 m2。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地處華北平原中部，自上而下分為5個(gè)含水組：第Ⅰ含水組底界埋深40～60 m，第Ⅱ含水組底界埋深一般為120～170 m，第Ⅲ含水組底界埋深250～350 m，含水層厚度大，顆粒粗。第Ⅳ含水組底界埋深350～450 m。第Ⅴ含水組底界埋深450～600 m。第Ⅰ、Ⅱ含水組以沖積、洪積為主，第Ⅰ含水組該的含水層間無明顯的隔水層,透水性好，水質(zhì)普遍為咸水。第Ⅱ含水組巖性顆粒較細(xì)，以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主,滲透性和富水性好于第Ⅰ含水組。第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水組以沖積、洪積和河湖相堆積作用為主，隔水層分布廣泛且厚度大。5個(gè)含水組的地質(zhì)時(shí)代分別對(duì)應(yīng)于全新統(tǒng)、晚更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、早更新統(tǒng)和新近系上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組。

主要試驗(yàn)井群位于深州試驗(yàn)基地東南角的地下水動(dòng)力學(xué)平臺(tái)中，該平臺(tái)現(xiàn)有14眼機(jī)井(圖1)，在揭露的600 m范圍內(nèi)，分布有10眼專門觀測(cè)井，4眼綜合試驗(yàn)井。本項(xiàng)目主要應(yīng)用淺部80 m范圍內(nèi)的4眼綜合試驗(yàn)井開展相關(guān)研究。試驗(yàn)井基本參數(shù)見表1。

圖1 試驗(yàn)井位置示意圖

編號(hào)水樣性質(zhì)成井/m井口直徑/mm濾水管位置/m含水層巖性成井水位埋深/m成井礦化度/(g·L-1)涌水量/(m3·h-1)X01第I含水組咸水4714630．6～39．6細(xì)+中+粗砂10．211．04．656X02弱透水層咸水5211049．5～50．7粉細(xì)砂10．910．20．22X03弱透水層微咸水6211055．8～61．8中細(xì)砂21．90．90．1356X04第II含水組頂部微咸水7214665．2～70．4細(xì)砂+粗砂30．30．82．06

3 氫氧同位素

在全球范圍內(nèi)，每年循環(huán)海洋的水蒸氣以及降水和地表徑流接近動(dòng)態(tài)平衡，只有大的氣候變化才可明顯地改變地表水、地下水和冰川水的淡水儲(chǔ)量。因此，主要受溫度控制的δD、δ18O 同位素成為有效地評(píng)價(jià)地下水來源和水流路徑的研究工具之一[11]。

隨著深度增加，研究區(qū)地下水的δ18O值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最咸處(30～40 m )咸水的δ18O為-8. 5‰～-9. 6‰，一般比當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩?8O值偏負(fù)。由δ18O-δD散點(diǎn)圖(圖2)可知，2014年相較2011年的同位素值落在降水線的右下方且明顯偏離了當(dāng)?shù)卮髿饨邓€[12]，說明該地區(qū)淺層地下水在兩個(gè)不同時(shí)期經(jīng)歷的蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)度呈現(xiàn)了的略微增大的趨勢(shì)[13]。同時(shí)可以看出，深層微咸水的氫氧同位素值與淺層咸水相比顯示出貧化特征，表明X03、X04兩含水層中的微咸水的可能并非全部來自降雨補(bǔ)給，結(jié)合區(qū)域地下水常年超采導(dǎo)致水位常年下降的情況，淺層地下水向深層含水層的越流補(bǔ)給成為其重要的補(bǔ)給方式[14]。

氫氧同位素證據(jù)顯示，研究區(qū)內(nèi)咸水和微咸水的氫氧同位素普遍偏負(fù)，其數(shù)值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值[15-16](δ18O>-7.00%、δD>-55.0%，圖2中所示的交叉點(diǎn)為海相成因咸水與大陸演化成因咸水的分界點(diǎn))。通過上述分析，在氫氧同位素方面排除了深州地區(qū)地下咸水微咸水中的鹽分來自于海水的可能。因此，在研究區(qū)離子比例分析[17]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定了地下水中的鹽分可能來源于圍巖的淋濾作用，該地區(qū)地下水為大陸鹽化成因咸水。

4 硼同位素

圖2 研究區(qū)δ18O-δD散點(diǎn)圖

試驗(yàn)井時(shí)間pHB/(mg·L-1)Cl/(mg·L-1)δ11B‰(Na/Cl)/10-2(Ca/Cl)/10-2(Mg/Cl)/10-2TDS/(mg·L-1)20117．290．68455815．9954．418．7317．901131720127．530．544398．515．8655．508．5718．3111124X0120137．240．87448517．0852．988．8217．791167320147．260．60465116．4556．968．7817．6611864均值7．330．674523．1316．3554．968．7317．9211494．5020117．300．54432417．3349．759．3218．601022720127．030．50430215．7151．528．5818．8810357X0220137．330．70461314．9652．208．1918．861075520147．340．42462816．5354．938．5017．5210842均值7．250．544466．7516．1352．108．6518．4710545．25201120127．030．05993．55．0036．6812．099．561209X0320137．170．071061．07．3536．0913．0710．22163120147．270．0911568．3636．4311．289．391710均值7．160．071070．176．9036．4012．159．721516．67201120128．450．13516．55．6854．4010．5311．291139X0420137．990．09555．856．3455．058．5411．06142920147．350．07659．807．7749．209．168．131227均值7．930．10577．386．6052．889．4110．161265．00

本項(xiàng)目的硼同位素測(cè)試由中國科學(xué)院青海鹽湖研究所完成，采用TRiton熱電離質(zhì)譜儀測(cè)定，監(jiān)測(cè)范圍(3～320)amu，分辨率450，靈敏度1/500，豐度靈敏度2×10-8。

樣品的硼同位素組成表示為：

(1)

式中：NIST951H3BO3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定值為：4.05234±0.00021(n=3,2σ)

地下水受到咸水入侵時(shí)，在混合、吸附、水巖等作用下會(huì)令硼同位素發(fā)生分餾，使得硼同位素顯著區(qū)別于區(qū)域背景值。因此，在結(jié)合水化學(xué)和其它同位素等信息情況下，硼及其同位素作為良好示蹤劑為研究水圈中物質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)過程提供了新的手段[19]。

將深州試驗(yàn)基地不同試驗(yàn)井的δ11B‰值列于表2，表2中還同時(shí)列出了地下水的pH值、TDS、氯的含量、硼的含量及主要離子比等。由表2可知，研究區(qū)咸水pH值變化范圍為7.03～7.53，微咸水為7.03～8.45，硼同位素的變化范圍在咸水中為15.71～17.33，微咸水為5～8.36。咸水δ11B‰平均值為16.24，微咸水均值6.75，其δ11B‰值介于海水(39.5‰)和陸相地下水(-3‰±5‰)之間[20]，且明顯低于海水中的δ11B‰值，因此從硼同位素含量方面也進(jìn)一步表明了該區(qū)域地下水的非海相來源。

由表2可以發(fā)現(xiàn)水中硼的富集較復(fù)雜，盡管在TDS較高的水中硼的含量較高，但硼濃度最高的水其含鹽量并不是最高的。

研究區(qū)地下水中的主要陰離子為Cl-、SO42-，陽離子以Na、K、Mg為主。不同深度不同含水層的Na/Cl、K/Cl、Mg/Cl、Ca/Cl比值也有一定的區(qū)別，圖3、圖4給出了研究區(qū)微咸水、咸水中的硼同位素組成與Na/Cl、Ca/Cl、Mg/Cl以及TDS的關(guān)系。由圖3可以看出，研究區(qū)內(nèi)微咸水含水層各數(shù)據(jù)點(diǎn)比較離散，硼同位素組成與Na/Cl、Mg/Cl及Ca/Cl均沒有明顯的相關(guān)性，硼同位素組成隨著地下水中TDS的增大而呈一定的正向相關(guān)關(guān)系。

圖3 微咸水中B與各離子比例及TDS關(guān)系圖

圖4 咸水中δ11B‰與各離子比例及TDS關(guān)系圖

研究區(qū)開展了分層監(jiān)測(cè)孔現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)聯(lián)合試驗(yàn)，并投入示蹤劑。研究結(jié)果表明，在X02、X03及X04井中均監(jiān)測(cè)到X0l井投放的示蹤劑。由此可知各含水層之間存在水力聯(lián)系，上層咸水通過一定途徑進(jìn)入下層含水層[22]。而海相與陸相來源水的硼同位素組成具有十分明顯的差別。海水的δ11B‰值穩(wěn)定在39.5‰左右，地下鹵水的δ11B‰值可達(dá)57.5‰，而陸相地下淡水的δ11B‰值一般介于-3‰±5‰之間。因此，地下淡水一旦受到咸水的污染，δ11B‰值都會(huì)明顯地升高[23]。

當(dāng)咸水與淡水混合按照不同比例混合時(shí)，在混合的初期，混合水的δ11B‰值隨咸水的摻入而急劇增加至咸水的δ11B‰值后趨于穩(wěn)定[17]。即當(dāng)只有少量的咸水混入時(shí)，即可以通過δ11B‰值的增大而判斷咸水是否混入。

圖5 δ11B‰隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖5可以看出，淺層咸水δ11B‰較穩(wěn)定，隨著時(shí)間變化程度不大，而微咸水中δ11B‰隨時(shí)間推移呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，而相應(yīng)的硼含量并未出現(xiàn)顯著增加。

經(jīng)研究表明[24]，咸水和淡水混合可由以下公式計(jì)算：

(2)

上式經(jīng)過變換整理可以得出：

F=

(3)

式中：F為咸水混合分?jǐn)?shù)；CB為各水樣濃度；δ11B為各水樣中硼同位素含量。

以2012年測(cè)得的X01井水樣δ11B‰(15.86)為咸水背景值，X03、X04井水樣為微咸水背景值，以X03、X04水樣2013、2014年測(cè)試值為δ11B‰混合值，用公式(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)年份微咸水中混入咸水比例見表3。

表3 微咸水δ11B‰混入比例統(tǒng)計(jì)表

由表3計(jì)算結(jié)果可以得出，研究區(qū)內(nèi)兩微咸水含水層咸水混入比例呈現(xiàn)逐年增加的情況，這與研究區(qū)兩含水層TDS含量及Cl-含量增加所顯示出的咸化呈現(xiàn)一致的情況。進(jìn)一步證明了研究區(qū)微咸水出現(xiàn)了一定程度的咸化情況。

5 結(jié)論與展望

(1)研究區(qū)內(nèi)氫氧同位素結(jié)果顯示，地下水在不同時(shí)期經(jīng)歷的蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)度不同，呈現(xiàn)了的增大趨勢(shì)。區(qū)域內(nèi)咸水、微咸水的氫氧同位素普遍偏負(fù)，其數(shù)值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值，進(jìn)一步證明了區(qū)域內(nèi)地下水為大陸鹽化成因地下水。

(2)地下咸水δ11B‰介于海水和陸相地下水的δ11B‰值之間，且遠(yuǎn)偏離海水δ11B‰值。微咸水含水層δ11B‰較離散，硼同位素組成隨著地下水中TDS的增大而呈一定的正向相關(guān)關(guān)系；在咸水中δ11B‰值與Ca/Cl比值有相關(guān)性，這表明咸水中的硼同位素組成受Ca離子含量的影響。

(3)研究區(qū)含水層間存在水力聯(lián)系，兩微咸水含水層咸水混入比例呈現(xiàn)逐年增加的情況，這與含水層TDS含量及Cl-含量增加所顯示出的咸化呈現(xiàn)一致的情況。進(jìn)一步證明了研究區(qū)微咸水出現(xiàn)了一定程度的咸化情況。

由于測(cè)試經(jīng)費(fèi)和測(cè)試周期較長的限制，導(dǎo)致測(cè)試樣本數(shù)目較少，不能完全確定研究區(qū)弱透水層含水層和第二含水層頂部是否被上層咸水影響，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，該兩含水層地下水呈現(xiàn)了一定的咸化趨勢(shì)，且在第二含水組頂部含水層中的咸化趨勢(shì)較為明顯。

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