喀什平原區(qū)地下水氫氧穩(wěn)定同位素分布特征及意義

乃尉華，史杰，王文科，王藝星，段磊，李斌

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；3.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

本文所述喀什平原區(qū)涵蓋克孜勒河、恰克馬克河、蓋孜河、庫(kù)山河及烏魯阿特小河等流域范圍，東部至喀什經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)沖積細(xì)土平原區(qū)。前人對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了不同程度的研究[1-3]，主要包括地下水動(dòng)態(tài)、資源量特征和評(píng)價(jià)等，但對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)、水文地球化學(xué)、地下水資源等未進(jìn)行系統(tǒng)研究和評(píng)價(jià)。

2012—2015年，新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)在喀什平原區(qū)開展水文地質(zhì)勘查工作，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水含水層特征、富水性分布、補(bǔ)徑排條件和水化學(xué)特征、地下水動(dòng)態(tài)、資源量等方面取得較宏觀的分析和認(rèn)識(shí)?。本文對(duì)區(qū)內(nèi)不同水體樣品的D、18O同位素組成進(jìn)行總結(jié)，對(duì)喀什平原區(qū)地下水的形成條件、地下水與地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的劃分、地下水補(bǔ)給高程與補(bǔ)給區(qū)估算等問(wèn)題進(jìn)行分析研究，為喀什平原區(qū)地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃與保護(hù)管理工作提供地質(zhì)依據(jù)[4-9]。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

研究區(qū)處于塔里木盆地西緣、喀什噶爾河流域上游，東西長(zhǎng)94.00 km，南北寬68.00 km，面積6 392.00 km2。據(jù)地質(zhì)調(diào)查、物探及鉆探資料?新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì).新疆喀什經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告，2015，該區(qū)主要位于山麓斜坡堆積山前沖洪積平原和河流堆積沖積平原，第四系地下水流系統(tǒng)可劃分為北部克孜勒河與南部蓋孜河兩個(gè)地下水流系統(tǒng)。從西向東第四系厚100～1 000 m，第四系上更新—全新統(tǒng)、全新統(tǒng)松散層構(gòu)成本區(qū)主要含水巖系。含水層巖性主要為卵石、礫石、礫砂、中粗砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂等，隔水層巖性主要為亞粘土、粘土。300 m鉆探深度內(nèi)第四系地下水類型劃分為單一結(jié)構(gòu)潛水與多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水，其中第四系多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水含水層在90～110 m以淺可概化為潛水，90～210 m可概化為第一層承壓水，190～210 m以下含水層可概化為第二層承壓水。第四系含水層單井涌水量為5 000～1 000 m3/d，滲透系數(shù)7.24～83.50 m/d?。

北部克孜勒河地下水亞系統(tǒng)地下水中硫酸鹽含量大于250 mg/L，由西向東水化學(xué)類型從SO4·Cl型水轉(zhuǎn)化為SO4型水，克孜勒河沿岸礦化度小于1 000 mg/L，其余地段礦化度多大于1 000 mg/L。南部蓋孜河地下水亞系統(tǒng)地下水中硫酸鹽含量多小于250 mg/L，礦化度多小于1 000 mg/L，水化學(xué)類型一般為SO4·HCO3型水或HCO3·SO4型水，SO4型水。研究區(qū)除周邊山區(qū)外，地下水位均呈慢速下降型，潛水多年地下水位升降速率小于0.22 m/年，承壓水多年地下水頭升降速率小于0.15 m/年?。

2 樣品采集測(cè)試

乃尉華等在研究區(qū)采集地下水和地表河水D、18O同位素樣品253組(圖1)，其中地表水23組，潛水162組，泉水20組，承壓水48組。采樣井深80～300 m，水位埋深4～106 m。D、18O同位素值由長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成，采用氣體同位素質(zhì)譜儀測(cè)試，δD值誤差為±1‰，δ18O值誤差為±0.20‰。

圖1 喀什平原區(qū)D、18O同位素采集水樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution points of D and18O isotopes in water samples collected in the Kashgar plain

3 D、18O同位素分布特征及意義

3.1 北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)D、18O同位素分布特征及意義

據(jù)研究區(qū)地下水樣D、18O同位素值，得出北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)潛水及承壓水D、18O的關(guān)系（圖2）。由圖2可知，北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)山前沖洪積礫質(zhì)平原地區(qū)，所有取樣點(diǎn)δD、δ18O值均分布于全球大氣降水線和當(dāng)?shù)卮髿饨邓€之間[10]，表明地下水補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水，部分較低的D、18O組成主要來(lái)自山區(qū)貧重同位素的冰雪融水及基巖裂隙水的補(bǔ)給。

圖2 北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)的地下水δD-δ18O關(guān)系圖Fig.2 The water samples in the Kezile river groundwater flow systemδD-δ18O diagram in the northern study area

在沖積細(xì)土平原區(qū)中上游地區(qū)，隨地形坡降的變緩，潛水埋深相對(duì)變淺。受蒸發(fā)作用影響發(fā)生18O相對(duì)富集，潛水D、18O組成明顯向右下方偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。在細(xì)土平原區(qū)中下游地區(qū)，地下水通過(guò)溢出帶和泉的形式補(bǔ)給河水，部分潛水、河水與泉水樣的同位素值相對(duì)集中。另隨著地下水徑流條件變差，承壓水出現(xiàn)一定程度的18O漂移，這是地下水在循環(huán)過(guò)程中與含水層富含的石膏巖類礦物發(fā)生水巖作用引起的，漂移程度表明水巖作用的強(qiáng)度，同時(shí)也與地下水在含水層中的滯留時(shí)間密切相關(guān)。

3.2 南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)D、18O同位素分布特征及意義

據(jù)研究區(qū)地下水樣D、18O同位素值，得出南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)潛水及承壓水D、18O同位素值間的關(guān)系（圖3）。由圖3可知，南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)的地下水δD和δ18O值均分布于全球大氣降水線附近，表明地下水接受大氣降水的補(bǔ)給。A區(qū)內(nèi)樣點(diǎn)大部分位于庫(kù)山河流域，少部分位于蓋孜河流域細(xì)土平原區(qū)。蓋孜河流域地下水δD和δ18O值整體低于庫(kù)山河流域地下水δD和δ18O值，這與該處地下水受到具較低δD和δ18O值的烏魯阿特小河沖洪積平原地下水的側(cè)向補(bǔ)給有一定關(guān)系。蒸發(fā)作用的影響使地下水從補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)D、18O同位素逐漸富集，逐漸偏離全球大氣降水線。潛水和承壓水δD和δ18O值分布不均，變化范圍較大。沖洪積平原中下游地區(qū)與過(guò)渡帶潛水和承壓水具較低的δD和δ18O值，東部細(xì)土平原區(qū)潛水和承壓水具較高的δD和δ18O值。泉水的δD和δ18O值變化范圍較大，表明泉水與地下水補(bǔ)給排泄關(guān)系密切。δD和δ18O同位素值較低的泉水可能來(lái)源于山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給的深層地下水。

圖3 南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)的地下水δD-δ18O關(guān)系圖Fig.3 The water samples in the Gaizi river groundwater flow system δD-δ18O diagram in the southern study area

3.3 地下水補(bǔ)給高程及補(bǔ)給來(lái)源區(qū)估算

本文采用18O值的高程效應(yīng)分析地下水含水層補(bǔ)給區(qū)大氣降水的入滲高度，即補(bǔ)給區(qū)海拔高程。補(bǔ)給高程計(jì)算采用如下公式：

式中：H為同位素入滲高度（補(bǔ)給區(qū)海拔高程，m）；h為取樣點(diǎn)（井、泉海拔高程，m）；δs為地下水同位素組成；δp為取樣點(diǎn)附近大氣降水同位素組成；k為同位素高度梯度（n‰/m）。

同位素高度梯度采用全球平均δ18O高程梯度，即K(δ18O)=-0.25‰/100 m，大氣降水同位素組成采用和田地區(qū)大氣降水同位素加權(quán)平均值δD=-41‰，δ18O=-6.4‰[11]。研究區(qū)南、北部地下水流系統(tǒng)典型地下水補(bǔ)給高程計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知，研究區(qū)無(wú)論是承壓水還是潛水，隨補(bǔ)給海拔高程的增加，氫氧穩(wěn)定同位素趨于貧化，該結(jié)果很好地反映了同位素高程效應(yīng)。研究區(qū)山前沖洪積礫質(zhì)平原潛水和沖積細(xì)土平原承壓水分屬不同地下水流系統(tǒng)，不同深度承壓水的補(bǔ)給高程不同，表明補(bǔ)給來(lái)源不同。補(bǔ)給高程較低的地下水可能受到上游地下水及大氣降水的補(bǔ)給，補(bǔ)給高程較高的地下水可能受到山區(qū)冰雪融水、降水及山區(qū)河流與溝谷潛流入滲補(bǔ)給。

南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)的地下水多來(lái)源于西昆侖山高山區(qū)，細(xì)土平原區(qū)部分地下水來(lái)源于南部中低山丘陵區(qū)。研究區(qū)北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)的地下水來(lái)自西南天山。

4 結(jié)論

(1)北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)，在山前沖洪積礫質(zhì)平原中上游地區(qū)主要為河水補(bǔ)給地下水。下游以東地區(qū)局部形成泉水出露和地下水溢出帶，主要為地下水補(bǔ)給河水。地下水補(bǔ)給主要來(lái)自當(dāng)?shù)卮髿饨邓糠州^低的δD和δ18O值表明地下水來(lái)自山區(qū)貧重同位素的冰雪融水及基巖裂隙水的補(bǔ)給。

(2)南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)的地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給。蓋孜河流

域地下水δD和δ18O值整體低于庫(kù)山河流域地下水δD和δ18O值，與蓋孜河流域地下水受到具較低δD和δ18O值的烏魯阿特小河沖洪積平原地下水的側(cè)向補(bǔ)給有一定關(guān)系。δD和δ18O同位素值較低的泉水可能來(lái)自山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給的深層地下水。

表1 研究區(qū)地下水補(bǔ)給海拔高程及補(bǔ)給來(lái)源區(qū)估算結(jié)果Table 1 Estimation results of the groundwater recharge elevation and recharge sources area

(3)研究區(qū)山前沖洪積礫質(zhì)平原潛水和沖積細(xì)土平原承壓水分屬不同地下水流系統(tǒng)，不同深度承壓水的補(bǔ)給高程不同，表明補(bǔ)給來(lái)源不同。

（4）南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)的地下水多來(lái)源于西昆侖山高山區(qū)，細(xì)土平原區(qū)地下水來(lái)源于南部中低山丘陵區(qū)。研究區(qū)北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)的地下水來(lái)源于西南天山。

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