巴丹吉林沙漠湖泊群水體氫氧同位素和水化學(xué)特征

金可 張乾柱 盧陽 胡月 饒文波

摘要：巴丹吉林沙漠東南部湖泊群是該沙漠重要的水源之一，為揭示湖泊群水體潛在補給來源和補給方式，探索湖泊水體離子空間變化特征及其影響因素，系統(tǒng)分析了該沙漠東南部湖泊群水體δ18O和δD同位素特征及水化學(xué)組成。結(jié)果表明：① 巴丹吉林沙漠湖泊群水體pH和電導(dǎo)率平均值分別為9.29，291 mS/cm，以Na+和Cl-離子為主，占離子總量比例達69.4%。② 湖泊群水體δ18O和δD同位素平均值分別為6.42‰和-3.67‰，不同區(qū)域湖泊群蒸發(fā)效應(yīng)差異顯著，湖泊蒸發(fā)強度自東南部至西北部逐步增大。③ 基于同位素高程效應(yīng)方程，研究區(qū)湖泊水體潛在補給來源為東南部雅布賴山大氣降水，補給方式主要以周邊地下水側(cè)向補給為主。補給水源和區(qū)域巖石風(fēng)化是研究區(qū)湖泊群水體離子空間變化的主控因素。

關(guān) 鍵 詞：湖泊群; 氫氧同位素; 水化學(xué)特征; 補給來源; 影響因素; 巴丹吉林沙漠

中圖法分類號： P641.3

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.011

0 引 言

中國北方沙漠分布眾多，區(qū)內(nèi)降水稀少，蒸發(fā)強烈，沙塵暴頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，有限的水資源是沙漠地區(qū)動植物生長和人類生產(chǎn)生活的可靠保障，也是抑制沙漠持續(xù)擴張的重要因子，更是區(qū)域水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的核心。巴丹吉林沙漠腹地坐落著世界上最高大的沙山，流動沙丘占整個沙漠的80%以上[1]。與其他沙漠類似，巴丹吉林沙漠氣候干旱少雨，蒸發(fā)強烈;但又與其他沙漠不同的是，該沙漠東南部分布著140多個大小不一、形態(tài)不同的湖泊，且常年有水的超過110余個。湖泊周邊地下水和泉水出露，其獨特的沙山湖泊景觀和水文特征吸引了國內(nèi)外學(xué)者們的密切關(guān)注[2-7]。

根據(jù)巴丹吉林沙漠地貌分布特征和湖泊群水體離子組成，學(xué)者們以伊克力敖包為界，認為沙漠南北部湖泊存在兩個不同補給源[8]。關(guān)于巴丹吉林沙漠湖泊空間分布、湖面蒸發(fā)強度、離子組成特征和補給來源等方面的研究，學(xué)者們運用了野外觀測、蒸發(fā)試驗、遙感監(jiān)測和同位素示蹤等多種技術(shù)手段[3，7，9-10]。然而，由于沙漠地理位置特殊，研究者采用不同的研究方法存在一定局限性，目前關(guān)于湖泊的補給來源仍未達成共識，潛在的補給來源包括降水直接補給、近源補給、遠源補給和“古水”補給[6]。支持降雨補給湖泊的學(xué)者主要認為降水能夠維持湖泊水量平衡，或者儲存在沙山中的降水先補給到地下水含水層繼而補給湖泊[2，11-12]。關(guān)于近源補給，學(xué)者們推測沙漠東南部山區(qū)和西部黑河流域是巴丹吉林沙漠湖泊的潛在補給源[13-15]。Chen等[3]通過對比巴丹吉林沙漠地下水和祁連山冰川融雪同位素組成，推測祁連山雪融水通過深層斷裂帶補給沙漠地下水和湖泊，首次提出巴丹吉林沙漠水體存在遠源補給。此外，馬金珠等[16]通過分析巴丹吉林沙漠和周邊地區(qū)地下水化學(xué)和同位素組成，指出沙漠湖泊由更新統(tǒng)時期古湖演化而來。

氫（2H）和氧（18O）同位素是水分子重要組成部分，在不同氣候條件、水體混合和表面蒸發(fā)過程中能夠保留原始信息，是研究不同水體補給來源、補給過程、混合機制和水巖反應(yīng)的重要示蹤元素，已廣泛應(yīng)用于干旱地區(qū)水文循環(huán)研究[17-21]。通常，不同水體化學(xué)成分受到外界影響產(chǎn)生的演化規(guī)律不同，系統(tǒng)分析元素含量以及離子比值能夠確定水體的補給來源和揭示水體離子演化過程。因此，穩(wěn)定同位素和水化學(xué)示蹤是研究巴丹吉林沙漠湖泊水分來源和離子空間變化影響因素的有效技術(shù)手段。

本研究系統(tǒng)分析了巴丹吉林沙漠湖泊群2H和18O同位素特征和水化學(xué)組成，旨在探討沙漠湖泊群水體同位素和水化學(xué)分布特征，進一步揭示湖泊水體補給來源和補給模式，并系統(tǒng)評估湖泊水體離子濃度影響因素與控制機制等，為干旱地區(qū)水文研究提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

巴丹吉林沙漠位于內(nèi)蒙古阿拉善高原西北部，是中國第二大沙漠[1]。沙漠東南部為雅布賴山，南部與北大山、合黎山及龍首山等相鄰，西北部為古日乃草原，北部為拐子湖濕地，黑河流域是距離該沙漠最近的地表徑流（見圖1）。整體上，巴丹吉林沙漠地勢東南高，西北低，海拔范圍為1 150～1 700 m。沙漠東南部沙山相對高度為200～300 m，最高超過400 m[6]，沙山的主要形態(tài)可分為疊置沙丘的復(fù)合型沙山、無疊置沙丘的復(fù)合型沙山和金字塔形的沙山等。

巴丹吉林沙漠主體位于塔里木板塊東北緣的北山構(gòu)造帶和華北板塊西北緣的阿拉善板塊之間，主要地層包括前寒武系變質(zhì)基底層、古生代海相沉積層和中新生代河湖相沉積層及第四系沉積層[8]。沙漠腹地巖石類型主要為第四系沉積物，沙漠周邊主要分布著侏羅系和白堊系巖石[4]。沙漠植被覆蓋率極低，主要以耐旱植物為主。該沙漠屬于大陸性沙漠氣候，年降水量僅為30～120 mm，自東南部向西北部逐步減少，大部分降雨集中在7～9月[22]。沙漠年平均蒸發(fā)量超過2 600 mm[4]，西北部相對東南部蒸發(fā)量更大。沙漠高大沙丘干沙層水分含量不足1%，而濕沙層水分含量為2%～3%，甚至存在高含水率的薄膜水[23]，成為沙漠不可忽視的潛在水源之一。

2 樣品采集與分析測試

湖泊水體樣品采集時間為2013年和2014年夏季，累計采集21個湖泊樣品，湖泊樣品采集點覆蓋巴丹吉林沙漠伊克力敖包東南部、東北部和北部湖泊群3個區(qū)域。此外，結(jié)合巴丹吉林沙漠同季節(jié)湖泊已有研究成果，本文累計分析55個湖泊水體δ18O和δD同位素特征和水化學(xué)組成。湖泊水體同位素和水化學(xué)組成統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

湖水樣品儲存在使用超純水清洗3遍的聚乙烯塑料瓶中，分離出10 mL水樣儲存在棕色玻璃瓶中，用于δ18O和δD同位素測試。剩下水樣經(jīng)0.45 μm規(guī)格的濾膜過濾后，分為2部分儲存，取100 mL水樣用于陰離子測試，100 mL水樣酸化至pH值為2左右后用于陽離子測試。pH和Ec在野外測試，通過便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（Mutil 3400i）測定，測試精度分別為±0.03和±1 μS/cm。湖泊水體主要陽離子（K+，Na+，Ca2+和Mg2+）在江蘇省華東南工地質(zhì)技術(shù)研究有限公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES，Thermo ICP 6300）上進行測定，測試精度為±5%;主要陰離子（Cl-，SO42-和NO3-）在河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院離子色譜儀（ICS-2100）上進行測定，測試精度為±3%;HCO3-在樣品收集之后24 h內(nèi)通過HCl滴定法進行測定，測量精度為±3%。湖泊水體δ18O和δD同位素組成在中科院青藏高原研究所的液態(tài)水同位素質(zhì)譜儀（Picarro L2130-1）上進行測定。淡水湖樣品過濾后可直接用于測試，咸水湖樣品經(jīng)蒸餾處理為淡水后方可進行測試。處理后的水樣通過0.22 μm規(guī)格的注射器注入同位素質(zhì)譜儀中，每一個水樣重復(fù)測試6次，以最后3次測定結(jié)果的平均值作為樣品的最終數(shù)據(jù)。δ18O和δD同位素的測試結(jié)果與Vienna“標(biāo)準平均海洋水”（V-SMOW）進行比較，可以表示為δD或δ18O=Rsample-RSMOVRSMOV×1000%。其中，δ18O同位素的測試精度為±0.1‰，而δD同位素的測試精度為±1‰。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖泊水體水化學(xué)和同位素分布特征

巴丹吉林沙漠湖泊均為堿性湖，伊克力敖包東南部湖泊群pH和Ec值均低于伊克力敖包東北部和北部湖泊群（見表1）。湖泊水體陽離子主要富集Na+和K+，陰離子主要以Cl-和CO32-為主，占離子總量的比例超過87.5%（見圖2）。伊克力敖包東南部湖泊群主要以微咸水湖為主，湖泊水化學(xué)類型為Na+Mg-Cl+SO4和Na-Cl+SO4。伊克力敖包東北部和北部湖泊群的水體離子濃度整體偏高，絕大部分為咸水湖，水化學(xué)類型主要為Na-Cl。整體上，湖泊水體離子濃度自沙漠東南部至西北部呈現(xiàn)出逐步遞增的空間變化特征（見圖3）。其中，湖泊水體Na+、Cl-、SO42-離子變化趨勢最為明顯，可能受到沙漠腹地鹽巖和芒硝等蒸發(fā)巖石溶解影響。Mg2+和CO32-離子呈現(xiàn)出一定的波動（見圖3），可能的原因包括：① 個別湖泊和周邊地下水混合，離子濃度受到地下水稀釋;② 湖泊發(fā)生過飽和沉淀，致使湖水離子濃度降低;③ 個別湖泊溶解了更多的白云石，導(dǎo)致Mg2+和CO32-離子濃度偏高。

巴丹吉林沙漠湖泊水體18O和2H同位素值明顯高于地下水[24]，表明湖泊蒸發(fā)程度更加強烈。湖泊水體δ18O同位素值變化范圍為1.80‰～18.11‰，平均值為6.42‰;δD同位素值變化范圍為-28.6‰～45.32‰，平均值為-3.67‰（見表1）。其中，伊克力敖包東南部湖泊水體δ18O和δD同位素平均值分別為5.53‰和-3.96‰，伊克力敖包東北部湖泊水體δ18O和δD同位素平均值分別為6.25‰和-6.08‰，伊克力敖包北部湖泊水體δ18O和δD同位素平均值分別為7.68‰和-0.68‰（見表1）。整體上，湖泊水體δ18O和δD同位素值自伊克力敖包東南部至北部逐步遞增（見圖3），表明伊克力敖包北部湖泊群蒸發(fā)程度顯著高于東南部湖泊群。

3.2 湖泊水體補給來源和蒸發(fā)效應(yīng)

巴丹吉林沙漠湖泊水體δ18O和δD同位素關(guān)系為δD=4.47δ18O-32.4（R2=0.91，n=33），即為湖泊蒸發(fā)線。沙漠不同區(qū)域湖泊水體同位素分布在相同的蒸發(fā)線上，表明其來源一致，如圖4（a）所示，相對于全球大氣降水線（GMWL）和當(dāng)?shù)亟邓€（LMWL），其斜率和截距均偏低，反映出湖泊經(jīng)歷了較為強烈的蒸發(fā)。伊克力敖包東南部湖泊水體d-excess同位素值大部分介于-20‰和-40‰之間，伊克力敖包東北部湖泊水體d-excess同位素值絕大多數(shù)處于-40‰和-60‰之間，而伊克力敖包北部湖泊水體d-excess同位素值均小于-40‰，個別湖泊水體d-excess同位素值甚至低于-60‰，如圖4（b）所示。d-excess同位素值越負表明經(jīng)歷的蒸發(fā)強度越大，整體上，巴丹吉林沙漠湖泊自東南部向西北部蒸發(fā)程度逐步增強，與該沙漠地表蒸發(fā)強度自東南部向西北部不斷增大一致。

研究區(qū)湖泊水體δ18O和δD同位素組成與當(dāng)?shù)亟邓€相比偏移較大，且區(qū)域內(nèi)降雨較少，很難維持湖泊水位，表明降水直接補給湖泊的量極少，成為湖泊主要補給源的可能性較小。該沙漠湖泊主要受到地下水補給[3，14，30]：① 地下水同位素組成和湖泊基本分布在相同蒸發(fā)線;② 湖泊水位低于周邊地下水且離子濃度相對較大[24];③ 湖泊中發(fā)現(xiàn)了鈣華，表明湖泊存在穩(wěn)定水源補給。一些學(xué)者認為青藏高原的雪融水和河水通過深層斷裂帶補給巴丹吉林沙漠地下水，沙漠地下水δ18O和δD同位素值和青藏高原潛在補給水源存在一定差異，水化學(xué)組成也存在明顯不同[24]。沙漠南部緊鄰雅布賴山、北大山和龍首山等，成為天然屏障，在一定程度上阻礙了水體之間的相互傳遞[15]。因此，巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水體是否來自青藏高原還有待進一步驗證。巴丹吉林沙漠湖泊蒸發(fā)線和當(dāng)?shù)亟邓€之間的交點δ18O和δD同位素分別為-10.9‰和-81‰，交點處的同位素值表示補給來源的初始同位素值。根據(jù)最新的同位素高程效應(yīng)方程δ18O=-0.0029H-4.83及δD=-0.018H-34.1[24]，計算得出沙漠湖泊水體的補給高程范圍為2 093～2 605 m。湖泊補給高程范圍和該沙漠東南部的雅布賴山（最高1 957 m）和北大山（2 000～2 500 m）海拔近似，而遠低于祁連山脈（>4 000 m），表明巴丹吉林沙漠湖泊潛在補給來源為周邊山脈。雅布賴山距離沙漠東南部湖泊群最近，降雨較為充沛，區(qū)域地下水也較為年輕[31]，具備了補給沙漠湖泊的可能性，是巴丹吉林沙漠湖泊水體潛在補給來源。

研究區(qū)地下水補給湖泊包括多種模式：① 飽和含水層的地下水通過不連續(xù)的弱透水層向上補給湖泊[32];② 湖泊底部存在溫躍層，深層和淺層地下水均能夠補給湖泊[33];③ 地下水通過深部斷裂帶或在巖漿作用下形成地?zé)崴⑼ㄟ^導(dǎo)水構(gòu)造帶向上補給湖泊[3，34];④ 湖泊周邊沙山存在淡水和咸水的分界面，湖泊底部地下水在鹽度差的驅(qū)動下形成補給湖泊的穩(wěn)定流[7];⑤ 沙漠極端降水（>15 mm）透過沙山干沙層，形成高含水量的薄膜水，在重力驅(qū)動下補給到地下水含水層，繼而補給湖泊[12]。關(guān)于地下水通過深層斷裂帶或?qū)畼?gòu)造補給湖泊的機制目前仍不明了，沙漠個別湖泊中心發(fā)現(xiàn)了鈣華[3，14]，表明存在上升泉補給湖泊，但這種補給方式局限性較大。湖泊底部因鹽度差形成的水流，對解釋巴丹雙湖之間補給關(guān)系有著積極意義，但雙湖系統(tǒng)是否能夠通過之間的沙山進行水體交換仍有待驗證。極端降水透過沙山補給含水層的周期較長，能否成為湖泊穩(wěn)定補給源缺少更多有力證據(jù)支撐。湖泊水位低于周邊地下水，并且湖泊離子濃度遠高于地下水[24]，表明飽和層地下水側(cè)向補給湖泊是巴丹吉林沙漠潛在的補給方式。

3.3 湖泊水體離子影響因素與控制機制

巴丹吉林沙漠湖泊水體Na++K+與Cl-的摩爾比值絕大部分位于1∶1至2∶1之間，Na++K+相對SO42-占比更大（見圖5），表明湖泊水體不僅受到蒸發(fā)鹽和碳酸鹽溶解影響，同時也伴隨著硅酸鹽水解[35]。除了個別湖泊水體SO42-與Ca2+摩爾比位于1∶1和2∶1之間外，其余湖泊水體SO42-與Ca2+摩爾比值大于5∶1。通常，石膏溶解能夠釋放SO42-和Ca2+進入含水層，湖泊水體SO42-離子含量較高，表明過量的SO42-不僅來自石膏溶解，同時受到芒硝溶解的影響。利用PHREEQC軟件計算得出研究區(qū)湖泊水體石膏飽和指數(shù)為-0.98，而方解石和白云石飽和指數(shù)分別為2.0和4.7，表明湖泊中方解石和白云石發(fā)生過飽和沉淀。

早期研究表明中國北方地區(qū)化學(xué)風(fēng)化主要包括碳酸鹽溶解和硅酸鹽風(fēng)化[36-37]。湖泊水體Ca2++Mg2+和SO2-4+HCO-3摩爾比值如圖5（d）所示。整體上，湖泊水體SO2-4+HCO-3離子濃度更高，表明巴丹吉林沙漠湖泊水體離子濃度主要受到硅酸鹽風(fēng)化影響[38]。此外，湖泊水體SO42-/Na+和Cl-/Na+摩爾比值基本上均小于1，反映出湖泊經(jīng)歷了更強的硅酸鹽風(fēng)化過程，而鉀鹽溶解和芒硝溶解的影響相對較小。伊克力敖包東南部湖泊Mg2+/Ca2+和SO42-/Ca2+大多數(shù)大于1，表明白云石溶解對其影響較大;伊克力敖包東北部湖泊化學(xué)風(fēng)化可分為兩個類型，一個是處于方解石和白云石溶解階段，另一個是處于白云石溶解階段;伊克力敖包北部湖泊化學(xué)風(fēng)化過程較為復(fù)雜，一部分湖泊白云石溶解占主導(dǎo)，一部分湖泊受到方解石和白云石共同影響，還有一部分溶解了更多的方解石。綜上所述，影響巴丹吉林沙漠湖泊水體離子濃度組成的主要化學(xué)風(fēng)化類型為硅酸鹽風(fēng)化。

4 結(jié) 論

（1） 湖泊水體均為堿性湖，主要富集Na+、K+、Cl-和CO32-，占總離子含量87.5%以上。伊克力敖包東南部湖泊離子濃度相對較低，水化學(xué)類型主要為Na-Cl+SO4;伊克力敖包東北部和北部湖泊離子濃度較高，絕大部分為咸水湖，主要的水化學(xué)類型為Na-Cl。

（2） 根據(jù)同位素高程效應(yīng)方程，推斷湖泊水體潛在補給水源海拔高程范圍為2 093～2 605 m，基于沙漠湖泊和潛在補給來源水體同位素與水化學(xué)組成特征，推斷雅布賴山為巴丹吉林沙漠湖泊水體潛在補給源。湖泊水位低于周邊地下水，離子濃度和同位素組成均高于地下水，表明研究區(qū)湖泊主要受到周邊地下水側(cè)向補給。

（3） 研究區(qū)湖泊水體離子濃度主要受到補給水源和巖石風(fēng)化影響，湖泊主要化學(xué)風(fēng)化類型為硅酸鹽風(fēng)化，受到石膏、方解石和白云石等溶解或者蒸發(fā)濃縮影響，湖泊水體Na+、Cl-、SO2-4離子濃度自伊克力敖包南部至北部不斷增大，Mg2+和CO2-3離子受到湖泊巖石過飽和沉淀或者地下水稀釋作用，濃度呈現(xiàn)一定程度的空間波動。

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（編輯：劉 媛）

Research on stable isotopes and hydrochemical features of lakes water in Badain Jaran Desert

JIN Ke1，2，ZHANG Qianzhu1，LU Yang1，HU Yue1，RAO Wenbo2

（1.Chongqing Branch，Changjiang River Scientific Research Institute，Chongqing 400026，China; 2.College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

Abstract：

The lakes，located in the southeast of the Badain Jaran Desert，are one of most significant water resources in this desert.In order to reveal the potential recharge sources and recharge modes of lakes and explore the spatial variation characteristics of chemical ions and influence factors on lake water，the stable isotopic （δ18O and δD） characteristics and hydrochemical features of lake water in the Badain Jaran Desert had been systematically analyzed.The results were as follows：the average values of pH and Ec for lake water were 9.29 and 291 mS/cm respectively，and the main ions of lake water were Na+ and Cl-，accounting for 69.4% of total ions.The average values of δ18O and δD for lake water were 6.42‰ and-3.67‰ respectively.The evaporation effects on lakes in different regions varied significantly，and the evaporation intensity of lakes gradually increased from the southeastern to the northwestern of this desert.Based on the isotope-elevation relationship equation，the potential recharge source of lakes was the atmospheric precipitation from the Yabulai Mountains located in the southeast of this desert，and the recharge mode of lakes was mainly the lateral recharge from the surrounding groundwater.The recharge sources and regional rock weathering were the main controlling factors for the spatial variation of lake water ions in this desert.

Key words：

lake groups;hydrogen and oxygen isotopes;hydrochemical features;recharge sources;influence factors;Badain Jaran Desert