連英立

（神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011）

鄂爾多斯盆地北部地下水環(huán)境同位素時空分布特征及其指示意義

連英立

（神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011）

在野外采樣的基礎(chǔ)上，通過測試分析不同地段、不同深度含水層中的環(huán)境同位素（δ18O－δD）特征，結(jié)合實(shí)際水文地質(zhì)條件，分析了研究區(qū)地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，各含水層的垂向水力聯(lián)系較弱；在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點(diǎn)，總體上表現(xiàn)為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負(fù)；通過氘過量分析表明各含水層均受到了現(xiàn)今大氣降水影響。

環(huán)境同位素；氘過量；鄂爾多斯盆地；時空分布

鄂爾多斯能源基地位于鄂爾多斯盆地的北部，隸屬于我國西北部的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，擁有豐富的自然資源，是我國能源基地建設(shè)的重點(diǎn)布局區(qū)域。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有工業(yè)開采價值的重要礦產(chǎn)資源有12類35種，包括了煤炭、天然氣、石油、巖鹽等，另外，鄂爾多斯還蘊(yùn)藏豐富的化工資源，主要有天然堿、芒硝、食鹽、硫磺、泥炭等。目前，鄂爾多斯能源基地建設(shè)已初具雛形，隨著能源基地建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，使得對地下水資源開發(fā)的需求日益迫切［1－2］。而如何合理開采地下水成為該地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展主要問題。建國以來，各相關(guān)地質(zhì)單、高校和科研機(jī)構(gòu)對于鄂爾多斯盆地開展了大量的研究工作、積累了豐富的地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，但前人的大部分研究都集中在鄂爾多斯盆地北部地下水資源相對較為豐富的的白堊系地下水的水量、水質(zhì)、水化學(xué)演變規(guī)律等，對深部地下水及其環(huán)境同位素特征的研究較少［3－11］。環(huán)境同位素直接參與整個水循環(huán)過程，是詳細(xì)了解水文循環(huán)過程的理想方法［12］。本文對鄂爾多斯盆地北部地區(qū)深部和淺部地下水的環(huán)境同位素信息進(jìn)行了對比和分析，揭示了區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源及其相互補(bǔ)給關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國西北部，鄂爾多斯盆地北部的內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°23′00″～109°43′46″，北 緯 39°03′00″～39°21′50″面 積 約738km2，為一不規(guī)則形狀。區(qū)域地勢總體為北高南低，區(qū)域中北－中部海拔最高，超過1500m，為巴嘎淖、紅堿淖和烏蘭木倫河3個子流域的分水嶺；西部巴嘎淖爾海拔相對較低，約1250m，為巴嘎淖流域最低點(diǎn)；東南部紅堿淖海拔最低，水面高程約1220m，為紅堿淖流域最低點(diǎn)，也是區(qū)域的最低點(diǎn)。區(qū)域相對高差超過300m。

1.1 自然環(huán)境

研究區(qū)位于毛烏素沙漠東北邊緣，地貌為沙漠高原型，具體可劃分為沙地、基巖臺地和沙蓋基巖臺地三個子類型。以紅堿淖與巴嘎淖連線為大致分界，在勘查區(qū)范圍內(nèi)，南部為沙地型地貌，北部為基巖臺地和沙蓋基巖臺地型地貌。研究區(qū)屬中溫帶半干旱氣候，太陽輻射強(qiáng)烈，日照較豐富，干燥少雨，風(fēng)大沙多，無霜期短。冬季漫長寒冷，夏季炎熱而短暫，春季回暖升溫快，秋季氣溫下降顯著。研究區(qū)內(nèi)最高氣溫＋36.6℃，最低氣溫為－29.0℃，多年平均氣溫為8.6℃（1961～2003年）；豐水年降水量為819.0mm（1967年），枯水年降水量為108.6mm（1965年），日最大降水量為141.1mm（1991年7月21日），多年平均為434.1mm（1961～2003年），且多集中于7、8、9三個月內(nèi)；多年蒸發(fā)量平均為1712mm。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地表水系主要包括兩個內(nèi)陸水系和一個外流水系。其中，兩個內(nèi)流水系屬二級流域鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)，可劃分為紅堿淖內(nèi)流區(qū)和巴嘎淖內(nèi)流區(qū)兩個三級子流域；一個外流水系，即烏蘭木倫河流域，屬于黃河支流窟野河二級流域的子流域。

區(qū)內(nèi)第四系地層廣泛分布，地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，次為區(qū)外潛水的側(cè)向徑流補(bǔ)給以及深部承壓水的越流補(bǔ)給。本區(qū)大氣降水量較小，但是比較集中，因此，雨季的補(bǔ)給量會明顯增大。一般沿南及東南方向徑流。白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、直羅組（J2z）以及侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）砂巖含水層，基巖在地表沒有出露，承壓水的主要補(bǔ)給來源為區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，次為上部潛水的垂直滲入補(bǔ)給，白堊系含水層受地形發(fā)育影響，徑流方向由西北向東南方向，地表分水嶺與地下分水嶺相吻合（圖1）。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

2 樣品的采集和測試

2013年10月，在研究區(qū)對地下水、地表水和大氣降水進(jìn)行采樣分析（圖1），測試內(nèi)容包括氘、氧－18。此次共采集80組水樣，包括第四系地下水、白堊系地下水、煤層頂板地下水、煤層間地下水及三疊系地下水，并按照不同深度和含水地層劃分為六組。

穩(wěn)定氧同位素18O/16O利用CO2平衡方法，穩(wěn)定氫同位素D/H利用鋅還原方法，通過質(zhì)譜測定，并以VS－MOW標(biāo)準(zhǔn)表示，其分析精度分別為δ18O：±0.1‰；δD：±1.0‰。取樣點(diǎn)分布見圖1。

3 不同含水層的同位素特征

3.1 δ18 O和δD同位素特征

普遍認(rèn)為，大氣降水是本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，分析其特征可以為查明地下水的成因提供依據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究［13－15］，在鄂爾多斯白堊系盆地北區(qū)以及周邊地區(qū)收集到的雨水同位素數(shù)據(jù)（IAEA及省、地區(qū)級監(jiān)測站），繪制出當(dāng)?shù)赜晁€（LMWL）方程見式（1）。

由圖2可以看出，研究區(qū)雨水線的斜率（6.7697）明顯小于全球雨水線（GMWL）的斜率（8），這主要是因?yàn)楸緟^(qū)地處氣候干旱的內(nèi)陸地區(qū)，蒸發(fā)作用較強(qiáng)，從而導(dǎo)致重同位素富集。根據(jù)勘探區(qū)地下水δ18O—δD關(guān)系散點(diǎn)圖（圖2），地下水各點(diǎn)大致集中沿當(dāng)?shù)赜晁€分布，且均位于雨水線下方，由此反映出區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水。

圖2 研究區(qū)地下水δ18 O—δD關(guān)系散點(diǎn)圖

圖3展示了研究區(qū)地下水同位素在深度上的平均分布特征，由圖3可以看出，當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃仍?0m以淺時，δ18O和δD的平均值分別為－9.6‰和－67.5‰；當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃葹?0m時，δ18O和δD的平均值分別為－10.8‰和－76.2‰；當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃葹?00m時，δ18O和δD的平均值分別為－11.3‰和－81.1‰；當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃葹?00m時，δ18O 和 δD 的平均值分別為 －12.0‰ 和－88.6‰；當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃葹?00m時，δ18O和δD的平均值分別為－12.8‰和－92.7‰；當(dāng)?shù)叵滤癫厣疃葹?00m時，δ18O和δD的平均值分別為－12.1‰和－87.5‰。

由圖2、圖3可以看出，在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點(diǎn)，總體上表現(xiàn)為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負(fù)，指示著區(qū)內(nèi)各層地下水垂向水力聯(lián)系較弱。同時也說明愈往深部，地下水的形成的年代愈久遠(yuǎn)，由于當(dāng)時的年平均氣溫較現(xiàn)代要低，在這種較低溫度下形成的降雨，其同位素含量本身就低而造成的。而白堊系、煤層頂與煤層間地下水的散點(diǎn)分布比較離散，表明這幾個含水層地下水在一定程度上受到了上層水的混合作用影響。

圖3 研究區(qū)地下水δ18 O－δD同位素垂向分布圖

3.2 氘過量參數(shù)特征

氘過量參數(shù)又稱氘盈余，是Dansgaard［16］提出的一個概念，并且把它定義為：d＝δD－8δ18O。d值的大小相當(dāng)于某一地區(qū)大氣降水斜率（△δD/△δ18O）為8時的截距。大氣降水的d值可以反映該區(qū)大氣降水與全球大氣降水的氫氧同位素分餾程度。某一地區(qū)大氣降水的氫氧同位素組成通常隨時間（季節(jié)）、空間（高程）而變化。但是，當(dāng)某一地區(qū)大氣降水的降水線方程確定以后，它的氘過量參數(shù)（d值）總是在一定范圍內(nèi)，且不受季節(jié)、高度等因素影響。d可以作為水巖反應(yīng)中18O同位素交換程度的衡量指標(biāo)。d值越小，水文地質(zhì)環(huán)境越封閉，水在含水層中滯留時間愈長，地下水徑流速度愈慢，地下熱水的可更新能力越弱。d值表征了某水樣同位素對現(xiàn)代大氣降水的偏離程度，當(dāng)d＜10%，表明為正常大氣降水；當(dāng)d＜－10%時，表明干熱氣候條件下（蒸發(fā)濃縮）的降水；當(dāng)d＞＋10%時，表明是與現(xiàn)今不同氣候條件下的降水。

根據(jù)本次地下水氘氧同位素分析測試結(jié)果計(jì)算，白堊系含水層的d值為4.37%～10.15%，煤層頂含水層的d值為3.68%～9.58%，煤層間含水層的d值為3.05%～9.89%，三疊系含水層的d值為7.40%～9.09%。說明各含水層均受到了現(xiàn)今大氣降水影響。白堊系含水層因?yàn)榕c第四系及地表水水力聯(lián)系密切，容易受到現(xiàn)今大氣降水影響。而研究區(qū)北部東勝梁一帶有侏羅系直羅組、延安組及三疊系延長組的露頭，從侏羅系含水層等水位線來看，其補(bǔ)給區(qū)位于北部，在補(bǔ)給區(qū)大氣降水直接補(bǔ)給侏羅系直羅組、延安組及三疊系延長組含水層，所以侏羅系、三疊系含水層在一定程度上也受到了大氣降水的影響。

4 結(jié)論

1）水中環(huán)境同位素組成記錄了水循環(huán)的過程信息，是研究水文循環(huán)的良好示蹤劑，其應(yīng)用前提是不同水體的同位素特征具有明顯的差異，同時還要結(jié)合實(shí)際水文地質(zhì)條件進(jìn)行解釋。

2）研究區(qū)雨水線的斜率（6.7697）明顯小于全球雨水線（GMWL）的斜率（8），這主要是因?yàn)楸緟^(qū)地處氣候干旱的內(nèi)陸地區(qū)，蒸發(fā)作用較強(qiáng)，從而導(dǎo)致重同位素富集。地下水各點(diǎn)大致集中沿當(dāng)?shù)赜晁€分布，且均位于雨水線下方，由此反映出區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水。

3）在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點(diǎn)，總體上表現(xiàn)為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負(fù)，指示著區(qū)內(nèi)各層地下水垂向水力聯(lián)系較弱。

4）研究區(qū)內(nèi)白堊系含水層的d值為4.37%～10.15%，煤層頂含水層的d值為3.68%～9.58%，煤層間含水層的d值為3.05%～9.89%，三疊系含水層的d值為7.40%～9.09%，說明各含水層均受到了現(xiàn)今大氣降水影響。

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The groundwater environment isotope distribution and its implications in northern Ordos basin

LIAN Ying－li
（Shenhua Geological Exploration Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

On the basis of field sampling and actual hydrogeological conditions，Analysis the relationship between recharge，runoff and discharge via testing different lots at different depths in the aquifer environmental isotopes （ δ18O－δD）features.The results showed that：in the study area，groundwater recharge mainly by atmospheric precipitation，each aquifers vertical hydraulic connection is weak；δ18O－δD has obvious characteristics of stratification in the vertical，δ18O，δD value of groundwater gradually negative by the groundwater burial depth increased；it showed that all the aquifers are now affected by atmospheric precipitation by deuterium excess analysis.

environmental isotope；deuterium excess；Ordos basin；temporal and spatial distribution

連英立（1964－），男，河北邢臺人，工程師，從事地下水?dāng)?shù)值模擬研究。

TV214

A

1004－4051（2014）S2－0123－04

2014－08－10