氘氧同位素法在周口市地下水研究中的應(yīng)用

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(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 451464)

氘氧同位素法在周口市地下水研究中的應(yīng)用

呂小凡1，豆敬峰2，席航3，夏飛雪1，雷崇方1

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 451464)

在野外采樣測試的基礎(chǔ)上，通過對周口市內(nèi)大氣降水、河水和不同層位地下水中氘(δD)、氧(δ18O)同位素含量分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟邓?、汾河水和淺層地下水的氘(δD)、氧(δ18O)均落在全球和中國降水線附近，呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，表明區(qū)內(nèi)淺層地下水主要來源于大氣降水入滲補(bǔ)給，而中深層和深層水則落在δD-δ18O降水線關(guān)系圖的左下方，沒有呈現(xiàn)明顯的線性分布，表明其與大氣降水的補(bǔ)給關(guān)系微弱；再者，根據(jù)不同深度地下水中δD、δ18O的含量特征分析，顯示出隨著埋藏深度的增加，氘(δD)和氧(δ18O)呈現(xiàn)出減小的趨勢，表明其徑流條件越差，可更新能力亦越差，這與區(qū)內(nèi)不同層位地下水的運(yùn)動規(guī)律相一致；最后根據(jù)大氣降水的δD和δ18O值的高度效應(yīng)，計(jì)算出周口市中深層地下水補(bǔ)給區(qū)高度為640～1 447 m；深層地下水補(bǔ)給區(qū)高度為1 240～2 447 m，這和區(qū)內(nèi)西部地下水上游伏牛山區(qū)的海拔高度500～2 192 m相吻合，表明區(qū)內(nèi)中深層和深層水主要來源于西部伏牛山區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

周口市地下水；氘(δD)、氧(δ18O)同位素；補(bǔ)給來源

同位素水文地質(zhì)學(xué)方法現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于水體的起源、年齡和徑流途徑的研究。氫、氧是組成水的元素,可以直接反映地下水的循環(huán)過程,從而成為水循環(huán)的理想示蹤劑。

水循環(huán)過程中由于同位素質(zhì)量分餾效應(yīng),會產(chǎn)生不同狀態(tài)水的氫氧同位素組成不同。當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，1H和16O相對于其重同位素來說更容易進(jìn)入蒸汽相,使得水蒸氣中相對貧D和18O，δD和δ18O更“負(fù)”,而液態(tài)水中相對富集D和18O。當(dāng)水蒸氣凝聚成雨水時(shí),D和18O優(yōu)先進(jìn)入液態(tài)相中,從而使得形成的雨水中相對水蒸氣富集D和18O。由此基本特征進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了大氣降水氫氧同位素組成存在緯度效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)、大陸效應(yīng)以及海拔效應(yīng)等等自然現(xiàn)象。本文數(shù)據(jù)借助于《周口幅1/10萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目中對大氣降水、河水和地下水的同位素取樣及測試結(jié)果，分析各層地下水的補(bǔ)給來源。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

周口市地處黃河沖積平原和淮河沖積平原，全區(qū)為第四系松散地層堆積，地下水類型簡單，均屬第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)含水介質(zhì)的巖性特征及埋藏條件、地下水的賦存條件及水動力特征，結(jié)合目前的地下水開采深度，區(qū)內(nèi)含水層組可分為淺層、中深層和深層三層，其基本特征如下：

淺層含水層組埋藏于40 m以淺，巖性主要以全新統(tǒng)砂層為主，地下水位埋深1.8～4.6 m；中深層含水層組埋藏于40 m以下350 m以內(nèi)，包括上、中、下更新統(tǒng)含水層組和新近系上部含水層組，巖性以粉砂、粉細(xì)砂層為主，含水層頂板埋深75～90 m，主要含水層多集中在150～200 m深度內(nèi)。區(qū)內(nèi)中深層地下水與上部的淺層地下水之間有一較薄的隔水層，巖性多為亞粘土、亞砂土等，在開采條件下與上部的淺層水的水力聯(lián)系較為密切；深層含水層組即埋藏于350 m以下，控制深度500 m，為新近系含水層組。巖性以細(xì)砂為主，含水層頂板埋深在236～277 m之間，厚度為15.50～25.50 m，深層地下水與上部的中深層地下水及淺層地下水之間的水力聯(lián)系微弱。多年觀測顯示其水位埋深大多在34.65～38.96 m，是區(qū)內(nèi)主要開采層之一。

2 同位素取樣情況

本文分析數(shù)據(jù)借助于《周口幅1/10萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查》成果，該項(xiàng)目野外共采集同位素水樣30組，其中降水樣1組，汾河水樣1組，淺層水樣11組，中深層5組，深層水樣12組。同位素檢測單位為國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心測試。取樣點(diǎn)及測試結(jié)果的基本情況見表1。

3 同位素特征分析

3.1 不同含水層氘(δD)和氧(δ18O)相關(guān)分析

Craig(1961)通過研究發(fā)現(xiàn),大氣降水中δD和δ18O值之間存在密切相關(guān)的線性關(guān)系,被稱為大氣降水線。他同時(shí)提出了全球平均大氣降水的線性方程,即δD = 8δ18O+10，其截距不為零則是由于自然界的蒸發(fā)過程中常伴有同位素動力學(xué)分餾效應(yīng)導(dǎo)致的(鄭永飛等,2000)。全球各地大氣降水氫氧同位素組成的線性關(guān)系因各地自然環(huán)境及氣候條件的差異而表現(xiàn)出不同的斜率和截距,但δD和δ18O值之間的線性關(guān)系是顯而易見的。鄭淑惠等(1983)給出了中國現(xiàn)代大氣降水線方程為δD = 719δ18O+8.2。

依據(jù)上述理論，將本次實(shí)測的氘(δD)和氧(δ18O)檢測結(jié)果繪制氘(δD)、氧(δ18O)關(guān)系曲線(見圖1)。從圖中可以看出：當(dāng)?shù)亟邓?、汾河水和淺層地下水的氘(δD)、氧(δ18O)均落在全球和中國降水線附近，呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，其擬合方程為δD = 5.713δ18O-11.01。表明區(qū)內(nèi)淺層地下水主要來源于大氣降水入滲補(bǔ)給；而中深層和深層水則落在δD-δ18O降水線關(guān)系圖的左下方，且在一小片區(qū)域內(nèi)聚集，沒有淺層地下水那樣明顯的呈現(xiàn)線性分布規(guī)律，表明區(qū)內(nèi)中深層和深層地下水與大氣降水的補(bǔ)給關(guān)系微弱。

表1 同位素δD 、δ18O檢測統(tǒng)計(jì)表

3.2 不同深度中氘(δD)和氧(δ18O)含量分析

據(jù)已有的研究成果表明，在較均質(zhì)的含水層中，地下水氘(δD)和氧(δ18O)含量隨著深度的增加而減少，呈現(xiàn)出明顯的垂直分帶性。在徑流條件好的含水層中，由于循環(huán)更新能力強(qiáng)，地下水中氘(δD)和氧(δ18O)含量往往高于徑流條件差的密閉含水層。

圖1 周口幅雨水、河水、地下水δD和δ18O的相關(guān)關(guān)系圖

圖2 周口幅地下水δD、δ18O與深度的關(guān)系圖

根據(jù)本次測試結(jié)果，分別繪制氘(δD)——深度和氧(δ18O)——深度關(guān)系曲線(圖2)，從圖中可以看出，氘(δD)和氧(δ18O)的含量由小到大依次為：深層地下水、中深層地下水和淺層地下水。表明隨著埋藏深度的增加，氘(δD)和氧(δ18O)呈現(xiàn)出減小的趨勢。根據(jù)前述，地下水中氘(δD)和氧(δ18O)含量越低，表明其徑流條件越差，可更新能力亦越差。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件分析，區(qū)內(nèi)淺層地下水和中深層地下水之間，中深層地下水和深層地下水之間，具有厚層粘土層和粉質(zhì)粘土層阻隔，地下水垂向運(yùn)動受阻，相互之間越流補(bǔ)給微弱，地下水埋藏越深，其可更新能力越弱。

表2 周口幅地下水同位素含量隨深度變化表

另一方面，圖中數(shù)據(jù)表明，在同一層地下水中，氘(δD)和氧(δ18O)含量也呈現(xiàn)出一定的差異性，表明在同一層地下水中，由于水文地質(zhì)條件的差異，其徑流條件及更新能力也是不同的。

3.3 利用氘(δD)、氧(δ18O)確定深層地下水補(bǔ)給區(qū)

利用地下水中的氘(δD)、氧(δ18O)含量，可以推算地下水補(bǔ)給區(qū)的高度。其基本原理是：大氣降水的δD和δ18O值具有高度效應(yīng)，據(jù)此可確定含水層補(bǔ)給區(qū)大氣降水同位素入滲高度(及補(bǔ)給區(qū)高度)，公式如下：

H=(δs-δp)+h

式中：H為同位素入滲高度(補(bǔ)給區(qū)標(biāo)高)(m)；h為取樣點(diǎn)標(biāo)高(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(m‰)，取值為-0.5‰100 m。

本區(qū)內(nèi)已知參數(shù)：取樣點(diǎn)附近大氣降水的δp=-63‰；中深層水δs=-66～-70‰；深層水δs=-69～75‰；取樣點(diǎn)標(biāo)高h(yuǎn)=40～47 m。

將已知參數(shù)帶入公式，計(jì)算出周口市中深層地下水補(bǔ)給區(qū)高度為640～1 447 m；深層地下水補(bǔ)給區(qū)高度為1 240～2 447 m。這和區(qū)內(nèi)西部地下水上游伏牛山區(qū)的海拔高度500～2 192 m相吻合。說明區(qū)內(nèi)中深層和深層水主要來源于西部伏牛山區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)周口市不同含水層氘(δD)和氧(δ18O)相關(guān)分析結(jié)果，表明大氣降水是淺層地下水的主要補(bǔ)給來源；根據(jù)氘(δD)、氧(δ18O)含量與深度關(guān)系曲線，表明淺層地下水、中深層地下水和深層地下水的徑流條件逐漸變差，更新能力也逐漸變?nèi)?；另外利用?δD)、氧(δ18O)計(jì)算深層地下水補(bǔ)給區(qū)高度，與區(qū)內(nèi)上游西部伏牛山區(qū)海拔高度一致，驗(yàn)證了區(qū)內(nèi)中深層和深層水主要來源于西部伏牛山區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

[1]河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院. 周口幅水文地質(zhì)普查(1:10萬)報(bào)告Ⅰ-50-86[R].2013.

[2]楊麗芝，張光輝. 利用環(huán)境同位素信息識別魯北平原地下水的補(bǔ)給特征[J].地質(zhì)通報(bào).2009.28(4)：515-522.

[3]劉鋒，李延河. 北京永定河流域地下水氫氧同位素研究及環(huán)境意義[J].地球?qū)W報(bào).2008.29(2)：161-166.

[4]柳富田，蘇小四.同位素技術(shù)在地下水循環(huán)深度確定中的應(yīng)用[J].人民黃河.2008.30(4)：52-55.

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StudyonApplicationofdeuteriumoxygenisotopemethodingroundwaterresearchinZhoukou

LVXiao-fan1，DOUJing-feng2，XIHang3，XIAFei-xue1，LEIChong-fang1

(1.Henan geological and mineral exploration and Development Bureau Second Geological Environment Investigation Institute, Zhengzhou,Henan,450053,China；2.Henan geological environment monitoring Institute, Zhengzhou,Henan,450016,China；3.Henan Second Geological Survey Bureau of Geology and mineral resources exploration and Development Bureau, Zhengzhou,Henan, 451464)

Based on the sampling test in the field, the isotopic content of deuterium (δD) and oxygen (δ18O) was analyzed by means of atmospheric precipitation, river water and different stratiform groundwater in zhoukou, It was found that the deuterium (δD) and oxygen (δ18O) of the local precipitation, fenhe water and shallow groundwater both fell near the global and Chinese precipitation lines and showed a clear linear correlation, show that shallow mainly comes from atmospheric precipitation infiltration recharge of groundwater, while the deeper and deeper in the water in theδD-δ18O precipitation line diagram of the lower left corner, did not show obvious linear distribution, shows that its supply relationship with precipitation; moreover, according to different depth of groundwater in the delta content characteristic analysis of D, 18 o delta, shows that with the increase of buried depth, deuterium (δD) and oxygen (δ18O) showing a decrease trend, show that the runoff condition worse, renewable ability is worse, it has to do with different groundwater movement rule; Last, according to the high effect ofδD andδ18O values of precipitation in the atmosphere, the height of the deep groundwater recharge area in Zhoukou is 640 ～ 1447m; deep groundwater recharge zone height is 1 240～2 447 m, and the western region groundwater upstream of Funiu Mountain altitude of 500～2 192 m is consistent, that the middle deep and deep water is mainly lateral runoff recharge to groundwater in Funiu mountain.

groundwater in Zhoukou；deuterium (δD) and oxygen (δ18O) isotopes；recharge sources

P641.2

A

1004-1184(2017)05-0028-03

2017-06-16

呂小凡(1983-)，男，河南鄧州人，工程師，主要從事水文地質(zhì)和地下水環(huán)境方面的工作。