萊蕪盆地牟汶河流域水體同位素特征與分析

李波，王金曉，趙無忌，吳璇，劉春偉,姜秉霖

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014;2.濱州學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東 濱州 256600)

0 引言

同位素具有標(biāo)記性和計(jì)時(shí)性，自20世紀(jì)50年代起，同位素技術(shù)被廣泛應(yīng)用于探討水體成因、來源、組成以及不同水體之間的相互轉(zhuǎn)化、判斷水體運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面[1-5]。而氫、氧穩(wěn)定同位素由于采集、測試體系成熟，應(yīng)用也最為廣泛[6-8]。地下水是水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，補(bǔ)給來源、徑流排泄、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、與大氣降水及地表水的相互轉(zhuǎn)化為地下水運(yùn)動(dòng)及演化研究的主要方面，而氫、氧穩(wěn)定同位素目前已經(jīng)成為地下水研究的主要方式之一[9-14]。

萊蕪盆地地處山東省中部地區(qū)，礦產(chǎn)資源豐富，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。近年來，隨著地下水開采日益加重，特別是盆地東部牟汶河流域，因地下水開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)突出。該文在1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，對不同水體氫氧穩(wěn)定同位素特征進(jìn)行了分析，探討該區(qū)域水循環(huán)機(jī)理，為流域水資源持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

萊蕪盆地地處山東省中部低山丘陵區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)域大陸性半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫11.9℃，無霜期189d，平均日照時(shí)數(shù)2660.6h，年平均降雨量699.74mm。據(jù)萊蕪氣象站1980—2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，降雨年際變化較大，歷年降水量豐枯差異明顯。

1.2 地層

萊蕪盆地屬柴達(dá)木-華北地層大區(qū)(Ⅰ)、華北地層區(qū)(Ⅱ)、魯西地層分區(qū)(Ⅲ)、淄博-新泰地層小區(qū)(Ⅳ)，研究區(qū)處于盆地東部(圖1)，區(qū)內(nèi)地層出露齊全，自南向北依次為新太古代泰山巖群變質(zhì)巖；古生代寒武紀(jì)朱砂洞組白云巖，饅頭組薄層灰?guī)r、頁巖、砂巖，張夏組灰?guī)r、頁巖，崮山組頁巖、薄層灰?guī)r，炒米店組竹葉狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r；奧陶紀(jì)馬家溝群厚層灰?guī)r、白云巖；石炭-二疊系砂巖、薄層灰?guī)r、泥巖；侏羅-白堊系砂巖、礫巖；古近系礫巖、砂巖和第四系沖洪積砂土、礫石。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭-二疊系；6—奧陶系；7—寒武系；8—泰山巖群；9—侵入巖；10—地質(zhì)界線；11—實(shí)測及推測斷層；12—背斜；13—向斜；14—產(chǎn)狀；15—河流方向；16—工作區(qū)圖1 萊蕪盆地地質(zhì)構(gòu)造簡圖

1.3 水文地質(zhì)條件

萊蕪盆地受蒙山凸起的抬升影響，整體上為N傾的單斜構(gòu)造盆地。南部侵入巖區(qū)與碳酸鹽巖夾碎屑巖區(qū)為地下水的直接補(bǔ)給區(qū)與間接補(bǔ)給區(qū)，單斜底部的奧陶紀(jì)碳酸鹽巖區(qū)為巖溶水排泄區(qū)。整體上地下水從南向北徑流，受地層、侵入體阻擋后轉(zhuǎn)向西南方向；在局部溝底及構(gòu)造破碎帶發(fā)育處，受構(gòu)造、地形侵蝕影響可呈泉方式排泄。

區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，其次為地表水下滲補(bǔ)給；地下水開采方式主要為人工開采。

2 采樣與分析

該次工作于2016年9月采集同位素水樣40件，其中地下水樣32件，地表水樣5件，大氣降水樣3件。在地下水樣品中，松散巖類孔隙水樣8件，碳酸鹽巖類裂隙巖溶水樣13件，巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水樣8件，碎屑巖孔隙裂隙水樣1件，泉水2件；地表水樣品中河水樣3件，水庫水樣2件。同位素測試項(xiàng)目為2H，3H，18O，取樣點(diǎn)分布情況如圖2所示。

采集水樣時(shí)，先用水樣將預(yù)先清洗的樣品瓶沖洗3次裝樣，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室低溫保存，直至分析。全部樣品的氫氧穩(wěn)定同位素分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心進(jìn)行，采用FLASH2000HT同位素氣體質(zhì)譜儀，采用TC/EA法測定，測定結(jié)果以相對維也納標(biāo)準(zhǔn)海水(VSMOW)的千分差表示，δD和δ18O精度分別為±2×10-3和±0.2×10-3。

3 結(jié)果與討論

3.1 氫氧穩(wěn)定同位素水化學(xué)特征

根據(jù)表1和圖3可看出，盆地內(nèi)不同水體的δD和δ18O差異明顯，其中地表水δD和δ18O值相對偏正，水庫水δD和δ18O值大于河水，主要原因是水庫水體更新速度較慢且不連續(xù)，而河水由于與沿途第四系孔隙水的水力聯(lián)系密切，更新速度相對較快，蒸發(fā)作用使得水庫水體的重同位素更加富集；地下水樣中，松散巖類孔隙水δD和δ18O值大于其他類型地下水，D和18O均值分別為-54.65和-7.51，主要原因是孔隙水水位埋深普遍較淺，易受蒸發(fā)作用的影響。

1—巖溶裂隙水；2—第四系孔隙水；3—巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水；4—碎屑巖類孔隙水；5—地表水；6—雨水圖2 同位素取樣點(diǎn)分布圖

測試項(xiàng)目松散巖類孔隙水碳酸鹽巖裂隙巖溶水巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水碎屑巖裂隙水泉水河水水庫水大氣降水δD(103)最大值48.550.35861.363.249.95154.5最小值64.366.662.461.364.657.65158.5均值54.6560.2860.4361.363.954.035156.3δ18O(103)最大值5.76.36.49.68.16.45.58.1最小值9.19.08.79.68.97.96.19.3均值7.517.727.589.68.56.95.88.67

松散巖類孔隙水樣8件，取樣點(diǎn)δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，平均值分別為-54.65和-7.51。由圖4看出，取樣點(diǎn)分布在大氣降水線附近，表明與大氣降水聯(lián)系密切，SJ69，GJ09，SJ75點(diǎn)的δD值介于-56.7～-52.9，δ18O值介于-8.3～-7.7，接近當(dāng)?shù)氐慕邓訖?quán)平均值，而附近的地表水SL05取樣點(diǎn)，δD值為-54.6，δ18O值為-6.5，其中δ18O的值明顯大于孔隙水取樣點(diǎn)，說明該處地下水主要補(bǔ)給為大氣降水，河水對兩側(cè)孔隙水補(bǔ)給作用不明顯[15]。SJ60，SJ94，SJ22取樣點(diǎn)δD和δ18O值偏離大氣降水線，受蒸發(fā)作用影響明顯，其同位素特征與地表水樣品較為接近，表明其主要補(bǔ)給為河流側(cè)滲補(bǔ)給；SJ44取樣點(diǎn)同位素值偏負(fù)，靠近大氣降水線，說明其補(bǔ)給主要來自當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓a(bǔ)給前蒸發(fā)作用不明顯。

圖3 δD-δ18O相關(guān)性圖

圖4 孔隙水δD-δ18O相關(guān)性圖

巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水樣品共8件，δD值-62.4～-58，δ18O值-8.7～-6.4，平均值分別為-60.43和-7.58。取樣點(diǎn)分布在大氣降水線附近(圖5)，表明補(bǔ)給主要來源于大氣降水，根據(jù)該次所取得雨水樣檢測結(jié)果，圖A區(qū)反應(yīng)了該地區(qū)的大氣降水的同位素特征，因此SJ115點(diǎn)主要是接受大氣降水的垂向入滲，補(bǔ)給前蒸發(fā)作用不明顯；其余取樣點(diǎn)多沿蒸發(fā)線分布，由于蒸發(fā)線與大氣降水線的交點(diǎn)位于降水加權(quán)平均值以下，表明其地下水的補(bǔ)給除大氣降水外還有部分側(cè)向徑流，在補(bǔ)給之前經(jīng)受過較明顯的蒸發(fā)作用。

圖5 巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水δD-δ18O相關(guān)性圖

碳酸鹽巖裂隙巖溶水樣共15件(泉水2件)，δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，平均值分別為-60.28和-7.72。取樣點(diǎn)分布在大氣降水線右側(cè)(圖6)，多數(shù)沿蒸發(fā)線分布(δD=3.23δ18O-36.6)，蒸發(fā)線與大氣降水線的交點(diǎn)明顯低于降水加權(quán)平均值，表明地下水的補(bǔ)給不只是大氣降水補(bǔ)給，還接受其他類型地下水間接補(bǔ)給。

A區(qū)取樣點(diǎn)SJ14，SJ20，GJ04均位于東泉巖溶水富水?dāng)鄩K，其同位素特征與附近孔隙水及河水取樣點(diǎn)類似，說明巖溶水主要補(bǔ)給來源于上部第四系的垂向入滲以及河流的滲入補(bǔ)給。

B區(qū)內(nèi)取樣點(diǎn)主要位于研究區(qū)東北部魯村盆地，D和18O值相對偏正，同位素特征與其南部巖漿巖區(qū)SJ99，SJ142點(diǎn)相似，表明它們有相似的補(bǔ)給特征，該地區(qū)巖溶水補(bǔ)給部分來源于當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓?，部分來源于南部巖漿巖區(qū)的徑流補(bǔ)給，且在補(bǔ)給過程中經(jīng)受了較強(qiáng)的蒸發(fā)作用。

圖6 裂隙巖溶水δD-δ18O相關(guān)性圖

C區(qū)取樣點(diǎn)主要分布在盆地內(nèi)清泥溝巖溶水?dāng)鄩K和丈八丘巖溶水?dāng)鄩K內(nèi)，與區(qū)內(nèi)的孔隙水取樣點(diǎn)SJ44和巖漿巖取樣點(diǎn)SJ51有相似同位素特征，表明該區(qū)內(nèi)巖溶水除了接受當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓a(bǔ)給外，還接受南部巖漿巖區(qū)的徑流補(bǔ)給，以及上部第四系的滲入補(bǔ)給。

3.2 氫放射性同位素水化學(xué)特征

依據(jù)表2中氚值測試結(jié)果，大氣降水中氚含量比較穩(wěn)定，在4.9～5.4之間，河流、水庫樣品的氚值分布在3～7.4TU之間，表明其補(bǔ)給主要為0～10年內(nèi)的新水，不同取樣點(diǎn)間氚值差異較大，如鄭王莊村地表水取樣點(diǎn)SL01，氚含量為3.1TU，低于其他地表水點(diǎn)，表明該處接受低氚基巖裂隙水的補(bǔ)給。

孔隙水氚值平均值5.13TU，較其他類型地下水大，表明其地下水參與現(xiàn)代水循環(huán)積極，更新較快，取樣點(diǎn)氚值多集中在3～10TU范圍內(nèi)，表明其補(bǔ)給主要為0～10年內(nèi)的新水；巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水氚平均值為3.4TU，SJ139，SJ142取樣點(diǎn)氚值小于3TU，說明其補(bǔ)給源主要為1953年之后的老水，并混有部分0～10年內(nèi)的新水，地下水更新速度較慢；位于萊蕪盆地的巖溶裂隙水氚值在3.0～6.7TU之間，均值5.05TU，更新速度較快，補(bǔ)給主要為0～10年內(nèi)的新水；位于魯村盆地南部的巖溶裂隙水，氚含量在1.3～3.8TU，SJ106點(diǎn)氚值小于1.3TU，該區(qū)巖溶水主要補(bǔ)給來源于1953年左右的老水。

表2 各水體氚值統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

該次對工作區(qū)內(nèi)地表水、地下水進(jìn)行了氫、氧同位素取樣，結(jié)果表明：盆地內(nèi)不同水體的δD和δ18O差異明顯，其中松散巖類孔隙水δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水δD值-62.4～-58、δ18O值-8.7～-6.4，均分布于大氣降水線附近，表明地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水；裂隙巖溶水δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，分布于大氣降水線右側(cè)，除接受大氣降水補(bǔ)給外，還接受其他水體的間接補(bǔ)給。

依據(jù)不同水體氚同位素測試結(jié)果顯示：萊蕪盆地東部內(nèi)地下水更新速度較快，氚值平均值在3.0～6.7TU之間，地下水補(bǔ)給主要為0～10年內(nèi)的新水，更新速度快，符合地下水補(bǔ)給徑流區(qū)特征；工作區(qū)東北角的魯村盆地，氚值在1.3～3.8TU，表明區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給來源于1953年左右老水，更新速度較慢，顯示地下水徑流補(bǔ)給受多期斷裂影響，地下水連通性差。