五大連池自然保護區淺層地下水化學及氫氧穩定同位素特征

李月興 王菁華 孫義敏 劉威 吳婧

摘要[目的]探明五大連池自然保護區淺層地下水化學和氫氧穩定同位素特征。[方法]在五大連池自然保護區內代表性區域進行了露頭泉和井水的采樣，并對水中常規離子及D和18O進行分析。[結果]該地區淺層地下水為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型的低礦化度水，以大氣降水補給為主。其氫氧穩定同位素數值基本落在在降水線上，且呈現東北低西南高的分布趨勢。地下水中δD和δ18O值的分布與當地地質構造關系密切，同一斷裂帶上采樣點的δD和δ18O值極其相似，其值由低到高可分為尾山-龍門山線、格拉球山-藥泉山線、老黑山-莫拉布山線和火燒山-藥泉山線。[結論]該研究可為研究地下水的補給來源和補給范圍奠定基礎。

關鍵詞五大連池自然保護區;地下水;氫氧穩定同位素;水化學

中圖分類號P641.3文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0048-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.015

穩定同位素 D和18O作為環境示蹤劑，在水文學中被廣泛應用于地下水補給、徑流、排泄等方面的研究，是研究流域地下水補給關系的先進手段。自1960 年以來，穩定同位素已經被應用在國內外河流、湖泊、地下水的研究中，許多學者對不同水體中的D 和18O 值進行測定分析，探討了不同水體中同位素的變化規律，揭示了影響水體中穩定同位素變化的各種因素[1-7]。

五大連池地下水是世界珍稀水資源，其鐵硅質重碳酸鈣鎂型的礦泉水有“世界三大冷泉”之稱。該地區地下水資源是當地礦泉產業和旅游業的支柱，但近年由于地下水的大量開采，其水質和水量都有所下降。為合理開發當地水資源，筆者開展了該區淺層地下水的水化學與氫氧同位素特征研究，以期為研究地下水的補給來源和補給范圍奠定基礎。

1研究區概況

五大連池自然保護區位于小興安嶺山地向松嫩平原的過渡地帶，直屬黑龍江省黑河市，該地區以其獨特水文地質構造被列為中國地質公園和世界地質公園，同時也是世界三大冷礦泉分布地之一。該區地理坐標為127°37′～125°42′E，48°16′～49°12′N。東西長142 km，南北寬104 km[8]，隸屬典型的寒溫帶大陸性季風氣候，春季風大干旱，夏季炎熱多雨，秋季涼爽霜早，冬季寒冷干燥。有效積溫2 316.4 ℃，無霜期121 d，平均降水量515.7 mm，最大凍結深度為2.47 m，區內有多處島狀多年凍土年。

保護區內地形東、北、西地勢較高，中南部相對較低[9]，區內海拔248～600 m。區內水系較為發育，主要河流有訥謨爾河、引龍河、固西河、張通世溝等，主要湖泊為火山熔巖流堵塞河道形成的堰塞湖。區內地層從老至新主要有下寒武系、上白堊系和第四系。境內有14座火山噴發形成的火山地形，地形切割程度較強，境內普遍被第四系松散層所覆蓋。由于裸露的基巖長期遭受地質構造和風華侵蝕作用，致使巖層破碎、節理、裂隙比較發育[10]，該地質條件非常有利于大氣降水的下滲補給，形成潛水含水帶[11]。

2樣品采集與分析

2.1樣品采集方法

樣品來自五大連池自然保護區藥泉山區域和堰塞湖區域，遍布自然保護區典型的露頭泉，共采集17個樣品，其中天然露頭泉水樣品11個，井水樣品6個。露頭泉樣品直接采集。井水樣品采樣前先抽取地下水5～10 min，將井管內前期存水排出，以保證所采取的地下水的代表性。取樣前，用待取水樣潤洗2～3次，取500 mL水樣用于氫氧同位素測定，另取水樣進行常規離子測定。采樣點的分布如圖1所示。

2.2樣品測定方法

常規離子使用離子色譜儀（型號PIC-10A）測定。氫氧穩定同位素分析采用波長掃描-光腔衰蕩光譜法，分析精密度δ18O達0.011‰;δD達0.038‰，由國土資源部地下水科學與工程重點實驗室采用L2130i同位素分析儀完成測試。

3 水化學特征

3.1常規離子特征分析

地下水的水化學特征能夠反映出地下水在流動過程中與圍巖的相互作用情況，并且能夠為地下水的溯源提供一定的依據[12]。根據對17個采樣點的離子的測定與分析，得到自然保護區淺層地下水化學數據，見表1。

五大連池地下水中分布最廣，含量最多的離子共8種，分別為Na+、K+、Ca2+和Mg2+，Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-。

由表1可以看出，樣本水樣中陽離子中含量最多的是Na+，其次為K+和Ca2+，Mg2+含量最低。在樣品13、11、9、15中，其Na+含量最高，均在20.00 mg/L以上，其他樣品Na+含量集中在9.41～19.27 mg/L。各樣品K+含量差別不大，為10.10～21.40 mg/L。Ca2+含量除樣品13、4、6在10.00 mg/L以上，其他樣品含量較低，一般不高于5.00 mg/L。Mg2+含量除13號樣品為14.67 mg/L外，其他樣品Mg2+含量為0.90～6.90 mg/L。陰離子中含量從高到低依次為HCO3-、NO3-、Cl-和SO42-。其中HCO3-含量除樣品5、7、3號在50 mg/L

以下外，其他樣品含量相對較高，均值為133.43 mg/L。樣品12、9、15、6、7 NO3-含量超過天然飲用礦泉水限值（45.00 mg/L）外，其他樣品含量較低，整體品質較好。除12號樣品SO42-含量為37.42 mg/L外，其他樣品含量均在20.00 mg/L以下，均值為6.95 mg/L。14、12樣品Cl-含量在60.00 mg/L以上，其他樣品含量較低，均值為9.26 mg/L。

基于以上分析，各水樣間一些離子含量存在較大差異，說明五大連池地下水系錯綜復雜，但總體上均為低礦化度地下水。

3.2水化學類型的確定

將樣品中的水化學成分換算成毫克當量百分數，投影到Piper三線圖中，如圖2所示。從圖2可以看出，當地淺層地下水的化學類型為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型。由于當地地幔熱柱活動產生了大量的二氧化碳氣體，該氣體沿地層裂隙或孔洞溢出，當運移到蓋層下石炭系或侵入巖中的地下水時，部分二氧化碳氣體溶于水中，形成具有弱酸性的碳酸水。由于當地火山巖的巖石化學特點全都強堿富鉀，而在巖漿演化晚期，因鉀質礦物大量晶出導致巖漿相對富鈉，出現他形霞石和方鈉石等填隙礦物[13]，在水巖作用及淺層地下水與承壓水的混合作用下，形成自然保護區淺層地下水的HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化學類型。

4氫氧穩定同位素特征

不同水體的氫氧穩定同位素組分可以反映不同水體間

的相互作用關系。五大連池自然保護區淺層地下水的δD和δ18O關系見圖3。

由圖3可知，東北地區大氣降水線（y=7.14x-3.22）位于全球大氣降水線（y=8.13x+10.8）下方，其方程的斜率和截距都小于全球大氣降水線的數值，這是由于穩定同位素分布的緯度效應造成。自然保護區內不同水體δD～δ18O值分布于東北地區大氣降水線附近，說明當地淺層地下水與大氣降水有較大相關性且地下水循環交替較快，蒸發作用影響較弱。五大連池自然保護區裸露地表的基巖因長期遭受構造運動和風化侵蝕的破壞，使得自然保護區內有大量裂隙發育的玄武巖和松散堆積物，非常有利于大氣降水的入滲補給，綜上自然保護區淺層地下水中δD和δ18O值的分布情況與當地的水文地質狀況相吻合，說明當地淺層地下水起源于大氣降水。

五大連池自然保護區淺層地下水的樣品采自東北部的火山帶和西南部較為平坦的居民區。樣品的δD和δ18O值如表2所示。由表2可知，該區域淺層地下水δD和δ18O的變化范圍較小，δD為-89%～-81%，均值為-85.5‰，極差為8‰;δ18O為-12.0%～-10.7%，均值為-11.6‰，極差為1.3‰。這表明自然保護區內淺層地下水補給來源較為單一。

從其分布來看，自然保護區δD和δ18O值由東北部向西南部逐漸增大。該地區整體的地勢相似，北、東、西三面高，中南部低，形成一個南向開口的箕狀地形[10]，控制了區域地下水的補給。地下水整體流向為東北向西南，并最終匯入訥謨爾河。自然保護區內δD和δ18O值的分布與當地地表水的流向相一致，說明當地地下水與地表水水力聯系較為密切。

采樣點δD和δ18O值及分布位置與當地的構造斷裂帶有較高的相關性，處于同一斷裂帶上地下水的穩定同位素值處于同一水平，具體可將其分為4個區域：

①尾山-龍門山沿線。包括采樣點14、03、01，該區域δD和δ18O值處于研究區內最低水平，一方面是該區域地勢較高由于降水穩定同位素的高地效應造成，另一方面采樣點位于尾山-龍門山斷裂構造帶上，不排除該區域地下水有深層地下水補給的可能性。

②格拉球山-藥泉山沿線。包括采樣點12、16、04、13、08，該區域δD和δ18O值處于研究區較低水平，這是由于研究區雖然11、09、12位于研究區南部但是西北部12、16地勢相對較高且采樣點均位于該斷裂帶沿線，δD和δ18O值接近，說明此區域補給來源相同。

③老黑山-莫拉布山沿線。包括采樣點11、02、09，該區域δD和δ18O值處于研究區較高水平，是由于火燒山-莫拉布山斷裂帶橫穿二池湖，地表水對地下水的影響較大。

④火燒山-藥泉山沿線，包括采樣點10、15、06，該區域δD和δ18O值處于研究區最高水平，此沿線位于北東向壓性斷裂帶上，阻隔了西北區域地下水的補給，同時該區域地下水埋深淺，蒸發強烈造成。

5結論與討論

五大連池自然保護區地下水系錯綜復雜，但總體上均為低礦化度地下水，主要陰離子為Na+、K+、Ca2+和Mg2+，主要陰離子為Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-，其水質類型為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化學類型。自然保護區淺層地下水的δD和δ18O值變化范圍較小，補給源較為單一。δD為-89%～-81%;δ18O為-12.0%～-10.7%，基本落在東北地區大氣降水線上，說明當地地下水主要來源于大氣降水。地下水的δD和δ18O值呈現由東北向西南逐漸升高的趨勢，這與地下水由東北向西南匯集有關，另外當地北、東、西三面高，中南部低的地形，也促進了地表水和地下徑流的走向，最終地下水向西南排泄到訥謨爾河。地下水中δD和δ18O值的分布與當地地質構造關系密切。斷裂帶走向與露頭泉分布一致，為地下水排泄提供通道，這也使得在同一斷裂帶上取樣點的 δD和δ18O值相近。根據各采樣點δD和δ18O值可將其由低到高分為尾山-龍門山線、格拉球山-藥泉山線、老黑山-莫拉布山線和火燒山-藥泉山線。

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