環境同位素在識別伊犁河谷地下水補給來源中的指示作用

邵 杰，李 瑛，李樹才，滕 超，楊欣杰，曹 軍，陳喜慶

1.中國地質調查局 自然資源實物地質資料中心，河北 三河 065201；2.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054

0 引言

水中各種元素的同位素是水的“指紋”，其記錄了地下水形成、補給、徑流與排泄過程中的信息.能否合理利用和有效保護水資源主要取決于人類對水循環的認識水平.環境同位素可以用來有效地示蹤水循環，如指示水的來源，不同環境狀況下水的運移和數量（包括江河湖泊），確定水的年齡，記錄水-巖相互作用，尤其在研究地下水和地下水儲量方面，更是卓有成效，從而為認識地下水的形成、運動及其成分變化機制提供重要的依據，為合理利用寶貴的水資源奠定基礎［1-5］.王文科等［6］借助同位素手段研究關中盆地地下水環境演化與可再生維持途徑.陳宗宇等［7］通過研究華北平原地下水的同位素分布特征對中國北方第四系地下水同位素分層及其指示意義進行了研究探討.侯光才等［8］通過同位素水文地質研究深化了鄂爾多斯盆地地下水的分布特征.Li等［9］通過對北京潮白河流域地下水氫氧穩定同位素和水化學的分析，將地下水劃分為古地下水和現代地下水，并得到這兩種地下水具有不同的同位素組成和不同的補給環境，對北京市地下水管理具有借鑒意義.Ma等［10］通過對敦煌盆地地下水水化學和同位素研究，確定了含水層中地下水的水化學過程，辨識了地下水的補給環境和補給源以及停留時間，并得出承壓水的最近一次補給來自冰期的寒冷氣候條件下，而該區承壓水一段時間內可能無法更新的結論.

1949年以來，在伊犁河谷相繼開展1∶10萬、1∶20萬、1∶50萬等不同精度的水文地質測繪工作，基本查明了區域地下水的補、徑、排等條件.中國地質調查局西安地質調查中心開展的伊犁河谷地下水資源及其環境問題調查評價項目工作，為查明伊犁河谷地區含水層空間分布和結構、區域地下水補徑排條件、地下水資源潛力評價、地下水資源合理開發利用等方面提供了資料支撐，并對伊犁河谷地區的地下水流系統及地下水循環演化開展了相關研究［11-14］.由于近年來關于研究區水體（地表水、潛水、承壓水、泉水等）同位素方面的研究開展的較少且不夠深入，在整理分析前人工作成果基礎上，本文試圖通過綜合分析研究區水體（地表水、潛水、承壓水、泉水等）氫氧、13C、14C同位素的空間分布特征，以此利用同位素證據探討地下水與地表水的補給來源、潛水與淺層承壓水的水力聯系、淺層承壓水與深層承壓水的水力聯系、深層承壓水的年齡及性質等科學問題.

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷地處我國新疆天山山脈西段，區內地形地貌形態較復雜，總體呈“三山夾兩谷地一盆地”的格局，呈三角形，東部頂點為特克斯河與鞏乃斯河交匯處，西部底邊朝向中哈邊界，東高西低，地勢由東向西傾斜，東西長170 km.伊犁河谷地北部自西向東分布著北西走向的科古琴山、博羅科努山和依連哈比爾尕山等北天山支脈.山區面積占全區面積的70%以上.根據內外營力地質作用及地形特征，區內主要地貌類型為冰蝕侵蝕褶皺斷塊山、剝蝕堆積塊狀隆起山和堆積平原三大類.區內降水比較豐沛，具有濕潤大陸性中溫帶氣候的特征.氣候特點是冬夏兩季較長，春秋兩季較短，春季升溫迅速，夏季溫和多雨，秋季降溫較快，冬季較長較暖，日照時間長，光熱資源豐富.據《新疆維吾爾自治區水資源公報（2010）》，2010年地下水資源量（已扣除與地表水資源量間的重復量）為4.34×108m3，地下水實際開采量為4.15×108m3.

伊犁河谷為典型的受河谷控制的山間谷地，區內第四紀地層相當發育，包括各個不同時期的多種成因類型的堆積物.區內主要發育四大河流，分別是鞏乃斯河、伊犁河、特克斯河以及喀什河.在四大河流控制作用下，形成了三大河谷區，分別是伊犁-鞏乃斯河谷、特克斯河谷及喀什河谷.伊犁谷地呈典型喇叭狀，西端開口處寬約90 km，沿伊犁河和鞏乃斯河向南東東延伸至東部合攏，為一斷陷谷地.第四系厚度由東向西增大，最厚達近千米，地層結構多次由單層到多層交替，巖層顆粒也多次由粗到細變化［15］.地下水的補給、徑流、排泄條件受地形、地貌、地層、巖性結構、構造、水文、氣象等因素的制約.

在山前沖洪積扇區，地下水埋藏較深，深度大于100 m，而在河流沖洪積扇的河谷區兩側，地下水埋藏較淺，大多在0～15 m范圍內.由此可見，地下水的埋藏深度從山前強傾斜礫質平原到山前緩傾斜含礫細土平原再到沖洪積細土平原逐漸變小.研究區北部及南部的山區是地下水的主要補給區，山前沖洪積或冰水沉積傾斜平原是地下水的主要徑流區，而盆地或谷地中部平原區則是地下水的主要排泄區.在谷地兩側雖有南北向徑流，但整個谷地的地下水總流向是由東向西大體與鞏乃斯河及伊犁河的流向相一致①伊犁地區水利電力勘測設計院.新疆伊犁地區地下水資源報告.1990..

1.2 數據來源

樣品采樣過程中嚴格按照《環境同位素分析水樣采集》導則進行.2H和18O樣品的采集使用30 mL PET棕色塑料瓶采集，取樣前使用經過0.02μm濾膜過濾的樣品，清洗不少于3次，采集必須使瓶內不留氣泡，采集完成后使用封口膜進行外圍瓶蓋封口.分不同水源種類進行采集，其中氫氧穩定同位素潛水樣品59組、淺層承壓水樣品25組、泉水樣品17組、地表水樣品19組，共計120組.13C穩定同位素地下水樣品5組，5組樣品采自研究區水文鉆探井，14C深層承壓水樣3組.樣品測試工作由自然資源部地下水礦泉水及環境監測中心完成.

1.3 研究方法

采用把地下水δD-δ18O圖上的數據繪成平面圖的方法，并附以全球與地方大氣降水線作為參考.將所測水體氫氧穩定同位素樣品置于全球雨水線以及當地雨水線中，分析伊犁河谷地下水、地表水中的δD與δ18O之間的關系，總結地下水、地表水中δD與δ18O在不同地貌單元所呈現出的分布特征.并且總結其對地下水在補給、徑流、排泄以及不同層位地下水的水力聯系的指示意義.13C穩定同位素廣泛參與碳循環，通過分析地下水樣品δ13C的最大值、最小值、平均值、極差等特征值，分析地下水13C穩定同位素的來源，進而識別地下水的補給來源［16］.應用14C估算深層承壓水年齡，以此探討分析深層承壓水的更新速率及其與淺層承壓水的水力聯系強度.

2 結果與分析

2.1 δD-δ18O分析

距離伊犁河谷最近的全球降水同位素網（GNIP）監測站為烏魯木齊站.據1986—2002年大氣降水的同位素組成，當地雨水線方程為：δD＝7.2δ18O＋4.5，由于氣候干燥、蒸發強烈，與全球雨水線相比斜率稍?。?7］.

δD-δ18O樣品測試結果特征值見表1.59組潛水樣埋深范圍為2.5～40.0 m，25組淺層承壓水樣埋深為40.0～170.0 m.據表1及圖1，將潛水與淺層承壓水的氫氧穩定同位素進行對比分析發現：潛水和淺層承壓水樣品δD、δ18O變化范圍、極差、平均值均較為接近，且潛水和淺層承壓水氫氧穩定同位素大多數位于全球雨水線的左上方、當地大氣雨水線附近（圖1），表明潛水的補給來源為當地大氣降水，且補給來源曾經歷了較強的蒸發作用而引起氫氧重同位素富集.這表明二者相互轉換頻繁，具有較強的水力聯系.泉水與地表水的氫氧穩定同位素進行對比分析發現：泉水和地表水樣品δD、δ18O變化范圍、極差、平均值均較為接近，且泉水和地表水氫氧穩定同位素大多數位于全球雨水線的左上方及當地大氣雨水線附近（圖2），表明地表水的補給來源為當地大氣降水，且補給來源曾經歷了較強的蒸發作用而引起氫氧重同位素富集.

圖1 研究區潛水及承壓水δD-δ18O關系Fig.1 TheδD-δ18O relationship of phreatic and confined water in the study area

圖2 研究區泉水及地表水δD-δ18O關系Fig.2 TheδD-δ18O relationship of spring and surface water in the study area

表1 氫氧穩定同位素參數統計特征值表Table 1 Statistical eigenvalues of hydrogen and oxygen stable isotope parameters

2.2 13C分析

研究區樣品13C穩定同位素分析測試結果見表2.δ13C的變化范圍為-9.4‰～-5.6‰，平均值為-8.3‰，極差為3.8‰，最小值為-9.4‰，最大值為-5.6‰.樣品取樣深度范圍為1.9～198.0 m，取樣深度跨度為197.1 m，而取樣樣品δ13C變化范圍較小.由此可見，研究區不同深度地下水的δ13C值較為接近，且與CO2的δ13C值-7‰相近，說明研究區地下水中碳的主要來源為大氣CO2.

表2 13C穩定同位素分析測試結果表Table 2 Stable isotopic analysis and testing results of 13C

2.3 14C分析

在研究區采集3組深層承壓水，水位埋深在198.0～240.0 m.由表3可知，承壓水在埋深240 m左右，地下水校正年齡為23 ka，埋深在200 m左右，地下水校正年齡為19.5 ka.與淺層承壓水相比較，深層承壓水年齡較大，屬于沉積埋藏水，這也從側面反映該地區的深層承壓水與淺層承壓水的水力聯系較弱.

表3 承壓水14C測試結果Table 3 14C radioactive isotope test results of confined water

3 對比分析

近年來，相關專家學者利用同位素數據，在新疆及伊犁河谷地區識別地下水補給來源問題.李捷等［18］利用大氣降水監測站δD、δ18O多年平均值與當地地下水的δD、δ18O，通過分析天山地區受不同降水水汽來源影響對地下水補給來源進行識別，認為深層地下水同位素相對貧化，與補給期相對寒冷的氣候環境有關，東天山為該區地下水的主要補給來源，且克拉美麗山附近深層地下水與淺層地下水同位素均貧化，與阿勒泰站大氣降水同位素特征相符，該區主要接受克拉美麗山的補給.王騫迎等［19］利用氫氧穩定同位素數據與當地大氣降水線方程進行對比分析，表明研究區內地下水、伊犁河及支流河水樣品集中分布在當地山區大氣降水線與平原區大氣降水線之間，略靠近山區降水線，說明研究區內地下水、伊犁河及其支流主要接受山區大氣降水補給.本文研究結果顯示，研究區潛水與承壓水均起源于當地大氣降水，且從區域上進一步表明了潛水與承壓水的水力聯系強度特征以及深層承壓水的年齡與性質.

4 討論

環境同位素技術廣泛地應用于地下水循環演化研究中，通過分析氫氧同位素分布特征，可以查明氫氧穩定同位素與當地大氣降水同位素的關系.本研究對泉水、潛水、淺層承壓水及地表水氫氧穩定同位素特征分析表明：4種不同種類水源的氫氧穩定同位素分布特征與當地大氣降水十分相近，且δD與δ18O變化范圍很相似，揭示了它們均來源當地大氣降水.

碳在天然有機循環過程中，同位素組成的變化范圍超過10%.一般來說，在碳的有機循環中，輕同位素傾向于富集在有機質（如石油等富含12C）中，相反在碳的無機循環中，重同位素傾向于富集在無機鹽（如碳酸鹽富含13C）中.上述兩種碳循環均與大氣二氧化碳有密切關系，也是自然界中碳同位素分餾的兩個最重要的過程［20］.地下水碳同位素組成受制于地下水本身形成、遷移及賦存的環境.地下水中碳的來源主要有大氣CO2、土壤和現代生物碳，一般條件下，大氣CO2的δ13C為-7‰左右，土壤和現代生物碳的δ13C為-25‰左右.研究區不同埋藏深度地下水的δ3C值較為接近，且與大氣CO2值相近.研究區地下水中的碳主要來源于大氣CO2，說明地下水中的13C源自于當地大氣降水.

5 結論

（1）潛水δD變化范圍為-97.32‰～-67.51‰，δ18O為-15.85‰～-10.66‰，淺層承壓水δD變化范圍為-111.93‰～-68.38‰，δ18O為-16.01‰～-10.52‰，并且潛水與淺層承壓水的補給來源經歷了較強的蒸發作用而引起氫氧重同位素富集.潛水與淺層承壓水相互轉化頻繁，水力聯系較強.潛水與淺層承壓水屬于同一地下水含水系統.與淺層承壓水相比，深層承壓水年齡較大，屬于沉積埋藏水.

（2）泉水δD變化范圍為-102.06‰～-71.63‰，δ18O為-14.21‰～-9.70‰，地表水δD變化范圍為-90.53‰～-60.99‰，δ18O為-13.20‰～-9.54‰.4種不同種類水源的氫氧穩定同位素分布特征與當地大氣降水十分相近，且δD與δ18O變化范圍很相似，說明均源自于當地大氣降水.

（3）δ13C的變化范圍為-9.4‰～-5.6‰，平均值為-8.3‰，極差為3.8‰，不同埋藏深度地下水的δ13C值較為接近，與CO2的δ13C值相近.研究區地下水中的碳主要來源于大氣CO2，指示了地下水中的13C來源當地大氣降水.