同位素在水文地質研究中的應用與發展

余夢明，潘紅忠

（長江大學地球化學系，湖北荊州 443002）

同位素在水文地質研究中的應用與發展

余夢明，潘紅忠

（長江大學地球化學系，湖北荊州 443002）

本文通過總結前輩們的研究成果，綜合概括我國同位素水文地質學近20余年取得的發展和成就。指出我們的不足與面臨的挑戰。

水文地質；同位素；示蹤劑；分析測試

0 引言

同位素（Isotope）是指質子數相同而中子數不同的一組核素，包括放射性同位素 (Radioactive isotope)和穩定同位素（Stable isotope）。凡能自發地放出粒子并衰變為另一種同位素者稱為放射性同位素；目前技術條件下無可測放射性的同位素稱為穩定同位素。水文地質學（Hydrogeology）是研究地下水的數量和質量隨空間和時間變化的規律，以及合理利用地下水或防治其危害的學科。將同位素技術應用于水文地質研究中，是發展水文地質學的一項先進手段。

法國是把同位素應用到水文地質學上比較早的國家之一，從四五十年代就開始了同位素在水文地質學方面的研究 。我國同位素技術在水文地質上的應用起步相對較晚。

自1988年在保定召開第一屆《全國同位素水文地質方法學術討論會》以來，我國同位素水文地質學理論研究與儀器設備的研發和引進上都取得了長足的進展，并已形成同位素地球化學的一重要分支 同位素水文地質學(Isotope Hydrogeology)。目前普遍認為同位素水文地質學是介于水文地質學和同位素地球化學之間的一門新興交叉學科，主要研究地下水的環境同位素組成，探討其補給、徑流、排泄、水體之間的混合、水體年齡等水文地質問題。

1 近20余年來同位素在水文地質研究中的應用

目前，同位素水文地質學，主要從事研究地下水及土壤污染問題、地下水循環與演化、水文地質勘察技術與方法、水文地質野外實驗技術、水文地球化學信息技術以及其它與水文地質環境相關研究領域。以下簡要介紹人工放射性同位素法和環境同位素法在水文地質研究中的應用。

（1）人工放射性同位素法的應用

人工放射性同位素法是人為地將某些放射性同位素添加到某體系的環境中，然后通過測定地質體中所添加的同位素豐度在各個方向上的變化，研究該體系的特征，如常用的131I、32Br等。該方法常用于水文地質參數(如地下水的滲流速度，巖石的滲透率、裂隙度等)的測定、地下水污染示蹤和壩體滲漏研究等方面。

同位素單孔稀釋法測定地下水流速與流向，確定地下水補給關系原理。單孔稀釋法是用已確定達西滲透流速的示蹤劑稀釋測井。把放射性示蹤劑放到一定深度的鉆孔或井孔中；當濾水管中的水柱被示蹤劑標記后，被標記的地下水主要沿著地下水水流方向，以一定的流散角被地下水帶至孔外含水層中而稀釋，其稀釋速度與地下水滲透流速有關，而漂移到含水層中的示蹤劑放射性暈反射回來作用于孔內。其方向各不相同，最強的方向相對應于地下水流出濾水管的方向，而最弱的方向與流入濾水管的方向相對應。故根據對孔周測得的計數率，便可確定地下水流向 。

在武漢市長江底部第四紀孔隙含水層中，用單井稀釋法測定了地下水流速、流向。測試結果表明：武漢長江底部JC-II-6號鉆孔處地下水流向從上到下都受到地表長江水流的影響，上部影響大，深部較弱，地下水流向從上到下逐漸向東偏轉35 左右。上部中細砂層中的地下水流速大于下部粗中砂層中地下水流速，表明長江水流對淺部含水層地下水流有較大的影響。

（2）環境同位素的應用

環境同位素方法是利用自然體系中本來就有的同位素做示蹤劑來研究水文地質學上的問題，它們分為放射性同位素(如T、14C、238U、232Th、87Sr等)和穩定同位素(D、18O、13C、34S等)。該方法常應用于研究地下水的起源與形成（包括補給來源、補給高程、循環深度），地熱水和咸水的成因，不同水體或含水層之間水力聯系與補給關系、混合比等。

①對比穩定同位素特征，確定地下水補給源

原理。地表水和地下水具有不同的同位素組分，且水分子的穩定同位素在含水層中的運移不變，只要含水層的地下水有同位素的差別，就可以識別地下水的運移方向 。

應用實例。利用環境同位素預測秦嶺特長隧道的突水風險

通過不同水源中的氘和氚同位素對比，探討秦嶺特長隧道敏感地段突(涌)水的可能性（圖1）。位于隧址區北坡近EW向的F4斷層為控制秦嶺地區構造格架的主要斷裂構造之一，其導水性是隧道建設所考慮的重點問題。

圖1 秦嶺特長隧道地質剖面圖

勘測階段的環境同位素數據顯示：嶺北隧址區地表水的氘含量 值平均為 -58.6 ，明顯較位于F4斷裂帶上的冉家坪QDSZ-2鉆孔中水樣的 值(平均-71.9 )重化，前者較后者平均富集氘13.3 。由此判斷,在天然狀態下，F4斷層帶本身的水力傳導性很差，下部地下水并非來源于石砭峪河水的滲漏補給，不會給隧道的建設帶來突水風險。

②放射性環境同位素的標記性和記時性

原理。環境同位素與在地球化學原產地的相應天然同位素構成具有一致性，它在演化過程中攜有其演化環境和過程的信息，具有表征特定環境和過程的特性，可作為原位或過程的標記，因而可廣泛應用于示蹤研究，以示蹤大空間范圍、長時間跨度的物質的運動，反演或預測元素演化過程的環境 。

應用實例。放射性環境同位素T、Sr(鍶)技術在地下水循環深度確定中的應用

地下水循環深度反映了地下水的可更新能力。在水文地質調查基礎上，利用同位素技術對鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區的地下水循環深度進行研究。T、Sr等同位素數據表明，盆地北區現代水循環深度為210 m左右，水循環更替速度較快；南區現代水循環深度大約為160 m，水循環更替速度較北區稍慢。中深部環河組和洛河組地下水則保存著古地下水特征，地下水更替速度慢。因而，可加大北區地下水的勘察力度。

2 我國近20余年同位素在水文地質研究中的發展

2.1 我國同位素水文地質研究的發展歷程與現狀

1988年《全國同位素水文地質方法學術討論會》在保定召開，專家學者總結了我們在以下領域取得的成果：（1）數學模型的研究；（2）利用環境同位素研究地下水成因和補給來源；（3）環境同位素方法在水文地質勘察和環境評價中的應用；（4）地下水成礦作用和水同位素特征找礦；（5）環境同位素測試技術裝備和方法；（6）用放射性同位素示蹤法和稀釋法測定滲透速度和流向等參數；（8）利用同位素開展室內和野外彌散試驗；（8）在壩基和灌漿帷幕搶漏方面等 。

1993年第二屆《全國同位素水文地質方法學術討論會》在長春召開，這次會議總結發表了《中國同位素水文地質學之進展》(1988 1993)。此外，全國同位素地質年代學和同位素地球化學學術討論會每四年舉辦一次。其中，第八屆主要議題是 地下水定年與同位素地球化學 ，主要有地下水氦氬同位素特征的報告（劉存富）、環境同位素在水文地質和環境地質研究中的應用（賈艷琨等）、惰性氣體法測定地下水入滲補給量王鳳林（毛緒美等）、確定平原地下水4He年齡方法的嘗試（蔡鶴生等）、河北平原地下水鍶同位素特征（周愛國等）。第九屆學術會議主要討論了同位素地質分析技術方法和礦產資源、能源及水資源的形成時代與同位素示蹤。

雖然與國外相比，我國在同位素技術的應用方面相對滯后，但經過歷代不懈的努力取得了一系列成果。國內的發展現狀主要表現在以下幾方面 :

（1） 應用穩定同位素 、18O和放射性同位素 、14C等研究地下水的起源與形成、地熱水和咸水的成因、不同水體(或含水層)之間水力聯系與補給關系、混合比等；

（2） 進行有關水循環過程的某些環節(如降水入滲、土面蒸發、水面蒸發、彌散等)的室內或野外實驗；

（3） 利用人工放射性同位素測定水文地質參數和地下水污染示蹤；

（4） 通過環境同位素或人工同位素研究壩體滲漏或庫區滲漏；

（5） 通過環境同位素研究地表徑流形成過程與流量分割；

（6） 對古氣候與古環境演化的研究；

（7） 對大氣降水同位素變化特征進行初步的理論與實驗研究。

2.2 同位素水文地質學儀器及分析測試手段的發展

上世紀60年代以前的儀器很簡單，多由探頭和計數器構成，分析方法一般為化學分析和光譜分析。60至80年代近代分析技術和其它有關學科理論的迅速發展，實驗方法由穿透式發展成反射式，單源法、多源法、單探頭、多探頭、伺服跟蹤法等相繼出現，中子、? 復合源使儀器朝多元復雜化、智能化發展。80年代后由于計算機的迅速普及，儀器和分析測試手段獲得劃時代的變革，一般都具備高自能化和高靈敏度、分辨度和準確度，普遍應用SHIRIMPⅡ離子探針定年技術和高精度多接收器等離子質譜技術、激光同位素測年技術、微區穩定同位素測試、色質聯用技術等。中國科學院地質與地球物理研究所重點組建同位素水文學實驗室，主持IAEA地熱系統酸性流體研究等國際合作科研項目和國際間水化學實驗室等，這些都為同位素測試研究提供了堅實的基礎。

我國同位素儀器研發起步較晚，與國際先進水平還有很大的差距，目前國內高精度的大型同位素儀器大都依賴于國外進口。 九五 及 十五 發展計劃以來，國家已加強了自主研發和技術創新力度，在許多領域已達到國際先進水平。

3 總結

近20年我國同位素水文地質學研究取得了很大發展，但尚未形成系統化、標準化的學科，在技術上還主要引用國外同位素技術，自主創新的成果還較少。我們要進一步通過學術交流平臺，增強行業學術研究提高同位素水文地質學水平，為我國水文地質科學的發展做出貢獻。

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The Development and Application of Is otopes in Hydrological Geology Research

YU Mengming, PAN Hongzhong

(Geochemistry Department of Yangtze University, Jingzhou, Hubei Province 443002)

This paper summarizes the previous research achievement and acts on the det ail projects, and order with practical examples, to comprehensively conclude the development and achievement of hydrogeology isotopes various from theory, experiment methods and the analysis of test means in recent 20 years. While looking out of our international situation, this paper points out our absences, responsibilities, pressure and challenges for us to encounter. The conclusion can give guidance for our later work.

Hydrology geology; Isotope, Tracer material; Analysis of test

P641

A

1007-1903(2010)04-0021-04