鄂爾多斯盆地北部地下水環境同位素時空分布特征及其指示意義

連英立

（神華地質勘查有限責任公司，北京 100011）

鄂爾多斯盆地北部地下水環境同位素時空分布特征及其指示意義

連英立

（神華地質勘查有限責任公司，北京 100011）

在野外采樣的基礎上，通過測試分析不同地段、不同深度含水層中的環境同位素（δ18O－δD）特征，結合實際水文地質條件，分析了研究區地下水的補徑排關系。結果表明：研究區內地下水主要接受大氣降水補給，各含水層的垂向水力聯系較弱；在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點，總體上表現為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負；通過氘過量分析表明各含水層均受到了現今大氣降水影響。

環境同位素；氘過量；鄂爾多斯盆地；時空分布

鄂爾多斯能源基地位于鄂爾多斯盆地的北部，隸屬于我國西北部的內蒙古鄂爾多斯市，擁有豐富的自然資源，是我國能源基地建設的重點布局區域。目前，已經發現的具有工業開采價值的重要礦產資源有12類35種，包括了煤炭、天然氣、石油、巖鹽等，另外，鄂爾多斯還蘊藏豐富的化工資源，主要有天然堿、芒硝、食鹽、硫磺、泥炭等。目前，鄂爾多斯能源基地建設已初具雛形，隨著能源基地建設規模擴大，使得對地下水資源開發的需求日益迫切［1－2］。而如何合理開采地下水成為該地區水資源可持續發展主要問題。建國以來，各相關地質單、高校和科研機構對于鄂爾多斯盆地開展了大量的研究工作、積累了豐富的地質與水文地質資料，但前人的大部分研究都集中在鄂爾多斯盆地北部地下水資源相對較為豐富的的白堊系地下水的水量、水質、水化學演變規律等，對深部地下水及其環境同位素特征的研究較少［3－11］。環境同位素直接參與整個水循環過程，是詳細了解水文循環過程的理想方法［12］。本文對鄂爾多斯盆地北部地區深部和淺部地下水的環境同位素信息進行了對比和分析，揭示了區內地下水的主要補給來源及其相互補給關系。

1 研究區概況

研究區位于中國西北部，鄂爾多斯盆地北部的內蒙古自治區境內，地理坐標為東經109°23′00″～109°43′46″，北 緯 39°03′00″～39°21′50″面 積 約738km2，為一不規則形狀。區域地勢總體為北高南低，區域中北－中部海拔最高，超過1500m，為巴嘎淖、紅堿淖和烏蘭木倫河3個子流域的分水嶺；西部巴嘎淖爾海拔相對較低，約1250m，為巴嘎淖流域最低點；東南部紅堿淖海拔最低，水面高程約1220m，為紅堿淖流域最低點，也是區域的最低點。區域相對高差超過300m。

1.1 自然環境

研究區位于毛烏素沙漠東北邊緣，地貌為沙漠高原型，具體可劃分為沙地、基巖臺地和沙蓋基巖臺地三個子類型。以紅堿淖與巴嘎淖連線為大致分界，在勘查區范圍內，南部為沙地型地貌，北部為基巖臺地和沙蓋基巖臺地型地貌。研究區屬中溫帶半干旱氣候，太陽輻射強烈，日照較豐富，干燥少雨，風大沙多，無霜期短。冬季漫長寒冷，夏季炎熱而短暫，春季回暖升溫快，秋季氣溫下降顯著。研究區內最高氣溫＋36.6℃，最低氣溫為－29.0℃，多年平均氣溫為8.6℃（1961～2003年）；豐水年降水量為819.0mm（1967年），枯水年降水量為108.6mm（1965年），日最大降水量為141.1mm（1991年7月21日），多年平均為434.1mm（1961～2003年），且多集中于7、8、9三個月內；多年蒸發量平均為1712mm。

1.2 水文地質條件

研究區內地表水系主要包括兩個內陸水系和一個外流水系。其中，兩個內流水系屬二級流域鄂爾多斯內流區，可劃分為紅堿淖內流區和巴嘎淖內流區兩個三級子流域；一個外流水系，即烏蘭木倫河流域，屬于黃河支流窟野河二級流域的子流域。

區內第四系地層廣泛分布，地下水主要補給來源為大氣降水，次為區外潛水的側向徑流補給以及深部承壓水的越流補給。本區大氣降水量較小，但是比較集中，因此，雨季的補給量會明顯增大。一般沿南及東南方向徑流。白堊系下統志丹群（K1zh）、侏羅系中統安定組（J2a）、直羅組（J2z）以及侏羅系中統延安組（J2y）砂巖含水層，基巖在地表沒有出露，承壓水的主要補給來源為區外承壓水的側向徑流補給，次為上部潛水的垂直滲入補給，白堊系含水層受地形發育影響，徑流方向由西北向東南方向，地表分水嶺與地下分水嶺相吻合（圖1）。

圖1 研究區采樣點分布圖

2 樣品的采集和測試

2013年10月，在研究區對地下水、地表水和大氣降水進行采樣分析（圖1），測試內容包括氘、氧－18。此次共采集80組水樣，包括第四系地下水、白堊系地下水、煤層頂板地下水、煤層間地下水及三疊系地下水，并按照不同深度和含水地層劃分為六組。

穩定氧同位素18O/16O利用CO2平衡方法，穩定氫同位素D/H利用鋅還原方法，通過質譜測定，并以VS－MOW標準表示，其分析精度分別為δ18O：±0.1‰；δD：±1.0‰。取樣點分布見圖1。

3 不同含水層的同位素特征

3.1 δ18 O和δD同位素特征

普遍認為，大氣降水是本區地下水的主要補給來源，分析其特征可以為查明地下水的成因提供依據。根據相關研究［13－15］，在鄂爾多斯白堊系盆地北區以及周邊地區收集到的雨水同位素數據（IAEA及省、地區級監測站），繪制出當地雨水線（LMWL）方程見式（1）。

由圖2可以看出，研究區雨水線的斜率（6.7697）明顯小于全球雨水線（GMWL）的斜率（8），這主要是因為本區地處氣候干旱的內陸地區，蒸發作用較強，從而導致重同位素富集。根據勘探區地下水δ18O—δD關系散點圖（圖2），地下水各點大致集中沿當地雨水線分布，且均位于雨水線下方，由此反映出區內地下水的主要補給來源為大氣降水。

圖2 研究區地下水δ18 O—δD關系散點圖

圖3展示了研究區地下水同位素在深度上的平均分布特征，由圖3可以看出，當地下水埋藏深度在10m以淺時，δ18O和δD的平均值分別為－9.6‰和－67.5‰；當地下水埋藏深度為50m時，δ18O和δD的平均值分別為－10.8‰和－76.2‰；當地下水埋藏深度為200m時，δ18O和δD的平均值分別為－11.3‰和－81.1‰；當地下水埋藏深度為600m時，δ18O 和 δD 的平均值分別為 －12.0‰ 和－88.6‰；當地下水埋藏深度為800m時，δ18O和δD的平均值分別為－12.8‰和－92.7‰；當地下水埋藏深度為900m時，δ18O和δD的平均值分別為－12.1‰和－87.5‰。

由圖2、圖3可以看出，在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點，總體上表現為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負，指示著區內各層地下水垂向水力聯系較弱。同時也說明愈往深部，地下水的形成的年代愈久遠，由于當時的年平均氣溫較現代要低，在這種較低溫度下形成的降雨，其同位素含量本身就低而造成的。而白堊系、煤層頂與煤層間地下水的散點分布比較離散，表明這幾個含水層地下水在一定程度上受到了上層水的混合作用影響。

圖3 研究區地下水δ18 O－δD同位素垂向分布圖

3.2 氘過量參數特征

氘過量參數又稱氘盈余，是Dansgaard［16］提出的一個概念，并且把它定義為：d＝δD－8δ18O。d值的大小相當于某一地區大氣降水斜率（△δD/△δ18O）為8時的截距。大氣降水的d值可以反映該區大氣降水與全球大氣降水的氫氧同位素分餾程度。某一地區大氣降水的氫氧同位素組成通常隨時間（季節）、空間（高程）而變化。但是，當某一地區大氣降水的降水線方程確定以后，它的氘過量參數（d值）總是在一定范圍內，且不受季節、高度等因素影響。d可以作為水巖反應中18O同位素交換程度的衡量指標。d值越小，水文地質環境越封閉，水在含水層中滯留時間愈長，地下水徑流速度愈慢，地下熱水的可更新能力越弱。d值表征了某水樣同位素對現代大氣降水的偏離程度，當d＜10%，表明為正常大氣降水；當d＜－10%時，表明干熱氣候條件下（蒸發濃縮）的降水；當d＞＋10%時，表明是與現今不同氣候條件下的降水。

根據本次地下水氘氧同位素分析測試結果計算，白堊系含水層的d值為4.37%～10.15%，煤層頂含水層的d值為3.68%～9.58%，煤層間含水層的d值為3.05%～9.89%，三疊系含水層的d值為7.40%～9.09%。說明各含水層均受到了現今大氣降水影響。白堊系含水層因為與第四系及地表水水力聯系密切，容易受到現今大氣降水影響。而研究區北部東勝梁一帶有侏羅系直羅組、延安組及三疊系延長組的露頭，從侏羅系含水層等水位線來看，其補給區位于北部，在補給區大氣降水直接補給侏羅系直羅組、延安組及三疊系延長組含水層，所以侏羅系、三疊系含水層在一定程度上也受到了大氣降水的影響。

4 結論

1）水中環境同位素組成記錄了水循環的過程信息，是研究水文循環的良好示蹤劑，其應用前提是不同水體的同位素特征具有明顯的差異，同時還要結合實際水文地質條件進行解釋。

2）研究區雨水線的斜率（6.7697）明顯小于全球雨水線（GMWL）的斜率（8），這主要是因為本區地處氣候干旱的內陸地區，蒸發作用較強，從而導致重同位素富集。地下水各點大致集中沿當地雨水線分布，且均位于雨水線下方，由此反映出區內地下水的主要補給來源為大氣降水。

3）在垂向上氘氧同位素具有明顯的分層性特點，總體上表現為隨著地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐漸偏負，指示著區內各層地下水垂向水力聯系較弱。

4）研究區內白堊系含水層的d值為4.37%～10.15%，煤層頂含水層的d值為3.68%～9.58%，煤層間含水層的d值為3.05%～9.89%，三疊系含水層的d值為7.40%～9.09%，說明各含水層均受到了現今大氣降水影響。

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The groundwater environment isotope distribution and its implications in northern Ordos basin

LIAN Ying－li
（Shenhua Geological Exploration Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

On the basis of field sampling and actual hydrogeological conditions，Analysis the relationship between recharge，runoff and discharge via testing different lots at different depths in the aquifer environmental isotopes （ δ18O－δD）features.The results showed that：in the study area，groundwater recharge mainly by atmospheric precipitation，each aquifers vertical hydraulic connection is weak；δ18O－δD has obvious characteristics of stratification in the vertical，δ18O，δD value of groundwater gradually negative by the groundwater burial depth increased；it showed that all the aquifers are now affected by atmospheric precipitation by deuterium excess analysis.

environmental isotope；deuterium excess；Ordos basin；temporal and spatial distribution

連英立（1964－），男，河北邢臺人，工程師，從事地下水數值模擬研究。

TV214

A

1004－4051（2014）S2－0123－04

2014－08－10