氘、氧同位素在新疆半干旱地區找水的應用

鄭　勇，孫忠偉，劉　濤

（新疆地礦局第二水文工程地質大隊，新疆昌吉831100）

氘、氧同位素在新疆半干旱地區找水的應用

鄭勇*，孫忠偉，劉濤

（新疆地礦局第二水文工程地質大隊，新疆昌吉831100）

以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質勘察”為例，探討了氘、氧同位素在新疆半干旱地區找水時的應用，供同類找水地區探討。

地下水；同位素；含水層

同位素分為穩定同位素以及放射性同位素。穩定同位素一般用作分析地下水成因、流動和環境因素影響的指示劑，放射性同位數主要用于確定地下水的年齡。本篇以“新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質勘察項目”來進行分析研究氘、氧同位素在新疆半干旱地區找水的應用。

1　項目概況

新疆巴里坤縣漢水泉—庫木蘇一帶水文地質勘察項目位于新疆巴里坤縣西北漢水泉一帶，屬于干旱半干旱地區，人口稀少，基本無人類工程活動，項目區北部為大哈甫提克山、呼洪得雷山，南部為白依山。總體地勢北部高于南部、西部高于東部，漢水泉一帶為本次項目的最低洼處，即本次項目的匯水中心。

在不同地質歷史時期，由于受歷次構造運動的影響，勘察區的沉降幅度不盡相同，造成第四紀和新近紀地層在區內的沉積厚度和分布范圍有所差異，區內地下水類型為多層結構，致使勘察區第四系松散巖類孔隙潛水和新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水的賦存及分布規律有所差別。

1.1第四系松散巖類孔隙潛水

勘察區內第四系松散巖類孔隙潛水分布在庫木蘇洼地北部及F1斷裂南部和漢水泉三岔口—白泥地東井北部一帶，該地段第四系厚度50～150m，由北向南厚度逐漸變薄的趨勢，地下水埋深變淺，由100m漸變為3m，含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂、細砂，結構松散、粒徑較大，含水層厚度在8.04～146.57m，含水層厚度變化較大，儲水條件良好，地下水富水性可分為豐富、中等、弱3類（圖1）。

1.2新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水

在勘察區內廣泛分布，地層巖性以砂巖、泥巖、礫巖為主，含水層巖性為砂巖、礫巖等，新近紀地層厚度一般在50～200m，可以劃分為1～2層承壓含水層，局部可劃分為3層。第一承壓含水層厚度一般在7.69～57.06m，含水層巖性為砂巖，結構稍密，層理明顯；第二承壓含水層厚度10.00～45.11m，含水層巖性為砂巖、礫巖，結構松散，隔水層厚度10.00～55.45m；局部含有第三承壓含水層厚度32.30m。勘察區內碎屑巖類孔隙裂隙承壓水富水性可分為豐富、中等、弱3類。總體富水性特征為勘察區四周向中心，呈逐漸增強的趨勢（圖2）。

2　同位素利用分析

2.1天然水環境同位素特征

（1）大氣降水。從勘察區采集的次降水樣品測試結果來看（表1），其的δD和δ18O分別為-28.79‰和-0.92‰。單一數據不能用來刻畫勘察區大氣降水的同位素組成特征，為此，參考烏魯木齊降水的同位素特征，新疆區域降水公式：δD=7.21δ18O+4.5（通過1986～2002年國際氣象研究站在烏魯木齊地區17觀測數據取值），勘察區大氣補給直線由于δ18O偏大而向上方偏移與烏魯木齊大氣降水線交叉于區內ZK6-2樣品點。通過計算可得勘察區區域降水公式δD=5.01δ18O-24.16。

表1　降水樣品測試分析結果

（2）地表水。勘察區屬干旱區內陸性氣候，地下水的主要補給來源為周邊側向徑流補給，地表基本無地表水體分布，勘察區內未采取地表水同位素樣品。

（3）地下水。勘察區第四系潛水樣品δD和δ18O過渡范圍分別為-127.76‰～-28.79‰和-16.77‰～-6.01‰，平均值分別為-103.93‰和-15.07‰。

勘察區新近系承壓含水層δD和δ18O過渡范圍分別為-195.03‰～-91.90‰和-12.32‰～-16.30‰，平均值分別為-114.63‰和-14.60‰。

2.2地下水的補給機制及流通途徑

不同來源水體經歷了不同的物理化學作用，導致其δD和δ18O值具有不同的組成特征，因此，可以根據地下水中的δD和δ18O同位素特征所反映的信息來識別地下水的補給來源。

（1）地下水的補給機制。

①潛水含水層。勘察區地下水整體樣品的同位素值明顯低于代表平原區降水的烏魯木齊降水加權平均值（圖3），說明平原區降水不是地下水的主要補給源，其補給來源應該是高海拔地區的降水。

圖3　潛水穩定同位素組成特征

樣品ZK6-2落在烏魯木齊降水加權平均值線上，ZK6鉆孔其補給來源與雨水基本相同，為山區的降水。沿著蒸發線進行外推與降水線交點處的同位素特征，即是未受蒸發影響的原始補給水的特征，漢水泉洼地芒硝礦樣品點表現出強烈的蒸發效應，2個樣品均偏離區域補給水直線。因此，連接這2個樣品點的直線代表了該區的蒸發線，該蒸發線的斜率大致是3.33。其他樣品如漢水泉淺埋帶淺井HQJ26，也不同程度地向區域補給水直線右下方偏移，反映出了補給過程中經歷了蒸發影響，但將它們與芒硝礦附近的樣品對比偏離程度相對較小，說明受到蒸發影響相對較小，印證了同位素試驗結果的可靠性。

②承壓含水層。勘察區承壓含水層主要是新近系碎屑巖類，從δD—δ18O關系圖（圖4）的分布特征來看，承壓水樣品都遠離山區來水的區域補給直線，按照各樣品與區域補給直線及烏魯木齊降水加權平均值線的相對位置關系，大致可分為3組。

圖4　承壓水穩定同位素組成特征

勘察區西部庫木蘇洼地采集2件承壓水同位素樣品，ZK6-1、ZK8-1樣品均較遠的偏離區域補給水直線，表現出強烈的蒸發效應。與其它漢水泉洼地樣品呈現明顯的分帶趨勢，根據2件樣品數據結果分區A。分區A總體向區域補給水直線右下方偏移，反映出了地下徑流過程中經歷了蒸發影響，同位素數據證明區域A的承壓水與相應區域的潛水有混合作用，相互之間有一定的水力聯系，庫木蘇洼地承壓含水層與潛水含水層存在相互補給交替。

勘察區東部漢水泉洼地樣品呈現明顯的分帶趨勢，根據6件樣品數據結果分區B和C。

B組為下層新近系地下水樣品，該組4件樣品落在大氣降水線的下側，是所有地下水樣品同位素值最貧的一組，該組樣品δD—δ18O值變化范圍很小，樣品沿著平行于大氣降水線的直線分布，表明下層新近系的地下水是晚更新世寒冷氣候條件下補給形成的，表明該含水層參與現代水循環很弱，現代水補給很少，更新能力極差。

C組為上層新近系承壓含水層樣品。分區C總體向區域補給水直線右下方偏移，2件樣品連線同樣沿著平行于大氣降水線的直線分布，其補給源與下層地下水基本相同，但較大的偏離距離證明，補給過程中受到蒸發影響。

與A組庫木蘇洼地承壓水樣及B組下層新近系承壓水樣相比，表明C組含水層與淺層水有一定循環交換，得到了現代水補給，但從偏離程度上分析漢水泉洼地承壓水更新能力普遍較庫木蘇洼地差，新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水由勘察區西部向東部勢匯。

（2）不同含水層之間的相互關系。勘察區主要賦存第四系潛水與新近系承壓水，比對分析勘察區內同一鉆孔不同深度含水層的同位素與水化學特征（表2），無論是水化學還是同位素數據都表明這些鉆孔上下段含水層具有相近的水化學與同位素特征。

表2　同位素與水化學特征一覽表

綜上所述，水化學和同位素數據支持勘察區第四系潛水與新近系承壓水之間存在一定的水力聯系，最終均以蒸發排泄。

（3）地下水流動途徑。穩定同位素組成特征表明，勘察區地下水補給來源是山區大氣降水，并且經歷了蒸發影響，蒸發影響反映在地下水的穩定同位素上表現為δ18O值隨著蒸發強度增加而增高，δD過量減小，由圖5可見，勘察區的地下水樣品表現出潛水及承壓水2組明顯不同的特征，代表了2條不同的流動途徑（圖5）。

潛水的Cl-離子含量相對變化較大、受蒸發影響程度劇烈，流動途徑相對較短，代表了整體由周邊山區途徑西部庫木蘇洼地匯流最終向漢水泉洼地匯集的地下水徑流途徑，潛水水體以來自周邊山區的地下水補給為主。

承壓水Cl-含量總體較高，受混合作用影響大，流動途徑相對較長，代表了由周邊山區至漢水泉洼地中部沉降中心的地下水徑流途徑，承壓水體均主要補給源以來自周邊山區的側向補給為主，同時與上部第四系潛水存在一定的交替補給。

3　結束語

新疆為干旱半干旱地區，因此工農業的發展嚴重依賴水源，由于地表水較少，所以地下水在供水中占據舉足輕重的作用，再因為新疆地區的特殊條件，在大范圍地區找水時，地下水的補給、徑流、排泄條件是否清楚關系到后續開采情況。根據本次實際應用，可以看出氘、氧同位素在分析地下水補徑排條件中的應用相對較為清晰、可靠。

圖5　地下水補給來源與流動途徑示意圖

［1］趙野.同位素技術在水文研究中的應用［J］.山西建筑，2011

P641

B

1004-5716（2016）01-0125-04

2015-01-08

2015-01-12

鄭勇（1983-），男（漢族），四川南充人，工程師，現從事水文地質、工程地質、環境地質工作。