深州地區淺層地下水同位素組成及其指示意義

馮 欣， 高業新， 張 冰， 崔浩浩， 張亞哲

(中國地質科學院 水文地質環境地質研究所， 河北 石家莊 050061)

1 研究背景

同位素技術應用于地下水研究，始與20世紀50年代，初期主要以人工同位素示蹤為主，利用中子、γ射線源測定土壤含水量、密度、孔隙度等。60年代以來，隨著測量技術的不斷改進，使得該學科迅速發展而得到普遍應用[1]，經過幾十年的不斷研究，穩定同位素方法特別是氫氧同位素已被證明是認識地下水來源和演化的特有工具之一[2]。

近30余年來，隨著高精度測試方法的建立，使硼、氯同位素應用于地球化學領域的方法得到了改進和創新，硼同位素作為良好的示蹤劑，已廣泛用于解決地球化學過程中的許多問題，在示蹤水體特別是地下水污染物來源、受污染程度及范圍方面取得了一定研究成果[3]。

濱海區域咸水研究較為深入，國內外學者在咸淡水界面運動、咸淡水驅替研究、咸水微咸水開發利用、水文地球化學模擬地下水化學環境演化等方面取得了較為豐富的研究成果[4-8]。而針對內陸咸水區的研究較少，內容集中在室內土柱實驗和常規水化學等方面[9-10]，在應用同位素開展內陸淺層咸水的形成機理以及水動力和水化學演化規律方面的研究程度較低，同時與濱海區的海侵運動和過度開采造成的地下水咸化相比內陸咸水區古地理環境和古水文地質條件及基底構造等綜合作用是其咸水形成的內因，二者有其本質上的區別；因此，針對內陸咸水區的同位素組成特征、地下水補給來源等問題開展研究，對合理開發利用地下水、防治地下淡水過量開采所引起環境問題具有重要的理論和實際意義。

本項目依托國土資源部地下水科學與工程試驗基地-深州基地(以下簡稱深州試驗基地)，開展分層水樣采集，結合當地氣象資料等，采用氫氧穩定同位素及硼同位素研究了區域地下咸水、微咸水的來源及咸淡水混合比例。該研究對于掌握區域咸水特征和進一步開展減緩咸水下移研究工作，有重要的支撐作用。

2 研究區概況

深州試驗基地位于河北省衡水深州市東南護駕遲鎮南張家莊，地理坐標：N37°54′23.0″；E115°40′44.3″，占地面積24 300 m2。試驗場區地處華北平原中部，自上而下分為5個含水組：第Ⅰ含水組底界埋深40～60 m，第Ⅱ含水組底界埋深一般為120～170 m，第Ⅲ含水組底界埋深250～350 m，含水層厚度大，顆粒粗。第Ⅳ含水組底界埋深350～450 m。第Ⅴ含水組底界埋深450～600 m。第Ⅰ、Ⅱ含水組以沖積、洪積為主，第Ⅰ含水組該的含水層間無明顯的隔水層,透水性好，水質普遍為咸水。第Ⅱ含水組巖性顆粒較細，以細砂、粉細砂為主,滲透性和富水性好于第Ⅰ含水組。第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水組以沖積、洪積和河湖相堆積作用為主，隔水層分布廣泛且厚度大。5個含水組的地質時代分別對應于全新統、晚更新統、中更新統、早更新統和新近系上新統明化鎮組。

主要試驗井群位于深州試驗基地東南角的地下水動力學平臺中，該平臺現有14眼機井(圖1)，在揭露的600 m范圍內，分布有10眼專門觀測井，4眼綜合試驗井。本項目主要應用淺部80 m范圍內的4眼綜合試驗井開展相關研究。試驗井基本參數見表1。

圖1 試驗井位置示意圖

編號水樣性質成井/m井口直徑/mm濾水管位置/m含水層巖性成井水位埋深/m成井礦化度/(g·L-1)涌水量/(m3·h-1)X01第I含水組咸水4714630．6～39．6細+中+粗砂10．211．04．656X02弱透水層咸水5211049．5～50．7粉細砂10．910．20．22X03弱透水層微咸水6211055．8～61．8中細砂21．90．90．1356X04第II含水組頂部微咸水7214665．2～70．4細砂+粗砂30．30．82．06

3 氫氧同位素

在全球范圍內，每年循環海洋的水蒸氣以及降水和地表徑流接近動態平衡，只有大的氣候變化才可明顯地改變地表水、地下水和冰川水的淡水儲量。因此，主要受溫度控制的δD、δ18O 同位素成為有效地評價地下水來源和水流路徑的研究工具之一[11]。

隨著深度增加，研究區地下水的δ18O值呈現減小趨勢，最咸處(30～40 m )咸水的δ18O為-8. 5‰～-9. 6‰，一般比當地大氣降水的δ18O值偏負。由δ18O-δD散點圖(圖2)可知，2014年相較2011年的同位素值落在降水線的右下方且明顯偏離了當地大氣降水線[12]，說明該地區淺層地下水在兩個不同時期經歷的蒸發濃縮作用強度呈現了的略微增大的趨勢[13]。同時可以看出，深層微咸水的氫氧同位素值與淺層咸水相比顯示出貧化特征，表明X03、X04兩含水層中的微咸水的可能并非全部來自降雨補給，結合區域地下水常年超采導致水位常年下降的情況，淺層地下水向深層含水層的越流補給成為其重要的補給方式[14]。

氫氧同位素證據顯示，研究區內咸水和微咸水的氫氧同位素普遍偏負，其數值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值[15-16](δ18O>-7.00%、δD>-55.0%，圖2中所示的交叉點為海相成因咸水與大陸演化成因咸水的分界點)。通過上述分析，在氫氧同位素方面排除了深州地區地下咸水微咸水中的鹽分來自于海水的可能。因此，在研究區離子比例分析[17]的基礎上進一步確定了地下水中的鹽分可能來源于圍巖的淋濾作用，該地區地下水為大陸鹽化成因咸水。

4 硼同位素

圖2 研究區δ18O-δD散點圖

試驗井時間pHB/(mg·L-1)Cl/(mg·L-1)δ11B‰(Na/Cl)/10-2(Ca/Cl)/10-2(Mg/Cl)/10-2TDS/(mg·L-1)20117．290．68455815．9954．418．7317．901131720127．530．544398．515．8655．508．5718．3111124X0120137．240．87448517．0852．988．8217．791167320147．260．60465116．4556．968．7817．6611864均值7．330．674523．1316．3554．968．7317．9211494．5020117．300．54432417．3349．759．3218．601022720127．030．50430215．7151．528．5818．8810357X0220137．330．70461314．9652．208．1918．861075520147．340．42462816．5354．938．5017．5210842均值7．250．544466．7516．1352．108．6518．4710545．25201120127．030．05993．55．0036．6812．099．561209X0320137．170．071061．07．3536．0913．0710．22163120147．270．0911568．3636．4311．289．391710均值7．160．071070．176．9036．4012．159．721516．67201120128．450．13516．55．6854．4010．5311．291139X0420137．990．09555．856．3455．058．5411．06142920147．350．07659．807．7749．209．168．131227均值7．930．10577．386．6052．889．4110．161265．00

本項目的硼同位素測試由中國科學院青海鹽湖研究所完成，采用TRiton熱電離質譜儀測定，監測范圍(3～320)amu，分辨率450，靈敏度1/500，豐度靈敏度2×10-8。

樣品的硼同位素組成表示為：

(1)

式中：NIST951H3BO3標準物質的測定值為：4.05234±0.00021(n=3,2σ)

地下水受到咸水入侵時，在混合、吸附、水巖等作用下會令硼同位素發生分餾，使得硼同位素顯著區別于區域背景值。因此，在結合水化學和其它同位素等信息情況下，硼及其同位素作為良好示蹤劑為研究水圈中物質的地球化學循環過程提供了新的手段[19]。

將深州試驗基地不同試驗井的δ11B‰值列于表2，表2中還同時列出了地下水的pH值、TDS、氯的含量、硼的含量及主要離子比等。由表2可知，研究區咸水pH值變化范圍為7.03～7.53，微咸水為7.03～8.45，硼同位素的變化范圍在咸水中為15.71～17.33，微咸水為5～8.36。咸水δ11B‰平均值為16.24，微咸水均值6.75，其δ11B‰值介于海水(39.5‰)和陸相地下水(-3‰±5‰)之間[20]，且明顯低于海水中的δ11B‰值，因此從硼同位素含量方面也進一步表明了該區域地下水的非海相來源。

由表2可以發現水中硼的富集較復雜，盡管在TDS較高的水中硼的含量較高，但硼濃度最高的水其含鹽量并不是最高的。

研究區地下水中的主要陰離子為Cl-、SO42-，陽離子以Na、K、Mg為主。不同深度不同含水層的Na/Cl、K/Cl、Mg/Cl、Ca/Cl比值也有一定的區別，圖3、圖4給出了研究區微咸水、咸水中的硼同位素組成與Na/Cl、Ca/Cl、Mg/Cl以及TDS的關系。由圖3可以看出，研究區內微咸水含水層各數據點比較離散，硼同位素組成與Na/Cl、Mg/Cl及Ca/Cl均沒有明顯的相關性，硼同位素組成隨著地下水中TDS的增大而呈一定的正向相關關系。

圖3 微咸水中B與各離子比例及TDS關系圖

圖4 咸水中δ11B‰與各離子比例及TDS關系圖

研究區開展了分層監測孔現場分級聯合試驗，并投入示蹤劑。研究結果表明，在X02、X03及X04井中均監測到X0l井投放的示蹤劑。由此可知各含水層之間存在水力聯系，上層咸水通過一定途徑進入下層含水層[22]。而海相與陸相來源水的硼同位素組成具有十分明顯的差別。海水的δ11B‰值穩定在39.5‰左右，地下鹵水的δ11B‰值可達57.5‰，而陸相地下淡水的δ11B‰值一般介于-3‰±5‰之間。因此，地下淡水一旦受到咸水的污染，δ11B‰值都會明顯地升高[23]。

當咸水與淡水混合按照不同比例混合時，在混合的初期，混合水的δ11B‰值隨咸水的摻入而急劇增加至咸水的δ11B‰值后趨于穩定[17]。即當只有少量的咸水混入時，即可以通過δ11B‰值的增大而判斷咸水是否混入。

圖5 δ11B‰隨時間變化規律

由圖5可以看出，淺層咸水δ11B‰較穩定，隨著時間變化程度不大，而微咸水中δ11B‰隨時間推移呈現逐步上升的趨勢，而相應的硼含量并未出現顯著增加。

經研究表明[24]，咸水和淡水混合可由以下公式計算：

(2)

上式經過變換整理可以得出：

F=

(3)

式中：F為咸水混合分數；CB為各水樣濃度；δ11B為各水樣中硼同位素含量。

以2012年測得的X01井水樣δ11B‰(15.86)為咸水背景值，X03、X04井水樣為微咸水背景值，以X03、X04水樣2013、2014年測試值為δ11B‰混合值，用公式(2)計算對應年份微咸水中混入咸水比例見表3。

表3 微咸水δ11B‰混入比例統計表

由表3計算結果可以得出，研究區內兩微咸水含水層咸水混入比例呈現逐年增加的情況，這與研究區兩含水層TDS含量及Cl-含量增加所顯示出的咸化呈現一致的情況。進一步證明了研究區微咸水出現了一定程度的咸化情況。

5 結論與展望

(1)研究區內氫氧同位素結果顯示，地下水在不同時期經歷的蒸發濃縮作用強度不同，呈現了的增大趨勢。區域內咸水、微咸水的氫氧同位素普遍偏負，其數值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值，進一步證明了區域內地下水為大陸鹽化成因地下水。

(2)地下咸水δ11B‰介于海水和陸相地下水的δ11B‰值之間，且遠偏離海水δ11B‰值。微咸水含水層δ11B‰較離散，硼同位素組成隨著地下水中TDS的增大而呈一定的正向相關關系；在咸水中δ11B‰值與Ca/Cl比值有相關性，這表明咸水中的硼同位素組成受Ca離子含量的影響。

(3)研究區含水層間存在水力聯系，兩微咸水含水層咸水混入比例呈現逐年增加的情況，這與含水層TDS含量及Cl-含量增加所顯示出的咸化呈現一致的情況。進一步證明了研究區微咸水出現了一定程度的咸化情況。

由于測試經費和測試周期較長的限制，導致測試樣本數目較少，不能完全確定研究區弱透水層含水層和第二含水層頂部是否被上層咸水影響，但現有數據顯示，該兩含水層地下水呈現了一定的咸化趨勢，且在第二含水組頂部含水層中的咸化趨勢較為明顯。

參考文獻：

[1] 李學禮,孫占學,劉金輝.水文地球化學：第3版[M].北京：原子能出版社,2010：94-99.

[2] AGGARWAL P K, GAT J R, FROEHLICH K F. Isotopes in the water cycle: Past, present and future of a developing science[J]. Springer Verlag Gmbh, 2007(38)：621-622.

[3] 郎贇超,劉叢強,趙志琦.硼及其同位素對水體污染物的示蹤研究[J].地學前緣,2002,9(4):409-415.

[4] VALLEJOS A, SOLA F, PULIDO-BOSCH A. Processes influencing groundwater level and the freshwater-saltwater interface in a coastal aquifer[J]. Water Resources Management, 2015,29(3):679-697.

[5] 孟慶生,佟 雪,鄭西來,等.大沽河咸水入侵區氯離子濃度、礦化度與地層電阻率關系實驗研究[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2015,45(5):87-92.

[6] 黃向青,甘華陽,路劍飛,等.雷州灣東海島濱岸地下水化學要素變化特征和水質現狀[J].水資源與水工程學報,2013,24(5):59-65.

[7] 龍秋波,袁 剛,王立志,等.邯鄲市東部平原區微咸水現狀及開發利用研究[J].水資源與水工程學報,2010,21(4):126-129.

[8] 韓 非,吳吉春,張永祥.咸/鹵水入侵越流含水層的數值模擬:以山東省萊州灣南岸為例[J].南京大學學報(自然科版),2011,47(3):281-290.

[9] 榮慧峰,殷文靜,楊學亮，等.滄州地下咸水成因分析[J].地下水,2011,33(2):26-27+45.

[10] 李亞美,成建梅,李敏敏,等. 咸水在黏性土中遷移轉化的試驗研究[J].水資源保護,2015,31(3):88-93.

[11] 徐彥澤.滄州市地下水的水文地球化學與穩定同位素[D]. 北京：中國地質大學,2009.

[12] 王仕琴,宋獻方,肖國強,等.基于氫氧同位素的華北平原降水入滲過程[J].水科學進展,2009,20(4):495-501.

[13] 汪敬忠,吳敬祿,曾海鰲,等.內蒙古河套平原水體同位素及水化學特征[J].地球科學與環境學報,2013,35(4):104-112.

[14] 李 莎,成建梅,李敏敏，等.人類開采活動影響下的衡水地區地下水水質特征及演化[J].南水北調與水利科技,2016,14(3):55-61+100.

[15] 周 煉,劉存富,王佩儀.河北平原第四系咸水同位素組成[J].水文地質工程地質,1998(3):4-8.

[16] 周 煉,劉存富.河北滄州地區天然水的氯同位素組成[J].地球科學-中國地質大學學報,1996,21(5):563- 566.

[17] 馮 欣,張亞哲.深州地區地下水離子比例系數分析研究[J].中國農村水利水電,2014(4):18-20+24.

[18] DOTSIKA E, POUTOUKIS D, MICHELOT J L, et al. Stable isotope and chloride, boron study for tracing sources of boron contamination in groundwater: Boron contents in fresh and thermal water in different areas in greece[J]. Water Air & Soil Pollution, 2006, 174(1-4):19-32.

[19] 肖榮閣,大井隆夫,蔡克勤,等. 硼及硼同位素地球化學在地質研究中的應用[J]. 地學前緣, 1999,6(2): 361-368.

[20] LESLIE D, LYONS W B, WARNER N, et al. Boron isotopic geochemistry of the McMurdo Dry Valley lakes, Antarctica[J]. Chemical Geology, 2014,386(12):152-164.

[21] KLOCHKO K, KAUFMAN A J, YAO W, et al. Experimental measurement of boron isotope fractionation in seawater[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2006,248(1-2):276-285.

[22] 李亞美,成建梅,崔莉紅,等.分層監測孔現場分級聯合試驗確定含水層參數[J]. 南水北調與水利科技,2013,11(3):132-137.

[23] 肖 軍,賀茂勇,肖應凱,等.硼同位素地球化學應用研究進展[J]. 海洋地質前沿,2012,28(9):20-33.

[24] 肖應凱,廖步勇,王中良,等. 長江口咸淡水混合過程中溶解態硼的含量及同位素組成特征[J].礦物巖石地球化學通報,2003,22(4):324-327.