喀什平原區(qū)地下水同位素年齡特征及更新速率分析

乃尉華，史杰，王文科，王藝星，段磊，李斌

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；3.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

喀什平原區(qū)涵蓋了克孜勒河、恰克馬克河、蓋孜河、庫(kù)山河及烏魯阿特小河等流域，東至喀什經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)所在的沖積細(xì)土平原區(qū)。前人對(duì)研究區(qū)部分地帶進(jìn)行過(guò)不同程度的研究工作[1-3]，涉及的研究?jī)?nèi)容主要包括地下水動(dòng)態(tài)、資源量評(píng)價(jià)等。

2012—2015年，新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)在研究區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)性的水文地質(zhì)勘查工作，取得了較全面的勘查成果?。本文以300 m以淺的井孔中所采集的地下水樣品放射性(3H，14C)同位素測(cè)試數(shù)據(jù)為依托，首次對(duì)區(qū)內(nèi)地下水年齡及可更新能力等問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究，其結(jié)果對(duì)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的劃分提供了直接證據(jù)。

圖1 喀什平原區(qū)3H、14C同位素采集水樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The radioactive isotope(3H、14C)sampling distribution in Kashgar plain

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

研究區(qū)第四系地下水流系統(tǒng)可劃分為北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)與南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)(圖1)。300 m鉆探深度內(nèi)的第四系地下水類(lèi)型劃分為單一結(jié)構(gòu)的潛水與多層結(jié)構(gòu)的潛水-承壓水，其中，第四系多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水含水層在90～110 m以淺可概化為潛水，90～210 m可概化為第一層承壓水，190～210 m以下可概化為第二層承壓水；第四系含水層的單井涌水量為5 000～1 000 m3/d，滲透系數(shù)為7.24～83.50 m/d；第四系厚度一般小于1 000 m，第四系上新—全新統(tǒng)、全新統(tǒng)含水層巖性主要為卵石、礫石、礫砂、中粗砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂等，隔水層巖性主要為亞粘土、粘土。

北部克孜勒河地下水亞系統(tǒng)的地下水中硫酸鹽含量大于250 mg/L，由西向東水化學(xué)類(lèi)型從SO4·Cl型水轉(zhuǎn)化為SO4型水，克孜勒河沿岸礦化度小于1 000 mg/L，其余地段礦化度多大于1 000 mg/L；南部蓋孜河地下水亞系統(tǒng)的地下水中硫酸鹽含量多小于250 mg/L，礦化度多小于1 000 mg/L，水化學(xué)類(lèi)型一般為SO4·HCO3型水和HCO3·SO4型水及SO4型水。

2 樣品采集和分析方法

乃尉華等先后在研究區(qū)采集地下水和地表河水3H同位素樣品88組、14C同位素樣品32組(圖1，表1)。采樣井深80～300 m，水位埋深4～106 m。3H，14C同位素值由國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心測(cè)試完成，采用液體閃爍儀測(cè)試，δ3H值誤差約為±2.5 TU，δ14C值測(cè)試結(jié)果的置信概率為95%。

表1 喀什平原區(qū)地下水氚年齡及更新速率計(jì)算結(jié)果Table 1 Tritium ages and renewal rate data of groundwater calculated in the Kashgar plain

3 3H同位素年齡特征及更新速率分析

本文采用全混模型(指數(shù)模型)方法，假定系統(tǒng)中不同年齡的水均勻混合，在任一時(shí)刻輸出的氚濃度都等于該時(shí)刻系統(tǒng)中地下水的平均氚濃度[4]。據(jù)研究區(qū)地下水樣品實(shí)測(cè)氚值即可求得地下水年齡(表1，圖2)。采用喀什平原區(qū)降水氚恢復(fù)濃度作為地下水系統(tǒng)輸入氚，給定一系列更新速率可得喀什平原區(qū)地下水更新速率曲線，進(jìn)而可由實(shí)測(cè)地下水氚濃度求得地下水更新速率。

由表1可見(jiàn)，在研究區(qū)南部蓋孜河地下水流系統(tǒng)，沿地下水流向，其西側(cè)的烏魯阿特小河沖洪積平原，地下水氚年齡小于20年；蓋孜河和庫(kù)山河沖洪積平原至東部沖積細(xì)土平原區(qū)，地下水氚年齡小于50年；蓋孜河和庫(kù)山河?xùn)|部下游沖積細(xì)土平原區(qū)，地下水氚年齡大于50年。在研究區(qū)北部克孜勒河地下水流系統(tǒng)，沿地下水流向，地下水氚年齡由小于20年至小于50年逐漸變化；在研究區(qū)中部，沿庫(kù)木塔格背斜展布方向，地下水氚年齡大于500年，構(gòu)成南、北兩個(gè)地下水流系統(tǒng)的劃分邊界。

據(jù)以上結(jié)果分析可見(jiàn)(圖3)，南、北兩個(gè)地下水流系統(tǒng)，地下水更新能力的分布特征基本一致。從沖洪積礫質(zhì)平原上游至沖積細(xì)土平原中部地區(qū)，地下水更新速率約為2%～7%，潛水埋深較大，地下水年齡相對(duì)較輕，屬于積極交替帶；沖積細(xì)土平原中下游地區(qū)，地下水更新速率約為1%～2%，屬于較積極交替帶；在沖積細(xì)土平原下游地區(qū)，地下水含水層為多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水，地下水更新速率均小于1%，屬于弱交替帶。

圖2 研究區(qū)地下水氚年齡分布圖Fig.2 The distribution of tritium ages of groundwater in study area

圖3 研究區(qū)地下水更新速率分布圖Fig.3 The distribution of renewal rate of groundwater in study area

4 14C同位素年齡特征分析

14C測(cè)定地下水年齡法主要適用于測(cè)定開(kāi)啟和半開(kāi)啟地下水系統(tǒng)中近代循環(huán)水的年齡，其測(cè)年上限為5～6萬(wàn)年。在實(shí)際情況中，地下水通過(guò)各種水文地球化學(xué)作用會(huì)從非交換儲(chǔ)存庫(kù)(如碳酸鹽礦物)中獲取“死碳”，使地下水中的14C濃度稀釋降低。因此，實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的地下水視年齡，需對(duì)其進(jìn)行校正[5]。據(jù)實(shí)測(cè)研究區(qū)14C年齡結(jié)果，運(yùn)用兩種方法對(duì)14C進(jìn)行地下水年齡的校正(表2)。

Vogel模型是一個(gè)純粹的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)地下水滲透過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)和同位素反應(yīng)均不予考慮。其校正年齡相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托Ｕ挲g偏老，可作為地下水年齡上限。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谖覈?guó)西北干旱-半干旱地區(qū)廣泛應(yīng)用及驗(yàn)證后具較高的可靠度，該模型計(jì)算的地下水校正年齡可作為研究區(qū)地下水的接受年齡。

從14C年齡計(jì)算結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)地下水14C校正年齡為2 000～13 000年，反映了地下水補(bǔ)給時(shí)段差異較大。垂向上，隨著鉆探深度的增加，地下水年齡呈逐漸增大的趨勢(shì)，淺層地下水年齡小于中深層地下水年齡，淺層地下水多為近7 000年以來(lái)的補(bǔ)給，而中深層地下水年齡最大超過(guò)10 000年；沿地下水流向，地下水年齡呈逐漸增加趨勢(shì)，平原上游地下水校正年齡多為2 000～5 000年，平原中游地下水校正年齡多為5 000～8 000年，平原下游地下水校正年齡多為8 000～10 000年，研究區(qū)東部邊界地下水年齡最大超過(guò)13 000年。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)沿地下水流向，南、北兩個(gè)地下水流系統(tǒng)的地下水氚年齡由平原上游小于20年至平原中游小于50年逐漸變化到平原下游大于50年；在研究區(qū)中部，沿庫(kù)木塔格背斜展布方向，地下水氚年齡大于500年，構(gòu)成南、北兩個(gè)地下水流系統(tǒng)的邊界。地下水氚年齡對(duì)地下水流系統(tǒng)的劃分具重要意義。

表2 研究區(qū)地下水14C模型校正年齡Table 2 The corrected ages of groundwater based on14C model

(2)研究區(qū)南、北兩個(gè)地下水流系統(tǒng)，其地下水更新能力的分布特征基本一致。從沖洪積礫質(zhì)平原上游至沖積細(xì)土平原中部地區(qū)，地下水更新速率約為2%～7%，屬于積極交替帶；沖積細(xì)土平原中下游地區(qū)，地下水更新速率約為1%～2%，屬于較積極交替帶；在沖積細(xì)土平原下游地區(qū)，地下水更新速率均小于1%，屬于弱交替帶。

(3)研究區(qū)地下水14C校正年齡為2 000～13 000年，反映了地下水補(bǔ)給時(shí)段差異較大。垂向上，隨著鉆探深度的增加，地下水年齡呈逐漸增大的趨勢(shì)，淺層地下水多為近7 000年以來(lái)的補(bǔ)給，而中深層地下水年齡最大超過(guò)10 000年；沿地下水流向，地下水年齡呈逐漸增加的趨勢(shì)，地下水校正年齡多為2 000～10 000年，研究區(qū)東部邊界地下水年齡最大超過(guò)13 000年。