萊蕪盆地牟汶河流域水體同位素特征與分析

李波，王金曉，趙無忌，吳璇，劉春偉,姜秉霖

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014;2.濱州學院建筑工程學院，山東 濱州 256600)

0 引言

同位素具有標記性和計時性，自20世紀50年代起，同位素技術被廣泛應用于探討水體成因、來源、組成以及不同水體之間的相互轉化、判斷水體運動規律等方面[1-5]。而氫、氧穩定同位素由于采集、測試體系成熟，應用也最為廣泛[6-8]。地下水是水循環系統的重要組成部分，補給來源、徑流排泄、運動規律、與大氣降水及地表水的相互轉化為地下水運動及演化研究的主要方面，而氫、氧穩定同位素目前已經成為地下水研究的主要方式之一[9-14]。

萊蕪盆地地處山東省中部地區，礦產資源豐富，工農業發達。近年來，隨著地下水開采日益加重，特別是盆地東部牟汶河流域，因地下水開采引發的生態環境問題愈發突出。該文在1∶5萬水文地質調查工作的基礎上，對不同水體氫氧穩定同位素特征進行了分析，探討該區域水循環機理，為流域水資源持續利用和生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 氣象水文

萊蕪盆地地處山東省中部低山丘陵區，屬暖溫帶季風區域大陸性半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫11.9℃，無霜期189d，平均日照時數2660.6h，年平均降雨量699.74mm。據萊蕪氣象站1980—2016年監測數據顯示，降雨年際變化較大，歷年降水量豐枯差異明顯。

1.2 地層

萊蕪盆地屬柴達木-華北地層大區(Ⅰ)、華北地層區(Ⅱ)、魯西地層分區(Ⅲ)、淄博-新泰地層小區(Ⅳ)，研究區處于盆地東部(圖1)，區內地層出露齊全，自南向北依次為新太古代泰山巖群變質巖；古生代寒武紀朱砂洞組白云巖，饅頭組薄層灰巖、頁巖、砂巖，張夏組灰巖、頁巖，崮山組頁巖、薄層灰巖，炒米店組竹葉狀灰巖、泥質條帶灰巖；奧陶紀馬家溝群厚層灰巖、白云巖；石炭-二疊系砂巖、薄層灰巖、泥巖；侏羅-白堊系砂巖、礫巖；古近系礫巖、砂巖和第四系沖洪積砂土、礫石。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭-二疊系；6—奧陶系；7—寒武系；8—泰山巖群；9—侵入巖；10—地質界線；11—實測及推測斷層；12—背斜；13—向斜；14—產狀；15—河流方向；16—工作區圖1 萊蕪盆地地質構造簡圖

1.3 水文地質條件

萊蕪盆地受蒙山凸起的抬升影響，整體上為N傾的單斜構造盆地。南部侵入巖區與碳酸鹽巖夾碎屑巖區為地下水的直接補給區與間接補給區，單斜底部的奧陶紀碳酸鹽巖區為巖溶水排泄區。整體上地下水從南向北徑流，受地層、侵入體阻擋后轉向西南方向；在局部溝底及構造破碎帶發育處，受構造、地形侵蝕影響可呈泉方式排泄。

區內地下水補給來源主要為大氣降水，其次為地表水下滲補給；地下水開采方式主要為人工開采。

2 采樣與分析

該次工作于2016年9月采集同位素水樣40件，其中地下水樣32件，地表水樣5件，大氣降水樣3件。在地下水樣品中，松散巖類孔隙水樣8件，碳酸鹽巖類裂隙巖溶水樣13件，巖漿巖變質巖類裂隙水樣8件，碎屑巖孔隙裂隙水樣1件，泉水2件；地表水樣品中河水樣3件，水庫水樣2件。同位素測試項目為2H，3H，18O，取樣點分布情況如圖2所示。

采集水樣時，先用水樣將預先清洗的樣品瓶沖洗3次裝樣，密封后帶回實驗室低溫保存，直至分析。全部樣品的氫氧穩定同位素分析在核工業北京地質研究院分析測試研究中心進行，采用FLASH2000HT同位素氣體質譜儀，采用TC/EA法測定，測定結果以相對維也納標準海水(VSMOW)的千分差表示，δD和δ18O精度分別為±2×10-3和±0.2×10-3。

3 結果與討論

3.1 氫氧穩定同位素水化學特征

根據表1和圖3可看出，盆地內不同水體的δD和δ18O差異明顯，其中地表水δD和δ18O值相對偏正，水庫水δD和δ18O值大于河水，主要原因是水庫水體更新速度較慢且不連續，而河水由于與沿途第四系孔隙水的水力聯系密切，更新速度相對較快，蒸發作用使得水庫水體的重同位素更加富集；地下水樣中，松散巖類孔隙水δD和δ18O值大于其他類型地下水，D和18O均值分別為-54.65和-7.51，主要原因是孔隙水水位埋深普遍較淺，易受蒸發作用的影響。

1—巖溶裂隙水；2—第四系孔隙水；3—巖漿巖變質巖類裂隙水；4—碎屑巖類孔隙水；5—地表水；6—雨水圖2 同位素取樣點分布圖

測試項目松散巖類孔隙水碳酸鹽巖裂隙巖溶水巖漿巖變質巖裂隙水碎屑巖裂隙水泉水河水水庫水大氣降水δD(103)最大值48.550.35861.363.249.95154.5最小值64.366.662.461.364.657.65158.5均值54.6560.2860.4361.363.954.035156.3δ18O(103)最大值5.76.36.49.68.16.45.58.1最小值9.19.08.79.68.97.96.19.3均值7.517.727.589.68.56.95.88.67

松散巖類孔隙水樣8件，取樣點δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，平均值分別為-54.65和-7.51。由圖4看出，取樣點分布在大氣降水線附近，表明與大氣降水聯系密切，SJ69，GJ09，SJ75點的δD值介于-56.7～-52.9，δ18O值介于-8.3～-7.7，接近當地的降水加權平均值，而附近的地表水SL05取樣點，δD值為-54.6，δ18O值為-6.5，其中δ18O的值明顯大于孔隙水取樣點，說明該處地下水主要補給為大氣降水，河水對兩側孔隙水補給作用不明顯[15]。SJ60，SJ94，SJ22取樣點δD和δ18O值偏離大氣降水線，受蒸發作用影響明顯，其同位素特征與地表水樣品較為接近，表明其主要補給為河流側滲補給；SJ44取樣點同位素值偏負，靠近大氣降水線，說明其補給主要來自當地的大氣降水，補給前蒸發作用不明顯。

圖3 δD-δ18O相關性圖

圖4 孔隙水δD-δ18O相關性圖

巖漿巖變質巖類裂隙水樣品共8件，δD值-62.4～-58，δ18O值-8.7～-6.4，平均值分別為-60.43和-7.58。取樣點分布在大氣降水線附近(圖5)，表明補給主要來源于大氣降水，根據該次所取得雨水樣檢測結果，圖A區反應了該地區的大氣降水的同位素特征，因此SJ115點主要是接受大氣降水的垂向入滲，補給前蒸發作用不明顯；其余取樣點多沿蒸發線分布，由于蒸發線與大氣降水線的交點位于降水加權平均值以下，表明其地下水的補給除大氣降水外還有部分側向徑流，在補給之前經受過較明顯的蒸發作用。

圖5 巖漿巖變質巖類裂隙水δD-δ18O相關性圖

碳酸鹽巖裂隙巖溶水樣共15件(泉水2件)，δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，平均值分別為-60.28和-7.72。取樣點分布在大氣降水線右側(圖6)，多數沿蒸發線分布(δD=3.23δ18O-36.6)，蒸發線與大氣降水線的交點明顯低于降水加權平均值，表明地下水的補給不只是大氣降水補給，還接受其他類型地下水間接補給。

A區取樣點SJ14，SJ20，GJ04均位于東泉巖溶水富水斷塊，其同位素特征與附近孔隙水及河水取樣點類似，說明巖溶水主要補給來源于上部第四系的垂向入滲以及河流的滲入補給。

B區內取樣點主要位于研究區東北部魯村盆地，D和18O值相對偏正，同位素特征與其南部巖漿巖區SJ99，SJ142點相似，表明它們有相似的補給特征，該地區巖溶水補給部分來源于當地的大氣降水，部分來源于南部巖漿巖區的徑流補給，且在補給過程中經受了較強的蒸發作用。

圖6 裂隙巖溶水δD-δ18O相關性圖

C區取樣點主要分布在盆地內清泥溝巖溶水斷塊和丈八丘巖溶水斷塊內，與區內的孔隙水取樣點SJ44和巖漿巖取樣點SJ51有相似同位素特征，表明該區內巖溶水除了接受當地的大氣降水補給外，還接受南部巖漿巖區的徑流補給，以及上部第四系的滲入補給。

3.2 氫放射性同位素水化學特征

依據表2中氚值測試結果，大氣降水中氚含量比較穩定，在4.9～5.4之間，河流、水庫樣品的氚值分布在3～7.4TU之間，表明其補給主要為0～10年內的新水，不同取樣點間氚值差異較大，如鄭王莊村地表水取樣點SL01，氚含量為3.1TU，低于其他地表水點，表明該處接受低氚基巖裂隙水的補給。

孔隙水氚值平均值5.13TU，較其他類型地下水大，表明其地下水參與現代水循環積極，更新較快，取樣點氚值多集中在3～10TU范圍內，表明其補給主要為0～10年內的新水；巖漿巖變質巖裂隙水氚平均值為3.4TU，SJ139，SJ142取樣點氚值小于3TU，說明其補給源主要為1953年之后的老水，并混有部分0～10年內的新水，地下水更新速度較慢；位于萊蕪盆地的巖溶裂隙水氚值在3.0～6.7TU之間，均值5.05TU，更新速度較快，補給主要為0～10年內的新水；位于魯村盆地南部的巖溶裂隙水，氚含量在1.3～3.8TU，SJ106點氚值小于1.3TU，該區巖溶水主要補給來源于1953年左右的老水。

表2 各水體氚值統計

4 結論

該次對工作區內地表水、地下水進行了氫、氧同位素取樣，結果表明：盆地內不同水體的δD和δ18O差異明顯，其中松散巖類孔隙水δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，巖漿巖變質巖類裂隙水δD值-62.4～-58、δ18O值-8.7～-6.4，均分布于大氣降水線附近，表明地下水補給來源主要為大氣降水；裂隙巖溶水δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，分布于大氣降水線右側，除接受大氣降水補給外，還接受其他水體的間接補給。

依據不同水體氚同位素測試結果顯示：萊蕪盆地東部內地下水更新速度較快，氚值平均值在3.0～6.7TU之間，地下水補給主要為0～10年內的新水，更新速度快，符合地下水補給徑流區特征；工作區東北角的魯村盆地，氚值在1.3～3.8TU，表明區域內地下水補給來源于1953年左右老水，更新速度較慢，顯示地下水徑流補給受多期斷裂影響，地下水連通性差。