同位素在水文地质研究中的应用与发展

余梦明，潘红忠

（长江大学地球化学系，湖北荆州 443002）

同位素在水文地质研究中的应用与发展

余梦明，潘红忠

（长江大学地球化学系，湖北荆州 443002）

本文通过总结前辈们的研究成果，综合概括我国同位素水文地质学近20余年取得的发展和成就。指出我们的不足与面临的挑战。

水文地质；同位素；示踪剂；分析测试

0 引言

同位素（Isotope）是指质子数相同而中子数不同的一组核素，包括放射性同位素 (Radioactive isotope)和稳定同位素（Stable isotope）。凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者称为放射性同位素；目前技术条件下无可测放射性的同位素称为稳定同位素。水文地质学（Hydrogeology）是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。将同位素技术应用于水文地质研究中，是发展水文地质学的一项先进手段。

法国是把同位素应用到水文地质学上比较早的国家之一，从四五十年代就开始了同位素在水文地质学方面的研究 。我国同位素技术在水文地质上的应用起步相对较晚。

自1988年在保定召开第一届《全国同位素水文地质方法学术讨论会》以来，我国同位素水文地质学理论研究与仪器设备的研发和引进上都取得了长足的进展，并已形成同位素地球化学的一重要分支 同位素水文地质学(Isotope Hydrogeology)。目前普遍认为同位素水文地质学是介于水文地质学和同位素地球化学之间的一门新兴交叉学科，主要研究地下水的环境同位素组成，探讨其补给、径流、排泄、水体之间的混合、水体年龄等水文地质问题。

1 近20余年来同位素在水文地质研究中的应用

目前，同位素水文地质学，主要从事研究地下水及土壤污染问题、地下水循环与演化、水文地质勘察技术与方法、水文地质野外实验技术、水文地球化学信息技术以及其它与水文地质环境相关研究领域。以下简要介绍人工放射性同位素法和环境同位素法在水文地质研究中的应用。

（1）人工放射性同位素法的应用

人工放射性同位素法是人为地将某些放射性同位素添加到某体系的环境中，然后通过测定地质体中所添加的同位素丰度在各个方向上的变化，研究该体系的特征，如常用的131I、32Br等。该方法常用于水文地质参数(如地下水的渗流速度，岩石的渗透率、裂隙度等)的测定、地下水污染示踪和坝体渗漏研究等方面。

同位素单孔稀释法测定地下水流速与流向，确定地下水补给关系原理。单孔稀释法是用已确定达西渗透流速的示踪剂稀释测井。把放射性示踪剂放到一定深度的钻孔或井孔中；当滤水管中的水柱被示踪剂标记后，被标记的地下水主要沿着地下水水流方向，以一定的流散角被地下水带至孔外含水层中而稀释，其稀释速度与地下水渗透流速有关，而漂移到含水层中的示踪剂放射性晕反射回来作用于孔内。其方向各不相同，最强的方向相对应于地下水流出滤水管的方向，而最弱的方向与流入滤水管的方向相对应。故根据对孔周测得的计数率，便可确定地下水流向 。

在武汉市长江底部第四纪孔隙含水层中，用单井稀释法测定了地下水流速、流向。测试结果表明：武汉长江底部JC-II-6号钻孔处地下水流向从上到下都受到地表长江水流的影响，上部影响大，深部较弱，地下水流向从上到下逐渐向东偏转35 左右。上部中细砂层中的地下水流速大于下部粗中砂层中地下水流速，表明长江水流对浅部含水层地下水流有较大的影响。

（2）环境同位素的应用

环境同位素方法是利用自然体系中本来就有的同位素做示踪剂来研究水文地质学上的问题，它们分为放射性同位素(如T、14C、238U、232Th、87Sr等)和稳定同位素(D、18O、13C、34S等)。该方法常应用于研究地下水的起源与形成（包括补给来源、补给高程、循环深度），地热水和咸水的成因，不同水体或含水层之间水力联系与补给关系、混合比等。

①对比稳定同位素特征，确定地下水补给源

原理。地表水和地下水具有不同的同位素组分，且水分子的稳定同位素在含水层中的运移不变，只要含水层的地下水有同位素的差别，就可以识别地下水的运移方向 。

应用实例。利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险

通过不同水源中的氘和氚同位素对比，探讨秦岭特长隧道敏感地段突(涌)水的可能性（图1）。位于隧址区北坡近EW向的F4断层为控制秦岭地区构造格架的主要断裂构造之一，其导水性是隧道建设所考虑的重点问题。

图1 秦岭特长隧道地质剖面图

勘测阶段的环境同位素数据显示：岭北隧址区地表水的氘含量 值平均为 -58.6 ，明显较位于F4断裂带上的冉家坪QDSZ-2钻孔中水样的 值(平均-71.9 )重化，前者较后者平均富集氘13.3 。由此判断,在天然状态下，F4断层带本身的水力传导性很差，下部地下水并非来源于石砭峪河水的渗漏补给，不会给隧道的建设带来突水风险。

②放射性环境同位素的标记性和记时性

原理。环境同位素与在地球化学原产地的相应天然同位素构成具有一致性，它在演化过程中携有其演化环境和过程的信息，具有表征特定环境和过程的特性，可作为原位或过程的标记，因而可广泛应用于示踪研究，以示踪大空间范围、长时间跨度的物质的运动，反演或预测元素演化过程的环境 。

应用实例。放射性环境同位素T、Sr(锶)技术在地下水循环深度确定中的应用

地下水循环深度反映了地下水的可更新能力。在水文地质调查基础上，利用同位素技术对鄂尔多斯白垩系地下水盆地南北两区的地下水循环深度进行研究。T、Sr等同位素数据表明，盆地北区现代水循环深度为210 m左右，水循环更替速度较快；南区现代水循环深度大约为160 m，水循环更替速度较北区稍慢。中深部环河组和洛河组地下水则保存着古地下水特征，地下水更替速度慢。因而，可加大北区地下水的勘察力度。

2 我国近20余年同位素在水文地质研究中的发展

2.1 我国同位素水文地质研究的发展历程与现状

1988年《全国同位素水文地质方法学术讨论会》在保定召开，专家学者总结了我们在以下领域取得的成果：（1）数学模型的研究；（2）利用环境同位素研究地下水成因和补给来源；（3）环境同位素方法在水文地质勘察和环境评价中的应用；（4）地下水成矿作用和水同位素特征找矿；（5）环境同位素测试技术装备和方法；（6）用放射性同位素示踪法和稀释法测定渗透速度和流向等参数；（8）利用同位素开展室内和野外弥散试验；（8）在坝基和灌浆帷幕抢漏方面等 。

1993年第二届《全国同位素水文地质方法学术讨论会》在长春召开，这次会议总结发表了《中国同位素水文地质学之进展》(1988 1993)。此外，全国同位素地质年代学和同位素地球化学学术讨论会每四年举办一次。其中，第八届主要议题是 地下水定年与同位素地球化学 ，主要有地下水氦氩同位素特征的报告（刘存富）、环境同位素在水文地质和环境地质研究中的应用（贾艳琨等）、惰性气体法测定地下水入渗补给量王凤林（毛绪美等）、确定平原地下水4He年龄方法的尝试（蔡鹤生等）、河北平原地下水锶同位素特征（周爱国等）。第九届学术会议主要讨论了同位素地质分析技术方法和矿产资源、能源及水资源的形成时代与同位素示踪。

虽然与国外相比，我国在同位素技术的应用方面相对滞后，但经过历代不懈的努力取得了一系列成果。国内的发展现状主要表现在以下几方面 :

（1） 应用稳定同位素 、18O和放射性同位素 、14C等研究地下水的起源与形成、地热水和咸水的成因、不同水体(或含水层)之间水力联系与补给关系、混合比等；

（2） 进行有关水循环过程的某些环节(如降水入渗、土面蒸发、水面蒸发、弥散等)的室内或野外实验；

（3） 利用人工放射性同位素测定水文地质参数和地下水污染示踪；

（4） 通过环境同位素或人工同位素研究坝体渗漏或库区渗漏；

（5） 通过环境同位素研究地表径流形成过程与流量分割；

（6） 对古气候与古环境演化的研究；

（7） 对大气降水同位素变化特征进行初步的理论与实验研究。

2.2 同位素水文地质学仪器及分析测试手段的发展

上世纪60年代以前的仪器很简单，多由探头和计数器构成，分析方法一般为化学分析和光谱分析。60至80年代近代分析技术和其它有关学科理论的迅速发展，实验方法由穿透式发展成反射式，单源法、多源法、单探头、多探头、伺服跟踪法等相继出现，中子、ɣ 复合源使仪器朝多元复杂化、智能化发展。80年代后由于计算机的迅速普及，仪器和分析测试手段获得划时代的变革，一般都具备高自能化和高灵敏度、分辨度和准确度，普遍应用SHIRIMPⅡ离子探针定年技术和高精度多接收器等离子质谱技术、激光同位素测年技术、微区稳定同位素测试、色质联用技术等。中国科学院地质与地球物理研究所重点组建同位素水文学实验室，主持IAEA地热系统酸性流体研究等国际合作科研项目和国际间水化学实验室等，这些都为同位素测试研究提供了坚实的基础。

我国同位素仪器研发起步较晚，与国际先进水平还有很大的差距，目前国内高精度的大型同位素仪器大都依赖于国外进口。 九五 及 十五 发展计划以来，国家已加强了自主研发和技术创新力度，在许多领域已达到国际先进水平。

3 总结

近20年我国同位素水文地质学研究取得了很大发展，但尚未形成系统化、标准化的学科，在技术上还主要引用国外同位素技术，自主创新的成果还较少。我们要进一步通过学术交流平台，增强行业学术研究提高同位素水文地质学水平，为我国水文地质科学的发展做出贡献。

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[4]刘 丹,杨立中.利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险[J].西南交通大学学报，2003，6（38）：629～632.

[5]王 琳,齐孟文.环境同位素示踪在环境学研究[J].环境与可持续发展,2006(1):29～30.

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The Development and Application of Is otopes in Hydrological Geology Research

YU Mengming, PAN Hongzhong

(Geochemistry Department of Yangtze University, Jingzhou, Hubei Province 443002)

This paper summarizes the previous research achievement and acts on the det ail projects, and order with practical examples, to comprehensively conclude the development and achievement of hydrogeology isotopes various from theory, experiment methods and the analysis of test means in recent 20 years. While looking out of our international situation, this paper points out our absences, responsibilities, pressure and challenges for us to encounter. The conclusion can give guidance for our later work.

Hydrology geology; Isotope, Tracer material; Analysis of test

P641

A

1007-1903(2010)04-0021-04