塔里木盆地河水氢氧同位素与水化学特征分析

王文祥，王瑞久，李文鹏，殷秀兰，刘成林

（1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.中国地质环境监测院，北京 100087；3.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051；4.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037）

塔里木盆地诸多大河流最终汇集到罗布泊盐湖。罗布泊盐湖具有其独特性，即在盐湖沉积演化的较早阶段——钙芒硝阶段，出现钾盐大规模聚集成矿，显然，在盐湖化学沉积系列上具有明显的超前性。要研究罗布泊盐湖的盐类沉积特征，必须对塔里木盆地周边河流河水的水化学特征进行调查研究。解决这一问题，必须先查清塔里木盆地地表水的水化学特征。

李文鹏、郝爱兵曾对塔里木盆地的区域水化学和同位素进行研究［1］，研究指出:塔里木盆地周边昆仑山、天山南坡和帕米尔高原发源的河水及其补给形成的地下水样点在δD与δ18O关系图上沿全球降水线分别位于不同的区域，这是降水形成区山脉高程效应的反映。刘成林、焦鹏程等通过氢氧稳定同位素分析指出［2～3］，罗布泊盐湖钾矿区卤水主要起源于大气降水，由塔里木河中下游河水和孔雀河河水蒸发浓缩作用而成；通过硫同位素分析揭示出罗布泊盐湖区硫酸盐均为陆源成因。刘成林等［2］通过锶同位素测试结果指出罗布泊地区水体起源于地表水。

针对塔里木盆地地表水水化学特征研究这一问题，对塔里木盆地的周边河流取样并进行同位素和水化学分析，同时也作为对塔里木盆地地下水和地表水溯源研究的补充。

1 研究区概况

塔里木盆地位于新疆南部，昆仑山与天山之间，东西长1500km，南北宽约600km，面积达53×104km2。它是大型封闭性的山间盆地，也是最大的内陆盆地。盆地呈不规则菱形，除东面有较低的风口外，其余三面均为4000m以上的高山环绕，盆地内部海拔800～1300m。盆地边缘分布着山前环状冲、洪积倾斜平原，盆地的核心是塔克拉玛干沙漠(又称塔里木沙漠)，面积达33×104km2。盆地内具有代表性河流11条，其中塔里木河是盆地内最大的河流，上游的阿克苏河、和田河、叶尔羌河是其三大源流。根据《全国岩石地层区划》，新疆共划分出5个地层大区，本次研究的区域位于塔里木南疆地层大区。

塔里木盆地地层出露示意图如图1。塔里木盆地中部是塔克拉玛干沙漠，四周山区山前主要以第四系冲洪积砂砾、粉砂、泥质粉砂为主，山区则分布有片岩、大理岩、石英岩、灰岩、粉砂岩、泥岩、砾岩、火成岩等。

2 水化学和环境同位素样品采集及测试结果

图1 塔里木盆地地层出露示意图Fig.1 Tarim Basin stratigraphic outcropping diagram

2011年5月～6月，分别在塔里木盆地的南缘和北缘对塔里木盆地的地表水和地下水进行采样工作。由于研究区属于干旱区，水资源相对贫乏，所以在野外采样过程中，见河即取，共取得水化学和同位素数据58组，其中地表水56组，地下水2组(8号与53号)。水化学的测试工作由北京测试理化中心承担，检验方法及使用仪器如表1。氢氧同位素的测试工作由中国地质科学院矿产资源研究所承担，氧同位素的分析采用二氧化碳－水平衡法，分析精密度在0.2‰以内，氢同位素分析采用金属铬还原法，分析精密度在2‰以内。样品的取样点位置如图2，水化学和同位素的测试结果如表2。

图2 塔里木盆地水系及取样点分布图Fig.2 Water System and Sampling Sites in Tarim Basin

表1 水化学检验标准及使用仪器Table 1 Water chemistry testing standards and the use of instruments

表2 地表水样品化学及同位素测试结果Tab.2 Hydrochemical and Isotopic Data of Samples

续表

3 河水同位素特征分析

根据取样地点的不同，将所有样品按地区分为3大组，其中，天山南麓河水与地下水样品16组，塔里木盆地西南部河水样品16组，昆仑山北坡河水与地下水样品26组。

3.1 天山南麓地区

在天山南麓进行了取样的河流有阿克苏河、渭干河、塔里木河、阳霞艾肯河、开都河、迪那河以及一些小河流。如图3为天山南麓河水的δD－δ18O关系图，从图中可以看出，大部分样点基本沿当地大气降水线分布，说明河水都是由降水补给。部分样点的位置偏离，位于当地大气水线的右下方，说明可能经受了轻微程度的蒸发。

通常来讲，流量大的河流所接受的补给量大，流程较长，源区高程高，降雨中的δD、δ18O较低；流量小的河流，补给小，流程短，源区高程低，降雨中的δD、δ18O值较高。

图3 天山南麓河流δD－δ18O关系图Fig.3 Relationship between δD and δ18O of South Tianshan Mountain Samples

从图3可以看出，阿克苏河流域的样点11、12、13、14、15的位置集中分布，体现出大陆效应，而9、10两个样点则明显偏离，造成这一现象的原因可能是9、10两个样点混合了其他低高程支流的水。样点的集中，说明汇水区平均补给高程相近。小河流样点2、3、4、5，取样点位置比较靠近，但却沿当地大气水线分散分布，大陆效应明显被高程效应掩饰。

3.2 盆地西南部

图4 盆地西南部河水样点δD－δ18O关系图Fig.4 Relationship between δD and δ18O of South-West Tarim Basin Samples

如图4为塔里木盆地西南部河水样点的δD－δ18O关系图，从图中可以看出，所有样点位于当地大气水线附近，说明河水都是由降水补给的。在该区中较大的河流是喀什噶尔河流域，其中样点20、21、22、25在δD－δ18O关系图中集中分布，其他样点包括16、17、18、19、23、24 等分散分布，这些样点的地理位置比较集中，又明显表现出高程效应掩饰了大陆效应，说明喀什噶尔河各分叉支流的平均补给高程相差很大。

3.3 昆仑山北坡

如图5为昆仑山北坡河流的δD－δ18O关系图，从图中可以看出，样点都落在当地大气水线附近，说明是由降水补给。该区河流中较大的河流是和田河，从图中可以看出，和田河的样点70、71、72在图中的位置较为接近。样点51、53、54、55是且末以东河流的样点。和田至且末中昆仑山一带河流的源区要低于东侧的昆仑山河流的源区，即且末以东河流的源区的高程要高于其他河流源区的高程。同时，且末以东的区域与和田河流域在水平方向上距离较远［1］。所以样点51、53、54、55在图中位于最左下的位置，其他小河流的样点位于图中右上方，这种差异是由同位素的大陆效应和高程效应共同作用的结果。

图5 昆仑山北坡河流δD－δ18O关系图Fig.5 Relationship between δD and δ18O of North Kunlun Mountains Samples

根据图3、4、5样点的分布进行比较，昆仑山北坡部分样点相对当地大气水线的偏离值要大一些，而天山南麓和盆地西南部的样点相对要小。偏离值的大小反映出水体的蒸发程度以及气候干旱条件。并且多数样品都落在δD=8δ18O+15一线上，表明是塔里木盆地的当地大气水线，这和柴窝堡盆地［4］、独山子地区［5］、吐鲁番盆地等已有的地下水样点分布一样，与新疆地区干旱的气候有关［6］。

4 水文化学分析

Cl－离子普遍存在于地表水和地下水中，是构成溶液的一种主要离子。由于氯化物极易溶解，所以在含水层中不会停留，只有在强蒸发时才沉积成矿物［7］。地下水中的 Cl－一般认为是一种惰性示踪剂［8］，属于保守的成分。研究主要离子与Cl－之间的关系是揭示地下水溶质变化过程的重要方法之一［9～10］。

在水循环过程中影响水化学变化的主要是水岩相互作用。水岩相互作用中的矿物溶解，大体可以分为几种情况:一类是矿物的风化过程，主要利用土壤中的CO2去溶解［11］，例如，钾长石风化成高岭土的反应方程式如下:

另一类是易溶盐的溶解，因溶解度非常高，遇水便可溶解［12］，还有一类介于以上二者中间，例如石膏、方解石等难溶矿物的溶解，常常只能溶解掉一部分。［11］

下面，以渭干河流域、阿克苏河流域、喀什噶尔河流域、和田河流域为研究对象，分析各离子之间的变化关系。

4.1 Na－Cl关系图

图6为渭干河流域、阿克苏河流域、喀什噶尔河流域、和田河流域中Na－Cl关系图，从图中可以看出，和田河流域(70号样点除外)、渭干河流域、阿克苏河流域、喀什噶尔河流域的样点中，其Na+浓度随Cl－浓度的增加而增加，由此可推测河水中的Na+主要来自于易溶盐的溶解。其中渭干河、阿克苏河、和田河样点位于斜率为1的蒸发线上，表明Na+和Cl－主要源自蒸发矿物。

图6 各流域中Na－Cl关系图Fig.6 Relationship between Na and Cl in each Water System

4.2 K－Cl关系图

如图7为渭干河流域、阿克苏河流域、喀什噶尔河流域、和田河流域中K－Cl关系图，从图中可以看出，K+浓度几乎不随Cl－浓度的变化而变化，Cl－浓度变化范围大，K+浓度趋于恒定，说明研究区河水中K+主要来自于矿物的风化过程，因为土壤带CO2输入也趋于稳定，所以K+浓度亦趋于稳定，而Cl－浓度的升高主要由易溶盐溶解引起，二者不相关。

图7 各流域中K－Cl关系图Fig.7 Relationship between K and Cl in each Water System

4.3 Ca－Cl、SO4－Cl和 Ca－SO4关系图

从图8a中可以看出，渭干河、阿克苏河、和田河流域中的Ca2+和浓度不随Cl浓度的变化而发生明显变化，其浓度基本为一稳定值，推测这三个流域中Ca2+和并不来源于高溶解度的矿物。如图8b为各流域的Ca－SO4关系图，从图中可以看出，喀什噶尔河流域中Ca2+离子浓度与同步增长，且基本位于1∶1蒸发线附近，推测该流域中Ca2+和离子主要来源于石膏的溶解。

图8 各流域中Ca－Cl、SO4－Cl以及Ca－SO4关系图Fig.8 Relationship among Ca，Cl and SO4 in each Water System

5 结论

(1)通过本次在塔里木盆地河流取样，多数样品都落在δD=8δ18O+15一线上，表明是塔里木盆地的当地大气水线；

(2)渭干河流域、阿克苏河流域、喀什噶尔河流域、和田河流域中的Na+主要来源于蒸发矿物石盐(NaCl)的溶解；

(3)K+主要来自于矿物的风化过程，且K+的溶解受到水中碳酸的限制，K+来源和当地母岩有关；

(4)喀什噶尔河流域中Ca2+和主要来自于石膏的溶解，渭干河、阿克苏河、和田河流域中的Ca2+和不是来源于高溶解度的蒸发矿物。

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