氘氧同位素法在周口市地下水研究中的应用

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(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053；2.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016；3.河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 451464)

氘氧同位素法在周口市地下水研究中的应用

吕小凡1，豆敬峰2，席航3，夏飞雪1，雷崇方1

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053；2.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016；3.河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 451464)

在野外采样测试的基础上，通过对周口市内大气降水、河水和不同层位地下水中氘(δD)、氧(δ18O)同位素含量分析，发现当地降水、汾河水和浅层地下水的氘(δD)、氧(δ18O)均落在全球和中国降水线附近，呈现出明显的线性相关性，表明区内浅层地下水主要来源于大气降水入渗补给，而中深层和深层水则落在δD-δ18O降水线关系图的左下方，没有呈现明显的线性分布，表明其与大气降水的补给关系微弱；再者，根据不同深度地下水中δD、δ18O的含量特征分析，显示出随着埋藏深度的增加，氘(δD)和氧(δ18O)呈现出减小的趋势，表明其径流条件越差，可更新能力亦越差，这与区内不同层位地下水的运动规律相一致；最后根据大气降水的δD和δ18O值的高度效应，计算出周口市中深层地下水补给区高度为640～1 447 m；深层地下水补给区高度为1 240～2 447 m，这和区内西部地下水上游伏牛山区的海拔高度500～2 192 m相吻合，表明区内中深层和深层水主要来源于西部伏牛山区地下水的侧向径流补给。

周口市地下水；氘(δD)、氧(δ18O)同位素；补给来源

同位素水文地质学方法现已被广泛地应用于水体的起源、年龄和径流途径的研究。氢、氧是组成水的元素,可以直接反映地下水的循环过程,从而成为水循环的理想示踪剂。

水循环过程中由于同位素质量分馏效应,会产生不同状态水的氢氧同位素组成不同。当水蒸发时，1H和16O相对于其重同位素来说更容易进入蒸汽相,使得水蒸气中相对贫D和18O，δD和δ18O更“负”,而液态水中相对富集D和18O。当水蒸气凝聚成雨水时,D和18O优先进入液态相中,从而使得形成的雨水中相对水蒸气富集D和18O。由此基本特征进一步发现了大气降水氢氧同位素组成存在纬度效应、季节效应、大陆效应以及海拔效应等等自然现象。本文数据借助于《周口幅1/10万区域水文地质调查》项目中对大气降水、河水和地下水的同位素取样及测试结果，分析各层地下水的补给来源。

1 区域水文地质概况

周口市地处黄河冲积平原和淮河冲积平原，全区为第四系松散地层堆积，地下水类型简单，均属第四系松散岩类孔隙水。根据含水介质的岩性特征及埋藏条件、地下水的赋存条件及水动力特征，结合目前的地下水开采深度，区内含水层组可分为浅层、中深层和深层三层，其基本特征如下：

浅层含水层组埋藏于40 m以浅，岩性主要以全新统砂层为主，地下水位埋深1.8～4.6 m；中深层含水层组埋藏于40 m以下350 m以内，包括上、中、下更新统含水层组和新近系上部含水层组，岩性以粉砂、粉细砂层为主，含水层顶板埋深75～90 m，主要含水层多集中在150～200 m深度内。区内中深层地下水与上部的浅层地下水之间有一较薄的隔水层，岩性多为亚粘土、亚砂土等，在开采条件下与上部的浅层水的水力联系较为密切；深层含水层组即埋藏于350 m以下，控制深度500 m，为新近系含水层组。岩性以细砂为主，含水层顶板埋深在236～277 m之间，厚度为15.50～25.50 m，深层地下水与上部的中深层地下水及浅层地下水之间的水力联系微弱。多年观测显示其水位埋深大多在34.65～38.96 m，是区内主要开采层之一。

2 同位素取样情况

本文分析数据借助于《周口幅1/10万区域水文地质调查》成果，该项目野外共采集同位素水样30组，其中降水样1组，汾河水样1组，浅层水样11组，中深层5组，深层水样12组。同位素检测单位为国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心测试。取样点及测试结果的基本情况见表1。

3 同位素特征分析

3.1 不同含水层氘(δD)和氧(δ18O)相关分析

Craig(1961)通过研究发现,大气降水中δD和δ18O值之间存在密切相关的线性关系,被称为大气降水线。他同时提出了全球平均大气降水的线性方程,即δD = 8δ18O+10，其截距不为零则是由于自然界的蒸发过程中常伴有同位素动力学分馏效应导致的(郑永飞等,2000)。全球各地大气降水氢氧同位素组成的线性关系因各地自然环境及气候条件的差异而表现出不同的斜率和截距,但δD和δ18O值之间的线性关系是显而易见的。郑淑惠等(1983)给出了中国现代大气降水线方程为δD = 719δ18O+8.2。

依据上述理论，将本次实测的氘(δD)和氧(δ18O)检测结果绘制氘(δD)、氧(δ18O)关系曲线(见图1)。从图中可以看出：当地降水、汾河水和浅层地下水的氘(δD)、氧(δ18O)均落在全球和中国降水线附近，呈现出明显的线性相关性，其拟合方程为δD = 5.713δ18O-11.01。表明区内浅层地下水主要来源于大气降水入渗补给；而中深层和深层水则落在δD-δ18O降水线关系图的左下方，且在一小片区域内聚集，没有浅层地下水那样明显的呈现线性分布规律，表明区内中深层和深层地下水与大气降水的补给关系微弱。

表1 同位素δD 、δ18O检测统计表

3.2 不同深度中氘(δD)和氧(δ18O)含量分析

据已有的研究成果表明，在较均质的含水层中，地下水氘(δD)和氧(δ18O)含量随着深度的增加而减少，呈现出明显的垂直分带性。在径流条件好的含水层中，由于循环更新能力强，地下水中氘(δD)和氧(δ18O)含量往往高于径流条件差的密闭含水层。

图1 周口幅雨水、河水、地下水δD和δ18O的相关关系图

图2 周口幅地下水δD、δ18O与深度的关系图

根据本次测试结果，分别绘制氘(δD)——深度和氧(δ18O)——深度关系曲线(图2)，从图中可以看出，氘(δD)和氧(δ18O)的含量由小到大依次为：深层地下水、中深层地下水和浅层地下水。表明随着埋藏深度的增加，氘(δD)和氧(δ18O)呈现出减小的趋势。根据前述，地下水中氘(δD)和氧(δ18O)含量越低，表明其径流条件越差，可更新能力亦越差。根据区内水文地质条件分析，区内浅层地下水和中深层地下水之间，中深层地下水和深层地下水之间，具有厚层粘土层和粉质粘土层阻隔，地下水垂向运动受阻，相互之间越流补给微弱，地下水埋藏越深，其可更新能力越弱。

表2 周口幅地下水同位素含量随深度变化表

另一方面，图中数据表明，在同一层地下水中，氘(δD)和氧(δ18O)含量也呈现出一定的差异性，表明在同一层地下水中，由于水文地质条件的差异，其径流条件及更新能力也是不同的。

3.3 利用氘(δD)、氧(δ18O)确定深层地下水补给区

利用地下水中的氘(δD)、氧(δ18O)含量，可以推算地下水补给区的高度。其基本原理是：大气降水的δD和δ18O值具有高度效应，据此可确定含水层补给区大气降水同位素入渗高度(及补给区高度)，公式如下：

H=(δs-δp)+h

式中：H为同位素入渗高度(补给区标高)(m)；h为取样点标高(m)；δs为地下水同位素组成；δp为取样点附近大气降水同位素组成；k为同位素高度梯度(m‰)，取值为-0.5‰100 m。

本区内已知参数：取样点附近大气降水的δp=-63‰；中深层水δs=-66～-70‰；深层水δs=-69～75‰；取样点标高h=40～47 m。

将已知参数带入公式，计算出周口市中深层地下水补给区高度为640～1 447 m；深层地下水补给区高度为1 240～2 447 m。这和区内西部地下水上游伏牛山区的海拔高度500～2 192 m相吻合。说明区内中深层和深层水主要来源于西部伏牛山区地下水的侧向径流补给。

4 结语

综上所述，根据周口市不同含水层氘(δD)和氧(δ18O)相关分析结果，表明大气降水是浅层地下水的主要补给来源；根据氘(δD)、氧(δ18O)含量与深度关系曲线，表明浅层地下水、中深层地下水和深层地下水的径流条件逐渐变差，更新能力也逐渐变弱；另外利用氘(δD)、氧(δ18O)计算深层地下水补给区高度，与区内上游西部伏牛山区海拔高度一致，验证了区内中深层和深层水主要来源于西部伏牛山区地下水的侧向径流补给。

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StudyonApplicationofdeuteriumoxygenisotopemethodingroundwaterresearchinZhoukou

LVXiao-fan1，DOUJing-feng2，XIHang3，XIAFei-xue1，LEIChong-fang1

(1.Henan geological and mineral exploration and Development Bureau Second Geological Environment Investigation Institute, Zhengzhou,Henan,450053,China；2.Henan geological environment monitoring Institute, Zhengzhou,Henan,450016,China；3.Henan Second Geological Survey Bureau of Geology and mineral resources exploration and Development Bureau, Zhengzhou,Henan, 451464)

Based on the sampling test in the field, the isotopic content of deuterium (δD) and oxygen (δ18O) was analyzed by means of atmospheric precipitation, river water and different stratiform groundwater in zhoukou, It was found that the deuterium (δD) and oxygen (δ18O) of the local precipitation, fenhe water and shallow groundwater both fell near the global and Chinese precipitation lines and showed a clear linear correlation, show that shallow mainly comes from atmospheric precipitation infiltration recharge of groundwater, while the deeper and deeper in the water in theδD-δ18O precipitation line diagram of the lower left corner, did not show obvious linear distribution, shows that its supply relationship with precipitation; moreover, according to different depth of groundwater in the delta content characteristic analysis of D, 18 o delta, shows that with the increase of buried depth, deuterium (δD) and oxygen (δ18O) showing a decrease trend, show that the runoff condition worse, renewable ability is worse, it has to do with different groundwater movement rule; Last, according to the high effect ofδD andδ18O values of precipitation in the atmosphere, the height of the deep groundwater recharge area in Zhoukou is 640 ～ 1447m; deep groundwater recharge zone height is 1 240～2 447 m, and the western region groundwater upstream of Funiu Mountain altitude of 500～2 192 m is consistent, that the middle deep and deep water is mainly lateral runoff recharge to groundwater in Funiu mountain.

groundwater in Zhoukou；deuterium (δD) and oxygen (δ18O) isotopes；recharge sources

P641.2

A

1004-1184(2017)05-0028-03

2017-06-16

吕小凡(1983-)，男，河南邓州人，工程师，主要从事水文地质和地下水环境方面的工作。