喀什平原区地下水硫同位素分布特征及其硫酸盐来源研究

2017-12-20，，，，，

地下水 2017年6期

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(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三水文工程地质大队，新疆喀什 844000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队，新疆昌吉 831100；3.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054)

乃尉华1，史杰2，王文科3，王艺星2，段磊3，李斌2

喀什平原区是沙漠与戈壁交界的绿洲平原，属于典型的水质型缺水地区，地下水的化学特征主要表现为高硫酸盐、高硬度、高矿化度。本文针对喀什平原区300 m以浅钻孔中完成的地下水样品硫同位素进行测试，结果显示，地下水中δ34S值均为正值，δ34S值范围为2.1‰～13.6‰之间。采用统计、对比分析的方法，研究了喀什平原区地下水中硫同位素分布特征及其硫酸盐来源，表明研究区地下水中的硫酸盐主要来自于不同沉积相蒸发岩的溶解以及大气降水的补给。从区域分布看，南部盖孜河地下水流亚系统的地下水中硫酸盐浓度相对较低，北部克孜勒河地下水流亚系统的地下水硫酸盐浓度较高，沿水流方向，SO42-的浓度逐渐增加，而δ34S值变化不大，是蒸发浓缩和沿程累积共同作用的结果。研究结果为喀什平原区水质典型缺水地区的地下水资源开发、利用与保护提供科学依据。

喀什平原区；地下水；硫同位素；硫酸盐；来源

喀什平原区是沙漠与戈壁交界的绿洲平原，属于典型的水质型缺水地区，地下水的化学特征主要表现为高硫酸盐、高硬度、高矿化度[1]。利用地下水中硫酸盐的34S同位素可以分析地下水中硫酸盐的来源[2]，通过对喀什平原区采取的地下水中硫酸盐的34S同位素分析，得知其地下水中的硫酸盐主要来自于陆相与海陆过渡相蒸发岩的溶解以及大气降水的补给。本文为喀什平原区水质型缺水地区的地下水资源开发、利用与保护工作提供了科学依据[3-4]。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区地处塔里木盆地西缘、喀什噶尔河流域上游地区，具有三面环山，一面敞开的独特地形条件，形成了典型的半封闭盆地，总体地势为南、西、北部高，东部低，高程在1 200～4 600 m。研究区主要位于构造剥蚀低山丘陵、山麓斜坡堆积山前冲洪积平原和河流堆积冲积平原，属暖温带大陆性干旱-半干旱气候区，多年平均气温8.02℃～12.67℃，多年平均降水量60.80～172.80 mm。

1.2 地层岩性

研究区位于塔里木盆地西部，新近纪(N)地层为海陆过渡相或陆相沉积，厚度大于400 m。研究区总体上从西向东第四系厚度变化一般在100～1 000 m，第四系上更新统-全新统、全新统松散层构成本区主要的含水岩系，是赋存第四系松散岩类孔隙地下水的有利层位。平面方向上从南部、西部、北部低山丘陵山前带的第四系松散沉积物厚度100～300 m向中部的平原区逐渐增大到400～500 m，到东部下游平原区可达500～1 000 m；第四系松散沉积物颗粒自北向南、由西向东、自南向北方向上地层颗粒逐渐变细，即平面方向上呈现出卵石～圆砾～砾砂～中粗砂～细砂～亚砂土～亚粘土～粘土的颗粒变细趋势，垂向上第四系松散沉积物颗粒总体呈现出上粗下细的特点。

1.3 水文地质概况

喀什平原区第四系地下水流系统可划分为北部克孜勒河地下水流亚系统与南部盖孜河地下水流亚系统。研究区300 m钻探深度内的第四系地下水类型划分为单一结构的潜水与多层结构的潜水-承压水，其中第四系多层结构潜水-承压水含水层在90～110 m以浅可概化为潜水，90～210 m之间可概化为第一层承压水，190～210 m以下含水层可概化为第二层承压水。第四系含水层的单井涌水量一般在5 000～1 000 m3/d，渗透系数一般在7.24～83.50 m/d。

图1 喀什平原区34S同位素采集水样点分布图

2 样品采集和分析方法

在研究区采集地下水和地表河水样品32组(图1)，其中井孔中采取地下水样品27组，采集地表河水样品5组。采样井深80～300 m，水位埋深4～106 m。硫酸盐的34S同位素值由中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室测试完成，所有数据已经国际原子能标准物质校正到VCDT国际标准。其中硫酸钡硫同位素数据经IAEA-NBS-127、IAEA-SO-5和IAEA-SO-6校正，黄铁矿硫同位素数据经IAEA-S1、IAEA-S2校正。硫酸盐样品的硫同位素数值以热转变元素分析-同位素比值质谱仪(型号DELTA V PLUS)测定，以VCDT为标准，分析精度为单个国际原子能标准物质各不少于3次分析的标准偏差小于0.2‰。

3 同位素分布特征及其来源

3.1 34S同位素分布特征

研究区北部克孜勒河地下水流亚系统低山丘陵区出露的新近纪(N)地层岩性主要为棕黄色或褐红色钙质粉砂岩、钙质粉砂质细砂岩和石膏化泥灰岩等，通过岩石化学分析其SO42-值一般为0.08%～0.87%，最大可达3.93%；南部盖孜河地下水流亚系统低山丘陵区的新近纪(N)地层出露岩性主要为灰褐色或青灰色含粉砂钙质泥岩、钙质细砂岩等，通过岩石化学分析其SO42-值一般为0.03%～0.08%，最大可达0.51%；总体上研究区新近纪(N)地层发育大量的石膏等盐类矿物。通常海相沉积具有较高的δ34S值，可达15‰以上，海陆交互相δ34S值在10‰～15‰之间，而陆相沉积δ34S值一般小于10‰[4]。

研究区地下水34S同位素分析表明(表1)，地下水δ34S值在北部克孜勒河地下水流亚系统普遍高于南部盖孜河地下水流亚系统。南部地下水样δ34S值范围一般为2.1‰～7.2‰，平均值为+5.2‰。北部地下水样δ34S值范围一般为5.8‰～13.6‰之间，平均值为+12.4‰。

表1 研究区地下水δ34S值变化范围表

3.2 硫酸盐来源分析

研究区南部盖孜河冲洪积平原中上游地区，南北向排布有隐伏背斜和向斜，上覆巨厚的第四系松散堆积物，形成天然地下水库，为大厚度单一潜水结构，利于接受大气降水补给。相对于北部，南部地下水径流条件较好，循环更新速率较快，对蒸发岩溶解而来的硫酸盐产生较好的迁移和稀释作用。因此，南部地下水中硫酸盐浓度相对较低。

图2 研究区地下水SO42-及δ34S关系图

北部除个别取样点位于冲洪积平原上部，其余均位于冲洪积平原中部或冲积细土平原。山前冲洪积平原区受山前断裂及背斜的影响，潜水补给变弱。至冲积细土平原，含水层颗粒逐渐变细，形成多层结构潜水—承压水。相对于南部，北部地下水径流条件差，循环更新速率缓慢，长期对蒸发岩的侵蚀、溶滤，在地下水中形成较高浓度的硫酸盐背景值。

沿地下水流向，SO42-的浓度逐渐增加，而δ34S值变化不大。例如SF594位于研究区东北部地下水的排泄区，该处SO42-浓度为1 757 mg/L，但其δ34S值为12.5‰，同上游地下水中δ34S值相比变化不大，表明其SO42-来源并未改变，SO42-浓度的增加是由于地下水在排泄区水位埋深变浅，蒸发作用加强，是蒸发浓缩和沿程累积共同作用的结果。

根据研究区地下水中SO42-及δ34S关系图可知(图2)，研究区南部盖孜河地下水流亚系统的地下水2‰<δ34S<8‰，SO42-浓度一般小于250 mg/L，地下水硫酸盐表现为陆相蒸发岩溶解及大气降水来源的SO42-；研究区北部克孜勒河地下水流亚系统的地下水5.8‰<δ34S<13.6‰，SO42-浓度大于250 mg/L，地下水δ34S值明显高于南部，地下水硫酸盐主要表现为海陆过渡相蒸发岩的溶滤，同时也存在陆相蒸发岩溶滤的混合影响。

综上所述，研究区地下水中δ34S值均为正值，相对处于低值区间。δ34S值范围为2.1‰～13.6‰，表明地下水中细菌还原作用微弱或不存在。研究区沉积蒸发岩中缺少黄铁矿和黄铜矿等其它硫化物矿物，不存在硫酸盐的氧化来源。因此，研究区地下水中硫酸盐主要来自于陆相与海陆过渡相蒸发岩的溶解和大气降水的补给。

4 结语

(1)南部盖孜河地下水流亚系统的地下水中硫酸盐浓度相对较低，北部克孜勒河地下水流亚系统的地下水中硫酸盐浓度相对较高；沿地下水流向，SO42-的浓度逐渐增加，而δ34S值变化不大。表明其SO42-来源并未改变，SO42-浓度的增加是由于地下水在排泄区水位埋深变浅，蒸发作用加强，是蒸发浓缩和沿程累积共同作用的结果。

(2)南部盖孜河地下水流亚系统的δ34S值为2‰<δ34S<8‰，SO42-浓度一般小于250 mg/L，硫酸盐表现为陆相蒸发岩溶解及大气降水来源的SO42-；北部克孜勒河地下水流亚系统的δ34S值为5.8‰<δ34S<13.6‰，SO42-浓度大于250 mg/L，硫酸盐主要表现为海陆过渡相蒸发岩的溶滤，同时也存在陆相蒸发岩溶滤的混合影响。

(3)喀什平原区各县市以后的改水防病工作中，其地下水水源地宜选择在南部盖孜河地下水流亚系统的中上游平原地区，地下水中的硫酸盐、总硬度和矿化度均符合国家生活饮用水卫生标准[5]。

[1]乃尉华,唐平辉,常志勇,等.新疆喀什经济开发区水文地质环境地质调查评价报告[R].昌吉，新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队.2015.

[2]李云,姜月华,周迅,等.扬泰靖地区地下水硫同位素组成特征及其意义[J]. 水文地质工程地质.2010.37(4):12-17.

[3]吕晓立,邵景力,刘景涛,等.兰州市区地下水矿化度分布特征及成因分析[J]. 干旱区资源与环境.2013.27(7):23-27.

[4]王恒纯.同位素水文地质概论[M].北京:地质出版社.1991.

[5]GB 5749-2006.生活饮用水卫生标准[S].北京:中国标准出版社.2007.

DistributioncharacteristicsofsulfurisotopesandsourceofsulfateingroundwaterofKashiplain

NAIWei-hua1，SHIJie2，WANGWen-ke3，WANGYi-xing2，DUANLei3，LIBin2

(1.Third hydrological engineering geological team of the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and mineral resources exploration and development,Chashi Xinjiang，844000；2.Second hydrological engineering geological team of the Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and mineral resources exploration and development，Changji,Xinjiang 831100;3.School of environmental science and engineering, Chang'an University,Xian,Shannxi,710054)

Kashi plain is the oasis plain between desert and Gobi. It belongs to typical water quality water shortage area. The chemical characteristics of groundwater are mainly high sulfate, high hardness and high salinity. In this paper, the sulfur isotope of groundwater samples from shallow boreholes in 300 meters in Kashi plain is tested. The results show that the values of delta δ34S in groundwater are positive, and the range of delta δ34S is between 2.1 and 13.6 per thousand. By using the method of statistics and comparative analysis, study the distribution characteristics and sources of sulfate sulfur isotopes of groundwater in plain area in Kashgar, indicated that sulfate ingroundwater mainly comes from different sedimentary facies evaporite dissolution and precipitation recharge. From the regional distribution, the South River Sub System of underground water cover Zi in groundwater sulphate concentration is relatively low, high concentration sulfate Groundwater groundwater flow in northern qezel subsystem, along the flow direction, the concentration of SO42-increased, while34S values changed little, is along the cumulative evaporation and the result of joint action. The results provide scientific basis for the development, utilization and protection of groundwater resources in typical water shortage areas of Kashi plain.

Kashi plain；groundwater；sulfur isotope；sulfate；source

P641.12

1004-1184(2017)06-0007-02

2017-04-24

中国地质调查局地质调查基金项目：“新疆喀什经济开发区水文地质环境地质调查评价项目(1212011220977)”资助

乃尉华(1977-)，男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，主要从事水文地质与环境地质的勘查、评价和研究工作。