地下水深循环研究进展分析

张成文

摘要：地下水除了区域性水文地质循环的特征之外，还可以在中地壳中流动或者在地幔孔洞型导水构造中流动，基于此发现，地下深循环形式的水资源的研究也受到技术研究人员的关注。通过深循环地下水的研究，缓和水资源危机，尤其是对北方干旱地区的河流和湖泊水资源补给具有十分重要的作用。本文围绕地下水深循环的议题进行了探讨，分别对岩石圈导水构造、水量平衡以及同位素依据进行了分析，旨在不断推动地下水深循环技术研究加快发展。

关键词：地下水深循环；导水构造；同位素；水量平衡

1引言

水资源危机是我国的社会经济发展过程中面临的重大问题。在过去很长一段时间，淡水资源主要是来自地下水抽取，一方面工业的快速发展导致水污染状况加重，另一方面民众生活生产对水资源需求量不断提升，在这一境况下，防治水污染并积极探索新的淡水资源成为重要的解决途径。河海大学陈建生教授2009年6月上旬在中国科协主持的学术沙龙中，报告了的一项新的研究成果——中国北方沙漠中可能存在着深循环水，从而在世界上首次提出地下水深循環的观点，打破了地下水仅限于在上地壳循环的传统水文地质理论，自此该理论受到越来越多研究人员的关注。本文主要对该理论研究进展作了分析，供相关人士参考。

2岩石圈导水构造分析

岩石圈导水层的构造主要是依托欧亚大陆板块的拼接及各小板块之间的相互运动关系来进行分析的。欧亚大陆板块涉及到青藏高原、阿拉善台地、内蒙古山带、华北地区以及长白山带，由于大小板块之间的构造运动，尤以火山喷发最为明显，导致所在区域岩石圈层内部构造发生变化。在火山活动中，岩浆与水既具有各自独立的运动属性，同时二者又具备了相互融合的关系形式，最终对所在岩石圈层的结构造成影响。有研究人员在火山玄武岩中发现了数量众多的导水孔洞，这些孔洞相互连通，拥有巨大的表面积，而这些相互连通的孔洞正是深层地下水实现流通的路径，为地下水涌入地表提供了前提条件。在欧亚大陆板块与印度板块相互运动过程中，火山岩浆所引发的一系列物理化学反应不仅把板块周边的高原地区和平原地区紧密联系起来，同时随着火山岩浆的喷发和冷却，岩石圈层也形成了特殊的孔洞型玄武岩，成为地下水深循环导水构造的典型特征。

为了进一步证明在欧亚大陆板块周边的岩石圈中存在孔洞型的导水构造，研究人员采用了电磁探测技术进行检测。结果发现在青藏高原、河西走廊、内蒙古高原地区、太行山以及长白山等地的板块断裂带区域具有连续的高导带或高导层。如羌塘盆地的高导层位于火山爆发形成的裂谷或断裂带区域，高导层结构从10km直至延伸到400km，而在羌塘盆地高导层所连接的火山裂谷以及断裂地带与周边河流湖泊等水体有着密切的联系。如在对山西裂谷和贝加尔裂谷的导水构造研究中，技术人员发现中地壳和上地幔的高导层电阻率发生了较大的落差梯度，推测在两个地层结构中存在有液态水或者超临界流体。由于超临界流体会溶解岩石圈中的金属元素，因此同样会具有高导性，而很难出现中地壳和上地幔两层电阻率落差特别大的情况，进而间接推测出地壳高导层中存有液态水，由此推断山西裂谷和贝加尔裂谷地下区域极可能存在大量的地下水。

3水量平衡分析

在河西走廊区域，深层水主要分布于早古生界含水层、石炭系-二叠系含水层、三叠系-侏罗系含水层、白垩系-古近系含水层以及新近系-第四系含水层中。有研究人员在水量平衡分析中发现，河西走廊深层地下水的补给来源主要有两方面，一方面是大气降水过程中周边的山区地下水资源在区域水循环系统中进入到盆地，另一方面是分布于早古生界含水层、石炭系-二叠系含水层、三叠系-侏罗系含水层、白垩系-古近系含水层中的深层地下水与第四系含水层借助孔洞型流通途径实现了相互补给，最终实现了水量平衡。另有研究人员对贝加尔湖进行了地下水补给的研究，发现自1901年至1976年，贝加尔湖的水资源补给量中有4.3%～5.0%的水是来自于地下水。此外，又有人对降水量较低且仅有500mm/a的山西裂谷区域所在的泉群进行了研究，发现在太行山区域强岩溶所在的径流带呈现出与裂谷方向平行分布的特点，而且这些岩溶泉大多出现在断裂带附近，从而一定程度上暗示着板块构造运动与区域岩溶的发育有关，这些泉群的天然流量大多在1m3/s之上，以大气降水来解释显然不合常理，因此推测泉群的出现与深层地下水有着不可分割的关系。还有人对羌塘盆地所在的双湖地区进行了地质勘测，发现石灰岩中存在有大量的孔洞型构造，同时在钻井过程中发生了不同程度的塌孔，这也为该地区深层地下水补给提供了有利证据。

4同位素依据分析

专家学者对地区水资源的δD-δ18O关系进行了研究，发现北方地区的降水加权平均值δD-δ18O大多分布在全球雨水平均线一侧，而且北方地区的降水同位素相对东北地区的降水同位素分布更加密集，表明北方地区的地下水和地表水的主要补给源除了大气降水以外还有其他的补给来源，这也是推测深层地下水补给源的有利佐证。在对水中87Sr/86Sr的分析试验中发现，大气降水与海水的87Sr/86Sr相近，约为0.7091，以这一数据为基点可以判断检测位置的地下水是否经过了地幔循环。长白山地下水的87Sr/86Sr数值位于0.7060～0.7081之间，比大气降水同位素比值低，说明该地区的地下水还有其他的补给来源，可能是地幔水，也有可能是羌塘盆地降水沿着大量岩石孔洞渗透到地下深部的水。此外在利用氚来测定欧亚大陆板块带各区域地下水的年龄时发现，北方地下水的年龄呈现出自东向西减小的递变特征，这恰与地下水深循环的补给径排特征吻合，成为又一重要的论断佐证。

5结语

目前，在地下水深循环理论研究中还存在一些疑点和争议，如北方地区地下水的δD和δ18O之间的关系有多种可能性解释，这些争议有待各专家学者以及业内人士做出进一步的研究和探讨，从而得出更为科学的结论，有力的充实和完善地下水深循环理论，最终为地下水资源的开发利用打下坚实的理论和实践基础。

参考文献：

[1]地下水深循环研究进展，陈建生，江巧宁，《水资源保护》，2015，31（6）

[2]松辽盆地北部帝城水同位素特征及其地质意义，史婷婷，成建梅，解习农，等，《沉积学报》，2012，30（2）

[3] 深循环地下水补给长白山天池的水量平衡分析，江巧宁，陈建生，《水资源保护》，2015，31（5）