氢氧同位素在岩溶山区地下水循环条件研究上的应用——以贵州省镇宁地区为例

易瑞，江峰，王若帆，焦恒

氢氧同位素在岩溶山区地下水循环条件研究上的应用——以贵州省镇宁地区为例

易瑞，江峰，王若帆，焦恒

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000）

通过对贵州镇宁地区地下水调查取样，测定氢氧同位素组成，计算氘过量参数（）表明，不同取样点δD、δ18O、值差异明显, δD值范围为-77‰～-53‰，平均值-63.7‰；δ18O值变化范围为-11.1‰～-7.8‰，平均值-9.3‰；值变化范围为9.4‰～12.6‰，平均值11‰。对镇宁地区地下水环境同位素特征综合研究，揭示了地下水系统规模及含水介质组合类型对地下水循环的控制规律。

镇宁地区；地下水；同位素特征；地下水循环

环境同位素广泛存在于自然界水体中，在降水、地表水、地下水、土壤水和植物体内相互转化的水循环过程中，不同水体的同位素含量不同（张应华等，2006）。利用氢氧同位素技术研究流域水循环，已广泛应用于地下水与地表水转化及水循环方面的研究（张明亮，2019；章新平等，2003；武亚遵等，2011），通过分析水循环中不同组分的氢氧同位素特征，可以揭示区域水循环规律，对水资源的合理开发利用提供理论基础。

1 区域地质背景

镇宁地区位于贵州省西南部，毗邻贵州黔中经济核心，为贵州省区划中的国家重点开发区域。

大地构造位置属扬子陆块西南缘（程裕淇，1994），南邻右江造山带，黔西山字型构造的“前弧”东冀。

处于长江流域与珠江流域的分水岭地带;为黔中山原向黔南斜坡转换的过渡地带;岩溶地下水系统特征由北西向南东呈现明显的不同特征：

北、西部幺铺镇至大山镇至镇宁县城一带处于黔中山原区，岩溶地貌以丘峰谷地为主，地势平坦、切割小，地下水露头为典型岩溶下降泉分散排泄形式。受宽缓向斜构造及北北东向断层控制，地下水富集于地势平缓谷地中，水位埋深浅，机井开采为主。中部-东南部向黔南斜坡地带过渡，地貌组合类型以峰丛斜坡洼地为主，受局部排泄基准面控制，地下水以岩溶大泉、地下河出口形式呈集中排泄特征，集中排泄点多分布于河谷中，在上游补给区则分布大量表层岩溶泉、天窗、竖井等。

图1 取样点平面位置示意图

1.地层代号；2.断层；3.地质界线；4.相变线；5.下降泉；6.上升泉；7.地下河出口；8.地下河天窗；9.竖井

2 样品采集及测试

2019年8月3日至11日对研究区内地下水进行采样，采集水样25个，其中地下河出口及天窗9个，泉点14个，竖井2个：涉及到研究区主要含水岩组，采样点分布位置、类型、地表出露地层及地下水系统情况见图1。

表1 采样点同位素分析结果

同位素分析测试项包括氢（D）、氧（18O)同位素。取样按不同分析项目样品采集与保存要求，对氢氧同位素，样品用2.5 L洁净PE瓶采集，取样前用原水润洗3遍，取样中无顶空取满，蜡封后常温下保存并送样。

样品同位素测试由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成，其中D及18O样品采用L2130i同位素分析仪检测，D及18O测试结果用相对于维也纳标准平均海水（V-SMOW）千分差表示：δD（或δ18O）（‰）=（Rs/R V-SMOW－1）×1000。

3 测试结果

水样氢（D）、氧（18O)同位素分析测试结果见表1，由表1可以看出，研究区内地下水δD值变化范围为-77‰～-53‰，均值-63.7‰；δ18O值变化范围为-11.1‰～-7.8‰，均值-9.3‰。

4 讨论

4.1 δD和δ18O同位素特征地下水来源分析

大气降水δD和δ18O呈线性关系（大气降水线），1961年Craig 首先提出的全球降雨线公式为δD=8.δ18O+10。1991年原地矿部水文地质工程地质研究所得出中国西南地区降水线方程（石昱祯，2010）为：δD=7.87δ18O+11.09。由于地方大气降水受地方气候因子包括水蒸汽气团的起源、降水期间的二次蒸发等控制，前人（毛庆亚等，2017）通过对40件样品的分析研究，得出安顺一带的大气降水线方程为δD=8.34δ18O+13.49。

根据取样同位素分析测试结果，绘制δD-δ18O关系图（图2），可以看出，研究区各个水样点均分布在安顺市大气降水线附近，表明研究区岩溶地下水来源于大气降水补给。2014年6月至11月，贵州安顺大气降水δD值（毛庆亚等，2017）变化范围为-144.51‰～1.62‰，均值-68.44‰；δ18O值变化范围为-19.17‰～1.88‰，均值-9.83‰，对比发现，本次样品中δD值及δ18O值处于全年变幅中间值范围。

4.2 氘过量参数特征

不同地区测得大气降水线与全球大气降水线在斜率和截距均有一定偏移，偏移反映了区域大气降水形成时，水汽的来源及降水云气在运移过程中环境条件变化，导致气、液两相同位素分馏不平衡程度差异（尹观等，2001）。为了量化这种差异，W.Dansgaard提出了氘过量参数（）的概念，定义为=δD-8δ18O。

本次取样时间集中在2019年8月3日至11日，取样范围集中在镇宁地区，取样点分布面积约350km2，大气降水中受季节、温度、湿度及降雨等因素影响小。但是，当大气降水补给到地下水后，由于水—岩作用，地下水与围岩会发生同位素交换，导致值发生变化。将取样点主要岩性特征（徐安全等，2010）列于下表（表2）：

表2 各采样点所涉及含水层岩性简表

图2 δD—δ18O关系图

灰岩主要矿物成分为CaCO3（方解石），白云岩主要矿物成分为CaMg(CO3)2（白云石），地下水与围岩发生的水岩交互作用方程为：

CaCO3+CO2+H2O = Ca2++2HCO3-（1）

CaMg(CO3)2+2CO2+2H2O = Ca2++Mg2++4HCO3-（2）

CaCO3+ CaMg(CO3)2+3CO2+3H2O = 2Ca2++Mg2++6HCO3-（3）

上述同位素交换，会导致地下水中δ18O值升高，而对δD值影响很小，根据值定义，当δD值不变，而δ18O值升高时，值就会变小。而δ18O值升高的程度，主要取决于地下水在该地下水系统中的滞留时间：在同一地区，同一含水层中，地下水滞留时间越长，水—岩交互作用程度越高，水中δ18O值越高，相应的值约小（尹观等，2001）。滞留时间受地下水在系统中循环运移的速度和时间控制，主要由地下水系统及系统中含水介质组合类型决定，将取样点所在地下水系统进行分类后，结合值来进行分析（表3）：

表3 采样点d值

本次采样点涉及含水岩组、含水介质类型及地下水系统较多，地下水渗流速度及循环交替速度差异大，本文从地下水系统规模及地下水系统类型分析比较值差异如下：

4.2.1 不同地下水系统循环条件分析

达到地下河系统W02与下屯岩溶大泉系统S06两者有较多相似处。均为地下水系统的集中排泄点、地下水系统面积相近、流量相近；但W02值（11.8）比S06（9.6）大得多，上述差异主要原因为地下水循环条件不一样（图3）。

W02 含水岩组为T2厚层块状灰岩，补给区内多处落水洞、天窗、竖井发育，大气降水及地表水沿落水洞等补给，沿岩溶管道向南东径流，受谷地切割出露。

S06含水岩组为T1薄层夹少量厚层灰岩，含水介质以裂隙—溶隙为主，受朵卜陇背斜构造控制，30°走向的层间裂隙极为发育，补给区发育有洼地、竖井等岩溶，无明显地下河；大气降水及地表溪水沿裂隙渗入补给，沿层间裂隙自北东向南西径流，受河谷切割出露。

W02地下水系统中的滞留时间短，地下水值大于S06地下水。

图3 地下河系统与岩溶大泉系统地下水循环条件对比图

4.2.2 地下河系统规模对值影响

龙宫地下河系统、蚂蟥箐地下河系统、达到地下河系统的含水岩组类型（T2溶洞—管道水）、排泄边界相似，其值表现：达到地下河系统集中排泄点W02（=11.8）>蚂蟥箐地下河系统集中排泄点W01（=11.4）>龙宫地下河系统集中排泄点W07（=10.2）。

取样点水循环条件类似，值差异为地下水系统规模不同：龙宫地下河系统面积76.15km2，W07流量最大，补给来源远、范围大，地下水滞留时间最长，值最小；蚂蟥箐地下河系统面积12.67km2，W01流量小于W07且大于W02，补给来源中等，地下水滞留时间一般，值小于W01且大于W07；达到地下河系统面积5.07km2，W02流量最小，地下水补给来源近、范围小，地下水在系统中滞留时间短，值最大。

5 结论

（1）研究区内各个水样点均分布在安顺市大气降水线附近，表明岩溶地下水来源于大气降水补给。

（2）地下水值与含水介质组合类型、地下水滞留时间相关。

张应华，仵彦卿，温小虎，等．2006．环境同位素在水循环研究中的应用[J]．水科学进展，17(5)：738-747．

张明亮．2019．滇东黔西地下水氢氧同位素特征[J]．四川地质学报，39(03)：508-511．

章新平，姚檀栋，田立德，等．2003．乌鲁木齐河流域不同水体中的氧稳定同位素[J]．水科学进展，14(1)：50-56．

武亚遵，万军伟，林云．2011．湖北宜昌西陵峡地区大气降雨氢氧同位素特征分析[J]．地质科技情报，30(3)：93-97．

程裕淇．1994．中国区域地质概论[M]．北京：地质出版社。370-371。

石昱祯．2010．四川省泸沽湖地区地下水水化学特征研究[J]．山西建筑，36（2）：146-148

毛庆亚，王建力，王家录，等．2017．贵州安顺与重庆北碚大气降水中δD和δ18O特征分析．[J]．西南大学学报(自然科学版)，39（2）：114-120．

尹观，倪师军，张其春．2001．氘过量参数及其水文地质学意义[J]．成都理工学院学报，28(3)：254-254

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The Application of Hydrogen and Oxygen Isotope Geochemistry to the Study of Groundwater Circulation Conditions in Karst Mountain Area——By the Example of Groundwater in the Zhenning Region

YI Rui JIANG Feng WANG Ruo-fan JIAO Heng

(The 114th Geological Party, Guizhou Bureau of Geology & Mineral Exploration and Development, Zunyi, Guizhou 563000)

The δD values for groundwater samples in the Zhenning region range from -77‰ to -53‰ with an average of -63.7‰，and the δ18O values vary from -11.1‰ to -7.8‰ with an average of -9.3‰ and thevalues vary from 9.4‰ to 12.6‰ with an average of 11‰. These values show that groundwater circulation is controlled by groundwater system scale and aquifer medium association type.

groundwater; isotopic composition; groundwater circulation; Zhenning, Guizhou

P641.8

A

1006-0995（2021）04-0678-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.026

2020-12-30

贵州深切河谷开放型岩溶流域地下水找水模式研究（黔地矿科合（2018）23号）

易瑞（1990-），男，湖北黄冈人，工程师，主要从事水文地质方向研究