新疆阿勒泰地区地表水体氢氧同位素组成及空间分布特征

高娟琴， 于扬， 王登红， 王伟， 代鸿章， 于沨， 秦燕

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院， 北京 100083；2.自然资源部成矿作用与资源评价国家重点实验室， 中国地质科学院矿产资源研究所， 北京 100037；3.四川省地质矿产勘查开发局地质矿产科学研究所， 四川 成都 610036)

氢氧同位素是广泛存在于自然界各类水体中的稳定同位素。在水循环过程中，受到同位素分馏作用的影响，水分子中的轻同位素倾向于在水汽中富集，重同位素则倾向于留在液相中，不同来源、不同纬度及高程的水体氢氧同位素差异明显，故通过水体的氢氧同位素组成特征差异可以确定其来源，分析运移过程，从而示踪水循环[1]。氢氧同位素作为水体的有效示踪剂，已广泛应用于水文地球化学领域[2-4]。国际上水体稳定同位素的研究始于20世纪50年代，Dansgaard[5]首次分析了大气水中的18O。中国水体稳定同位素研究开展较晚，20世纪70年代，中国学者研究了珠穆朗玛峰高海拔地带水体的氢氧同位素[6]，其后逐步将氢氧同位素应用于其他各类型水体来源及循环过程的分析[4,7-11]。

目前已有学者开展了新疆乌鲁木齐地区大气降水[12-13]、塔里木盆地河水[14]、博斯腾湖流域[15]、呼图壁河流域[16-17]、哈萨克斯坦东部额尔齐斯河[18]的氢氧同位素分布特征研究。新疆阿勒泰地区有部分大气降水的研究结果可供参考，但该区域地表河流稳定同位素变化特征研究尚需补充。此外Natalia等[19]收集了阿尔泰山区域7个气象站点的降雨量数据，发现自1959年至2014年阿尔泰山脉暖季(4月—10月)降雨量有明显的提高。在此气候条件变化的背景下，开展阿勒泰地区各类型水体氢氧同位素组成的研究具有重要的意义。

本文采集了新疆阿勒泰地区主要河流及湖泊水样品，采用LGR DT100液体水激光同位素分析法研究氢氧同位素组成，获得阿勒泰地区河流、湖泊等水体稳定同位素组成数据，对该区各类型水的氢氧同位素组成特征进行了总结并判断其水汽补给来源。

1 研究区概况

阿勒泰地区地处阿尔泰山南麓，新疆最北部，西北部与哈萨克斯坦、俄罗斯相接，东北部与蒙古国接壤，年平均降水量200mm，蒸发量1814.9mm[20]。阿勒泰地区常年受到西风带水汽的影响，在冬天还会受到极地水汽侵入。水系发育，是新疆的丰水区之一，多见山间河流，发育于阿尔泰山南部的诸多支流以梳状排列汇入额尔齐斯河，发育于阿尔泰山东部的山间河流汇入乌伦古河[21]。

额尔齐斯河为鄂毕河最大的支流，起源于新疆维吾尔族自治州富蕴县阿尔泰山东南部，由喀依尔特河及库依尔特河汇集而成，沿阿尔泰山南麓向西北方向流出哈巴河县后流经哈萨克斯坦国，转而进入俄罗斯境内汇入鄂毕河，最终注入北冰洋，是起源于中国的唯一一条注入北冰洋的河流。额尔齐斯河河流总长4248km，流域面积1.64×106km2，在中国境内上游长度及面积分别占2.76%及14.90%，是同处干旱区的哈萨克斯坦国以及中国新疆的重要水资源[22]。

乌伦古河总长573km，流域总面积3.79×104km2[23]，是准噶尔盆地的内陆河，起源于青河县境内阿尔泰山，自东向西流经富蕴县，于福海县先注入吉力湖，经8km长的库依戈河最终流入乌伦古湖。乌伦古湖与吉力湖位于准噶尔—北天山褶皱系的福海凹陷中。乌伦古湖和吉力湖在全新世时期原本为一个湖体，后由于乌伦古河入湖三角洲发育，进一步形成沙丘阻塞河道，遂演变而成的两个独立湖泊[24]。其中乌伦古湖大部分湖体位于福海县境内，北部属于阿勒泰市及吉木乃县；吉力湖位于福海县内。据已有研究统计[25]，2012年乌伦古湖平均水位482m，面积约859km2，蓄水量8.88×109m3；吉力湖面积为169km2，蓄水量1.48×109m3。

2 实验部分

2.1 样品采集

本文重点选取阿勒泰地区额尔齐斯河及乌伦古河湖水系采集水样品，共采集水样品32件。其中河水样品25件(编号1～20、23～27)，湖水样品3件(编号21-22、32，其中采自南疆艾丁湖的32号湖水为对比样品)，山泉水样品2件(编号30、31)，雪水样品1件(编号28)，可可托海3号矿坑裂隙水样品1件(编号29)。各采样点位分布如图1所示。

使用有机玻璃采水器于宽阔的河湖面中间采集地表水样品，样品采集前用蒸馏水洗净采样器及采样瓶，并用待采水样品润洗三次。保证样品采集于水面之下至少20cm，采样之前排尽瓶内空气避免进一步发生同位素分馏，每个采样点采集样品1500mL，记录编号。使用一次性医用注射器及0.45μm孔径的聚醚砜滤膜过滤原水样品，于预先酸洗的聚乙烯瓶中收集过滤水样品10mL以上，记录样品编号。

注：32号采样点为艾丁湖湖水样品，因与阿勒泰地区距离较远，未绘制于图上。Note:No. 32 is a water sample from Aiding Lake, which is not drawn on the map due to the long distance from Altay Region.图 1 采样点位置图Fig.1 Map of sampling sites

2.2 样品测试

为了掌握各类水体水质基本情况，使用德国WTW3430多参数水质分析仪于野外现场测定了水样品的温度(temperature, T)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)、溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)、pH等基本参数。

过滤水样品在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室采用LGR DT100液体水激光同位素分析仪测定氢氧同位素，测定结果以相对于国际上公认的V-SMOW(standard mean ocean water，标准平均海水)的千分差来表示，即δD和δ18O，分析精度分别为1.0‰和0.1‰。

3 结果与讨论

3.1 样品氢氧同位素及主要阴阳离子测试结果

阿勒泰地区水样品氢氧同位素组成、主要阴阳离子及氘过量参数的测试结果见表1。阿勒泰地区水体氢氧同位素变化幅度较大，δ18O值变化范围为-15.4‰～-5‰，算术平均值为-12.64‰，δD值变化范围为-121‰～-49‰，平均值为-102.75‰。其中，地表河流(额河、乌伦古河、额河支流)的δ18O值变化范围为-15.4‰～-11.5‰，平均值为-13.48‰，δD值变化范围为-114‰～-100‰，平均值为-106.04‰；两件山泉水的δ18O值及δD值分别为-14.9‰、-121‰以及-11.8‰、-114‰，δ18O平均值为-13.35‰，δD平均值为-117.5‰；三件湖泊水的δ18O值变化范围为-6.9‰～-5‰，平均值为-5.77‰，δD值变化范围为-98‰～-49‰，平均值为-68.67‰；矿坑裂隙水的δ18O值为-11.6‰，δD值为-106‰；雪水的δ18O值和δD值分别为-11.8‰及-90‰。

表1 阿勒泰地区水体氢氧同位素及主要阴阳离子含量

样品采集于2016年秋季10月9日至10月16日，河湖水体温度介于3.2～23.3℃，最高者为南疆艾丁湖样品，最低者为布尔津河周边雪水及喀依尔特河样品。

3.2 氢氧同位素分布特征

前人研究阿勒泰地区各类水体氢氧同位素的原始结果较少(表2)，本文中雪水的δ18O及δD值高于田立德等对阿勒泰大气降水以及Alzen等对俄罗斯Belukha山(阿勒泰山脉)雪坑中雪和雪芯的研究结果，可能是由于本研究中采集的雪水经历了蒸发分馏作用，与大气降水数据有一定的差别。河水的氢氧同位素组成比较接近大气降水，但δD值略低于阿勒泰地区大气降水，可能是由于除大气降水外阿勒泰部分河水还受到冰川融水的补给。山泉水、湖水与大气降水差异较大，本文中的乌伦古湖(δD：-98‰～-59‰；δ18O：-6.9‰～-5‰)与新疆博斯腾湖(δD：-33‰～-10‰；δ18O：-2‰～3‰)相比具有更低的δ18O值及δD值[15]，这是由纬度效应及湖泊蒸发量差异造成的。博斯腾湖所处的纬度较低，年均气温较高，湖水蒸发量更大，富集重同位素的特征较明显。

表2 前人研究中阿勒泰水体氢氧同位素组成与本研究对比

由于阿勒泰地区缺乏具有代表性的大气降水的氢氧同位素组成数据，故以Craig在1961年提出的全球大气降水线方程(GNML)[29]δD=8δ18O+10以及乌鲁木齐大气降水线方程[12](LNML)δD=7.21δ18O+4.5作为对比。阿勒泰地区32件水样品氢氧同位素线性拟合方程为：y=4.7102x-43.21，R2=0.7048，大部分水样品位于全球及乌鲁木齐大气降水线的右下侧(图2)，说明该区各种类型水体与全球及乌鲁木齐降水平均水平相比，在形成过程中发生了相当程度的蒸发作用；此外说明阿勒泰水体的补给源除大气降水之外，有一定比例的冰川融水补给。且由于存在纬度效应的存在，阿勒泰地区的大气降水亦拥有更低的δD及δ18O值，故当地所采集的雪水投点位置位于GNML及LNML下方。地表河流水样品的氢氧同位素组成相近，投点区域较为集中，与其相比，山泉水的δD值明显低于其他类型水，因为山泉水补给源主要为地下水，其氢氧同位素组成与地表水体有较大差别。乌伦古湖及艾丁湖的三件湖水与其他类型水差异较大，δ18O及δD值均远高于其他水体，说明湖水相对于河流来说是更为稳定的开放性水体，流动性较差，从而受到更强烈的蒸发作用，使得重同位素趋于富集。

注：额尔齐斯河各支流代号已于表1中标注。Note：The tributaries’ serial numbers of the Irtysh River have been shown in Table 1.图2 阿勒泰地区水体δD-δ18O关系Fig.2 δD-δ18O diagram of Altay waters

位于图1左下角的额尔齐斯河水样品富轻同位素，反映其来源除大气降水之外也有冰雪及冰川融水的混入。锂矿坑裂隙水和山泉水与GNML及LNML距离均较远，说明其并非由大气降水完全补给，或者由大气降水补给后发生的一系列水循环过程使其偏离大气降水线，其与地表河流水样品氢氧同位素组成较为相似，说明锂矿坑裂隙水流经锂矿脉并未对其氢氧同位素组成造成明显影响，与地表河流经历了相似的水循环过程。

额尔齐斯河及乌伦古河水样品δD-δ18O关系图(图3)显示，额尔齐斯河10件水样品δD-δ18O线性拟合方程为：δD=1.7297δ18O-83.879，R2为0.3550。乌伦古河样品的δD-δ18O关系可表示为：δD=1.986δ18O-76.5，R2为0.4823。两河流样品氢氧同位素组成分布范围较大，拟合相关系数偏小，这是由于采样范围内额尔齐斯河及乌伦古河河流流程均较长，途中不断有支流补给混入，沿河氢氧同位素组成差异很大。

图3 (a)额尔齐斯河及(b)乌伦古河的δD-δ18O关系Fig.3 δD-δ18O diagrams of (a) Irtysh River and (b) Ulungur River

3.3 氘过量参数

每个地区的大气降水氢氧同位素线性方程与全球大气降水线均会有一定的差异，Dansgaard首次将降水氢氧同位素关系的差异值定义为过量氘(d)，即大气降水线斜率为8时的截距值，用来衡量降水蒸发时同位素分馏的不平衡程度[30]，作为大气降水δD、δ18O的补充数据，其季节变化特征亦为识别水汽来源、研究水循环及当地气候条件的有力依据[26]。在2001年之前，中国学者对氘过量参数的应用多为描述大气降水样品同位素分馏不平衡程度。尹观等[31-33]经大量实践研究发现，特定地区的大气降水的d值固定，且在地表循环过程中不发生改变，而当其补给到地下后，地下水的d值在水岩作用过程中会发生明显改变，已确定d值与地下水在岩层中滞留时间、流速、岩层易溶程度明显相关，若将此概念应用于地表水中，则d值大小可以代表地下水混入的程度，d值越小，则地下水补给越多。

阿勒泰地区水体氘过量参数见表1，d值变化范围在-42.8‰～12.4‰之间。其中乌伦古湖水体氘过量参数最低(-42.8‰～-19‰)，若按照d值的新的水文地质内涵，则说明与艾丁湖(-5.8‰)、山泉水(-19.6‰～-1.8‰)及地表河流(-12.4‰～12.4‰)相比，乌伦古湖受到更多的地下水补给。地下水的氘过量参数(均值为-10.7‰)远小于地表河流(均值为1.832‰)，地表河流中乌伦古河的氘过量参数(均值为-0.05‰)小于额尔齐斯河及其支流(均值为2.11‰)水系。两件山泉水的d值差异较大，山泉水1的d值为-19.6‰，山泉水2的d值为-1.8‰。

3.4 氢氧同位素与水体属性的关系

前人曾对中国东部季风区[7]及丹江流域[34]大气降水氢氧同位素与地理及化学参数的相关关系作了研究，结果表明δD值与纬度、高程呈极显著负相关关系，与源头距离、水温呈极显著正相关关系。此外有学者对阿勒泰大气降水季节性变化研究发现，阿勒泰地区大气降水δ18O值与逐月气温变化趋势一致，正相关关系明显[26]。本研究分析阿勒泰地区水体氢氧同位素与地理及化学属性(包括经纬度、TDS值、DO、pH、水温、主要离子的摩尔浓度)的关系结果见表3。

表3 氢氧同位素及其他参数相关分析结果

4 结论

本文在阿勒泰地区采用LGR DT100液体水激光同位素分析法开展了以地表水为主的区域水体氢氧同位素组成研究，基于此，探讨了阿勒泰地区水体氢氧同位素组成特征、空间分布规律及水体来源等。新疆阿勒泰地区水体的δ18O及δD值变化范围分别为-15.4‰～-5‰以及-121‰～-49‰。不同类型水体δ18O及δD值差别很大，湖水由于强蒸发其δ18O、δD值明显大于地表河水，地下水δ18O值与地表河流相近，但δD值略高于地表河流，表明其来源于地表河流补给但受到了水岩反应的影响。阿勒泰地表河流主要受到大气降水及冰川融水的补给，地表河流氢氧同位素组成差异主要是由不同补给源以及蒸发程度强弱导致，结合地表河流氢氧同位素组成数据，得出额尔齐斯河和乌伦古河氢氧同位素拟合方程。阿勒泰地区各类水体δ18O及δD与水体属性有明显的相关关系，δ18O和δD与水温、总溶解性固体含量成正比，与纬度及水体溶解氧含量成反比。

本研究得到的氢氧同位素组成特征，为阿勒泰地区各类型水体稳定同位素研究提供了基础数据，以氢氧同位素组成为依据对地表水体水汽补给来源作了判定。阿勒泰近几十年降水明显增多，在此背景下，对阿勒泰大气降水及其他各类型水体氢氧同位素组成继续开展长期深入的系统研究确有必要。