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五大连池自然保护区浅层地下水化学及氢氧稳定同位素特征

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  摘要[目的]探明五大连池自然保护区浅层地下水化学和氢氧稳定同位素特征。[方法]在五大连池自然保护区内代表性区域进行了露头泉和井水的采样,并对水中常规离子及D和18O进行分析。[结果]该地区浅层地下水为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型的低矿化度水,以大气降水补给为主。其氢氧稳定同位素数值基本落在在降水线上,且呈现东北低西南高的分布趋势。地下水中δD和δ18O值的分布与当地地质构造关系密切,同一断裂带上采样点的δD和δ18O值极其相似,其值由低到高可分为尾山-龙门山线、格拉球山-药泉山线、老黑山-莫拉布山线和火烧山-药泉山线。[结论]该研究可为研究地下水的补给来源和补给范围奠定基础。
  关键词五大连池自然保护区;地下水;氢氧稳定同位素;水化学
  中图分类号P641.3文献标识码A
  文章编号0517-6611(2019)02-0048-04
  doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.015
  稳定同位素 D和18O作为环境示踪剂,在水文学中被广泛应用于地下水补给、径流、排泄等方面的研究,是研究流域地下水补给关系的先进手段。自1960 年以来,稳定同位素已经被应用在国内外河流、湖泊、地下水的研究中,许多学者对不同水体中的D 和18O 值进行测定分析,探讨了不同水体中同位素的变化规律,揭示了影响水体中稳定同位素变化的各种因素[1-7]。
  五大连池地下水是世界珍稀水资源,其铁硅质重碳酸钙镁型的矿泉水有“世界三大冷泉”之称。该地区地下水资源是当地矿泉产业和旅游业的支柱,但近年由于地下水的大量开采,其水质和水量都有所下降。为合理开发当地水资源,笔者开展了该区浅层地下水的水化学与氢氧同位素特征研究,以期为研究地下水的补给来源和补给范围奠定基础。
  1研究区概况
  五大连池自然保护区位于小兴安岭山地向松嫩平原的过渡地带,直属黑龙江省黑河市,该地区以其独特水文地质构造被列为中国地质公园和世界地质公园,同时也是世界三大冷矿泉分布地之一。该区地理坐标为127°37′~125°42′E,48°16′~49°12′N。东西长142 km,南北宽104 km[8],隶属典型的寒温带大陆性季风气候,春季风大干旱,夏季炎热多雨,秋季凉爽霜早,冬季寒冷干燥。有效积温2 316.4 ℃,无霜期121 d,平均降水量515.7 mm,最大冻结深度为2.47 m,区内有多处岛状多年冻土年。
  保护区内地形东、北、西地勢较高,中南部相对较低[9],区内海拔248~600 m。区内水系较为发育,主要河流有讷谟尔河、引龙河、固西河、张通世沟等,主要湖泊为火山熔岩流堵塞河道形成的堰塞湖。区内地层从老至新主要有下寒武系、上白垩系和第四系。境内有14座火山喷发形成的火山地形,地形切割程度较强,境内普遍被第四系松散层所覆盖。由于裸露的基岩长期遭受地质构造和风华侵蚀作用,致使岩层破碎、节理、裂隙比较发育[10],该地质条件非常有利于大气降水的下渗补给,形成潜水含水带[11]。
  2样品采集与分析
  2.1样品采集方法
  样品来自五大连池自然保护区药泉山区域和堰塞湖区域,遍布自然保护区典型的露头泉,共采集17个样品,其中天然露头泉水样品11个,井水样品6个。露头泉样品直接采集。井水样品采样前先抽取地下水5~10 min,将井管内前期存水排出,以保证所采取的地下水的代表性。取样前,用待取水样润洗2~3次,取500 mL水样用于氢氧同位素测定,另取水样进行常规离子测定。采样点的分布如图1所示。
  2.2样品测定方法
  常规离子使用离子色谱仪(型号PIC-10A)测定。氢氧稳定同位素分析采用波长扫描-光腔衰荡光谱法,分析精密度δ18O达0.011‰;δD达0.038‰,由国土资源部地下水科学与工程重点实验室采用L2130i同位素分析仪完成测试。
  3 水化学特征
  3.1常规离子特征分析
  地下水的水化学特征能够反映出地下水在流动过程中与围岩的相互作用情况,并且能够为地下水的溯源提供一定的依据[12]。根据对17个采样点的离子的测定与分析,得到自然保护区浅层地下水化学数据,见表1。
  五大连池地下水中分布最广,含量最多的离子共8种,分别为Na+、K+、Ca2+和Mg2+,Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-。
  由表1可以看出,样本水样中阳离子中含量最多的是Na+,其次为K+和Ca2+,Mg2+含量最低。在样品13、11、9、15中,其Na+含量最高,均在20.00 mg/L以上,其他样品Na+含量集中在9.41~19.27 mg/L。各样品K+含量差别不大,为10.10~21.40 mg/L。Ca2+含量除样品13、4、6在10.00 mg/L以上,其他样品含量较低,一般不高于5.00 mg/L。Mg2+含量除13号样品为14.67 mg/L外,其他样品Mg2+含量为0.90~6.90 mg/L。阴离子中含量从高到低依次为HCO3-、NO3-、Cl-和SO42-。其中HCO3-含量除样品5、7、3号在50 mg/L
  以下外,其他样品含量相对较高,均值为133.43 mg/L。样品12、9、15、6、7 NO3-含量超过天然饮用矿泉水限值(45.00 mg/L)外,其他样品含量较低,整体品质较好。除12号样品SO42-含量为37.42 mg/L外,其他样品含量均在20.00 mg/L以下,均值为6.95 mg/L。14、12样品Cl-含量在60.00 mg/L以上,其他样品含量较低,均值为9.26 mg/L。
  基于以上分析,各水样间一些离子含量存在较大差异,说明五大连池地下水系错综复杂,但总体上均为低矿化度地下水。   3.2水化学类型的确定
  将样品中的水化学成分换算成毫克当量百分数,投影到Piper三线图中,如图2所示。从图2可以看出,当地浅层地下水的化学类型为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型。由于当地地幔热柱活动产生了大量的二氧化碳气体,该气体沿地层裂隙或孔洞溢出,当运移到盖层下石炭系或侵入岩中的地下水时,部分二氧化碳气体溶于水中,形成具有弱酸性的碳酸水。由于当地火山岩的岩石化学特点全都强碱富钾,而在岩浆演化晚期,因钾质矿物大量晶出导致岩浆相对富钠,出现他形霞石和方钠石等填隙矿物[13],在水岩作用及浅层地下水与承压水的混合作用下,形成自然保护区浅层地下水的HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化学类型。
  4氢氧稳定同位素特征
  不同水体的氢氧稳定同位素组分可以反映不同水体间
  的相互作用关系。五大连池自然保护区浅层地下水的δD和δ18O关系见图3。
  由图3可知,东北地区大气降水线(y=7.14x-3.22)位于全球大气降水线(y=8.13x+10.8)下方,其方程的斜率和截距都小于全球大气降水线的数值,这是由于稳定同位素分布的纬度效应造成。自然保护区内不同水体δD~δ18O值分布于东北地区大气降水线附近,说明当地浅层地下水与大气降水有较大相关性且地下水循环交替较快,蒸发作用影响较弱。五大连池自然保护区裸露地表的基岩因长期遭受构造运动和风化侵蚀的破坏,使得自然保护区内有大量裂隙发育的玄武岩和松散堆积物,非常有利于大气降水的入渗补给,综上自然保护区浅层地下水中δD和δ18O值的分布情况与当地的水文地质状况相吻合,说明当地浅层地下水起源于大气降水。
  五大连池自然保护区浅层地下水的样品采自东北部的火山带和西南部较为平坦的居民区。样品的δD和δ18O值如表2所示。由表2可知,该区域浅层地下水δD和δ18O的变化范围较小,δD为-89%~-81%,均值为-85.5‰,极差为8‰;δ18O为-12.0%~-10.7%,均值为-11.6‰,极差为1.3‰。这表明自然保护区内浅层地下水补给来源较为单一。
  从其分布来看,自然保护区δD和δ18O值由东北部向西南部逐渐增大。该地区整体的地势相似,北、东、西三面高,中南部低,形成一个南向开口的箕状地形[10],控制了区域地下水的补给。地下水整体流向为东北向西南,并最终汇入讷谟尔河。自然保护区内δD和δ18O值的分布与当地地表水的流向相一致,说明当地地下水与地表水水力联系较为密切。
  采样点δD和δ18O值及分布位置与当地的构造断裂帶有较高的相关性,处于同一断裂带上地下水的稳定同位素值处于同一水平,具体可将其分为4个区域:
  ①尾山-龙门山沿线。包括采样点14、03、01,该区域δD和δ18O值处于研究区内最低水平,一方面是该区域地势较高由于降水稳定同位素的高地效应造成,另一方面采样点位于尾山-龙门山断裂构造带上,不排除该区域地下水有深层地下水补给的可能性。
  ②格拉球山-药泉山沿线。包括采样点12、16、04、13、08,该区域δD和δ18O值处于研究区较低水平,这是由于研究区虽然11、09、12位于研究区南部但是西北部12、16地势相对较高且采样点均位于该断裂带沿线,δD和δ18O值接近,说明此区域补给来源相同。
  ③老黑山-莫拉布山沿线。包括采样点11、02、09,该区域δD和δ18O值处于研究区较高水平,是由于火烧山-莫拉布山断裂带横穿二池湖,地表水对地下水的影响较大。
  ④火烧山-药泉山沿线,包括采样点10、15、06,该区域δD和δ18O值处于研究区最高水平,此沿线位于北东向压性断裂带上,阻隔了西北区域地下水的补给,同时该区域地下水埋深浅,蒸发强烈造成。
  5结论与讨论
  五大连池自然保护区地下水系错综复杂,但总体上均为低矿化度地下水,主要阴离子为Na+、K+、Ca2+和Mg2+,主要阴离子为Cl-、SO42-、HCO32-和NO3-,其水质类型为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na水化学类型。自然保护区浅层地下水的δD和δ18O值变化范围较小,补给源较为单一。δD为-89%~-81%;δ18O为-12.0%~-10.7%,基本落在东北地区大气降水线上,说明当地地下水主要来源于大气降水。地下水的δD和δ18O值呈现由东北向西南逐渐升高的趋势,这与地下水由东北向西南汇集有关,另外当地北、东、西三面高,中南部低的地形,也促进了地表水和地下径流的走向,最终地下水向西南排泄到讷谟尔河。地下水中δD和δ18O值的分布与当地地质构造关系密切。断裂带走向与露头泉分布一致,为地下水排泄提供通道,这也使得在同一断裂带上取样点的 δD和δ18O值相近。根据各采样点δD和δ18O值可将其由低到高分为尾山-龙门山线、格拉球山-药泉山线、老黑山-莫拉布山线和火烧山-药泉山线。
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