重庆岩溶地下水氢氧稳定同位素地球化学特征蒲俊兵【摘要】重庆地区分布有380条岩溶地下河,是重庆市重要的水资源。
为掌握岩溶地下河水稳定同位素地球化学特征及其环境意义,研究了重庆市不同地区51条地下河水体的稳定同位素地球化学特征。
研究表明,重庆市岩溶地下河旱、雨季δ18O、δD值均沿大气降水线分布,表明地下河水均起源于大气降水。
受雨季降水云团运动规律(环流效应)和区域地形的影响,地下河水δ18O、δD 值雨季表现出渝东北地区(渝西地区,渝东地区)<渝东南地区的明显区域分布规律(“<”表示偏负于),旱季由于地下河水在含水层中运动较慢,δ18O、δD值的区域性规律不明显,且由于具有较雨季长的滞留时间,导致其d-excess值明显小于雨季。
利用岩溶地下水δ18O值和区域高程建立了二者之间的二元回归模型,揭示了重庆岩溶地下河水旱季δ18O值随高度的变化率为-0.34‰/100 m,雨季为-0.31‰/100 m,这对于区域水循环研究具有重要意义。
%Karst groundwater constitutes the important water resources and life support systems in the karst areas, and its geochemical research is an indispensable method for karst aquifer protection. There are approximately 380 subterranean karst streams (SS) which are the important part of the groundwater resources in Chongqing City. The isotope geochemistry of 51 subterranean karst streams in Chongqing shows that all the SS waters originate from modern precipitation because theirδ18O andδD values are distributed along the line of GMWL or LMWL, which shows that the evaporation of groundwater does not occur or is not strong. Under the control of movement of rain cloud cluster from south to north (atmospheric circulation effect) and the regional relief, the regionaldistribution of δ18O and δD for SS in Chongiqng in rain season is in order of northeastern Chongqing < western Chongqing, central area of Chongqing < southeastern Chongqing (the symbol “<” means “more minus”). In dry season, the regional distribution of δ18O and δD for SS is not clear due to the slower movement velocity in karst aquifer. Because of the slower movement velocity and longer staying time in karst aquifer in dry season, the d-excess value of SS in dry season is obvious smaller than that in wet season. Considering the relationship between the altitude and the mean value of δ18O for SS within 100 m altitude, the authors established the second order polynomial of karst groundwater between δ18O and altitude. According to the equations, the δ18O-elevation gradient of karst groundwater in Chongqing is -0.34 ‰/100 m in dry season and -0.31‰/100 m in wet season. These results are very useful to the study of the groundwater cycle in karst aquifers. The achievements obtained by the authors are applicable to the reasonable protection and exploitation of subterranean karst streams.【期刊名称】《地球学报》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】10页(P713-722)【关键词】岩溶地下河;地下水;稳定同位素;重庆【作者】蒲俊兵【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004; 联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】P641.134;P641.3水文地质学研究中最常用的环境稳定同位素主要是δ18O、δD(Criss et al, 2007)。
δ18O、δD本身就是水分子中的一部分, 在低温低压的浅层地下水中它们的行为较为保守, 因此被广泛用于示踪“四水”循环过程(刘锋等, 2008; 翟远征等, 2011)。
国内外针对区域表层岩溶地下水开展同位素水文地球化学的研究工作较多, 主要用于解释岩溶含水层中地下水的运动过程及来源(Vandenschrick et al., 2002; Cruz Jr et al., 2005; Li et al., 2007; Schwarz et al., 2009; Ai-charideh, 2011; 尹观等, 2000; 马致远, 2006)。
由于石笋中沉积物δ18O作为研究过去全球变化的重要代用指标, 部分研究工作集中于利用δ18O研究洞穴滴水在表层岩溶带及洞穴环境中的运动变化过程并揭示它所包含的外部环境信息及变化过程(Bradley et al., 2010; Wackerbarth et al., 2010;李彬等, 2000; 罗维均等, 2008)。
另一方面, 一些研究工作也集中于利用δ18O、δD同位素技术研究流域岩溶水的区域分布规律(Murad et al., 2011; Yin et al., 2011)。
对我国西南岩溶地下河的水资源形成条件、循环过程、水质演变等的研究也得到了众多研究者的关注, 取得了丰硕成果(蒲俊兵等, 2009, 2010; 郭芳等, 2002; 何师意等, 2006; Guo et al., 2007; 白占国等, 1998)。
但目前的研究工作主要集中于某一特定的岩溶地下水流域, 并在研究中对岩溶地下水水化学的形成及影响因素的研究关注较多, 对地下河稳定同位素特征和区域演变规律的研究较为薄弱。
因此, 本文旨在利用岩溶地下河δ18O、δD同位素数据, 揭示区域性的岩溶地下河稳定同位素地球化学特征及区域演变规律, 为岩溶地下河的水资源保护和开发提供科学依据。
重庆市位于中国西南部, 长江上游、四川盆地东沿山地地区, 幅员面积约8.24万km2, 属于典型的亚热带湿润季风气候。
重庆市岩溶区面积分布约3.0万km2, 占全市总面积的36.49%, 主要分布在渝东北的大巴山地区和渝东南的巫山—大娄山地区,其次是在中西部平行岭谷区的背斜轴部, 主要出露寒武系、奥陶系、二叠系及三叠系碳酸盐岩, 年代古老, 岩性致密坚硬。
经统计, 重庆地区有岩溶地下河约380条, 总长度约为1898.43 km, 多年平均流量约144.20 m3/s(蒲俊兵等, 2009), 是我国西南岩溶地下水资源的重要组成部分, 但其岩溶地下河的同位素地球化学工作开展得非常少, 区域覆盖面较小,这对于掌握重庆3.0万km2岩溶区地下水资源同位素地球化学特征, 研究地下水中的物质来源以及对岩溶地下水资源的保护十分不利。
本文利用重庆地区岩溶地下河δ18O、δD同位素数据, 揭示该区域岩溶地下河的稳定同位素地球化学特征、区域分布规律及其环境意义, 为重庆合理开发利用地下河水资源提供科学认识。
为综合反映重庆地区岩溶地下河的水文地球化学特征, 在51条地下河的出口进行旱、雨季采样。
采样工作集中在2009年1—2月(旱季)和7—9月(雨季)进行。
将用于δ18O、δD分析的水样装进在1:1的HNO3溶液中浸泡过24 h和用Millpore超纯水(电阻为18.2 MΩ/cm)清洗过的10 mL的离心管中。
取样时用样品水润洗3～4次, 然后在水下装满水样, 离心管内不得留气泡。
δ18O样品测试在西南大学地球化学与同位素实验室完成, 仪器为Gas BenchⅡ连接Delta V Plus气体稳定同位素质谱仪。
δ18O值以V-SMOW标准给出。
样品分析精度＜0.2‰。
δD测试是在国土资源部岩溶地质与资源环境测试中心测试室用连有Gas Bench Ⅱ装置的MAT-253稳定同位素质谱仪测定。
δD值以V-SMOW标准给出。
分析误差＜2‰。
旱季地下河δ18O变化范围为–10.48‰ ～–5.01‰,加权平均值为–7.70‰; 雨季地下河δ18O变化范围为–9.73‰ ～–4.34‰, 加权平均值为–7.32‰。
旱季地下河δD变化范围为–73.8‰ ～–32.6‰, 加权平均值为–52.6‰; 雨季地下河δD 变化范围为–69.6‰ ～–20.1‰, 加权平均值为–48.1‰。
旱、雨季δ18O、δD值的变化范围较大, 具有较为明显的时空差异。
地下河δ18O、δD值的变化范围同重庆市降水δ18O、δD值的变化范围比较起来看, 虽然其变化幅度大, 但小于重庆市降水δ18O、δD值变化幅度(重庆市降水δ18O为–15.82‰～4.56‰, δD为–112.27‰ ～25.04‰)(李廷勇等, 2010)。