环境同位素方法对平凉隐伏岩溶水运移分析.docx

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环境同位素方法对平凉隐伏岩溶水运移分析

环境同位素方法对平凉隐伏岩溶水运移分析

摘要:

通过运用环境同位素方法,建立了研究区大气降水方程。

进而确定了该区隐伏岩溶水的补给高度,分析了大气降水、地表水、地下水,三水转化关系,提供了传统水文地质方法不能提供的水文地质信息。

关键词:

大气降水方程隐伏岩溶水环境同位素补给高度三水转化

Abstract:

WesetuptheequationofatmosphereprecipitationbyenvironmentisotopeinthePINGLIANG.More,wesuretheheightofreplenishmentoflieconcealedkarstwaterinthisarea,analyzetherelationoftransformofatmosphereprecipitation、surfacewater、groundwater.Itoffersthehydrogeologyinformationthatthemethodoftraditioncan`tdo.

KeyWord:

Theequationofatmosphereprecipitation;Iieconcealedkarstwater,Environmentisotope;Theheightofreplenishment;Therelationoftransform

研究区地处祁吕、贺兰山字型构造体系的脊柱南端,属贺兰褶带南端,后经陇西旋卷构造体系六盘山褶带改造。

在两大构造体系复合作用下,在贺兰褶带南端出现大致等距离的波状隆起和凹陷。

呈棋盘格式分布,故此,区内碳酸盐裸露区及浅埋区位于隆起地带内。

受六盘山褶带的影响及贺兰褶带的控制,区内断层多成束状出现,大岔河隐伏岩溶区主要分布有北西向F、F、F、F、F断层,其中南北两端的F、F断层及峡门向斜控制着大岔河隐伏岩溶水的补、径、排条件,F断层为一隔水断层,构成大岔河系统北段隔水边界,峡门向斜呈北西—南东展布,核部为巨厚的二迭系砂岩及白恶系泥岩,构成隐伏岩溶水南部相对隔水边界。

大岔河隐伏岩溶水源地地处大岔河河谷,上部为5m～40m的第四系冲积物,下部为10m～20m的第三系泥岩,奥陶系灰岩仅在两岸冲沟处零星出露。

地下水类型为第四系孔隙潜水,白垩碎屑、孔隙裂隙承压水及震旦系、寒武系岩溶裂隙水。

其中奥陶系灰岩水水量丰富、水质好。

在隐伏岩溶地区进行水资源评价时,确定水文地质参数是一项必要的工作,而平凉地区的隐伏岩溶区灰岩含水层埋藏条件复杂,应用传统的水文地质工作方法有一定的局限,而环境同位素以其可靠、简便、快捷、经济等特点,显示了其较大优势。

本文通过应用环境同位素技术对平凉地区三水转化关系、氚的背景值恢复及大岔河隐伏岩溶水的补、径、排条件作了阐述。

其结果主要是为进行模型计算提供基础环境同位素数据。

1大气降水、地表水和地下水的三水转化关系

对一个地区进行水文地质勘测,弄清楚大气降水、地表水、地下水的三水转化关系是非常重要的。

尤其是对研究区进行水资源评价、勘测研究区地下水储量、可开采量和是否能长期作为供水水源地,都非常重要。

对于常规的勘探方法提供的信息有限,而环境同位素侧在常规勘探不能解决的方面有非常好的应用。

1.1大气降水氢氧同位素信息

研究区由于地质条件复杂,常规勘探方法提供的信息有限,大气降水中氢氧稳定同位素和放射性氚同位素的组成受各种环境因素的控制。

其中水分子的氢氧同位素质量之差,成为天然水起源的可靠标记。

对于定量或定性的解决起源于地下水的补给、运移、及其在含水层系统中滞留时间等疑难水文地质问题起到事半功倍之效。

将平凉地区1993年至1994年间收集到的大气降水中δD和δΟ的值作出δD—δΟ图,即平凉地区大气降水线（见图1）。

由此得到平凉地区大气降水线得一元线性回归方成为δD=7.4011δΟ+2.1061,而全球大气降水线的线性回归方成为δD=8δΟ+10。

由图1可以看出,平凉地区大气降水线的斜率和截距均比全球降水线小,这与平凉地区地处内陆,降水量小,空气干燥的气候类型有关,这表明大气降水在落到地表时已经过较强的蒸发作用。

1.2地下水氢氧同位素信息

研究区隐伏岩溶水的补、径、排特征及与其相邻的各含水层的关系较复杂,很有必要对区内各类地下水作系统调查,各类地下含水层中的地下水有独立的同位素组成,彼此间差异明显（见表1）。

根据1993年至1994年间测量的地下水δD和δΟ的值作出的地下水线,由图1我们可以看出各类地下水均有大气降水补给,大气降水是各类地下水补给的主要来源。

1.3大气降水与地下水的关系

区内大面积出露的白垩系砾岩地下水各处δ值,接近于大气降水线的左下方,氚值很低,仅为4.93.2,说明白垩系水封闭条件好,与大气连通较差,在漫长的地质历史时期经过充分的混合.震旦系灰岩水也集中于大气降水线的下方,δ值较奥灰水、白垩水小,且氚的含量几乎为零,可视为无氚“古水”,说明与现代水关系不大。

由于本区构造开启程度不均一,导致δ值分布不均,奥灰水的δ值较白垩水、震旦水大,且较分散。

说明其补给源较多,其水文交替条件较好,岩溶发育,开启程度相对较好。

由于各地段同位素组成特点不同,可将奥灰水分为三个局部水源系统:

安国镇岩溶水、三道沟岩溶水和大岔河岩溶水。

其中安国镇、三道沟岩溶水两个子系统为灰岩裸露区氚值较高,表明奥灰水与大气降水联系密切,说明该区为局部混水地段,也是开采奥灰水最佳地段。

地表水中平均氚值为39.52.1TU,较之大气降水平均氚值373.8TU高,符合内陆河河水氚值大于当地大气降水值的一般特征。

由表2可知平凉各地δD和δΟδΟ平均值分别为-9.68‰和-62.85‰,较大气降水低,接近泾河低阶地河谷潜水平均值。

大岔河流域内δΟ和δD的平均值分别为-9.20‰和-71.5‰,明显低于大气降水平均值,根据这些数据可以得到地表水的线性回归线,由图1可看出平凉地区地表水补给源并不主要是水大气降水,它们关系并不密切。

另外,由图可知,地表水的线在平凉大气降水的下方说明地表水经过了一定的蒸发,地表水线与大气降水线的交点是地表水还未蒸发前的值。

（如表2）

由于地下水在前面谈到的δD和δΟ的平均值明显低于流域的大气降水平均值,但却与奥灰水和白垩水平均值（表3）,由此说明平凉地区河流主要有地下水补给。

（如表3、图1）

在平凉地区的一些地方,白坡、马家庄等踏勘时看到流经这些地方的泾河已断流,而在平凉电厂启用前泾河水量丰富,而不到几年时间泾河已断流。

其中可能与该地区近几年降水量有关,但更多的说明了地表水与地下水的关系,由图1可看到:

潜水的点紧压在平凉地表水线上,说明潜水与地表水的关系非常密切。

经前人用传统的水文地质方法勘测的结果也证实地下水是地表水的主要补给源。

由此证实用同位素得到的结果与传统水文地质得到的结果是一样的。

2大岔河隐伏岩溶水的补、径、排条件

2.1隐伏岩溶水的补给

由于平凉地区隐伏岩溶水埋深条件极为复杂,前人在对隐伏岩溶水的补给来源问题上有过很大的争论。

对于补给来源大致持三种观点:

第一种,认为补给源为大岔河流域以外的安国镇;第二种,认为其补给源是太统山地区;第三种,认为补给源是大岔河流域的大气降水。

这里将用环境同位素方法来对补给条件作以探讨。

由补给高度上限1854.76m可知,高于1854.76m的灰岩裸露区不是大岔河隐伏岩溶水的补给来源。

而安国镇的灰岩裸露区高程均在1940m～2100m,固其不可能为大岔河隐伏岩溶水的补给来源,同时因F断层与F断层之间有一巨厚白垩砾岩出露,所以太统山一带的灰岩裸露区的补给也不予考虑。

因此,我们认为大岔河隐伏岩溶水的补给来源是大岔河流域附近的高程低于1854.76m的地区和三道沟部分裸露灰岩地区。

据此,确定大岔河隐伏岩溶水补给面积约为60km2,其补给范围界限东西两面为山脊连线,南面为高程为1854.76m的高程线,北面为泾河。

（2）补给途径。

由以上所述可知,流域内灰岩露头的降水入渗或为大岔河隐伏岩溶水的主要来源.由奥灰水同位素测试可以看出构造交汇部位的岩溶地下水δ值普遍偏小,且近期,近源新水比例高达70%以上。

这说明构造交汇部位的岩层破碎,岩溶发育,水力联系通畅,易于吸收大气降水,地表水及其他含水层的补给.因此,构造断裂带是本区奥灰水的重要补给通道。

在抽水过程中,发现其他含水层中各项同位素指标也有规律的减小。

表明开采条件下有来自其他含水层的低丰度“客水”混入。

可见,开采条件下,夺取周边含水层的补给也是奥灰水的又一补给来源。

（3）补给强度。

由同位素混合公式可定量分析大岔河不同地段的新老水比例,由计算值得大岔河流域平均老水所占比例为46%。

而在构造交汇部位,薪水所占比例高达70%以上。

表明大岔河流域奥陶系灰岩吸收大气降水和地表水的能力较强,且构造控水作用突出。

2.2隐伏岩溶水的径流

该研究区构造带附近径流畅通。

由F、F、F断层组成的多级构造网格沟通了奥陶灰岩含水层内部联系,既是良好的补给地带,又是重要的径流途径。

由奥灰水环境同位素等值线图可以看出,在天然状态下地下水径流方向:

因为在δΟ的同位素等值线图中,δ18Ο值由西南向东北逐渐增大。

由大气降水同位素高度效应即δ值随地形高程增加而降低,说明地形上西南比东北高。

所以,其径流方向是由西南向东北。

δD的同位素等值线图与δ18Ο的同位素等值线图是一个道理。

而在T同位素等值线图中T的只有西南向东北逐渐减小的由大气降水氚的高度效应即大气降水氚含量高处大于低处知西南比东北部高。

即其径流方向是由西南向东北。

由此图我们还可以看出,在抽水后期,同位素等值线由于抽水在中间形成一个抽水漏斗。

大岔河上游的峡门向斜为一阻水构造,北部平铜断裂亦为相对阻水断层,太统山以东则为一巨厚白垩砾岩出露,切断了隐伏岩溶水与太统山、安国镇裸露灰岩的联系。

因此,可认为大岔河隐伏岩溶水为一相对独立的水文地质单元。

2.3隐伏岩溶水的排泄

另外,接近平铜断裂部位奥灰水埋藏较深,隐伏岩溶水以震旦水为主,同位素测定结果显示（由表5）震旦水氢氧同位素及氚都很低,与大气联系差,结合野外踏勘结果可认为大岔河隐伏岩溶系统的排泄主要是通过平铜断裂向下游白垩系承压含水层弱径流排泄和人工抽取地下水。

3结语

（1）大岔河隐伏岩溶水是由大岔河流域的大气降水补给的;大岔河隐伏岩溶水径流条件较好;大岔河隐伏岩溶水的补给来源主要有两种途径:

①大气降水通过灰岩露头下渗补给给隐伏岩溶水的;②大气降水补给大台子裸露灰岩通过F断层补给隐伏岩溶水;其排泄也有两种途径:

①人工抽取地下水;②通过平铜断裂向下游白垩系承压含水层弱径流排泄。

当人工抽取地下水时,向下游补给更弱,排泄量小甚至可以忽略不计。

（2）平凉地区环境同位素δD、δΟ取样值作图分析得:

平凉地区大气降水是该地区各类地下水补给的主要来源;大气降水与地表水关系不密切;地下水是地表水的主要补给源。

（3）平凉地区大岔河隐伏岩溶水是一个相对独立的水文地质单元,虽然其储水量丰富,但只能作为后备水源地。

（4）用环境同位素方法来研究平凉地区水文地质条件,为同类水文地质问题的研究提供了新的手段和途径。

参考文献

[1]王恒纯.同位素水文地质概论[M].地质出版社,1991,8.

[2]连炎清,等.山西郭庄泉岩溶水系统环境同位素研究.中国岩溶.中国地质科学院岩溶地质研究所,1988.

[3]郑淑惠,等.我国大气降水的氢氧稳定同位素研究[M].科学通报,科学出版社,1983.

[4]关秉钧.我国大气降水氚的数值计算.水文地质工程地质[M].地质出版社,1986（4）.