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1、doc 格尔木地区同位素水文地质格尔木地区同位素水文地质26青海地质】991年格尔木地区同位素水文地质孙存.煜(青海省柴达木综合地质大队)内容提要本文首次计算格尔木地区降水6D一6-so关系线(雨水线),阐明了本地区氢,氧稳定同位素高程效应,对地下水6D,6DaO偏离雨水线原因进行初步分析.探讨各种水体年龄.初步划分了地下水流系统,指明了地下水开发方向.一,研究区一般概况研究区地处青海省柴达木盆地南缘,南部为东昆仑山系之布尔汉布达山,山脉走向呈东西,一般海拔3000-4000m.构成柴达木盆地南缘屏障.盆地南缘的山前平原由南向北缓倾,坡降10左右.至青新公路附近,海拔降为2800m.向北细土带

2、地形较为平缓,海拔降至2750m,地形坡降35-.河谷宽浅而曲折,切割深度一般46m.再往北地表为次生盐壳,沼泽.本区为典型的干旱气候,降水量甚微.据格尔木气象站资料.多年平均气温4.2(,多年平均降水量38.8mm/a,且集中在6-9月份,而蒸发度高达3066mm/a,湿润系数0.013.所以盆地内降水对地下水补给实际意义不大.但昆仑山海拔4000米以上.地区年降水量大于300mm/a(昆仑山垭口年降水量329.4ram).因此,山区降水是河流一地下水系统的主要补给来源.主要河流格尔木河发源于昆仑山区,纵贯南北,河长352km.流域面积22007km.,汇聚于察尔汗盐湖.属地下水降水,冰雪融

3、水补给型河流,年迳流量5.5亿l0亿m.,1960一l988年多年平均流量25.86m./s.其中19771983年平均流量为28.07m./s,枯水期最小流量10.7m./s.从水文站至恪尔木市50kin内下渗量约占河流总流量一半左右,大量补给7申洪积扇地下水.格尔木以南第四系辱度600余米,往北至达布逊湖南(达参l井)第四系厚度2779m,成因类型主要有冰碛,冰水沉积,冲洪积,冲湖积,湖积等.地下水最有开发前景的是中,上更新统冲洪积砂砾石含水组.在戈壁带为大厚度潜水含水层,厚度约20021Om,富水性较强.平均渗透系数320_-350m/d.大口径单井涌水量5000一l500m./d,水质

4、良好:,往北由于隔水夹层的出现.构成四个含水层纽.第一层组一般为潜水,底板埋深40m左右,含水层为砂砾石或含泥砂砾石.钻孔(滤水管口径lll6200mm)单位涌水量400-一800米./日?米,水化学类型为HCO3?clNa?Mg或cl?HCO-Na?Mg?Ca型.矿化度0.40.91g/L.第二含水层为承压水,顶板埋深40-50m,含水层厚50OOm.岩性为上更新统砂卵砾石或含泥砂砾石层,承压水头埋深卜-3m.钻孔(滤水管口径146168m,m)单位涌水量400900米./日?米.为HCO3?clNa?Mg型水.矿化度0.4g/L.第三含水层组为承压自流水.顶板埋深120m.含水层厚50m左

5、右,含水层为中更新统冰水一洪积砂砾石,泥砾夹砂层.钻孑L(滤水管口径127146ram),单位涌水量约249米./日?米,矿化度0.4g/L,目前较少圩果.第四含水层组亦为承压自流水.顶扳埋深170m,含水层厚约60m,岩性为中更新统第一期孙停煜:格尔本地同位素水文地质27冰水含卵砂砾石,泥砾夹砂屠.咏_刚埋深2m或自流.钻TL<i水管_l径I27rim)滞水世69米./日?米.水化学类型为H(o?CINa?Mg?Ca型,矿化度0.38g/L.230m以】水层绀缺乏抽水资料目前很少研究.格尔木冲洪积扇地下水资源量历次计算有较大出入.主要原因是对大厚度潜水含水层下部.1垒流条件认识不清,对

6、过水断面厚度,参数选取差异较大.格尔木幅1:20万区域水文地质普查搬Jl-”认为该扇地下迳流量为l47万m./d.开采资源量I25万m./d.前大体相当河,渠,水库的参补给量,后者接近泄出总量.二,环境同位素数据环境同位素采样和调查工作主要于J987年6月至9月进行,1988年又补充少部分工作.这是格尔木地区首次采集的同位素水样.部分水样采自受蒸发影响较大的格尔木长观孔,部分采自流动水体(河水),抽水井,雨水,新雪等,少部分采自咸,卤水.采样和调查范围为,格尔木河谷(包括西大滩),格尔木冲洪积扇.采集氘,氧一l8及氚样各51个,碳一l4样6个.水化学利用同期长观及环境地质调查采集的样品.同位素

7、样品由地矿部矿床地质研究所,岩溶地质研究所,北京水文地质公司等单位分析,少部分碳一由北京大学考古专业碳一l4实验室测定.6D,6伸.均采用对SMOW值的偏差表示.部分分析结果列于表1.格尔木地区各类型水同位素成分表1bDO取样地区.取样时间氚(Tu)水类()()l两大滩冰川Il987.6.3077ll,918.480.36冰III融水4纳赤台泉l987.6.307ll0.9124.480,84岩溶夫泉格尔木河(电厂)l987.6.307210.084.920.75河水ll观23(水文队)1987.7.37l0.53.430.25深承压水19格雨一ll987.6.20O.5O.5雨水21观l5l

8、987,6,278210.70.610l8承i水22观l51l987.6.277O一10.50.990.I6潜水29两大滩冰川l987.9.1558.39.64562新雪3O西大滩6泵站1987.9.1561.09.91l108冻结层r水3l西天滩5泵站l987,9.1571.111.072l1士20潜水32昆仑河(纳赤台)1987.9,2261.59.99l318河水36格尔术人工河l987.968.29.68l22士8潜水溢fiJ37格雨一2l987.9,l165.7一?10.0942.630.45阿水38格雨一3l988.7,715.13.8267士1雨水39野牛沟l987.9.1561

9、.19.37l238l二游河水41观l8(格北)198872.2l0,72潜水13观182198867.7lO.52自流水格西水源地45198771.6一l0.32l398夫厚度潜水SH11格西水源地46l98771.5一l0.091408大厚度潜水SHl一SH87l987.一71.010.6719318河谷潜水(水文站)青海地三,格尔木地区降水6D一O关系线美围学者克雷格(Craigh,1961)建立的全球降水6D一5DO关系线为:6D一85O+l0l981年Y?Yurtsever和J?R?Gat根据国际原子能委员会(IAEA)的ll4个台站(】.953I978)积累的资料,用最小二乘法进行

10、线性拟合,得到了修正的全球雨水线公式:5D=8.205O+l0.30一其中5D和5180均为降水加权年平均值.格尔木地区降水量极小,直接采集雨雪的机会较少,笔者利用当地降水,昆仑山区冰川新雪,冰川融水,河水,河谷潜水及格尔木冲洪积扇受蒸发影响较小的承压水.选择l1个水样氘,氧一l8值用最小二乘法求得该地雨水线为:5D=7.11l136.0+7.25(r:=0.99)它在斜率及截距上比全球雨水线略低,北半球6D一(8.10.1)60+(1l1),表明这些水体在入渗前遭受过轻微的蒸发.格尔木冲洪积扇地下水5D,5180大部分布在雨水线右下方(图1),表明浅层水受到强烈的蒸发,尤其潜水位处于临界深度

11、内.大部分深层水在入渗前也遭受一定的蒸发.pcSM0图l格尔木水点6D一一6O关系图SMOWJ第一期孙俘煜:格尔木地区同位素水文地质29我们再讨论丹锡各尔(Dansgard1964)的氘盈余概念:dl,D一8bsO本区氘盈余d值大部在l3.8618.82%.平均15.15%.IAEA观测网大多数台站的氘盈余(d)都集中在+lO%.附近,而位于干燥陆地包围的波斯湾,红海,地中海地区,氘盈余(d)偏高可达+20%.本地区介于上两者之闻,表明现今盆地云团蒸气有时来自海洋.有时来自大陆水体的二次蒸发,而昆仑山区降水云团仍主要来自海洋(印度洋).四,格尔木降水氢氧稳定同位素的高程效应爱泼斯坦(Epsta

12、in)等人发现在地形起伏较大的地区,大气降水中氢氧稳定同位素含量随着高度的增加而逐渐变化的现象称为氢氧同位素的”高程效应”.我们用硌尔木来自海洋云团的降水及西大滩冰川融水同位素测定结果来估算.西大滩冰舌末端海拔4500m,新雪6D一58.3,5,8o一9.64%.格尔木市区海拔2820in.取降水6Dl5.1,6.一3.82%.(均为中值),得出降水bl80梯度每l00m0.346%c,5D梯度每l00m2.57%.,与我国藏东和川,黔等地高度梯度值近似.五,各种水体的年龄由于我国长期以来测试手段欠缺,目前还缺乏降水中氚数据的系统观测资料.若采用国外资料内插法,笔者又无国际原子能委员会(IAE

13、A)建立的一些长期观测台站的公开资料,所以各种水体氚系列输入值就很难准确给定.1987年6月20日格尔木降水氚值42.630.45Tu,1987年9月15日所取西大滩冰川新雪氚值562Tu,格市海拔2820m,西大滩冰川海拔4500m,两者高差l680m,氚值不同是由于高程效应的缘故.上述数值是1987年氚输入值.1986年降水氚值本区无实测资料,据”我国1986年59月降水中氚等值线图”,本区降水氚值应为90Tu左右,与乌鲁木齐柴窝堡湖降水氚值含量接近.由此推断本区降水氚值应接近乌鲁木齐柴窝堡湖,而稍低于苏联伊尔库茨克.目前利用氚模型计算地下水年龄尚感困难.可以利用柴窝堡湖降水氚输入值(表2

14、)及本地区氚(输出值)结合碳一l4推算大致相对年龄.1.格尔木河大部河段1987年河水氚值超过84Tu,最高123Tu,最低52Tu,一般都高于当年大气降水氚值,说明它们主要来源不是当年降水(个别支流上游除外),而是几年前或十几年前降水通过冰雪融化或渗入补给地下水再补给河流2西大滩冰川融水1987年氚值l8.480.36Tu.而1987年新雪氚值562Tu,均属於核爆氚,融水主要来源显然不是新雪.考虑柴窝堡湖氚输入值及氚半衰期(12.43年).融水平均年龄()约三十余年,现今冰川融水仅少部分来自当年新雪融化.而大部分来自五十年代形成的冰层的融化,说明冰川在水量上近三十年处于负均衡,这当然与气候

15、转暖有关.亦提示了1989年格尔木河特大洪水的生因.3.格尔木河谷潜水及冲洪积扇巨厚含水层中潜水氚值为93.93193Tu,格尔木酉水源地在-208.27m以浅两个试段抽水取样,上试段(80110.45m)潜水氚值l398Tu,下试段(176.一208.27m)潜水氚值140土8Tu,均属核爆氚.抽水数十小时后应该认为已排除了冲洗液的.号虑氚的半衰期,该水体年龄大约二十年.30青海地质】991年格西水源地钻孔已揭露隔水层底板埋深在209m.这表明在潜水溢出带以南于209m以浅的潜水均处于积极交替带.邻区降水氚值表表2证竹小齐柴窝罐湖(Tu)苏联伊尔库茨克(Tu)1951OlOl96l30Ul9

16、63550Ol968lO0I969(264)454.8l97O(269)464.2l9713005l6.6l972l5O247.2l973(105)173.3l974(131)2l6.6l975(1】5)l9O.9l976(90)lt8.jl9869O()系推算值4.溢出带以北潜水及承压水氚值大部分小于义器本底值(1.52.8Tu),为无氚水(个别近河潜水孔含核爆氚),碳一14年龄测定为3380-6900B.P(碳一14半衰期取5730年),这种水体循环较缓慢,是地下水缓慢交替带,更古老的水体至今尚未发现.六,地下水流系统1963年托斯(J?Toth)把地下水流网理论应用于区域研究,提出局部,

17、中间和区域水流系统模型.近二十年环境同位素水文地质学有很大发展,可以测定地下水年龄并示踪水质点运动,为研究地下水流系统补充了重要手段,托斯地下水流系统概念模型才获得推广应用.格尔木冲洪积扇地下水流系统按照地下水年龄,迳流条件可分为局部水流系统和区域水流系统.(一)局部水流系统位于冲洪积扇中上部,南北长约5060km(从水文站至溢出带),其深度在209m以浅,含水层岩性为砂卵砾石及含泥砂砾石.富水性较强,巨厚层潜水大口径单井涌水量超过5000m./d,格尔木市东,西水源地均位于该系统巨厚层潜水带.该系统地下水主要接受河,渠,库水下渗补给,其次河谷潜水侧向补给,而山区基岩裂隙水的直接补给是微不足道

18、的.其迳流速度较快,地下水更新一次仅数十年,其排泄方式主要在冲洪积扇前缘形成大规模的溢出带,以泉出露并形成泉集河,部分消耗于水面蒸发,陆面蒸发及值物蒸腾.目前格尔木市几乎所有供水井均开采该系统地下水,现今人工采量较小(45万m./日).它水质良好矿化度约0.5g/L,为HCOs?clca?Na及HC03?clNa?ca型水.该系统少部分水流补给区域水流系统,参加大循环.近二十余年勘探实践表明,本地区地下水现在及将来开采重点应是该局部水流系统,尤其大型水源地的选址,应给予考虑,否则将*距1950年年数,下同.第一期孙存煜:格尔木地区同位素水文地质31会造成损失.(二)区域水流系统分布于冲洪积扇2

19、09m以深及冲湖积平原,局部水流系统呈楔形锒入(图2).它南北长l00余公里,目前探明最大循环深度约500m.该系统发育着多层承压自流.水,溢出带以北潜水也受其越流补给.该系统在小桥以南为淡水,以北逐渐演化为半咸水,咸水,卤水,与察尔汗盐湖卤水的水流系统年龄关系尚未完全清楚.该系统水体主要排泄方式以顶托越流补给上层潜水,最终消耗于蒸发.次要排泄方式以周边孔隙卤水补给盐湖品间卤水.j.该水流系统含水层岩性自南而北由粗变细,由砂砾石,砾砂而逐渐变为粉,细砂.富水性也逐渐变差,单井涌水量由1000m./d降至100m./d.该水流系统地下水属于缓慢交替带,地下水全部更新一次需数千年以上,格尔木市附近

20、深承压水及溢出带以北自流水测年3380-6900B.P.小桥以北由于咸卤水无法浓缩碳一14样品难以测定年龄,应在小桥以南采集碳一14水样或在小桥以北用其他同位素方法(如Sr)测年.圈-圈.4目s囤e圄田s圃.图2格尔木地下水流系统示意图1.砂砾石2,砂3.亚粘土4.粘土5,地下水位6,地下水年龄(B.P)7.b180值8,水流系统界线I局部水流系统区域水流系统9.盐层,系统埋藏较深或咸卤水测年手段所限,对其研究尚感不足.仅从地下水开发利用而言,该系统现在及将来都不应作为主要开采目的层.参考文献】青海省第一地质水文地质大队1985青海钾肥厂格尔木西水源地水文地质详勘报告2青海省第一一地质水文地质大队1983格尔木幅区域水文地质普查报告(1:200000)3青海省第一一地质水史地质大队1986达布逊湖幅,盐湖幅区域水文地质普查报告(1:200000)*格尔木以北30kin,下同.