鄂尔多斯盆地北部地下水环境同位素时空分布特征及其指示意义

连英立

（神华地质勘查有限责任公司，北京 100011）

鄂尔多斯盆地北部地下水环境同位素时空分布特征及其指示意义

连英立

（神华地质勘查有限责任公司，北京 100011）

在野外采样的基础上，通过测试分析不同地段、不同深度含水层中的环境同位素（δ18O－δD）特征，结合实际水文地质条件，分析了研究区地下水的补径排关系。结果表明：研究区内地下水主要接受大气降水补给，各含水层的垂向水力联系较弱；在垂向上氘氧同位素具有明显的分层性特点，总体上表现为随着地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐渐偏负；通过氘过量分析表明各含水层均受到了现今大气降水影响。

环境同位素；氘过量；鄂尔多斯盆地；时空分布

鄂尔多斯能源基地位于鄂尔多斯盆地的北部，隶属于我国西北部的内蒙古鄂尔多斯市，拥有丰富的自然资源，是我国能源基地建设的重点布局区域。目前，已经发现的具有工业开采价值的重要矿产资源有12类35种，包括了煤炭、天然气、石油、岩盐等，另外，鄂尔多斯还蕴藏丰富的化工资源，主要有天然碱、芒硝、食盐、硫磺、泥炭等。目前，鄂尔多斯能源基地建设已初具雏形，随着能源基地建设规模扩大，使得对地下水资源开发的需求日益迫切［1－2］。而如何合理开采地下水成为该地区水资源可持续发展主要问题。建国以来，各相关地质单、高校和科研机构对于鄂尔多斯盆地开展了大量的研究工作、积累了丰富的地质与水文地质资料，但前人的大部分研究都集中在鄂尔多斯盆地北部地下水资源相对较为丰富的的白垩系地下水的水量、水质、水化学演变规律等，对深部地下水及其环境同位素特征的研究较少［3－11］。环境同位素直接参与整个水循环过程，是详细了解水文循环过程的理想方法［12］。本文对鄂尔多斯盆地北部地区深部和浅部地下水的环境同位素信息进行了对比和分析，揭示了区内地下水的主要补给来源及其相互补给关系。

1 研究区概况

研究区位于中国西北部，鄂尔多斯盆地北部的内蒙古自治区境内，地理坐标为东经109°23′00″～109°43′46″，北 纬 39°03′00″～39°21′50″面 积 约738km2，为一不规则形状。区域地势总体为北高南低，区域中北－中部海拔最高，超过1500m，为巴嘎淖、红碱淖和乌兰木伦河3个子流域的分水岭；西部巴嘎淖尔海拔相对较低，约1250m，为巴嘎淖流域最低点；东南部红碱淖海拔最低，水面高程约1220m，为红碱淖流域最低点，也是区域的最低点。区域相对高差超过300m。

1.1 自然环境

研究区位于毛乌素沙漠东北边缘，地貌为沙漠高原型，具体可划分为沙地、基岩台地和沙盖基岩台地三个子类型。以红碱淖与巴嘎淖连线为大致分界，在勘查区范围内，南部为沙地型地貌，北部为基岩台地和沙盖基岩台地型地貌。研究区属中温带半干旱气候，太阳辐射强烈，日照较丰富，干燥少雨，风大沙多，无霜期短。冬季漫长寒冷，夏季炎热而短暂，春季回暖升温快，秋季气温下降显著。研究区内最高气温＋36.6℃，最低气温为－29.0℃，多年平均气温为8.6℃（1961～2003年）；丰水年降水量为819.0mm（1967年），枯水年降水量为108.6mm（1965年），日最大降水量为141.1mm（1991年7月21日），多年平均为434.1mm（1961～2003年），且多集中于7、8、9三个月内；多年蒸发量平均为1712mm。

1.2 水文地质条件

研究区内地表水系主要包括两个内陆水系和一个外流水系。其中，两个内流水系属二级流域鄂尔多斯内流区，可划分为红碱淖内流区和巴嘎淖内流区两个三级子流域；一个外流水系，即乌兰木伦河流域，属于黄河支流窟野河二级流域的子流域。

区内第四系地层广泛分布，地下水主要补给来源为大气降水，次为区外潜水的侧向径流补给以及深部承压水的越流补给。本区大气降水量较小，但是比较集中，因此，雨季的补给量会明显增大。一般沿南及东南方向径流。白垩系下统志丹群（K1zh）、侏罗系中统安定组（J2a）、直罗组（J2z）以及侏罗系中统延安组（J2y）砂岩含水层，基岩在地表没有出露，承压水的主要补给来源为区外承压水的侧向径流补给，次为上部潜水的垂直渗入补给，白垩系含水层受地形发育影响，径流方向由西北向东南方向，地表分水岭与地下分水岭相吻合（图1）。

图1 研究区采样点分布图

2 样品的采集和测试

2013年10月，在研究区对地下水、地表水和大气降水进行采样分析（图1），测试内容包括氘、氧－18。此次共采集80组水样，包括第四系地下水、白垩系地下水、煤层顶板地下水、煤层间地下水及三叠系地下水，并按照不同深度和含水地层划分为六组。

稳定氧同位素18O/16O利用CO2平衡方法，稳定氢同位素D/H利用锌还原方法，通过质谱测定，并以VS－MOW标准表示，其分析精度分别为δ18O：±0.1‰；δD：±1.0‰。取样点分布见图1。

3 不同含水层的同位素特征

3.1 δ18 O和δD同位素特征

普遍认为，大气降水是本区地下水的主要补给来源，分析其特征可以为查明地下水的成因提供依据。根据相关研究［13－15］，在鄂尔多斯白垩系盆地北区以及周边地区收集到的雨水同位素数据（IAEA及省、地区级监测站），绘制出当地雨水线（LMWL）方程见式（1）。

由图2可以看出，研究区雨水线的斜率（6.7697）明显小于全球雨水线（GMWL）的斜率（8），这主要是因为本区地处气候干旱的内陆地区，蒸发作用较强，从而导致重同位素富集。根据勘探区地下水δ18O—δD关系散点图（图2），地下水各点大致集中沿当地雨水线分布，且均位于雨水线下方，由此反映出区内地下水的主要补给来源为大气降水。

图2 研究区地下水δ18 O—δD关系散点图

图3展示了研究区地下水同位素在深度上的平均分布特征，由图3可以看出，当地下水埋藏深度在10m以浅时，δ18O和δD的平均值分别为－9.6‰和－67.5‰；当地下水埋藏深度为50m时，δ18O和δD的平均值分别为－10.8‰和－76.2‰；当地下水埋藏深度为200m时，δ18O和δD的平均值分别为－11.3‰和－81.1‰；当地下水埋藏深度为600m时，δ18O 和 δD 的平均值分别为 －12.0‰ 和－88.6‰；当地下水埋藏深度为800m时，δ18O和δD的平均值分别为－12.8‰和－92.7‰；当地下水埋藏深度为900m时，δ18O和δD的平均值分别为－12.1‰和－87.5‰。

由图2、图3可以看出，在垂向上氘氧同位素具有明显的分层性特点，总体上表现为随着地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐渐偏负，指示着区内各层地下水垂向水力联系较弱。同时也说明愈往深部，地下水的形成的年代愈久远，由于当时的年平均气温较现代要低，在这种较低温度下形成的降雨，其同位素含量本身就低而造成的。而白垩系、煤层顶与煤层间地下水的散点分布比较离散，表明这几个含水层地下水在一定程度上受到了上层水的混合作用影响。

图3 研究区地下水δ18 O－δD同位素垂向分布图

3.2 氘过量参数特征

氘过量参数又称氘盈余，是Dansgaard［16］提出的一个概念，并且把它定义为：d＝δD－8δ18O。d值的大小相当于某一地区大气降水斜率（△δD/△δ18O）为8时的截距。大气降水的d值可以反映该区大气降水与全球大气降水的氢氧同位素分馏程度。某一地区大气降水的氢氧同位素组成通常随时间（季节）、空间（高程）而变化。但是，当某一地区大气降水的降水线方程确定以后，它的氘过量参数（d值）总是在一定范围内，且不受季节、高度等因素影响。d可以作为水岩反应中18O同位素交换程度的衡量指标。d值越小，水文地质环境越封闭，水在含水层中滞留时间愈长，地下水径流速度愈慢，地下热水的可更新能力越弱。d值表征了某水样同位素对现代大气降水的偏离程度，当d＜10%，表明为正常大气降水；当d＜－10%时，表明干热气候条件下（蒸发浓缩）的降水；当d＞＋10%时，表明是与现今不同气候条件下的降水。

根据本次地下水氘氧同位素分析测试结果计算，白垩系含水层的d值为4.37%～10.15%，煤层顶含水层的d值为3.68%～9.58%，煤层间含水层的d值为3.05%～9.89%，三叠系含水层的d值为7.40%～9.09%。说明各含水层均受到了现今大气降水影响。白垩系含水层因为与第四系及地表水水力联系密切，容易受到现今大气降水影响。而研究区北部东胜梁一带有侏罗系直罗组、延安组及三叠系延长组的露头，从侏罗系含水层等水位线来看，其补给区位于北部，在补给区大气降水直接补给侏罗系直罗组、延安组及三叠系延长组含水层，所以侏罗系、三叠系含水层在一定程度上也受到了大气降水的影响。

4 结论

1）水中环境同位素组成记录了水循环的过程信息，是研究水文循环的良好示踪剂，其应用前提是不同水体的同位素特征具有明显的差异，同时还要结合实际水文地质条件进行解释。

2）研究区雨水线的斜率（6.7697）明显小于全球雨水线（GMWL）的斜率（8），这主要是因为本区地处气候干旱的内陆地区，蒸发作用较强，从而导致重同位素富集。地下水各点大致集中沿当地雨水线分布，且均位于雨水线下方，由此反映出区内地下水的主要补给来源为大气降水。

3）在垂向上氘氧同位素具有明显的分层性特点，总体上表现为随着地下水埋藏深度的加大，地下水的δ18O、δD值逐渐偏负，指示着区内各层地下水垂向水力联系较弱。

4）研究区内白垩系含水层的d值为4.37%～10.15%，煤层顶含水层的d值为3.68%～9.58%，煤层间含水层的d值为3.05%～9.89%，三叠系含水层的d值为7.40%～9.09%，说明各含水层均受到了现今大气降水影响。

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The groundwater environment isotope distribution and its implications in northern Ordos basin

LIAN Ying－li
（Shenhua Geological Exploration Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

On the basis of field sampling and actual hydrogeological conditions，Analysis the relationship between recharge，runoff and discharge via testing different lots at different depths in the aquifer environmental isotopes （ δ18O－δD）features.The results showed that：in the study area，groundwater recharge mainly by atmospheric precipitation，each aquifers vertical hydraulic connection is weak；δ18O－δD has obvious characteristics of stratification in the vertical，δ18O，δD value of groundwater gradually negative by the groundwater burial depth increased；it showed that all the aquifers are now affected by atmospheric precipitation by deuterium excess analysis.

environmental isotope；deuterium excess；Ordos basin；temporal and spatial distribution

连英立（1964－），男，河北邢台人，工程师，从事地下水数值模拟研究。

TV214

A

1004－4051（2014）S2－0123－04

2014－08－10