深州地区浅层地下水同位素组成及其指示意义

冯 欣， 高业新， 张 冰， 崔浩浩， 张亚哲

(中国地质科学院 水文地质环境地质研究所， 河北 石家庄 050061)

1 研究背景

同位素技术应用于地下水研究，始与20世纪50年代，初期主要以人工同位素示踪为主，利用中子、γ射线源测定土壤含水量、密度、孔隙度等。60年代以来，随着测量技术的不断改进，使得该学科迅速发展而得到普遍应用[1]，经过几十年的不断研究，稳定同位素方法特别是氢氧同位素已被证明是认识地下水来源和演化的特有工具之一[2]。

近30余年来，随着高精度测试方法的建立，使硼、氯同位素应用于地球化学领域的方法得到了改进和创新，硼同位素作为良好的示踪剂，已广泛用于解决地球化学过程中的许多问题，在示踪水体特别是地下水污染物来源、受污染程度及范围方面取得了一定研究成果[3]。

滨海区域咸水研究较为深入，国内外学者在咸淡水界面运动、咸淡水驱替研究、咸水微咸水开发利用、水文地球化学模拟地下水化学环境演化等方面取得了较为丰富的研究成果[4-8]。而针对内陆咸水区的研究较少，内容集中在室内土柱实验和常规水化学等方面[9-10]，在应用同位素开展内陆浅层咸水的形成机理以及水动力和水化学演化规律方面的研究程度较低，同时与滨海区的海侵运动和过度开采造成的地下水咸化相比内陆咸水区古地理环境和古水文地质条件及基底构造等综合作用是其咸水形成的内因，二者有其本质上的区别；因此，针对内陆咸水区的同位素组成特征、地下水补给来源等问题开展研究，对合理开发利用地下水、防治地下淡水过量开采所引起环境问题具有重要的理论和实际意义。

本项目依托国土资源部地下水科学与工程试验基地-深州基地(以下简称深州试验基地)，开展分层水样采集，结合当地气象资料等，采用氢氧稳定同位素及硼同位素研究了区域地下咸水、微咸水的来源及咸淡水混合比例。该研究对于掌握区域咸水特征和进一步开展减缓咸水下移研究工作，有重要的支撑作用。

2 研究区概况

深州试验基地位于河北省衡水深州市东南护驾迟镇南张家庄，地理坐标：N37°54′23.0″；E115°40′44.3″，占地面积24 300 m2。试验场区地处华北平原中部，自上而下分为5个含水组：第Ⅰ含水组底界埋深40～60 m，第Ⅱ含水组底界埋深一般为120～170 m，第Ⅲ含水组底界埋深250～350 m，含水层厚度大，颗粒粗。第Ⅳ含水组底界埋深350～450 m。第Ⅴ含水组底界埋深450～600 m。第Ⅰ、Ⅱ含水组以冲积、洪积为主，第Ⅰ含水组该的含水层间无明显的隔水层,透水性好，水质普遍为咸水。第Ⅱ含水组岩性颗粒较细，以细砂、粉细砂为主,渗透性和富水性好于第Ⅰ含水组。第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水组以冲积、洪积和河湖相堆积作用为主，隔水层分布广泛且厚度大。5个含水组的地质时代分别对应于全新统、晚更新统、中更新统、早更新统和新近系上新统明化镇组。

主要试验井群位于深州试验基地东南角的地下水动力学平台中，该平台现有14眼机井(图1)，在揭露的600 m范围内，分布有10眼专门观测井，4眼综合试验井。本项目主要应用浅部80 m范围内的4眼综合试验井开展相关研究。试验井基本参数见表1。

图1 试验井位置示意图

编号水样性质成井/m井口直径/mm滤水管位置/m含水层岩性成井水位埋深/m成井矿化度/(g·L-1)涌水量/(m3·h-1)X01第I含水组咸水4714630．6～39．6细+中+粗砂10．211．04．656X02弱透水层咸水5211049．5～50．7粉细砂10．910．20．22X03弱透水层微咸水6211055．8～61．8中细砂21．90．90．1356X04第II含水组顶部微咸水7214665．2～70．4细砂+粗砂30．30．82．06

3 氢氧同位素

在全球范围内，每年循环海洋的水蒸气以及降水和地表径流接近动态平衡，只有大的气候变化才可明显地改变地表水、地下水和冰川水的淡水储量。因此，主要受温度控制的δD、δ18O 同位素成为有效地评价地下水来源和水流路径的研究工具之一[11]。

随着深度增加，研究区地下水的δ18O值呈现减小趋势，最咸处(30～40 m )咸水的δ18O为-8. 5‰～-9. 6‰，一般比当地大气降水的δ18O值偏负。由δ18O-δD散点图(图2)可知，2014年相较2011年的同位素值落在降水线的右下方且明显偏离了当地大气降水线[12]，说明该地区浅层地下水在两个不同时期经历的蒸发浓缩作用强度呈现了的略微增大的趋势[13]。同时可以看出，深层微咸水的氢氧同位素值与浅层咸水相比显示出贫化特征，表明X03、X04两含水层中的微咸水的可能并非全部来自降雨补给，结合区域地下水常年超采导致水位常年下降的情况，浅层地下水向深层含水层的越流补给成为其重要的补给方式[14]。

氢氧同位素证据显示，研究区内咸水和微咸水的氢氧同位素普遍偏负，其数值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值[15-16](δ18O>-7.00%、δD>-55.0%，图2中所示的交叉点为海相成因咸水与大陆演化成因咸水的分界点)。通过上述分析，在氢氧同位素方面排除了深州地区地下咸水微咸水中的盐分来自于海水的可能。因此，在研究区离子比例分析[17]的基础上进一步确定了地下水中的盐分可能来源于围岩的淋滤作用，该地区地下水为大陆盐化成因咸水。

4 硼同位素

图2 研究区δ18O-δD散点图

试验井时间pHB/(mg·L-1)Cl/(mg·L-1)δ11B‰(Na/Cl)/10-2(Ca/Cl)/10-2(Mg/Cl)/10-2TDS/(mg·L-1)20117．290．68455815．9954．418．7317．901131720127．530．544398．515．8655．508．5718．3111124X0120137．240．87448517．0852．988．8217．791167320147．260．60465116．4556．968．7817．6611864均值7．330．674523．1316．3554．968．7317．9211494．5020117．300．54432417．3349．759．3218．601022720127．030．50430215．7151．528．5818．8810357X0220137．330．70461314．9652．208．1918．861075520147．340．42462816．5354．938．5017．5210842均值7．250．544466．7516．1352．108．6518．4710545．25201120127．030．05993．55．0036．6812．099．561209X0320137．170．071061．07．3536．0913．0710．22163120147．270．0911568．3636．4311．289．391710均值7．160．071070．176．9036．4012．159．721516．67201120128．450．13516．55．6854．4010．5311．291139X0420137．990．09555．856．3455．058．5411．06142920147．350．07659．807．7749．209．168．131227均值7．930．10577．386．6052．889．4110．161265．00

本项目的硼同位素测试由中国科学院青海盐湖研究所完成，采用TRiton热电离质谱仪测定，监测范围(3～320)amu，分辨率450，灵敏度1/500，丰度灵敏度2×10-8。

样品的硼同位素组成表示为：

(1)

式中：NIST951H3BO3标准物质的测定值为：4.05234±0.00021(n=3,2σ)

地下水受到咸水入侵时，在混合、吸附、水岩等作用下会令硼同位素发生分馏，使得硼同位素显著区别于区域背景值。因此，在结合水化学和其它同位素等信息情况下，硼及其同位素作为良好示踪剂为研究水圈中物质的地球化学循环过程提供了新的手段[19]。

将深州试验基地不同试验井的δ11B‰值列于表2，表2中还同时列出了地下水的pH值、TDS、氯的含量、硼的含量及主要离子比等。由表2可知，研究区咸水pH值变化范围为7.03～7.53，微咸水为7.03～8.45，硼同位素的变化范围在咸水中为15.71～17.33，微咸水为5～8.36。咸水δ11B‰平均值为16.24，微咸水均值6.75，其δ11B‰值介于海水(39.5‰)和陆相地下水(-3‰±5‰)之间[20]，且明显低于海水中的δ11B‰值，因此从硼同位素含量方面也进一步表明了该区域地下水的非海相来源。

由表2可以发现水中硼的富集较复杂，尽管在TDS较高的水中硼的含量较高，但硼浓度最高的水其含盐量并不是最高的。

研究区地下水中的主要阴离子为Cl-、SO42-，阳离子以Na、K、Mg为主。不同深度不同含水层的Na/Cl、K/Cl、Mg/Cl、Ca/Cl比值也有一定的区别，图3、图4给出了研究区微咸水、咸水中的硼同位素组成与Na/Cl、Ca/Cl、Mg/Cl以及TDS的关系。由图3可以看出，研究区内微咸水含水层各数据点比较离散，硼同位素组成与Na/Cl、Mg/Cl及Ca/Cl均没有明显的相关性，硼同位素组成随着地下水中TDS的增大而呈一定的正向相关关系。

图3 微咸水中B与各离子比例及TDS关系图

图4 咸水中δ11B‰与各离子比例及TDS关系图

研究区开展了分层监测孔现场分级联合试验，并投入示踪剂。研究结果表明，在X02、X03及X04井中均监测到X0l井投放的示踪剂。由此可知各含水层之间存在水力联系，上层咸水通过一定途径进入下层含水层[22]。而海相与陆相来源水的硼同位素组成具有十分明显的差别。海水的δ11B‰值稳定在39.5‰左右，地下卤水的δ11B‰值可达57.5‰，而陆相地下淡水的δ11B‰值一般介于-3‰±5‰之间。因此，地下淡水一旦受到咸水的污染，δ11B‰值都会明显地升高[23]。

当咸水与淡水混合按照不同比例混合时，在混合的初期，混合水的δ11B‰值随咸水的掺入而急剧增加至咸水的δ11B‰值后趋于稳定[17]。即当只有少量的咸水混入时，即可以通过δ11B‰值的增大而判断咸水是否混入。

图5 δ11B‰随时间变化规律

由图5可以看出，浅层咸水δ11B‰较稳定，随着时间变化程度不大，而微咸水中δ11B‰随时间推移呈现逐步上升的趋势，而相应的硼含量并未出现显著增加。

经研究表明[24]，咸水和淡水混合可由以下公式计算：

(2)

上式经过变换整理可以得出：

F=

(3)

式中：F为咸水混合分数；CB为各水样浓度；δ11B为各水样中硼同位素含量。

以2012年测得的X01井水样δ11B‰(15.86)为咸水背景值，X03、X04井水样为微咸水背景值，以X03、X04水样2013、2014年测试值为δ11B‰混合值，用公式(2)计算对应年份微咸水中混入咸水比例见表3。

表3 微咸水δ11B‰混入比例统计表

由表3计算结果可以得出，研究区内两微咸水含水层咸水混入比例呈现逐年增加的情况，这与研究区两含水层TDS含量及Cl-含量增加所显示出的咸化呈现一致的情况。进一步证明了研究区微咸水出现了一定程度的咸化情况。

5 结论与展望

(1)研究区内氢氧同位素结果显示，地下水在不同时期经历的蒸发浓缩作用强度不同，呈现了的增大趋势。区域内咸水、微咸水的氢氧同位素普遍偏负，其数值均未超出海相成因咸水δ18O和δD的特征值，进一步证明了区域内地下水为大陆盐化成因地下水。

(2)地下咸水δ11B‰介于海水和陆相地下水的δ11B‰值之间，且远偏离海水δ11B‰值。微咸水含水层δ11B‰较离散，硼同位素组成随着地下水中TDS的增大而呈一定的正向相关关系；在咸水中δ11B‰值与Ca/Cl比值有相关性，这表明咸水中的硼同位素组成受Ca离子含量的影响。

(3)研究区含水层间存在水力联系，两微咸水含水层咸水混入比例呈现逐年增加的情况，这与含水层TDS含量及Cl-含量增加所显示出的咸化呈现一致的情况。进一步证明了研究区微咸水出现了一定程度的咸化情况。

由于测试经费和测试周期较长的限制，导致测试样本数目较少，不能完全确定研究区弱透水层含水层和第二含水层顶部是否被上层咸水影响，但现有数据显示，该两含水层地下水呈现了一定的咸化趋势，且在第二含水组顶部含水层中的咸化趋势较为明显。

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