山东半岛日照地区环境同位素特征研究

，，

(山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

利用同位素的方法研究各水体的补、径、排关系最初起源于国外，这种方法具有其他同类方法无可比拟的优越性[1-4]。不同的水体具有不同的同位素特征， D和18O作为稳定同位素，是水真实运动的示踪剂。放射性同位素14C对水体有定年和标记作用，通过水体年龄的差异，可以探究水体不同的补给来源。近年来，国内许多学者对开展了不同程度的同位素研究，研究区域主要集中于各大流域[5-9]。

本文分枯丰两个时期在日照地区进行地表水和地下水的同位素采集和分析，得出了各水体的同位素的时空变化特征，为区域水循环的研究提供一定的依据。

1 研究区域概况

日照地区位于山东半岛东南翼。东临黄海，西接临沂市，南邻连云港市，北与青岛市、潍坊市接壤，地形北、西部高，南、东部低，大部分山脉平行于海岸线呈北东—南西向分布。

本区属暖温带潮湿季风气候区。多年平均气温12.7℃，平均最高气温16.6℃，平均最低气温9.6℃。多年平均降水量826.8 mm，年最大降水量1 271.0 mm(2008年)，年最小降水量504.5 mm(2002年)； 日最大降水量是183.4 mm(1974年8月13日)。 多年平均蒸发量为1 299.0 mm； 最大蒸发量为1 726.9 mm(1966年)，最小蒸发量为940.1 mm(2008年)年平均湿度72%左右。日照市地表水体较发育。 较大河流18条，总长461.4 km，流域面积5 222.7 km2。

图1 采样点分布图(丰水期与枯水期采样点一致)

2 样品采集与分析

为了研究日照地区不同时间和空间各种水体同位素的变化特征，分别于2013年3月枯水期和10月丰水期在荻水村、东河南村、付疃河地区采地表水和地下水水样，包括枯水期地表水和地下水水样各三个，丰水期地表水和地下水水样各三个，并设置了几组平行样，分别进行18O、D、14C的测定，样品的测定在国土资源部西安矿产资源资源监督检测中心进行，测定结果以千分偏差的形式表示(见图1)。

在进行地表水取样时，应记录水体底部地层特征及采样点周围环境。填写地表水采样表。地表水采样采用闭合定深采样器采样。河流采样点位一般应在水面0.5 m以下、河床0.5 m以上。水深不足1 m时，采样点设在实际水深的1/2处。水库采样点应远离岸边、河流入口和排污口，一般在水库水面以下0.5 m以下、距库底0.5 m以上，水深不足1 m时，采样点设在实际水深的1/2处。

地下水采样前应对采样井进行全孔清洗或微扰清洗，使采样部位的存储水排出。全孔清洗应采用大流量离心泵或潜水泵，排出水量应大于井筒水量的3倍，样品用聚乙烯瓶收集，样品采集时，应在泵的出水口前通过一小直径支管分流出一部分排水，将支管的末端插入采样瓶底部，使水发生溢流，缓慢上移出水支管并移出采样瓶，再根据不同的检测项目直接或加入相应保护剂后，用塑料薄膜密封，迅速旋紧瓶盖，避光，常温保存。保护剂必须严守试剂纯度、剂量、浓度和加入试剂的顺序与方法等规定。

D、18O分析水样的采集无特殊要求，注意密封即可。

根据中国地质调查局《地下水勘查同位素技术应用规范》采用BaCO3沉淀法通过沉淀罐采集地下水14C测年样品。

3 日照地区所受季风影响分析

形成降水气团的来源及其性质在某种程度上是决定降水同位素组成的主要因素[10]。日照属季风气候，不同季节有着完全不同的水汽来源。夏季风期间，水汽来源于海洋蒸发产生的水蒸气。蒸发是一种动力学分馏过程。动力学分馏产生比平衡分馏预计的要轻得多的水蒸汽。降水云团由海洋蒸发源区到亚洲大陆的运移过程中，海洋蒸汽多次凝结形成降水，重同位素从蒸汽形态进入降水，沿水蒸汽推进轨迹，剩余蒸汽逐渐贫重同位素，随后形成的降水将更贫重同位素，多次凝结将降水向着同位素贫化的趋势演化，所以δ值变得越来越低，并且，丰水期雨量大，随着降水过程的进行，雨水同位素值也会越来越低，在这种大陆效应和降雨量效应的同时作用下，使得丰水期降水中的δ值严重偏负。冬季风期间，降水受到来自于高纬度地区的冬季风影响更大，所携带的水汽同位素值偏正，而且降水量较小，因而各水体富集重同位素。

4 水体氢氧同位素特征

表1为研究区内水体δD值及δ18O值统计。丰水期δD的变化范围是-37.1‰～-12.6‰，平均值为-24.37‰，丰水期δ18O的变化范围是-4.6‰～-2.3‰，平均值为-3.33‰；枯水期δD的变化范围是-40.9‰～-45.4‰，平均值为-43.77‰，枯水期δ18O的变化范围是-8.3‰～-7.1‰，平均值为-7.67‰。采样点地表水丰水期δD的变化范围是-42.9‰～39.3‰，平均值为δD=-40.87‰，丰水期δ18O的变化范围是-5.6‰～-3.7‰，平均值为-4.83‰；枯水期δD的变化范围是-36.6‰～-30.6‰，平均值为δD=-33.13‰，枯水期δ18O的变化范围是-6.7‰～-5.6‰平均值为-6.17‰。

表1 日照地区水体δD值及δ18O值统计表

注：编号S(surface water)—地表水；U(underground water)—地下水；D(dry season)—枯水期；W(wet season)—丰水期；1，2，3—取样点编号

为了进一步分析不同时期各类水中同位素的特征，确定各水体间的相互关系，将表中分析结果标绘在δD—δ18O坐标图上(见图2)，其中斜线为GMWL全球降水线，在不同地区、不同时间水中δ18O、δD的含量是有所变化的，但大气降水δ18O、δD组成是呈线性相关的，克雷格于1961年首先提出其线性方程为：δD=8δ18O+10，通常称其为克雷格方程[11]。该方程描绘的直线称为克雷格降水线，又称大气降水线，它在地下水同位素研究中被广泛应用。虽然世界各地的方程系数有所不同，但基本差别不大。

图2 日照地区水体氢氧同位素组成

在δD—δ18O坐标图上，水样中的δD和δ18O的分布情况与大气降水线进行对比可以明确大气降水对地表水和地下水的补给情况[12,13]。

从图中可以看出，所分析的各类水体沿克雷格雨水线分布，并在线附近有小幅度的偏离。枯水期所有地表水和地下水水样点均分布在大气降水线左上方，丰水期所有水样点均分布在线的右下方。就离散程度而言，从空间上看，枯水期的点地表水集中而地下水分散，丰水期的点同样是地表水集中而地下水分散；从时间上看，大气降水线左上方的点集中而右下方的点分散，即枯水期的水样点位置较集中而丰水期的水样点位置较分散。对同一取样点而言，丰水期地表水氢同位素组成比地下水更偏负，枯水期则相反。

水体氢氧同位素沿大气降水线分布说明日照地区地表水及地下水均与大气降水有密切亲缘性，大气降水是其最初来源。在δD—δ18O坐标图上，丰水期地表水和地下水的水样点分布相对于枯水期均较分散，即δD和δ18O的值范围较大，这是由于丰水期地表水的流量比地下水大得多，在运移过程中可能有同位素偏负的其它水的汇入，使采样点在δD—δ18O关系图上分布较分散。地表水的水样点分布集中，地下水分散，是由于地表水组成相对复杂，枯水期降水量少，故地表水为多次历史降水的混合，随着时间的推移，δD、δ18O变幅越来越小，最终趋于稳定。

图3 枯水期、丰水期水样点理论分布图

蒸发是动力学分馏的过程，而形成降雨的冷凝是平衡分馏的过程，降水过程基本符合平衡分馏原理。大气降水线方程的斜率8表示全球降水的平衡分馏过程氢的同位素分馏效应是氧同位素分馏效应的8倍[14]。一般来说，降水在补给地表水和地下水之前的下降过程中会产生二次蒸发，此外，18O的动力学分馏作用比D更强烈，所以相对于平衡分馏，氧同位素的分馏效应不再是氢的八倍，水蒸汽中的18O要比D会更贫化，蒸发剩余的降水18O要比D更富集，即δD-8δ18O<10，在δD—δ18O关系图上表现为，水样点分布在大气雨水线下方。由前述可知，与丰水期相比，枯水期的氢氧同位素更加富集。所以，一般而言，枯水期和丰水期的水样点分布应如图3所示。而实际分布如图4所示。

图4 枯水期、丰水期水样点实际分布图

氢氧同位素的“异常分布”主要表现为在δD—δ18O坐标图上，枯水期取样点落在了大气降水线上方，并且与枯水期相比出现了氘富集，氧贫化的现象。这是由于采样时取样点存在降雪。首先，降雨和降雪过程的氢氧同位素组成存在差异，这是由于液态的降雨在下降过程中更容易产生二次蒸发引起的同位素动力分馏效应，而固态的降雪则降低了这种效应。其次，冰雪融化过程中，雪融水的氢氧同位素组成也会受到影响，这是由于与降雨在地表蒸发导致同位素富集的效应不同，积雪内同位素的富集方式较复杂，通常分“三层”进行。只有近表层积雪中的同位通过蒸发等方式富集[15]。更深层次的积雪不会受到太大的影响。在雪堆中，表层雪融水在向下渗透到积雪底部时雪和融水之间的水汽交换通常占主导地位。积雪内湿度较高，允许水-雪蒸气间发生较大程度的同位素平衡交换[16]。在自然积雪的最低部分中，扩散过程是最重要的富集方式。这种方式最终导致融雪的同位素组成受到影响。应当注意到，升华与蒸发不同，在升华过程中，瑞利过程的效率因混合水分子在雪晶中的扩散率低而降低，因此雪升华时，同位素分馏不是一个重要过程[16,17]。通过室内实验和建立偏微分方程的模型发现[18]：从融雪底部抽取的融水，δD和δ18O的数值的变化是积雪重量损失(%)的线性函数，每损失1%的雪，δD富集量1‰，δ18O损失0.2‰。即出现了在融雪底部抽取的融水中氘连续富集，而一开始积雪融水的18O 严重亏损的现象。冰雪融水补给到地下水，造成地下水的氘氧同位素组成也出现了偏差。δD富集和δ18O损失导致在δD—δ18O坐标图上，枯水期的水样点“漂移”到了丰水期的左上方，并且位于大气降水线以上。

5 地表水和地下水的补给关系

从同位素的角度还可以说明地表水和地下水的相互补给关系。

将同一时期不同点的δD、δ18O分别绘制成折线图(见图5～图8)。据图可知，同一时期，地表水与地下水氢氧同位素的峰值和低谷出现的地点不对应，说明地表水和地下水的转换过程中，不同地点的同位素发生了不同的变化。

图5 枯水期不同地点地表水、地下水δD值

图6 枯水期不同地点地表水、地下水δ18O值

图7 丰水期不同地点地表水、地下水δD值

图8 丰水期不同地点地表水、地下水δ18O值

由图5～图8，可以直观地看出，相同取样点附近的地表水与地下水相比，丰水期地表水氢氧同位素组成比地下水更偏负，枯水期则相反。

丰水期地下水同位素比地表水富集是地表水补给地下水的显著特征。由于常温下，地下水与围岩不存在同位素交换反应，造成丰水期不同水体同位素组成差异的主要原因是地表水在沿裂隙下渗补给地下水之前，蒸发导致的同位素分馏，使地下水的同位素含量偏正。并且丰水期地表水的流量比地下水大得多，在运移过程中可能接受了同位素偏负的其它水的汇入，导致地表水同位素进一步偏负。

造成枯水期地下水比地表水同位素贫化的原因是采样地点存在积雪，地表水对地下水的补给大量减少，地下水接受来自山区的地下水补给。

将同一地点地表水和地下水同位素的差值(取正值)绘制成柱状图(见图9、图10)，并定义|δD|=|地表水δD—地下水δD|，|δ18O|=|地表水δ18O—地下水δ18O|。

从图9和图10中可以直观地看出，东南河村的|δD|、|δ18O|枯水期均比丰水期小，即与丰水期相比，枯水期的地表水、地下水的同位素差异更小，说明该地枯水期地表水位低于地下水位，此时地下水对地表水的侧向补给变得重要，地下水的同位素组成影响了地表水同位素，使得两者的差异减小。

因此，丰水期主要是地表水补给地下水。枯水期地下水接受来自山区的地下水补给，并且东河南村出现了地下水侧向补给地表水的情况。

可以看出，水源混合作用在该地区水体转换过程中，是改变同位素组成的重要原因。

图9 |δD|值柱状图

图10 |δ18O|值柱状图

6 氘过量参数

氘过量参数又称氘盈余，是Dansgaard提出的一个概念，并且把它定义为：d=δD-8δ18O[19]。氘过量参数的初始数值继承了当地大气降水的特性。所取水样的d值计算结果见表2。为了方便进行地表水、地下水到氘过量参数特征的讨论，在调查区域各水体δD—δ18O关系图的基础上，绘制出d=30‰，d=20‰，d=0，d=-10‰(大气降水的d值)的特征线(见图11)。

表2 所取水样d值计算结果

由表2和图11可知，枯水期水样点的d值在11.4‰～21.4‰之间波动，均大于大气降水线的d值，在图上表现为水样点分布于d=10‰和d=30‰两条线之间，这与前述枯水期水样点均分布在大气降水线上方一致，是降雪补给地表水与地下水条件下同位素特有的组成特征。丰水期水样点的d值在-10.8‰～5.8‰之间波动，均小于大气降水线的d值，在图上表现为大部分水样点分布于d=10‰和d=-10‰之间，这与前述丰水期水样点均分布在雨水线的下方相对应，表现了水体运移时，在蒸发作用的影响下，产生了同位素动力分馏效应的特征。由此可以说明d值具有一致的季节效应。

图11 所取水样d值分布图

7 碳同位素分析

用14C测定地下水年龄是目前应用广泛而且比较成熟的方法[20]。

地下水和地表水的14C分析结果见表3。可以看出，除傅疃河南岸样点外，其余均为年龄小于200 a的现代水，更进一步说明该区地表水和地下水有密切的亲缘性。付疃河南岸地下水为承压水，补给路径远，地下径流时间长，地表水又受到地下水的影响，故而年龄较大。

表3 日照地区水中同位素14C分析成果

8 结语

(1)在δD—δ18O坐标图上，水样点在克雷格雨水线附近存在很小程度的偏离，说明日照地区地表水及地下水均主要源于大气降水。

(2)通常，水样点多分布在雨水线右下方，但日照地区枯水期水样点却分布在大气降水线左上方，分析认为是存在降雪融水造成的；此时d值较大，均大于10‰。

(3)取样点在δD—δ18O关系图上，丰水期样点分散而枯水期集中，分析认为是丰水期流量大、更新快造成的；地表水样点相对集中，是由于地表水组成相对复杂的缘故。

(4)从14C的结果分析，傅疃河南岸地下水与地表水年龄较大，可能与其地下水的补给源远、径流时间长有关，而另两处地下水和地表水均为年龄小于200 a的现代水，更说明该区地表水和地下水均源于当地现代降水的结论。

(5)从同位素特征来看，丰水期地下水同位素比地表水富集，研究认为这是地表水补给地下水造成的。

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