莱芜盆地牟汶河流域水体同位素特征与分析

李波，王金晓，赵无忌，吴璇，刘春伟,姜秉霖

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014;2.滨州学院建筑工程学院，山东 滨州 256600)

0 引言

同位素具有标记性和计时性，自20世纪50年代起，同位素技术被广泛应用于探讨水体成因、来源、组成以及不同水体之间的相互转化、判断水体运动规律等方面[1-5]。而氢、氧稳定同位素由于采集、测试体系成熟，应用也最为广泛[6-8]。地下水是水循环系统的重要组成部分，补给来源、径流排泄、运动规律、与大气降水及地表水的相互转化为地下水运动及演化研究的主要方面，而氢、氧稳定同位素目前已经成为地下水研究的主要方式之一[9-14]。

莱芜盆地地处山东省中部地区，矿产资源丰富，工农业发达。近年来，随着地下水开采日益加重，特别是盆地东部牟汶河流域，因地下水开采引发的生态环境问题愈发突出。该文在1∶5万水文地质调查工作的基础上，对不同水体氢氧稳定同位素特征进行了分析，探讨该区域水循环机理，为流域水资源持续利用和生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 气象水文

莱芜盆地地处山东省中部低山丘陵区，属暖温带季风区域大陆性半湿润气候，四季分明，年平均气温11.9℃，无霜期189d，平均日照时数2660.6h，年平均降雨量699.74mm。据莱芜气象站1980—2016年监测数据显示，降雨年际变化较大，历年降水量丰枯差异明显。

1.2 地层

莱芜盆地属柴达木-华北地层大区(Ⅰ)、华北地层区(Ⅱ)、鲁西地层分区(Ⅲ)、淄博-新泰地层小区(Ⅳ)，研究区处于盆地东部(图1)，区内地层出露齐全，自南向北依次为新太古代泰山岩群变质岩；古生代寒武纪朱砂洞组白云岩，馒头组薄层灰岩、页岩、砂岩，张夏组灰岩、页岩，崮山组页岩、薄层灰岩，炒米店组竹叶状灰岩、泥质条带灰岩；奥陶纪马家沟群厚层灰岩、白云岩；石炭-二叠系砂岩、薄层灰岩、泥岩；侏罗-白垩系砂岩、砾岩；古近系砾岩、砂岩和第四系冲洪积砂土、砾石。

1—第四系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗系；5—石炭-二叠系；6—奥陶系；7—寒武系；8—泰山岩群；9—侵入岩；10—地质界线；11—实测及推测断层；12—背斜；13—向斜；14—产状；15—河流方向；16—工作区图1 莱芜盆地地质构造简图

1.3 水文地质条件

莱芜盆地受蒙山凸起的抬升影响，整体上为N倾的单斜构造盆地。南部侵入岩区与碳酸盐岩夹碎屑岩区为地下水的直接补给区与间接补给区，单斜底部的奥陶纪碳酸盐岩区为岩溶水排泄区。整体上地下水从南向北径流，受地层、侵入体阻挡后转向西南方向；在局部沟底及构造破碎带发育处，受构造、地形侵蚀影响可呈泉方式排泄。

区内地下水补给来源主要为大气降水，其次为地表水下渗补给；地下水开采方式主要为人工开采。

2 采样与分析

该次工作于2016年9月采集同位素水样40件，其中地下水样32件，地表水样5件，大气降水样3件。在地下水样品中，松散岩类孔隙水样8件，碳酸盐岩类裂隙岩溶水样13件，岩浆岩变质岩类裂隙水样8件，碎屑岩孔隙裂隙水样1件，泉水2件；地表水样品中河水样3件，水库水样2件。同位素测试项目为2H，3H，18O，取样点分布情况如图2所示。

采集水样时，先用水样将预先清洗的样品瓶冲洗3次装样，密封后带回实验室低温保存，直至分析。全部样品的氢氧稳定同位素分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行，采用FLASH2000HT同位素气体质谱仪，采用TC/EA法测定，测定结果以相对维也纳标准海水(VSMOW)的千分差表示，δD和δ18O精度分别为±2×10-3和±0.2×10-3。

3 结果与讨论

3.1 氢氧稳定同位素水化学特征

根据表1和图3可看出，盆地内不同水体的δD和δ18O差异明显，其中地表水δD和δ18O值相对偏正，水库水δD和δ18O值大于河水，主要原因是水库水体更新速度较慢且不连续，而河水由于与沿途第四系孔隙水的水力联系密切，更新速度相对较快，蒸发作用使得水库水体的重同位素更加富集；地下水样中，松散岩类孔隙水δD和δ18O值大于其他类型地下水，D和18O均值分别为-54.65和-7.51，主要原因是孔隙水水位埋深普遍较浅，易受蒸发作用的影响。

1—岩溶裂隙水；2—第四系孔隙水；3—岩浆岩变质岩类裂隙水；4—碎屑岩类孔隙水；5—地表水；6—雨水图2 同位素取样点分布图

测试项目松散岩类孔隙水碳酸盐岩裂隙岩溶水岩浆岩变质岩裂隙水碎屑岩裂隙水泉水河水水库水大气降水δD(103)最大值48.550.35861.363.249.95154.5最小值64.366.662.461.364.657.65158.5均值54.6560.2860.4361.363.954.035156.3δ18O(103)最大值5.76.36.49.68.16.45.58.1最小值9.19.08.79.68.97.96.19.3均值7.517.727.589.68.56.95.88.67

松散岩类孔隙水样8件，取样点δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，平均值分别为-54.65和-7.51。由图4看出，取样点分布在大气降水线附近，表明与大气降水联系密切，SJ69，GJ09，SJ75点的δD值介于-56.7～-52.9，δ18O值介于-8.3～-7.7，接近当地的降水加权平均值，而附近的地表水SL05取样点，δD值为-54.6，δ18O值为-6.5，其中δ18O的值明显大于孔隙水取样点，说明该处地下水主要补给为大气降水，河水对两侧孔隙水补给作用不明显[15]。SJ60，SJ94，SJ22取样点δD和δ18O值偏离大气降水线，受蒸发作用影响明显，其同位素特征与地表水样品较为接近，表明其主要补给为河流侧渗补给；SJ44取样点同位素值偏负，靠近大气降水线，说明其补给主要来自当地的大气降水，补给前蒸发作用不明显。

图3 δD-δ18O相关性图

图4 孔隙水δD-δ18O相关性图

岩浆岩变质岩类裂隙水样品共8件，δD值-62.4～-58，δ18O值-8.7～-6.4，平均值分别为-60.43和-7.58。取样点分布在大气降水线附近(图5)，表明补给主要来源于大气降水，根据该次所取得雨水样检测结果，图A区反应了该地区的大气降水的同位素特征，因此SJ115点主要是接受大气降水的垂向入渗，补给前蒸发作用不明显；其余取样点多沿蒸发线分布，由于蒸发线与大气降水线的交点位于降水加权平均值以下，表明其地下水的补给除大气降水外还有部分侧向径流，在补给之前经受过较明显的蒸发作用。

图5 岩浆岩变质岩类裂隙水δD-δ18O相关性图

碳酸盐岩裂隙岩溶水样共15件(泉水2件)，δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，平均值分别为-60.28和-7.72。取样点分布在大气降水线右侧(图6)，多数沿蒸发线分布(δD=3.23δ18O-36.6)，蒸发线与大气降水线的交点明显低于降水加权平均值，表明地下水的补给不只是大气降水补给，还接受其他类型地下水间接补给。

A区取样点SJ14，SJ20，GJ04均位于东泉岩溶水富水断块，其同位素特征与附近孔隙水及河水取样点类似，说明岩溶水主要补给来源于上部第四系的垂向入渗以及河流的渗入补给。

B区内取样点主要位于研究区东北部鲁村盆地，D和18O值相对偏正，同位素特征与其南部岩浆岩区SJ99，SJ142点相似，表明它们有相似的补给特征，该地区岩溶水补给部分来源于当地的大气降水，部分来源于南部岩浆岩区的径流补给，且在补给过程中经受了较强的蒸发作用。

图6 裂隙岩溶水δD-δ18O相关性图

C区取样点主要分布在盆地内清泥沟岩溶水断块和丈八丘岩溶水断块内，与区内的孔隙水取样点SJ44和岩浆岩取样点SJ51有相似同位素特征，表明该区内岩溶水除了接受当地的大气降水补给外，还接受南部岩浆岩区的径流补给，以及上部第四系的渗入补给。

3.2 氢放射性同位素水化学特征

依据表2中氚值测试结果，大气降水中氚含量比较稳定，在4.9～5.4之间，河流、水库样品的氚值分布在3～7.4TU之间，表明其补给主要为0～10年内的新水，不同取样点间氚值差异较大，如郑王庄村地表水取样点SL01，氚含量为3.1TU，低于其他地表水点，表明该处接受低氚基岩裂隙水的补给。

孔隙水氚值平均值5.13TU，较其他类型地下水大，表明其地下水参与现代水循环积极，更新较快，取样点氚值多集中在3～10TU范围内，表明其补给主要为0～10年内的新水；岩浆岩变质岩裂隙水氚平均值为3.4TU，SJ139，SJ142取样点氚值小于3TU，说明其补给源主要为1953年之后的老水，并混有部分0～10年内的新水，地下水更新速度较慢；位于莱芜盆地的岩溶裂隙水氚值在3.0～6.7TU之间，均值5.05TU，更新速度较快，补给主要为0～10年内的新水；位于鲁村盆地南部的岩溶裂隙水，氚含量在1.3～3.8TU，SJ106点氚值小于1.3TU，该区岩溶水主要补给来源于1953年左右的老水。

表2 各水体氚值统计

4 结论

该次对工作区内地表水、地下水进行了氢、氧同位素取样，结果表明：盆地内不同水体的δD和δ18O差异明显，其中松散岩类孔隙水δD值-64.3～-48.5，δ18O值-9.1～-5.7，岩浆岩变质岩类裂隙水δD值-62.4～-58、δ18O值-8.7～-6.4，均分布于大气降水线附近，表明地下水补给来源主要为大气降水；裂隙岩溶水δD值-66.6～-50.3，δ18O值-9.0～-6.3，分布于大气降水线右侧，除接受大气降水补给外，还接受其他水体的间接补给。

依据不同水体氚同位素测试结果显示：莱芜盆地东部内地下水更新速度较快，氚值平均值在3.0～6.7TU之间，地下水补给主要为0～10年内的新水，更新速度快，符合地下水补给径流区特征；工作区东北角的鲁村盆地，氚值在1.3～3.8TU，表明区域内地下水补给来源于1953年左右老水，更新速度较慢，显示地下水径流补给受多期断裂影响，地下水连通性差。