滇东黔西地下水氢氧同位素特征

张明亮

滇东黔西地下水氢氧同位素特征

张明亮

（四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四川眉山 620010）

通过大气降雨氢氧同位素进行分析，得出了滇东黔西的大气降水线为δ(D)=7.848δ(18O)+11.00，地下水氢氧同位素组成落在滇东黔西大气降雨线附近，说明研究区地下水是由大气降雨补给。从贵州中部向西云南昆明，地下水中越来越贫重同位素，显示夏季滇东黔西地区大气自东向西运移的特点。研究区自东向西地下水中氧漂移越来越明显，说明自黔西到滇东水岩作用越来越强烈。研究区氘过量系数d为9.9，显示了滇东黔西地区不平衡蒸发强烈。滇东黔西地区地下水出露高程和δ18O值的关系为δ18O(‰)=-0.00259H-5.657，地下水出露高程与δD值得关系为δD(‰)=-0.0236H-31.08。即在滇东黔西地区海拔每上升100m，地下水中δ18O值下降0.259‰，δD值下降2.36‰。

地下水；氢氧同位素；大气降水；滇东黔西

氢氧稳定同位素是水体的一种天然示踪剂，已广泛应用于水文地质学、气候学[1]、生态地质学[2]]等领域。由蒸发、凝聚、降落和径流等过程形成的水体，在运移过程中发生不同程度的同位素分馏，水中稳定同位素18O和2H受气候过程的影响，提供了它们起源的标志特征，对水分的来源具有指示意义，因此可以通过水体的氢氧同位素组成变化来示踪水循环、判别其来源[3-4]。水中环境同位素记录了水循环的过程信息，是研究区域水文循环的理想方法[5、6]。前人对氢氧同位素特征做了不少研究[7-10]，但云贵高原地区研究相对较少。云贵高原地理位置特殊，位于二级台阶之上，前人对该区域的地下水同位素特征研究甚少。本文利用地下水中的氢氧同位素查明了云贵高原滇东黔西地区的地下水的起源，给出了昆明-贵州地区的大气降雨线，并计算了云贵高原地区地下水18O的高度梯度，为该区域地下水和大气循环的研究奠定了基础。

图1 滇东黔西大气降雨线

1 研究区环境地质条件

云贵高原地处青藏高原东侧的中低纬度过渡地带，大致位于100°~110°E、21°~29°N，属亚热带季风气候，受南亚季风和东亚季风的共同影响，降水丰沛，日照较少，具有“一山有四季，十里不同天”的气候特点。受环流因子的东西向差异与地形条件的影响，从西向东气温有明显下降的趋势，地带性植被分布呈现显著的垂直和水平差异。该区是六大水系长江的金沙江，珠江的南、北盘江，红河的元江，湄公河的澜沧江，萨尔温江的怒江，伊洛瓦底江的独龙江的分水岭。由北向南年平均气温为3.0~24.0℃，最冷月1月平均气温为-6.0~16.6℃，最热月7月平均气温为16.0~28.0℃，日平均气温≥10℃的积温一般为4 500℃~7 500℃。年降水量一般在600~2 000mm，降水在时间及空间上分布极不平衡，东部、西部及南部降水量大，可达1 500~2 000mm，中部及北部减少为500~600mm。雨季出现在5~10月，干季出现在11~翌年4月，雨季的降水量占全年的80%左右[11]。

研究区位于云贵高原滇东黔西地区，位于101°53′~107°48′E、24°35′~27°00′N之间，跨越贵州省和云南省，涉及5个地级市3个自治州，分别为昆明市、曲靖市、六盘水市、黔西南布依族苗族自治州、安顺市、贵阳市、黔南布依族苗族自治州、黔东南苗族侗族自治州。滇东黔西地层出露较为完整，从第四系(Q)到昆阳群(Pt)地层均有出露，局部地区因沉积间断造成地层缺失。区域上构造错综复杂，总体以南北向构造为主，北东向构造次之，体现出一定的规律性。研究区东低西高，从贵阳地区至昆明地区海拔从1 000m升至2 000m，贵州东部海拔近1 000m左右，经过威宁北西向构造变形区海拔上升至2 000m，到云南东部形成2 000m左右的高原面。

2 云贵地区大气降雨氢氧同位素特征

Craig(1961)通过研究北美大陆大气降水，发现降水的氢氧同位素组成显示线性相关的变化，并给出之间的数学关系式δD=8δ18O+10，这就是公认的全球大气降水方程，即Craig方程[12]。在δD-δ18O图中，它是一条斜率为8，截距为10的直线，又称为全球大气降水线(GMWL)。大气降水的同位素组成变化很大，随空间、时间而异，故世界各地不同地区的降水方程往往偏离全球性方程，除全球降水线外，不同地区都有反映各自降水规律的降水线，即地区大气降水线(LMWL)。为了更确切地了解一个地区的降水规律，特别是在干旱或半干旱地区，研究地区降水线是必不可少的。Yurtsever根据IAEA的观测资料，给出了北美洲的地区降水线[13]，Ingraham等根据在南内华达州采集的降水同位素资料，得出当地的降水线[14]，在我国，于津生、刘东生、章新平等研究了不同地区的大气降水氢氧同位素的关系[15-17]。郑淑慧给出了我国的大气降水线(CMWL)方程为：δ(D)=7.9δ(18O)+8.2[18]。

图2 取样点分布图

大气降雨的根本源是海水的蒸发，降水过程即是蒸发、运移、冷凝、降落。当潮湿的气团凝结成雨滴时富D和富18O的水蒸气优先凝结，蒸汽团进一少含重同位素，第二次凝结的雨滴便会比第一次的δD和δ18O值更负。从海水蒸发到内陆降水，连续的瑞利分馏过程，是造成大气降水中氢氧同位素变化的原因。由于降水过程在本质上是建立在冷凝和蒸发之间的平衡条件下，因此，大气降水中δD和δ18O值呈现着线性关系，即称为雨水线。其关系式为：δD=aδ18O+b。

国际原子能机构（IAEA）与世界气象组织（WMO）自1961年起共同建立了全球降雨同位素观测网，对全球降水中氢氧稳定同位素进行监测，目前已经积累了大量观测资料[19]。本文分析了贵阳地区1988-1992年和昆明地区1986-2003年大气降雨氢氧同位素组成的逐月变化，根据实测数据的月平均值（据IAEA网站），用最小二乘法得出了滇东黔西的大气降水线为δ(D)=7.848δ(18O)+11.00，相关系数为0.939。该大气降水线与王恒纯描述的昆明地区大气降雨线δ(D)=7.87δ(18O)+11.09极为接近[20]，能反映滇东黔西大气降雨氢氧同位素的特征，为研究云贵高原大气降雨提供了基础。

3 滇东黔西地下水同位素特征

文章以滇东黔西地区的项目为依托，在夏季对滇东黔西地区地下水进行了采集，采样路线垂直于云贵高原地貌单元，以研究滇东黔西地下水同位素特征，共采集了108组地下水水样，并委托中国地质科学院岩溶地质研究所对样品的氢、氧稳定同位素进行分析。取样点分布情况见图2。

环境同位素氘和氧-18的含量通常用δ表示，δ18O为样品中氧-18含量与国际标准水样VSMOW(Vienna StandardMean O-ceanWater)氧-18含量比值的千分差，笔者统一用δD、δ18O表示稳定同位素氘和氧-18的含量。

图3 研究区地下水氢氧同位素分布

将研究区地下水δD、δ18O的实测值绘制成δD~δ18O关系图，如图3。从测试数据可以看出δD分布于-94.2~-41.3，δ18O分布于-12.43~-6.49，用最小二乘法得出108组水样的拟合线方程为δD=8.732δ18O+16.85。研究区地下水氢氧同位素组成落在滇东黔西大气降雨线附近，显示了研究区地下水主要是由大气降雨补给。从贵州中部麻江县地区到云南昆明地区，地下水中越来越贫重同位素，显示了在夏季滇东黔西地区大气运移的方向，即大气运移由东向西的特点。

从图3中还可以看出，麻江县到盘县再到昆明地区，地下水氢氧同位素组成越来越偏离滇东黔西大气降雨线，特别是在昆明地区，出现了较为明显的“氧漂移”，这反映出从黔西到滇东，地下水与岩石的作用越来越强烈。尤其是昆明地区中的大湾温泉点δ18O值为-8.54，为昆明地区所采水样中δ18O值最高的，其温度较高，水岩作用强烈，所以地下水中富集了更多18O。

从测试数据计算得地下水中氘过量系数为9.9，从氘过量系数d可以看出，滇东黔西地区不平衡蒸发强烈，强烈的蒸发使得蒸汽中D和18O相对贫乏，水汽紧接着又补给形成降雨，补给地下水，从而使得地下水中δD和δ18O较低，由于分馏作用造成δ18O比δD更负，所以形成了偏正的氘过量系数，大气降雨补给地下水较快，地下水埋藏较深。通常出现在降雨量和蒸发量都较大的地区。从IAEA在昆明和贵州设的大气降雨监测点资料可以得出昆明d值为11.2，贵州d值为14.4，也显示出大气降雨氘过量系数偏正的特征。

4 滇东黔西地下水氢氧同位素的高程效应

大陆上δ18O分布形式变化很大。一般说来，δ18O分布模仿大陆地形，山脉地区有更负δ18O值标记，这个特征叫做高度效应。另一个明显趋势是随着距海距离的增加，降水δ18O值更负。这个特征叫做“大陆效应”。引起这两效应的原理基本相同，随大气团向内陆迁移以及随山地抬升渐渐移出水汽，在冷凝过程中重同位素优先移出[21]。δD的分布规律与δ18O相似。

同位素高程效应实际上是同位素温度效应或气温高度效应的反映，对某一地区来说，同位素高度梯度是同位素气温变化率和气温高度梯度的函数[22]。当海拔高度增加，地势变高，气温下降，大气降水中δD和δ18O值就越低[23]。研究区跨越的纬度范围较小，可不考虑纬度变化所带来的影响。

根据采样点的高程值与测试的δ18O和δD值做线性回归，得到滇东黔西地下水出露高程和δ18O值得关系为δ18O(‰)=-0.002 59H-5.657，相关系数R为0.749，即在滇东黔西地区海拔每上升100m，δ18O值下降0.259‰；地下水出露高程与δD值得关系为δD(‰)=-0.0236H-31.08，相关系数R为0.765，在滇东黔西地区海拔每上升100m，δD值下降2.36‰。

图4 δ18O值与高程的关系

图5 δD值与高程的关系

于津生等曾研究了西藏东部和川黔西部的大气降水的高度效应，得出δ18O值与海拔之间呈负相关关系：δ18O(‰)=-0.002 6H-7.75[24]，与笔者得出的地下水出露高程与δ18O值的关系：δ18O(‰)=-0.002 59H-5.657极为接近，这并非偶然，该关系式的得出表明在大尺度的研究中大气降雨中δ18O值随高程的梯度与地下水中δ18O值随高程的梯度十分接近。其根本原因在于在高原地区各泉点的补给区和排泄区高程差值变化不大所致。

5 结论

通过分析贵州和昆明大气降雨氢氧同位素组成，得出了滇东黔西的大气降水线为δ(D)=7.848 δ(18O)+11.00。对在滇东黔西地区采取的108组地下水样品的氢氧同位素进行了分析，得出地下水氢氧同位素关系为δD=8.732δ18O+16.85，研究区地下水氢氧同位素组成落在滇东黔西大气降雨线附近，显示了研究区地下水主要是由大气降雨补给。

从贵州中部麻江县地区向西到云南昆明地区，地下水中重同位素越来越低，显示了夏季滇东黔西地区大气自东向西运移的特点。

自黔西到滇东，氧漂移越来越明显，显示出从黔西到滇东，地下水与岩石的作用越来越强烈。研究区氘过量系数为9.9，说明研究区不平衡蒸发强烈。

滇东黔西地区地下水出露高程和δ18O值得关系为δ18O(‰)=-0.00 259H-5.657，地下水出露高程与δD值得关系为δD(‰)=-0.0236H-31.08。即在滇东黔西地区海拔每上升100m，地下水中δ18O值下降0.259‰，δD值下降2.36‰。

[1] 张应华，仵彦卿．黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素与温度关系研究[J].干旱区地理,2007,30(1):16-21.

[2] 边俊景，孙自永，周爱国，等. 干旱区植物水分来源的D、18O同位素示踪研究进展[J].地质科技情报，2009, 28(4): 117-120.

[3] 张慧，张新基. 水文地质学中的环境同位素[M]. 郑州：黄河水利出版社, 2006:3-77.

[4] 张应华，仵彦卿，温小虎，等. 环境同位素在水循环研究中的应用[J]. 水科学进展, 2006, 5(17): 738-746.

[5] Dansgaard,W .Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus, 1964, 16(4): 436-468.

[6] 聂振龙，陈宗宇，申建梅，等．应用环境同位素方法研究黑河源区水文循环特征[J]. 地理与地理信息科学, 2005, 21(1): 104-108.

[7] 刘锋，李延河，林建. 北京永定河流域地下水氢氧同位素研究及环境意义[J].地球学报,2008,29(2)：161-166.

[8] 黄冠星，孙继朝. 中国北方平原盆地地下水氢氧同位素组成特征[J]. 地下水，2007,29(4):30-31,39.

[9] 李满洲，高淑琴，李贶家. 河南平原第四系地下水氢氧同位素特征与补给分析[J]. 工程勘察，2011,11:42- 47.

[10] 徐树媛. 李雅庄矿区地下水水化学及环境同位素特征研究[J]. 南水北调与水利科技, 2013,11(2):67- 70,120.

[11] 薛治国，陈浒，李晓娜，等. 云贵高原石漠化与古气候演变分析[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(23): 12303-12305.

[12] Craig H. Isotopic variations meteoric waters[J].Science, 1961, 133: 1702-1703.

[13] IAEA, 1969, 1970, 1971, 1973, 1975, 1979, 1981, 1983, 1986, 1990, 1992·Environmental Isotope Data·World survey of isotope concentrations in precipitation[R]·Technical Report Series No 69, 117, 129, 147, 165, 192, 210, 226, 264, 311, 331·Vienna: International Atomic Energy Agency.

[14] Ingraham NL, Lyles B, Jacobson R L,et al.Stable Isotopic Study of Precipitation and Spring Discharge in southern Nevada[J]·Jour of Hy-drol, 1991, 125: 243-258.

[15] 于津生，虞福基，刘德平. 中国东部大气降水氢氧同位素组成[J]. 地球化学, 1987, (1): 22-26.

[16] 刘东生，陈正明，罗可文. 桂林地区大气降水的氢氧同位素研究[J]. 中国岩溶, 1987, 6(3): 225-231.

[17] 章新平，中巴正义，等. 青藏高原及其毗邻地区降水中稳定同位素成分的时空变化[J]. 中国科学(D辑), 2001, 31(5): 353-361. [ZHANG

[18] 郑淑慧，侯发高，倪葆龄. 我国大气降水的氢氧稳定同位素研究[J].科学通报, 1982, (13): 801-806.

[19] 钱会，马致远.水文地球化学[M].北京：地质出版社,2005.

[20] 王恒纯. 同位素水文地质学概论[M].北京：地质出版社, 1991:49.

[21] 李政红，张发旺. 全球降水氢氧同位素研究进展[J]. 勘察科学技术, 2004, 1: 3-6.

[22] Clark,I.D.,Fritz,P.,1997.Environmental isotopes in hydrology [M]. Lewis, Boca Raton, Florida.

[23] Joussaume,S.,Sadourny,R.,Jouzel,J.,1984.A general circulation model of water isotope cycles in the atmosphere [J]. Nature, 311: 24-29.doi:10.1038/311024a0.

[24] 于津生，张鸿斌，虞福基，等. 西藏东部大气降水氧同位素组成特征[J].地球化学,1986, (2): 113-121.

The δ18O and δD Values of Groundwater in East Yunnan and West Guizhou

ZHANG Ming-liang

(No. 915 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Meishan, Sichuan 620010)

Meteoric water line in east Yunnan and west Guizhou is δ (D) = 7.848δ (18O) + 11.00. The δ18O and δD values of groundwater in east Yunnan and west Guizhou are near the meteoric water line of east Yunnan and west Guizhou. It means that the groundwater in the study area is recharged by atmospheric precipitation. The groundwater is more and more depleted in heavy isotopes from central Guizhou to Kunming which shows westward atmospheric migration in the west Guizhou-east Yunnan area in summer. The more and more obvious oxygen drift in groundwater in the study area from east to west shows that water-rock interaction is more and more intense from west Guizhou to east Yunnan. The deuterium excess coefficient in the study area is 9.9, showing a strong imbalance evaporation. The relationship between groundwater outcrop elevation and δ18O value is δ18O (‰) = ‒ 0.00259H ‒ 5.657 and the relationship between groundwater outcrop elevation and δD value is δD (‰) = ‒ 0.0236H ‒ 31.08 which means that for every 100 meters rise in altitude, the δ18O value decreases by 0.259‰ and the δD value decreases by 2.36‰ in the east Yunnan-west Guizhou area.

east Yunnan and west Guizhou; groundwater; hydrogen and oxygen isotope; precipitation

2018-12-31

张明亮（1987-），男，四川广汉人，工程师，研究方向：水文地质、工程地质、环境地质

P641.6

A

1006-0995（2019）02-0508-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.032