新疆赛里木湖水化学及氢氧同位素特征分析

邵 杰,李 瑛,滕 超,杨欣杰,曹 军,陈喜庆

(1.中国地质调查局自然资源实物地质资料中心，河北三河 065201；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054)

赛里木湖古称“净海”，坐落于我国新疆维吾尔自治区西部伊宁市西边天山西段的高山盆地中，位于陆上丝绸之路的北道，且紧邻伊犁州霍城县[1]，凭借其优美的自然环境与景色，2021年赛里木湖景区被评为5A级景区。赛里木湖与湖滨四周的雪山、冰川、森林、草原等地类构成了一个宽阔而独立的山涧盆地，是新疆海拔最高、面积最大的高山湖，对维护新疆北疆生态系统、调节北疆气候、涵养山地水源起着极其重要的作用[2]。

近年来相关学者围绕赛里木湖水化学特征、水质评价等进行了相关研究。如陈志军等[3]通过结合博州水文局和博州环境监测站近几年的监测数据分析，对该湖水化学特征、水质现状及营养状况进行初步研究；栾瀚韬[4]对该湖水主要理化因子和营养盐状况进行了检测和评价；郝永志等[5]对该湖水质评价与时空分布规律进行了研究。但有关赛里木湖水环境同位素特征研究鲜见报道。笔者在参考有关学者研究成果的基础上，结合湖水样水质和同位素测试结果，探讨了现阶段赛里木湖水化学特征，并且首次对赛里木湖水及其周边河流的同位素特征进行研究，以期为当地政府相关部门对赛里木湖水资源的科学保护及景区旅游业的健康发展提供相关支撑与建议。

1 资料与方法

1.1 研究区概况赛里木湖地处81°59′35″～81°22′17.5″E、44°29′37.4″～44°32′19″N，湖面海拔2 071 m。湖泊略呈椭圆形，东西长30 km，南北宽25 km，面积453 km2，最大水深99 m，平均水深56 m，蓄水量达210亿 m3[6]。

研究区水位及水化学特征方面主要受气象、水文、地质构造等因素制约。赛里木湖地处欧亚大陆腹地，属温带大陆性半干旱气候。近年观测资料表明，研究区平均气温0.5 ℃，年降水量350 mm以上[7]。赛里木湖为断陷而成，四周构造裂隙极为发育。在大地构造单元上，属海西宁早期地槽褶皱带。经加里东、海西宁造山运动隆起为山地，形成轴向大致为东西向的带状构造基础，与此同时，在褶皱带内产生了若干北西向的断裂地带。湖盆就发育在一组断裂带上[8]。湖水主要接受大气降水、地表水流入和基岩裂隙水的侧向补给。四周入湖河流达32条，其中常流水河流7条，其余为季节性河流，主要分布于湖泊的西面和西北面，最长流入湖泊的河流萨嘎克勒，长18.0 km。湖水的排泄主要有蒸发和渗漏。

1.2 数据来源所需研究数据来源于自然资源部中国地质调查局地质调查项目“新疆伊犁河谷地下水资源及环境问题调查与评价”。2014年在伊犁进行野外水文地质调查过程中，在赛里木湖湖边相应位置采集水化学样品1组、同位素样品1组，在距赛里木湖西南方向约25 km果子沟河流相应位置采集水化学样品1组、同位素样品1组。具体采样位置见图1。样品采集过程中严格按照《水质采样技术规程》(SL 187—96)、《环境同位素分析水样采集》导则进行。样品测试工作由自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成。水化学样品测试项目包括溶解性总固体(TDS)、pH、电导率、溶解氧、总硬度(以CaCO3计)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-、CO32-、高锰酸钾指数(CODMn)、NH4+、NO3-、NO2-、PO43-等[9]。同位素样品测试项目包括δD、δ18O两项[10]。

图1 赛里木湖及周边河流采样点位置

1.3 研究方法在前人研究相关成果基础上，根据此次试验测试结果，结合研究区地质、水文地质条件分析研究区水化学分布特征。将所测水体氢氧稳定同位素样品置于全球大气降水线以及当地大气降水线中，并采用对比分析法，将赛里木湖水样与临近的果子沟河水样的氢氧同位素进行对比，进而分析赛里木湖水样δD与δ18O之间的关系及其分布特征，分析赛里木湖水的补给来源。

2 结果与分析

2.1 水化学特征在赛里木湖边取一组水化学样品，在距赛里木湖采样点西南方向约25 km处取一组果子沟河水化学样品。水化学样品测试指标包括阳离子8项、阴离子9项、其他指标7项，共计24项指标。具体水化学样品测试结果见表1。

表1 水化学样品测试结果

阳离子测试指标为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+。其中赛里木湖水中各阳离子含量Mg2+>Na+>K+>Ca2+，果子沟河水中各阳离子含量Ca2+>Mg2+>Na+>K+，二者的Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+均未检测出。赛里木湖水中K+、Na+、Mg2+含量远远大于果子沟河水中的含量，而Ca2+含量却远远小于果子沟河水中的含量。

阴离子测试指标为Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-、NO3-、NO2-、PO43-、F-。其中赛里木湖水中各阴离子含量SO42->HCO3->Cl->CO32->NO3->F->PO43-，OH-、NO2-未检测出。果子沟河水中各阴离子含量HCO3->SO42->Cl->NO3->F-，CO32-、OH-、NO2-、PO43-均未检测出。赛里木湖水中SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量远远大于果子沟河水中的含量。

赛里木湖水中的TDS、矿化度、总硬度含量远远大于果子沟河水中的含量，而游离CO2、H2SiO3含量较小以致未检测出结果。赛里木湖水属于偏碱性，果子沟河水属于弱碱性。赛里木湖水化学类型为SO4·Mg-Na型，果子沟河水化学类型则为HCO3·SO4-Ca·Mg型。

赛里木湖多年来水位及水化学方面变化甚微，主要是由于当地特殊的水文、气象、地质构造等条件导致的结果。湖水的主要补给来源为当地大气降水、周围地表水和基岩裂隙水，且赛里木湖为断陷成因形成，周围发育较多的构造裂隙，加之湖水位置较高，造成湖水沿裂隙大量渗漏，主要表现为发源于湖西面约10 km处的库色木契克河，发源于湖南面的果子沟、乌拉斯溪、阿克苏溪和发源于湖东面的刊吉尕河等，流量都有增大的现象，表明果子沟等河流受湖水渗漏补给的影响。表面上湖水排泄量大于补给量，但实际上目前湖水位变化甚微，矿化度和水化学类型等特征能长期保持稳定，矿化度近50年来维持在2 500～2 900 mg/L(表2)。因此也说明湖水接受了四周基岩裂隙水的补给，补给与排泄基本处于平衡状态。而果子沟河水中的主要化学指标则表现出与赛里木湖截然不同的结果。主要是由于所处的环境不同，包括河水水动力条件较强、与地下水存在较强的相互转化关系、河水流动过程中与周围岩石发生较强的水-岩相互作用等因素共同作用形成的。

表2 1965、1985、2004、2014年赛里木湖主要化学指标

2.2 氢氧稳定同位素特征在赛里木湖边取一组氢氧同位素样品，在距赛里木湖采样点西南方向约25 km处取一组果子沟河水氢氧同位素样品。具体测试结果见表3。由于赛里木湖属于高山湖泊，根据Wang等[11]在研究区附近山区(位于天山北坡，伊宁市以北山区)观测得到的大气降水同位素数据，得到研究区附近山区降水线方程为δD=8.131 6δ18O+10.577，所以将此方程视为当地大气降水线，由此可以看出，当地大气降水线与全球大气降水线(δD=8δ18O+10)非常接近。

结合表3和当地大气降水线方程，发现赛里木湖水样更加靠近当地大气降水线，而果子沟河水样远离当地大气降水线。说明山区的大气降水是赛里木湖的主要补给来源之一，与果子沟河水样相比，赛里木湖水样的δ18O和δD值更加富集，这与赛里木湖水补给来源相对稳定、高山湖泊受到蒸发作用有很大关系。

表3 水样氢氧稳定同位素测试结果

3 讨论

该研究通过野外调查查明赛里木湖周边地质、水文地质条件，采集相关样品并室内测试样品的水化学指标，通过与临近的果子沟河水水化学指标进行对比分析，将赛里木湖水分别在1965、1985、2004年测试结果与此次2014年主要化学指标测试结果进行对比，结果发现，赛里木湖多年来水位及水化学方面变化甚微，主要是由于受水文、气象、地质构造等因素制约形成。赛里木湖水的主要补给来源为当地大气降水、周边的基岩裂隙水及地表水，湖水的矿化度和水化学类型长期保持稳定说明赛里木湖水的补给量与排泄量基本能够维持平衡。该研究首次采集了湖水的氢氧同位素样品并进行了室内分析，发现氢氧同位素靠近当地大气降水线并受到了一定程度的蒸发作用而引起氢氧重同位素的富集。

4 结论

(1)赛里木湖水中的阳离子K+、Na+、Mg2+含量远远大于果子沟河水中的含量，而Ca2+含量却远远小于果子沟河水中的含量，其阴离子SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量远远大于果子沟河水中的含量。并且其主要阴阳离子近50年来保持稳定。

(2)赛里木湖水中的矿化度近50年来维持在2 500～2 900 mg/L，其水化学类型为SO4·Mg-Na型，湖水水质偏碱性。

(3)赛里木湖水氢氧稳定同位素值非常接近当地大气降水线并受到了一定程度的蒸发作用而引起氢氧重同位素的富集，其δ18O值约为-20.63‰，δD值约为-1.51‰。