鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區(qū)循環(huán)深度研究

鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區(qū)循環(huán)深度研究

地下水循環(huán)深度是地下水循環(huán)研究的內(nèi)容之一，它反映了地下水的一般特征，在一定程度上反映了地下水的可再生能力。一般說來,地下水循環(huán)深度大,表明地下水資源可更新能力較強(qiáng),可開發(fā)利用程度高。在制定地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃及進(jìn)行地下水資源管理時(shí),需要了解當(dāng)?shù)氐叵滤目筛履芰?而確定地下水循環(huán)深度便是一個(gè)很好的途徑。目前,用于研究地下水循環(huán)深度的方法主要有地下水動(dòng)力學(xué)法和利用同位素的標(biāo)志性和記時(shí)性的同位素水文地質(zhì)學(xué)方法。由于地下水動(dòng)力學(xué)方法需要地下水位及含水層參數(shù)等資料較多,因此在一些人類活動(dòng)較少、基礎(chǔ)資料貧乏的地區(qū)不太適用。在過去的幾十年里,同位素水文地質(zhì)學(xué)方法已被廣泛地應(yīng)用于水體的起源、年齡和徑流途徑的研究。氫、氧是組成水的元素,可以直接反映地下水的循環(huán)過程,從而成為水循環(huán)的理想示蹤劑。其中,氫的放射性同位素氚(3H),因20世紀(jì)60年代全球范圍內(nèi)進(jìn)行的大規(guī)模核爆試驗(yàn)、具備放射性和與水經(jīng)歷相同的演化過程而成為淺層地下水研究的理想示蹤劑。大氣中的CFCs濃度自20世紀(jì)40年代開始逐漸提高,至90年代逐漸達(dá)到平衡,成為近年來測(cè)定年齡在50年以內(nèi)的地下水的重要同位素方法。因此,結(jié)合水文地質(zhì)條件合理地分析水體環(huán)境同位素特征,可以確定出地下水的循環(huán)深度。鄂爾多斯盆地內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源,但水資源嚴(yán)重短缺,成為阻礙區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源基地建設(shè)的重要因素。水資源短缺的現(xiàn)狀要求了解當(dāng)?shù)氐牡叵滤h(huán)條件,確定現(xiàn)代水的循環(huán)深度,從而找出合理的開發(fā)利用層位,以指導(dǎo)地下水的開發(fā)與管理。1白堊系地下水帶鄂爾多斯白堊系地下水盆地位于黃河中游地區(qū),面積約為13.21萬km2,地跨陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古4省(區(qū))。白堊系含水層自下而上可以分為洛河含水巖組、環(huán)河含水巖組和羅漢洞含水巖組、上覆新生界含水巖組。受氣候條件限制,盆地內(nèi)降水及蒸發(fā)分布不均,降水量從東南向西北逐漸遞減、蒸發(fā)則越來越強(qiáng)烈。大致以白于山為界,可以將盆地分為北區(qū)南部黃土高原坳陷盆地和北部沙漠高原坳陷盆地2個(gè)具有不同地形地貌特征的地下水系統(tǒng)。1.1第四系黃土含水層南部黃土高原坳陷盆地內(nèi)水系發(fā)育、溝谷深切,除河谷地帶外,白堊系地層普遍覆蓋30～120m厚的第四系黃土和古近系泥巖。白堊系含水層系統(tǒng)中泥質(zhì)含量較高,沉積韻律清楚,地層分層明顯。在環(huán)河組頂部和底部分別分布有厚20～160m的泥巖,共同構(gòu)成了該亞系統(tǒng)區(qū)域性隔水層,從而將白堊系含水層系統(tǒng)分隔為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水巖組,自下而上依次為洛河含水巖組、環(huán)河含水巖組和羅漢洞含水巖組:①洛河組含水介質(zhì)為沙漠相的中細(xì)砂巖,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率較高且連通性比較好,地下水賦存條件優(yōu)越,為盆地南部的主要含水層。②環(huán)河組含水介質(zhì)以湖相泥巖為主體,間夾砂巖和膏鹽層,含水介質(zhì)致密,泥質(zhì)含量高,地下水賦存條件較差,常構(gòu)成區(qū)域上的隔水層或弱含水層,水交替滯緩。③羅漢洞含水巖組由沙漠相砂巖構(gòu)成,分布范圍較小,受后期侵蝕改造,其厚度變化很大。第四系黃土含水層分布十分零散,與白堊系地下水無直接的水力聯(lián)系,僅在黃土含水層連續(xù)分布的黃土塬區(qū)具有一定開采價(jià)值。白堊系地下水主要接受上游地表水線狀補(bǔ)給和西南邊界的六盤山側(cè)向補(bǔ)給,從盆地的周邊向侵蝕基準(zhǔn)面(涇河和洛河河谷)方向匯集排泄,具有較典型的承壓水盆地的特征。1.2地下水流系統(tǒng)濕地水系統(tǒng)資北部沙漠高原坳陷盆地氣候干旱、沙漠廣布、河流稀少、地形起伏不大,白堊系地層和第四系風(fēng)積沙構(gòu)成含水層的主體。含水層系統(tǒng)以白堊系河流相的砂巖和礫巖為主,巖石呈半膠結(jié)狀態(tài),結(jié)構(gòu)疏松,巖性單一,孔隙發(fā)育,泥質(zhì)含量較少,沉積韻律不明顯。在區(qū)域上沒有連續(xù)穩(wěn)定的隔水層,總體上構(gòu)成大厚度的單一含水層亞系統(tǒng),總體透水能力較強(qiáng)并由上向下逐漸變?nèi)?。第四系不連續(xù)沉積在下伏地層之上,為高原型不連續(xù)的孔隙潛水含水層。地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給源,流向受地表水文系統(tǒng)控制,由地形較高的地表分水嶺向盆地周邊的都思兔河、摩林河、無定河和烏蘭木倫河等水文系統(tǒng)匯集,以蒸發(fā)和向地表水系統(tǒng)匯集為排泄方式。受含水巖組間缺乏穩(wěn)定連續(xù)隔水層的影響,各含水巖組間垂向水力聯(lián)系密切。2樣品的采集和分析本次研究工作利用了大量的同位素?cái)?shù)據(jù),既有收集到的前人研究成果和資料,也有近期工作中采集到的同位素?cái)?shù)據(jù)。測(cè)試單位多為國內(nèi)單位,部分樣品由IAEA組織幫助測(cè)試。樣品采集前,先抽水一定時(shí)間,以排除井管中積水的影響。D、18O、3H取樣量均為1000mL,分別存放于洗凈的玻璃瓶或新聚氯乙烯采樣瓶(桶)中。利用IRMS測(cè)定地下水的δD、δ18O,利用低本底液閃儀測(cè)定地下水中的3H。Sr樣品采集時(shí),通過0.45μm孔徑多孔濾膜過濾,陽離子測(cè)試樣品,用HCl酸化至pH=2左右,樣品保存在聚丙烯瓶中。采用AAS分析方法測(cè)試水樣中Sr含量;經(jīng)過離子交換分離程序后,利用多接收器質(zhì)譜儀FinuiganMAT262V分析87Sr/86Sr值。Sr的所有分析工作均在維也納IAEA實(shí)驗(yàn)室完成。3穩(wěn)定單位數(shù)在地下水中的分布特征3.1地下水位類型和同位素組成變化盆地南區(qū)地下水的δ18O和δD在垂向上具有明顯的分層特點(diǎn)?？傮w表現(xiàn)為隨地下水埋藏深度的增大,地下水的δ18O和δD值逐漸偏負(fù),指示著盆地南區(qū)各含水巖組間地下水垂向水力聯(lián)系較弱。盆地北區(qū)地下水的δ18O和δD在垂向上總體表現(xiàn)出均一性的特點(diǎn)。在0～200m深度范圍內(nèi),δ18O和δD值逐漸偏負(fù)且不穩(wěn)定,顯示其補(bǔ)給源的同位素組成變化比較快,應(yīng)該是受現(xiàn)代降水影響較為強(qiáng)烈的積極循環(huán)帶。200m埋深以下,同位素?zé)o明顯分層,表現(xiàn)出均一性的特點(diǎn),指示著盆地北區(qū)各含水巖組之間地下水垂向水力聯(lián)系比較密切。3.2b4孔周邊地下水中總應(yīng)力量表n從圖1可以看出,在236m深度附近的地下水中,Sr和87Sr/86Sr表現(xiàn)出完全相反的相關(guān)關(guān)系。一般說來,水流交替越強(qiáng)烈,則Sr的濃度越低,主要由硅酸鹽礦物組成的表層土壤物質(zhì)在化學(xué)風(fēng)化過程中釋放的Sr往往具有較高的87Sr/86Sr值,大多為0.716～0.720。B14孔附近地表主要為第四紀(jì)風(fēng)積沙,硅酸鹽含量較高,因此風(fēng)化物及經(jīng)過的水流中87Sr/86Sr值也較高;又因?yàn)榈叵滤惶鎻?qiáng)烈,所以地下水溶濾含水層中的鹽分比較多,殘留在含水層中的鹽分相對(duì)減少。因此,出現(xiàn)了淺層地下水中低Sr濃度、高87Sr/86Sr值的現(xiàn)象。地下水中Sr濃度隨深度逐漸增加,而87Sr/86Sr值卻逐漸減小,二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這主要是沿途低87Sr/86Sr值的鍶加入的緣故。隨著深度的加大,在236m以下地層中偶夾泥巖,滲透性能相對(duì)減小,87Sr/86Sr也相對(duì)較高,出現(xiàn)了隨徑流路徑的延長以及靠近泥巖地層越近Sr濃度越大的現(xiàn)象。根據(jù)楊鄖城等的分析結(jié)果,在300～400m深處存在側(cè)向排泄帶,也可以證明排泄帶以上為垂向積極循環(huán)帶的認(rèn)識(shí)是正確的。3.3地下水循環(huán)路徑利用CFCs測(cè)試濃度,可以分析確定南北兩區(qū)淺層地下水的年齡。據(jù)文獻(xiàn)可以知道,多數(shù)樣品采樣深度都不超過200m,甚至只有50m,屬地下水盆地局部循環(huán)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,地下水普遍接受現(xiàn)代水補(bǔ)給,循環(huán)路徑短、深度淺,地下水的年齡大都在19～27a。與南區(qū)相比,北區(qū)淺層地下水循環(huán)深度更大,地下水交替更強(qiáng)烈。4地下水水循環(huán)根據(jù)采樣點(diǎn)氚濃度和取樣深度,得到盆地南北兩區(qū)濃度與深度之間的關(guān)系(見圖2、圖3)。可以看出,沙漠高原坳陷盆地核爆炸試驗(yàn)以后形成的地下水(氚濃度大于測(cè)試精度)采樣點(diǎn)多數(shù)分布于深度小于210m的含水層中,表明其為現(xiàn)代水積極循環(huán)帶;當(dāng)深度大于210m時(shí),地下水氚濃度多數(shù)小于測(cè)試精度,水循環(huán)速度變慢。部分采樣深度小于210m的采樣點(diǎn)的氚濃度低于測(cè)試精度,主要是其位于中深層水的排泄區(qū),所采集樣品中古水所占比例較大而現(xiàn)代補(bǔ)給水比例較小造成的。南部黃土高原坳陷盆地與北區(qū)類似,但現(xiàn)代水的循環(huán)深度則要比沙漠高原坳陷盆地稍淺一些,僅達(dá)到160m。從圖2、圖3中均可以發(fā)現(xiàn)在深度大于現(xiàn)代水循環(huán)深度以下的含水層中,也有部分樣品(主要為洛河組樣品)的濃度較大。這可能是采樣或測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤或誤差所引起的。根據(jù)以上方法由氚所確定的深度(北區(qū)210m、南區(qū)160m),將盆地內(nèi)地下水分為淺層地下水和中深層地下水。盆地南北兩區(qū)淺層地下水氚濃度平均為8.33TU和6.17TU,多數(shù)樣品都大于氚的測(cè)試精度(5TU),反映其為現(xiàn)代水補(bǔ)給;而中深層地下水則以貧氚為特征,氚濃度小于測(cè)試精度,反映其為地質(zhì)歷史時(shí)期補(bǔ)給。5地下水循環(huán)路徑、徑流、循環(huán)深度、年齡分布特點(diǎn)在對(duì)研究區(qū)內(nèi)同位素資料整理分析的基礎(chǔ)上,確定鄂爾多斯白堊系地下