探秘地球 | 透视地下蕴藏的水信息

　　——追踪溯源华北平原地下水

　　◎  陈  江

　　华北平原有世界上面积最大的地下水漏斗区，其中在河北省就有127个县（市、区）处于地下水超采范围内，而在20世纪60年代，地下水位还处于天然状态。由于社会经济对地下水需求的持续增大，到21世纪初，华北平原地下水开采量比可开采量多出70亿立方米，深层地下水位下降了约60米。为了治理日益严峻的超采问题，恢复地下水原有的资源生态环境功能，国家通过开展“节、引、调、补、蓄、管”等措施，开启了地下水超采综合治理行动。截至2022年底，仅河北省已经累计调水163亿多立方米。面对这些复杂变化的资源环境现状，亟需开展地下水信息获取，跟踪地下水的渗透路径，弄清华北平原地下水是如何循环演化的。

　　早在20世纪90年代，中国地质科学院水文地质环境地质研究所张宗祜院士就指出，华北平原第四系地下水系统是统一连续的地下水流系统，山前平原、中部平原和滨海平原的地下水既有各自区域特征，又有紧密的相互联系。在地下水循环研究中，同位素方法可以从整体上对地下水流系统的年龄和水岩交互过程进行分析，可以对地下水追踪溯源，具有高分辨率和直观的优势。

　　同位素定年方法是利用放射性衰变原理来计算地表水进入封闭地下环境的时间，可以反映水在地下的补给径流排泄规律；稳定同位素有同位素分馏和季节效应，在不同体系中分布的比例存在差异，因此可以用来示踪地下水的混合过程和水岩交互作用。目前，地下水循环研究中常用的同位素包括碳、氢、氧、硫、氮等。随着测试技术的发展，非传统同位素的应用也越来越多，如金属同位素、惰性气体同位素等，显著提高了地下水定年范围和应用领域。在金属稳定同位素中，镁是主要的造岩元素，易在风化过程中以镁离子的形式进入水体，且镁元素迁移行为简单、参与地球化学行为广，有望在地下水科学研究中发挥重要作用。

　　通过对不同含水层和空间位置地下水的碳14同位素、氚同位素定年和氢氧同位素组成进行综合分析，显示华北平原总体上表现为浅层地下水接受大气降水、河渠回灌等垂向补给，深部地下水既接受侧向径流补给，也存在越流补给。从山前平原区到东部滨海区，深部地下水更新速率缓慢，揭示了深层地下水几乎具有不可更新的资源属性。

　　山前平原区位于冲洪积扇边缘，地下水位埋深在40-70米，主要可采资源为浅层地下水。利用15米-280米开采井中地下水氮、氧同位素组成和氚含量进行污染源识别和水循环分析，显示地表水渗透影响深度在150米范围内，与污染物分布深度基本一致，污染来源主要为化肥和污水排放。通过氚和碳同位素方法计算的区域地下水流动速率为5米/年，地下水年更新速率最大为33%，反映了山前浅层地下水交换速率较快，污染物的自然衰减时间也更短，开发利用地下水的影响相对较小。

　　中部平原区多分布古河道，含水层岩性为砂土、黏土互层，颗粒组成由西向东逐渐变细，属于多层含水层结构。在垂向剖面上，深部地下水年龄与埋深呈正比关系，200至600米深开采井地下水的碳14定年显示，同位素年龄在0-3.5万年之间，地下水流动速率为0.8-1.0米/年，深层地下水存在有不同的局部水流系统，受到了山前平原地下水的补给。氢氧同位素空间分布特征表明，中部平原相对山前和滨海地区浅层地下水富集了更轻的同位素。在衡水，40米埋深以上的地下水氢氧同位素值分布与降水线平行，此深度以上的土壤水受到大气降水的直接补给；下部的地下水氢氧同位素值偏离大气降水线趋势，补给来源与上部存在差异，水力联系明显减弱，可确定该深度为浅层水循环影响的深度。由于该区域深层地下水更新速率较慢，咸淡水界面存在下移趋势，开发利用地下水需要充分评估水位恢复和地质环境效应问题。

　　滨海平原地区地下水资源量相对较少，且上部多为咸水，因此深部地下淡水是主要开采水源。通过对沧州地区深部岩心的镁同位素组成进行分析，发现镁同位素分馏与地下水循环过程有直接关联，地下水更新速率和水岩交互作用是镁同位素分馏的主要影响因素。含水率较高的粉细砂层中同位素组成相对偏轻，而影响分馏的因素除了岩层沉积条件外，主要受到地下水补给的影响。在500米-800米深度上，镁同位素组成相对于海洋水平均值更轻，泥岩、砂岩中的镁同位素组成在空间上差异相对较小，而在粉细砂层中差异相对要大，且在空间分布上与深度不存在线性关系，但与钠离子浓度呈较为显著的正相关关系，钠离子浓度的增大会伴随着重的镁同位素富集。由于深部环境下原生矿物的溶解较少，黏土矿物含量是影响离子交换量的重要因素，进而能够影响金属同位素分馏。由此，镁同位素的组成间接反映了滨海平原区深部地下水的循环过程、岩性空间分布规律和水化学演化特征，对开发利用深部地下水和生态环境治理具有科学价值。

　　为分析深部地下水的更新强度，利用激光原子阱痕量分析（ATTA）技术对深层水中氪81做了测定，估算地下水年龄接近一百万年，地下水流动速率0.2米/年，相对人类利用的时间尺度，滨海地区的深层地下水几乎不可更新，所以保护深层地下水资源是减少滨海地区地质环境灾害的必由之路。

　　同位素方法在地下水循环演化研究方面的应用虽然还存在一些问题，如精度不够高、不同类型同位素定年存在差异等，但随着测试技术和理论的发展，同位素技术应用将在透视地下水循环领域发挥更大的作用，为复杂环境下水资源科学管理提供有力支撑。

　　（作者单位：中国地质科学院水文地质环境地质研究所）