反向地球化学模拟技术在深层地下水14C年龄校正中的应用——以鄂尔多斯白垩系盆地典型水流路径为例

本文以鄂尔多斯白垩系地下水盆地为例,利用反向水文地球化学模拟技术识别出影响区内深层地下水碳酸演化的主要作用并进行深层地下水14C年龄的校正.结果表明:控制鄂尔多斯白垩系地下水盆地南区深层地下水化学演化的主要反应路径为碳酸盐矿物、伊利石或绿泥石的沉淀反应、长石、石膏矿物等的溶解以及Ca-Na的离子交换;北区为方解石溶解、白云石沉淀的非全等溶解反应、伊利石的沉淀反应、长石的溶解反应以及Ca-Na的离子交换.南区地下水流路径上所发生的水文地球化学反应对路径上14C的浓度变化影响较小而北区影响较大.地下水14C年龄校正结果表明,盆地南区深层地下水14C年龄(22969 a)明显老于北区(3 967 a).     

反向地球化学模拟技术在地下水14C年龄校正中应用的进展与思考

地下水¹⁴C年龄校正一直是地下水年代学研究中的一个热点问题,将反向地球化学路径模型与同位素质量传输模型耦合起来,在综合考虑不同碳源、不同水文地球化学反应对¹⁴C质量传输影响的基础上,提出了一种新的综合性的校正方法,从而使地下水¹⁴C定年技术得到了进一步发展。识别深层地下水演化过程中影响¹⁴C浓度变化的主要因素并定量确定其对地下水¹⁴C浓度的影响程度是地下水¹⁴C校正的精度和可信度的重要考虑因素;在应用水文地球化学路径模拟技术进行地下水¹⁴C年龄校正时,必须要充分考虑地下水补给环境特点以及反向地球化学模拟模型中的非可行解的排除。     

运城盆地地下水同位素年龄特征及其演化过程和可持续利用

通过分析运城盆地地下水的碳同位素组成,结合水化学特征,揭示了盆地深层承压地下水的补给期为22～3 ka BP （现代碳百分比(a¹⁴C) 6~38 pmC）。浅层地下水（71~89 pmC）由现代水或现代水和老水混合组成。深层地下水氢氧同位素组成特征（δ¹⁸O~-10‰; δ²H~-70‰）表明地下老水在气候较冷的环境下受到补给,而浅层地下水的氢氧同位素组成（δ¹⁸O~-8‰; δ²H～-51‰）特征与现代西安降水组成相似。浅层地下水NO^-₃平均含量（31mg/L）比深层地下水（1.8 mg/L）高,硝酸盐的δ¹⁵N－δ¹⁸O_NO3 组成 (0‰～5‰）揭示了硝酸盐的主要来源为综合肥料。此外,浅层地下水的TDS由于蒸散发、矿物溶解,可达8.5 g/L（平均2.0 g/L）,深层地下老水TDS可达1.8 g/L（平均1.1g/L）水质相对较好。研究区目前主要开采深层地下水,受断裂带影响,浅层地下水已经侵入中深层地下水并与之发生混合,严重影响了中深层地下水的水质。如果发生大规模的浅层地下水与中深层地下水混合,会造成中深层地下老水的NO^-₃、TDS等含量越来越高。     

西辽河平原(内蒙古部分)地下水的环境同位素特征

根据2003年西辽河平原（内蒙古部分）地下水、河水及雨水的同位素测试结果,分析了该地区地下水的同位素分布特征及地下水的补排关系;利用浅层地下水³H浓度计算出不同流域的地下水平均年龄,同时利用¹⁴C数据计算出承压水的¹⁴C年龄及其区域流速.     

湛江市深层承压水铁分布和地球化学模拟研究

在广东省湛江市深层承压水开采过程中,在开采区内形成了区域水位降落漏斗。降落漏斗的形成对深层承压水的化学特性产生了一些影响,具体表现为：西部和西北部铁含量低,北部铁含量高,降落漏斗附近铁含量中等。对降落漏斗内深层承压水铁分布进行演化模拟计算,结果表明,降落漏斗内深层承压水的补给可能来自北部高铁承压水、西部和西北部低铁承压水以及浅层承压水。深层承压水由这些地下水混合而成,高铁地下水是主要补给来源。降落漏斗中心区深层承压水的大量人工开采导致其铁含量升高。地下水在向降落漏斗中心区的径流过程中,不但发生了方解石、白云石和赤铁矿的溶解作用以及菱铁矿和水绿矾的沉淀作用,而且发生了Na⁺与Ca²⁺的交换、铁氧化-还原反应等一系列复杂的水-岩作用。     

鄂尔多斯白垩系地下水盆地中深层地下水可更新速率

为了缓解鄂尔多斯能源基地的供水压力和为当地水资源评价、地下水合理开发利用提供依据,研究该区主要供水水源地的白垩系盆地地下水可更新能力。地下水中溶解无机碳的动力行为可以近似认为与地下水相同,因此,地下水系统中¹⁴C的输入、输出浓度可以提供地下水系统可更新能力的重要信息。利用鄂尔多斯白垩系地下水盆地中、深层地下水¹⁴C数据,以地下水更新速率为指标,通过同位素数学物理模型定量评价了盆地中、深层地下水的可更新能力。结果表明：研究区地下水可更新能力随埋藏深度的增大而减弱,中层地下水更新速率多为0.1%/a~1%/a,可更新能力较强;深层地下水更新速率绝大多数都小于0.1%/a,可更新能力较弱;盆地北区地下水可更新能力整体高于盆地南区。     

典型滨海平原区地下水流系统水化学场演化及成因:以杭嘉湖平原为例

滨海平原地区地下水流系统水化学场演化过程复杂,同时受古海侵咸化以及现代人类活动影响,当前对其专门分析的研究较少.以杭嘉湖平原为例,综合运用多元统计和水化学分析方法,对采集的78个深层孔隙承压水样品水化学数据进行解译.研究表明:区内水化学分区可划分为“古海侵区”、“径流排泄区”、“海水咸化区”,水化学类型依次为Na-Cl-HCO₃型、Na-HCO₃和Na-Ca-HCO₃型、Na-Cl型.深层地下水化学成因包括“海水入侵和离子交换”、“天然矿物溶解”、“人类活动”.滨海平原区地下水流系统无明显级次划分,地下水化学场演化先后经历原生淡水形成、古海侵咸化、人为超采和现代海水入侵3个阶段,当前不同程度的“人类活动”已取代自然过程成为驱动区内地下水流系统、尤其是水化学场演化的主要因素.      

湛江市地下水流场演变特征

文章研究了湛江市50年来的地下水流场变化特征，得出以下结论：市区中、深层承压水经过近50年的集中开采．已形成了以人工开采区为中心的区域水位降落漏斗；浅层水一直未作为集中供水水源，未形成区域水位降落漏斗。影响地下水流场变化的因素主要为开采量，其次为地下水的开采方式及水文地质条件。     

某地下核设施场址地下水化学特征及其对水循环的指示意义

在核设施场址筛选和长期性能安全评价中,地下水化学特征是最重要的因素之一.本文采用数理统计、离子比例法、同位素分析法以及水文地球化学模拟等方法,对沿海某核设施场址水化学特征及主要控制因素、地下水补给来源与年龄等进行了分析,并构建了该场址地下水循环演化模式.研究表明：场址地下水中TDS较低,pH值多呈弱酸性;地下水化学类型主要为HCO₃-Na·Ca型和HCO₃-Ca·Na型;水化学组分主要受硅酸盐岩风化作用的控制;地下水主径流路径上以钠长石、钙长石的风化溶解为主;地下水来源于当地大气降水入渗补给,硐室深度范围内地下水¹⁴C表观年龄为2.08～3.60 ka.该场址地下水化学特征及水循环交替条件对于保障该核设施的安全性是有利的.     

华北平原地下水年龄校正

地下水14C年龄一般指地下水和土壤CO2隔绝至今的年代.地下水测年在地下水水文学中占有特殊的位置,地下水测年可以用来确定补给区,估算地下水流速度、流量、补给速率、水力传导系数和有效孔L隙度,而且年龄数据还可以用来完善地下水流模型.本研究选择华北平原为重点研究区,利用地下水中的同位素和化学组分的测试结果,应用水文地球化学及同位素水文学等相关知识,通过六种传统模型和反向质量平衡模型(NETPATH)对华北平原地下水年龄进行校正.根据年龄校正结果,分析了深层地下水的年龄变化特点,确定了水流路径上发生的水文地球化     

河北平原地下水14C年龄新认识

本文对河北平原第四系地下水14C年龄最新的结果进行了分析,得出如下认识:(1)垂向上,地下水的14C年龄随深度的增加而增大,或者沿地下水的流向而增大。但是,在同一孔组中,地下水埋深大于300m时出现了混乱现象。地下水14C年龄不但不增大,反而减小,其原因复杂;(2)水平方向上,第三含水组Q2地下水较老的年龄出现在河北平原中部,大致与子牙河方向一致,而第四含水组Q1地下水较老的年龄则呈北东东方向展布,即沧州—歧口一线分布,可能是地质结构影响所致。     

新疆喀什三角洲地下水流系统的水化学和同位素标记

新疆喀什三角洲地下水“水质型”缺水问题较为突出，开展地下水流系统研究具有实际意义.采用水化学和环境同位素年龄测试法，在对喀什三角洲地下水含水系统划分基础上，对地下水化学和循环更新特征进行了分析研究.结果表明:三角洲含水系统由山前倾斜冲洪积平原潜水、河流冲积平原潜水和河流冲积平原承压水构成.沿地下水流向，水化学类型演化为HCO₃·SO₄-Ca→SO₄-Ca→SO₄·Cl-Mg·Na→SO₄·Cl-Na，TDS增高，水质趋向盐化.山前倾斜冲洪积平原为溶滤-径流区，河流冲积平原为径流-累盐区.研究区地下水更新速率为0.03%~16.35%·a-1，具有山前倾斜冲洪积平原潜水>河流冲积平原潜水>河流冲积平原承压水的特征.利用3H估算得出，山前倾斜冲洪积平原潜水年龄为8~49 a，平均值为29 a；河流冲积平原潜水年龄为14~>50 a，其中上部潜水平均年龄为24 a，下部潜水平均年龄大于50 a.利用14C估算得出，河流冲积平原潜水为476~33 623 a，平均值为8 106 a；河流冲积平原承压水为5 186~34 578 a，平均值为30 043 a，与潜水比为“更古老”的水.综合以上特征得出，喀什三角洲地下水含水系统可以划分为2个更新速率较快的局部水流系统（Ⅰ₁和Ⅰ₂）和一个循环滞缓的区域水流系统（Ⅱ）.      

银川平原承压水氢氧同位素组成与~(14)C年龄分布特征

利用地下水氢氧同位素(2H、3H和18O)和碳同位素(14C)方法,分析银川平原承压水的补给更新能力。在平原区采集承压水氢、氧、碳同位素样品45组,测试其氢氧同位素含量和14C年龄。据测试结果分析,地下水氢、氧、碳环境同位素分布特征存在较好的一致性,揭示了该区承压水的补给、流动的区域规律和局部变化特征。地下水14C测年结果显示,承压水年龄大多介于3000~22290 a之间,同时采用Tamers和Gonfiantinie模型对14C年龄校正进行了对比分析。沿同位素水文地质剖面计算得出:银川以北贺兰山前向平原中部地下水的流动速率为2.22~0.63 m/a,呈现由南向北递减的特征;从青铜峡冲洪积区向平原中部地下水由每年流动十余米减少至2 m。综合分析认为,银川平原承压水流动缓慢,水交替循环时间长,局部与潜水水力联系较密切,在承压水开采区,潜水越流补给量可达45%,适量开采存在一定程度的可更新性。     

北京市永定河流域地下水^14C年龄的初步分析

应用同位素方法初步分析北京郊区永定河流域地下水的演化特点。沿永定河冲洪积扇地下水流动方向布置取样剖面，共有取样点14个，对采集的水样进行^14C和氚含量分析，并确定地下水同位素年龄。浅层孔隙水的^14C年龄的变化范围为730～4900a，深层孔隙水为13420-22480a；^14C年龄在垂直方向上由浅部至深部逐渐增大，最大变化幅度为从3010a增至22480a；浅层孔隙水的氚含量都在14．99～30．56TU之间，深层孔隙水大部分在0．51～4．71TU之间。运用地下水^14C和氚年龄在垂向和水平方向变化的结果，验证了地下水的流向并计算了地下水的流速变化范围为5．02～62．63m／a，从山前至平原浅层地下水径流速度逐渐变小，反映了地下水水平径流强度逐渐减弱，地下水交替逐渐变差，浅层孔隙水以垂向交替为主，深层孔隙水以水平径流为主。     

连云港北部地区高氟地下水分布特征及成因

为研究连云港北部地区地下水氟水文地球化学特征,采集测试了63件地下水样品,分析了高氟地下水的空间分布特征及其形成的水文地球化学过程。结果表明,地下水中氟的质量浓度呈现出随着地下水流动而逐渐升高的变化规律,高氟地下水分布于海湾低平原及平原洼地。HCO_3~-质量浓度高的弱碱性水化学环境是促进氟富集、并增强其从沉积物向地下水中转化的主要因素。高氟地下水的形成是长期地质作用和地球化学演化的结果,矿物溶解-沉淀作用、蒸发浓缩作用、阳离子交替吸附作用是控制地下水中氟富集的主要水文地球化学过程。     

银川平原主要水环境问题及其对策

基于野外调查、取样分析以及遥感影像等,介绍了银川平原水文地质条件及水资源利用概况,探讨了土壤盐渍化、湖泊湿地萎缩、地下水盐化、地下水超采以及土地荒漠化等水环境问题及其演化成因。结果表明：银川平原地下水主要接受渠系渗漏及灌溉入渗、大气降水入渗、平原周边地下侧向径流、洪水散失、黄河水等补给,地下水排泄方式主要是排水沟排泄、蒸发和人工开采等,大部分地区潜水埋深在3 m以内;地表水主要来源于黄河引水,水资源利用效率不高;土壤盐渍化总面积8.17×104hm2,呈逐年缩减的趋势,主要分布于银川平原北部,平原南部仅分布在邵岗东部、灵武东部秦渠和东干渠等;湖泊湿地总体呈逐渐减少趋势,主要分布在银川平原北部,永宁以北、平罗以南区域比较集中,滩涂沿黄河两岸分布;潜水总含盐量自西向东、自南向北不断增大;银川和石嘴山深层地下水超采严重,地下水降落漏斗面积已超过500 km2;沙漠化土地分布在银川平原的东西两侧;土壤盐渍化及地下水盐化主要由潜水位埋深过浅,蒸发强烈造成的。最后,提出了防治上述水环境问题的对策：进一步加强水资源管理以及地表水与地下水联合调配;提高农业水资源利用效率;完善田间工程配套,实现渠道防渗管道化;改进田间灌溉技术;严格污水排放,积极开展污水净化处理,实行污水资源化;加强对水土环境质量的系统监测。     

鲁北平原地下水同位素年龄及可更新能力评价

笔者采用大量的地下水环境同位素数据, 利用天然放射性氚和14C的通用测年技术, 分别估算浅、深层地下水的形成年龄, 评价地下水的可更新能力。研究结果表明, 鲁北平原浅层地下水的主要补给来自当地的大气降水和引黄河灌溉水, 循环速度较快, 循环时间20～50 a, 更新能力较强。深层地下水主要起源于古代大气降水, 是在比现在寒冷的气候条件下由大气降水入渗形成, 循环速度较慢, 循环时间8～20 ka, 更新能力较弱。     

Development of climatic and vegetation conditions and the geochemical and isotopic composition in the Franconian Albvorland aquifer system

The impact of climatic and vegetation conditions over the past 15 Ka on the chemical composition and ¹⁴C dating of groundwater from the Franconian Albvorland aquifer system is discussed. Seven groundwaters over a flow distance of 25.5 km are investigated. Groundwater dating is made by ¹⁴C of dissolved inorganic carbon (DIC) and aqueous fulvic acid as well as ¹⁸O. ¹⁴C dating via fulvic acid gives groundwater ages consistent with climatic and vegetation records and variations in the groundwater composition. No correction for geochemical processes is required, since under these geochemical conditions fulvic acid remains stable over this time period and flow-distance. On the other hand, ¹⁴C dating via DIC requires correction of the ¹⁴C value due to perturbation by different geochemical processes. Up to a groundwater flow distance of approximately 17 km and an age of about 10 Ka, the ¹⁴C dating by DIC shows considerable dependence on the ¹⁴C-correction model applied. Beyond this groundwater age, ¹⁴C-DIC dating results in an overestimation by two to three ¹⁴C half-lives (T_1/2=5730 a). This deviation may result from different groundwater recharge conditions at the end of the past glaciation and geochemical processes acting on DIC that cannot be adequately characterized. The present study has implications for humic substance mediated transport of pollutants in natural aquatic systems over long time periods.