蒲俊兵

中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

重慶巖溶地下水氫氧穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征

蒲俊兵

中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

重慶地區(qū)分布有380條巖溶地下河, 是重慶市重要的水資源。為掌握巖溶地下河水穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義, 研究了重慶市不同地區(qū)51條地下河水體的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征。研究表明, 重慶市巖溶地下河旱、雨季δ18O、δD值均沿大氣降水線分布, 表明地下河水均起源于大氣降水。受雨季降水云團(tuán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律(環(huán)流效應(yīng))和區(qū)域地形的影響, 地下河水δ18O、δD值雨季表現(xiàn)出渝東北地區(qū)(渝西地區(qū), 渝東地區(qū))＜渝東南地區(qū)的明顯區(qū)域分布規(guī)律(“＜”表示偏負(fù)于), 旱季由于地下河水在含水層中運(yùn)動(dòng)較慢, δ18O、δD值的區(qū)域性規(guī)律不明顯, 且由于具有較雨季長的滯留時(shí)間, 導(dǎo)致其d-excess值明顯小于雨季。利用巖溶地下水δ18O值和區(qū)域高程建立了二者之間的二元回歸模型, 揭示了重慶巖溶地下河水旱季δ18O值隨高度的變化率為–0.34‰/100 m, 雨季為–0.31‰/100 m, 這對于區(qū)域水循環(huán)研究具有重要意義。

巖溶地下河; 地下水; 穩(wěn)定同位素; 重慶

水文地質(zhì)學(xué)研究中最常用的環(huán)境穩(wěn)定同位素主要是δ18O、δD(Criss et al, 2007)。δ18O、δD本身就是水分子中的一部分, 在低溫低壓的淺層地下水中它們的行為較為保守, 因此被廣泛用于示蹤“四水”循環(huán)過程(劉鋒等, 2008; 翟遠(yuǎn)征等, 2011)。國內(nèi)外針對區(qū)域表層巖溶地下水開展同位素水文地球化學(xué)的研究工作較多, 主要用于解釋巖溶含水層中地下水的運(yùn)動(dòng)過程及來源(Vandenschrick et al., 2002; Cruz Jr et al., 2005; Li et al., 2007; Schwarz et al., 2009; Ai-charideh, 2011; 尹觀等, 2000; 馬致遠(yuǎn), 2006)。由于石筍中沉積物δ18O作為研究過去全球變化的重要代用指標(biāo), 部分研究工作集中于利用δ18O研究洞穴滴水在表層巖溶帶及洞穴環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)變化過程并揭示它所包含的外部環(huán)境信息及變化過程(Bradley et al., 2010; Wackerbarth et al., 2010;李彬等, 2000; 羅維均等, 2008)。另一方面, 一些研究工作也集中于利用δ18O、δD同位素技術(shù)研究流域巖溶水的區(qū)域分布規(guī)律(Murad et al., 2011; Yin et al., 2011)。對我國西南巖溶地下河的水資源形成條件、循環(huán)過程、水質(zhì)演變等的研究也得到了眾多研究者的關(guān)注, 取得了豐碩成果(蒲俊兵等, 2009, 2010; 郭芳等, 2002; 何師意等, 2006; Guo et al., 2007; 白占國等, 1998)。但目前的研究工作主要集中于某一特定的巖溶地下水流域, 并在研究中對巖溶地下水水化學(xué)的形成及影響因素的研究關(guān)注較多, 對地下河穩(wěn)定同位素特征和區(qū)域演變規(guī)律的研究較為薄弱。因此, 本文旨在利用巖溶地下河δ18O、δD同位素?cái)?shù)據(jù), 揭示區(qū)域性的巖溶地下河穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征及區(qū)域演變規(guī)律, 為巖溶地下河的水資源保護(hù)和開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

重慶市位于中國西南部, 長江上游、四川盆地東沿山地地區(qū), 幅員面積約8.24萬km2, 屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。重慶市巖溶區(qū)面積分布約3.0萬km2, 占全市總面積的36.49%, 主要分布在渝東北的大巴山地區(qū)和渝東南的巫山—大婁山地區(qū),其次是在中西部平行嶺谷區(qū)的背斜軸部, 主要出露寒武系、奧陶系、二疊系及三疊系碳酸鹽巖, 年代古老, 巖性致密堅(jiān)硬。經(jīng)統(tǒng)計(jì), 重慶地區(qū)有巖溶地下河約380條, 總長度約為1898.43 km, 多年平均流量約144.20 m3/s(蒲俊兵等, 2009), 是我國西南巖溶地下水資源的重要組成部分, 但其巖溶地下河的同位素地球化學(xué)工作開展得非常少, 區(qū)域覆蓋面較小,這對于掌握重慶3.0萬km2巖溶區(qū)地下水資源同位素地球化學(xué)特征, 研究地下水中的物質(zhì)來源以及對巖溶地下水資源的保護(hù)十分不利。本文利用重慶地區(qū)巖溶地下河δ18O、δD同位素?cái)?shù)據(jù), 揭示該區(qū)域巖溶地下河的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征、區(qū)域分布規(guī)律及其環(huán)境意義, 為重慶合理開發(fā)利用地下河水資源提供科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1 樣品采集與分析方法

圖1 地下河采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Location of sampling sites

為綜合反映重慶地區(qū)巖溶地下河的水文地球化學(xué)特征, 在51條地下河的出口進(jìn)行旱、雨季采樣。采樣工作集中在2009年1—2月(旱季)和7—9月(雨季)進(jìn)行。

將用于δ18O、δD分析的水樣裝進(jìn)在1:1的HNO3溶液中浸泡過24 h和用Millpore超純水(電阻為18.2 M?/cm)清洗過的10 mL的離心管中。取樣時(shí)用樣品水潤洗3～4次, 然后在水下裝滿水樣, 離心管內(nèi)不得留氣泡。δ18O樣品測試在西南大學(xué)地球化學(xué)與同位素實(shí)驗(yàn)室完成, 儀器為Gas BenchⅡ連

接Delta V Plus氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀。δ18O值以V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)給出。樣品分析精度＜0.2‰。δD測試是在國土資源部巖溶地質(zhì)與資源環(huán)境測試中心測試室用連有Gas Bench Ⅱ裝置的MAT-253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定。δD值以V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)給出。分析誤差＜2‰。

表1 采樣點(diǎn)δ18O、δD值(δ18O、δD單位: V-SMOW)Table 1 δ18O and δD of sampling sites, Chongqing(δ18O、δD unit: V-SMOW)

2 地下河δ18O、δD基本特征

旱季地下河δ18O變化范圍為–10.48‰ ～ –5.01‰,加權(quán)平均值為–7.70‰; 雨季地下河δ18O變化范圍為–9.73‰ ～ –4.34‰, 加權(quán)平均值為–7.32‰。旱季地下河δD變化范圍為–73.8‰ ～ –32.6‰, 加權(quán)平均值為–52.6‰; 雨季地下河δD變化范圍為–69.6‰ ～–20.1‰, 加權(quán)平均值為–48.1‰。旱、雨季δ18O、δD值的變化范圍較大, 具有較為明顯的時(shí)空差異。地下河δ18O、δD值的變化范圍同重慶市降水δ18O、δD值的變化范圍比較起來看, 雖然其變化幅度大, 但小于重慶市降水δ18O、δD值變化幅度(重慶市降水δ18O為–15.82‰～4.56‰, δD為–112.27‰ ～25.04‰)(李廷勇等, 2010)。圖2為重慶地區(qū)地下河的δ18O-δD關(guān)系。圖中全球大氣降水線(GMWL)采用IAEA的全球大氣降水同位素方程(δD=8.13δ18O+10.8)建立, 區(qū)域大氣降水線采用李廷勇等(2010)建立的重慶市大氣降水方程(CLMWL, δD=8.73δ18O+15.73)。圖2中旱、雨季地下河δ18O、δD值均沿大氣降水線分布, 表明地下河水均起源于大氣降水。

圖2中全部地下河δ18O、δD值所形成的線性方程(SS), 雨季為δD=8.10δ18O+11.27(R2=0.74), 旱季為δD=7.08δ18O+2.02(R2=0.92), 均沿大氣降水線分布, 再次表明重慶市地下河水均來源于大氣降水補(bǔ)給。雨季SS線性方程的斜率和截距非常接近GMWL和CLMWL方程的截距和斜率, 表明雨季大部分地下河水是直接接受降水的快速補(bǔ)給(Marfia et al., 2004; Azzaz et al., 2008), 補(bǔ)給水體基本未發(fā)生明顯的蒸發(fā)或發(fā)生蒸發(fā)作用強(qiáng)度較低(Dotsika et al., 2010), 這和巖溶含水層具有較高的水力聯(lián)系, 地表裂隙、孔隙發(fā)育, 雨季降水多通過落水洞、豎井、漏斗等巖溶形態(tài)直接補(bǔ)給地下河, 地下河又快速響應(yīng)外界降雨的巖溶水文地質(zhì)特征一致。旱季SS線性方程的斜率和截距同GMWL和CLMWL方程的截距和斜率差異明顯。主要是由于旱季降雨較少, 地下河系統(tǒng)多受儲(chǔ)存在巖溶裂隙、孔隙中的地下水體補(bǔ)給(來自存儲(chǔ)在含水層中較長時(shí)間的雨季降水),且旱季地下水在巖溶含水層中的運(yùn)動(dòng)較雨季慢, 因此在巖溶含水層中水-巖-氣作用時(shí)間較長, 造成回歸方程斜率和截距偏離大氣降水的初始值。

3 地下河δ18O、δD區(qū)域分布

根據(jù)重慶市的自然地理?xiàng)l件, 重慶市可分為渝東南、渝東、渝西、渝東北四個(gè)地區(qū)。圖3顯示了不同區(qū)域地下河δ18O、δD的分布范圍。雨季地下河δ18O、δD表現(xiàn)出渝東北地區(qū)＜(渝西地區(qū), 渝東地區(qū))＜渝東南地區(qū)(“＜”表示偏負(fù)于)的區(qū)域規(guī)律(圖3a), 由于重慶巖溶地下河水來源于大氣降水補(bǔ)給,因此這一區(qū)域規(guī)律可能和雨季降水氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)。將不同區(qū)域雨季地下河δ18O、δD值建立線性關(guān)系, 其與CLMWL線的相交點(diǎn)δ18O、δD值為降水補(bǔ)給地下水時(shí)的δ18O和δD濃度。雨季計(jì)算的值分別為渝東南地區(qū): δ18O= –6.49‰, δD= –41.0‰, 渝東地區(qū)δ18O= –9.17‰, δD= –64.3‰, 渝東北地區(qū)δ18O=–8.84‰, δD= –61.4‰。渝西地區(qū)由于只有兩個(gè)樣品點(diǎn), 用其地下河同位素值代表當(dāng)?shù)亟邓a(bǔ)給時(shí)的δ18O和δD濃度, 分別為δ18O= –8.77‰, δD= –59.0‰和δ18O= –7.42‰, δD= –53.8‰。上述計(jì)算值也明顯顯示出渝東北地區(qū)＜(渝西地區(qū), 渝東地區(qū))＜渝東南地區(qū)(“＜”表示偏負(fù)于)的區(qū)域規(guī)律。圖4顯示了我國夏季1951—1999年的大氣的水汽輸送路徑, 重慶地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候, 雨季降水受到南亞、東亞季風(fēng)的影響, 降水云團(tuán)多從南向北運(yùn)動(dòng)(圖4)(陳忠等, 2004; 張建龍等, 2008)且重慶東北部為大巴山區(qū)平均海拔較渝東南、渝西地區(qū)高, 隨降水云團(tuán)的向北運(yùn)動(dòng)(低緯度向高緯度)和區(qū)域海拔的不斷升高導(dǎo)致北部降水δ18O、δD值偏輕(Faure, 1986;柳鑒容等, 2009; 劉忠方等, 2009), 雨季地下河水又受到降水的直接快速補(bǔ)給, 進(jìn)而導(dǎo)致地下河水δ18O、δD值相應(yīng)偏輕。渝西地區(qū)和渝東地區(qū)地理位置位于中部, 因此δ18O、δD值也處于中部。

旱季由于地下河水在含水層中運(yùn)動(dòng)較慢, 可發(fā)生一定的水-巖-氣作用, 使得δ18O、δD值的區(qū)域性規(guī)律不明顯(圖3b)。不同區(qū)域旱季地下河δ18O、δD值線性關(guān)系與CLMWL線的相交點(diǎn)計(jì)算值分別為渝東南地區(qū): δ18O= –8.09‰, δD= –54.9‰, 渝東地區(qū)δ18O= –7.55‰, δD= –50.2‰, 渝東北地區(qū)δ18O=–8.64‰, δD= –59.7‰, 其區(qū)域規(guī)律并不明顯。

4 關(guān)于巖溶地下水中的氘盈余(d-excess)值

氘盈余(d-excess)(d=δD-8δ18O)反映了全球大氣降水在蒸發(fā)-凝結(jié)過程中的同位素分餾程度(Dansgaard, 1964; Marfia et al., 2004)。一個(gè)地區(qū)的大氣降水同位素組成常隨時(shí)間、空間而變化, 但當(dāng)某一地區(qū)的大氣降水方程建立以后, 它的d-excess總是恒定在一個(gè)很小的區(qū)間范圍內(nèi), 且不受季節(jié)、高度等環(huán)境因素的影響(Friedman et al., 1992; Smith et al., 1992), 這是大氣降水d-excess值的一個(gè)重要的特性, 也是水文地質(zhì)學(xué)研究中利用d-excess指標(biāo)的一個(gè)重要因素。在水文地質(zhì)學(xué)研究中, 由大氣降水補(bǔ)給的地下水, 它的氘盈余(d-excess值)的初始值是當(dāng)?shù)卮髿饨邓鄳?yīng)的值。當(dāng)大氣降水在進(jìn)入到含水層的過程中以及在其中運(yùn)動(dòng)后, 水-巖作用使水與含水介質(zhì)發(fā)生同位素交換。一般情況下, 巖石或地層中氫的化學(xué)組分的含量很低, 不足以明顯影響水的δD值, 但是水-巖的氧同位素交換可以導(dǎo)致水體富含δ18O(尹觀等, 2001, 2009), 使得地下水相對于當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓甦-excess值, 有降低的趨勢。地下水d-excess值實(shí)際上是某一區(qū)域范圍內(nèi)水-巖氧同位素交換程度的總體反映, 也是衡量其交換程度的一個(gè)指標(biāo), d-excess值的變化實(shí)際上是地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)間的函數(shù)(尹觀等, 2001, 2009)。

圖2 重慶地區(qū)地下河δ18O-δD分布圖(SS為地下河δ18O、δD的線性方程)Fig. 2 Crossplot of δ18O versus δD value of subterranean stream, Chongqing (SS: the line regression equation of δD-δ18O of subterranean stream)

圖3 重慶地區(qū)地下河δ18O、δD值的區(qū)域分布Fig.3 Regional distribution of δ18O and δD of subterranean stream, Chongqing

圖4 1951—1999年整層垂直大氣積分的平均夏季水汽輸送(Zhou et al., 2005)Fig. 4 Vertically integrated climate mean (1951—1999 average) summer water vapor transport (after Zhou et al., 2005)

為便于對重慶市地下河d-excess值特征的探討,將圖2中的全球大氣降水線方程(GMWL)換成Craig的全球大氣降水方程δD=8δ18O+10(Craig, 1961), 其d-excess值為10‰, 然后根據(jù)Dansgaard (1964)方程將d= –20‰, d= –10‰, d=0‰, d=10‰, d=20‰等分別繪在圖中(圖5), 其中d=10‰線和Craig大氣降水線重合。圖5顯示重慶地區(qū)地下河旱、雨季幾乎都位于0‰～20‰的d-excess值范圍內(nèi)。根據(jù)Dansgaard(1964)方程計(jì)算, 重慶地區(qū)巖溶地下河雨季為2.03‰～34.24‰, 加權(quán)平均值為10.51‰; 旱季d-excess值為1.62‰～18.28‰, 加權(quán)平均值為9.04‰。根據(jù)李廷勇等(2010)研究得出的重慶市雨季(夏季風(fēng)影響區(qū))d-excess值為–3‰～15‰, 平均為5.26‰, 旱季15‰～30‰, 平均為18.23‰。Deshpande等(2003)提出季風(fēng)區(qū)若地下水d-excess值位于雨季降水和旱季降水d-excess平均值之間, 則表明地下水繼承了降水的基本特征。重慶市地下河水旱、雨季絕大部分d-excess值均位于5.26‰～18.23‰之間, 再次表明它們繼承了大氣降水的基本特征(圖5)。但地下河旱季d-excess加權(quán)平均值小于雨季, 而降水旱季d-excess平均值高于雨季, 產(chǎn)生這種差異的原因主要和巖溶地下水在含水層中的滯留時(shí)間有關(guān), 滯留時(shí)間越長, 其d-excess值明顯減小(尹觀等, 2001, 2009; 晁念英等, 2004)。

5 地下河水δ18O值的高度變化趨勢

從理論上講, 在同一個(gè)地區(qū), 源于大氣降水補(bǔ)給的相同或相近海拔高度的水體其δ18O應(yīng)該具有相同的值, 其δ18O值的高度梯度反應(yīng)了降水的高度梯度, 但是由于地下水長期的水-巖-氣作用及不同來源水的混合, 常導(dǎo)致δ18O改變而不同于補(bǔ)給水體的初始值, 使得區(qū)域地下水(泉, 井)的δ18O值高程趨勢不明顯(Clark et al., 1997)。通過d-excess值揭示的重慶地區(qū)巖溶地下河從補(bǔ)給到排泄具有快速的運(yùn)動(dòng)過程, 這樣地下河水δ18O值可能表現(xiàn)出高程變化趨勢, 進(jìn)而可以反推監(jiān)測資料較少地區(qū)的區(qū)域降水的高程效應(yīng)。圖6顯示重慶地區(qū)地下河水δ18O同地下河的海拔表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 海拔越低δ18O值越偏重, 這主要是和巖溶地下河水從補(bǔ)給到排泄的快速運(yùn)動(dòng)以及低海拔地區(qū)的降水同位素偏重有關(guān),但其相關(guān)性較低(δ18O旱季R2=0.22, 雨季R2=0.23),這可能是由于不同區(qū)域相同海拔高度的地下河水δ18O值樣品相互干擾的結(jié)果。若取每一定高度范圍內(nèi)地下水樣品δ18O值的加權(quán)平均值, 可消除局地環(huán)境對地下水δ18O值的影響, 并可建立地下河水δ18O值與出口高度的回歸模型(Dotsika et al., 2010; Deshpande et al., 2003; 丁林等, 2009)。圖7顯示了地下河樣品每100 m高度范圍內(nèi)δ18O平均值與出口高度的關(guān)系, 建立了重慶地區(qū)地下河δ18O值與高程的二元回歸模型, 且具有較好的相關(guān)性。

旱季地下河δ18O值與高程(H)的二元回歸方程為:

δ18O= –5×10-6H2+2.5×10-3H–7.39(R2=0.90)

雨季地下河δ18O值與高程(H)的二元回歸方程為:

圖5 重慶地區(qū)地下河δ18O-δD及d-excess值分布圖Fig. 5 Crossplot of δ18O versus δD value and d-excess value of subterranean stream, Chongqing

圖6 重慶地區(qū)地下河δ18O同高程的關(guān)系Fig. 6 Relationship between δ18O and altitude of subterranean stream, Chongqing

δ18O= –4×10-6H2+2.1×10-3H–7.14(R2=0.72)

根據(jù)上述回歸分析, 地下河水旱季δ18O值隨高度的變化率為–0.34‰/100 m, 雨季為–0.31‰/100 m。由于兩季節(jié)水體均來源于大氣降水的補(bǔ)給, 因此,旱、雨季高度梯度差別并不大。地下河水的δ18O高度變化趨勢值同降水的高度效應(yīng)比較來看, 它高于全球降水–0.28‰/100 m的平均高度梯度(Poage et al., 2001)和我國降水的–0.16‰/100 m的平均高度梯度(劉忠方等, 2009), 但同我國西南地區(qū)–0.38‰/100 m的平均高度梯度(劉進(jìn)達(dá)等, 1997)非常接近。因此, 重慶地區(qū)巖溶地下河水δ18O值的高度趨勢在一定程度上反映了重慶地區(qū)區(qū)域降水的高度效應(yīng), 這對于區(qū)域地下水循環(huán)過程的研究具有重要的水文地質(zhì)學(xué)意義。

6 結(jié)論

在極端氣候頻發(fā)的今天, 巖溶水作為重要的地下水源, 其供給需求不斷增加, 掌握巖溶地下水的同位素地球化學(xué)特征, 對于揭示巖溶水地球化學(xué)特征的區(qū)域演化, 水循環(huán)規(guī)律, 合理開發(fā)、利用和保護(hù)巖溶水資源, 具有十分重要的意義。通過δ18O、δD值分析揭示重慶市巖溶地下河水旱、雨季均來自于大氣降水補(bǔ)給, 基本未發(fā)生明顯的蒸發(fā)或發(fā)生蒸發(fā)作用強(qiáng)度較小。受雨季降水云團(tuán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律(環(huán)流效應(yīng))和區(qū)域地形的影響, 雨季δ18O、δD值表現(xiàn)出渝東北地區(qū)＜(渝西地區(qū), 渝東地區(qū))＜渝東南地區(qū)的明顯區(qū)域分布規(guī)律(“<”表示偏負(fù)于), 旱季由于地下河水在含水層中運(yùn)動(dòng)較慢, δ18O、δD值的區(qū)域性規(guī)律不明顯。旱季地下河水具有較雨季長的滯留時(shí)間, 導(dǎo)致其d-excess值明顯小于雨季。由于表層巖溶含水層具有較快的運(yùn)動(dòng)速度, 通過δ18O與高程的關(guān)系,建立了二者之間的二元回歸模型, 揭示了重慶巖溶地下河水旱季δ18O值隨高度的變化率為–0.34‰/100 m, 雨季為–0.31‰/100 m, 一定程度上反映了重慶地區(qū)區(qū)域降水的高度效應(yīng), 這對于重慶區(qū)域水循環(huán)研究具有重要意義。

圖7 重慶地區(qū)地下河δ18O與區(qū)域平均高程的關(guān)系Fig.7 Relationship between δ18O and weighted altitude of subterranean stream, Chongqing

致謝:感謝中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所肖瓊博士和西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院孫玉川博士、劉子琦博士在野外和實(shí)驗(yàn)室工作中的幫助。感謝審稿專家和編輯對本文提出的寶貴意見。

白占國, 萬國江. 1998. 喀斯特區(qū)域的水化學(xué)不穩(wěn)定性——以黔中地區(qū)為例[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 9(4): 325-332.

晁念英, 王佩儀, 劉存富, 萬軍偉. 2004. 河北平原地下水氘過量參數(shù)特征[J]. 中國巖溶, 23(4): 335-338.

陳忠, 任雪梅, 周心琴, 羅麗霞, 王建力, 李艷娜. 2003. 重慶市降水量的時(shí)空分布[J]. 四川師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 24(2): 171-176.

丁林, 許強(qiáng), 張利云, 楊迪, 來慶洲, 黃費(fèi)新, 史仁燈. 2009. 青藏高原河流氧同位素區(qū)域變化特征與高度預(yù)測模型建立[J].第四紀(jì)研究, 29(1): 1-12.

郭芳, 姜光輝, 裴建國, 章程. 2002. 廣西主要地下河水質(zhì)評價(jià)及其變化趨勢[J]. 中國巖溶, 21(3): 195-201.

何師意, 裴建國, 謝運(yùn)球, 張美良. 2006. 湖南保靖縣白巖洞地下河流域水文地球化學(xué)特征研究[J]. 中國巖溶, 25(3): 187-194.

李彬, 袁道先, 林玉石, 覃嘉銘, 張美良. 2000. 桂林地區(qū)降水、洞穴滴水及現(xiàn)代洞穴碳酸鹽氧碳同位素研究及其環(huán)境意義[J]. 中國科學(xué)(D輯), 30(1): 81-87.

李廷勇, 李紅春, 沈川洲, 楊朝秀, 李俊云, 衣成城, 袁道先,王建力, 謝世友. 2010. 2006～2008重慶大氣降水δD和δ18O特征初步分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 21(6): 757-764.

劉鋒, 李延河, 林建. 2008. 北京永定河流域地下水氫氧同位素研究及環(huán)境意義[J]. 地球?qū)W報(bào), 29(2): 161-166.

劉進(jìn)達(dá), 劉恩凱, 趙迎昌, 王東升. 1997. 影響中國大氣降水穩(wěn)定同位素組成的主要因素分析[J]. 勘查科學(xué)技術(shù), 15(4): 14-18.

劉忠方, 田立德, 姚檀棟, 柴旭榮. 2009. 中國大氣降水中δ18O的空間分布[J]. 科學(xué)通報(bào), 54(6): 804-811.

柳鑒容, 宋獻(xiàn)方, 袁國富, 孫曉敏, 劉鑫, 王仕琴. 2009. 中國東部季風(fēng)區(qū)大氣降水δ18O的特征及水汽來源[J]. 科學(xué)通報(bào), 54(22): 3521-3531.

羅維均, 王世杰. 2008. 貴州涼風(fēng)洞大氣降水-土壤水-滴水的δ18O信號(hào)傳遞及其意義[J]. 科學(xué)通報(bào), 53(17): 2071-2076.

馬致遠(yuǎn). 2006. 環(huán)境同位素方法在平?jīng)鍪袔r溶地下水研究中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)論評, 50(4): 433-439.

蒲俊兵, 袁道先, 蔣勇軍, 茍鵬飛, 殷建軍. 2010. 重慶巖溶地下河水文地球化學(xué)特征及環(huán)境意義[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 21(5): 628-636.

蒲俊兵, 袁道先, 蔣勇軍. 2009. 重慶市地下河的空間分布及水資源[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 36(2): 34-39.

尹觀, 范曉, 郭建強(qiáng), 楊俊義. 2000. 四川九寨溝水循環(huán)系統(tǒng)的同位素示蹤[J]. 地理學(xué)報(bào), 55(4): 487-494.

尹觀, 倪師軍. 2001. 地下水氘過量參數(shù)的演化[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào), 20(4): 409-411.

尹觀, 倪師軍. 2009. 同位素地球化學(xué)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社: 258-262.

翟遠(yuǎn)征, 王金生, 滕彥國, 左銳. 2011. 北京平原區(qū)永定河地下水系統(tǒng)地下水化學(xué)和同位素特征[J]. 地球?qū)W報(bào), 32(1): 101-106.

張建龍, 王玲. 2008. 重慶巖溶區(qū)的氣候時(shí)空變化特征分析及趨勢預(yù)測[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 24(3): 239-248.

References:

Al-CHARIDEH C. 2011. Environmental isotope study of groundwater discharge from the large karst springs in West Syria: a case study of Figeh and Al-sin springs[J]. Environmental Earth Sciences, 63(1): 1-10.

AZZAZ H, CHERCHALI M, MEDDI M, HOUHA B, PUIG J M, ACHACHI A. 2008. The use of environmental isotopic and hydrochemical tracers to characterize the functioning of karst systems in the Tlemcen Mountains, northwest Algeria[J]. Hydrogeology Journal, 16(3): 531- 546.

BAI Zhan-guo, WAN Guo-jiang. 1998. Instability of water chemistry in the karst region-an example from central Guizhou[J]. Advances in Water Science, 9(4): 325-332(in Chinese with English abstract).

BRADLEY C, BAKER A, JEX C, LENG M L. 2010. Hydrological uncertainties in the modelling of cave drip-water d18O and the implications for stalagmite palaeoclimate reconstructions[J]. Quaternary Science Reviews, 29(17-18): 220-2214.

CHAO Nian-ying, WANG Pei-yi, LIU Cun-fu, WANG Jun-wei. 2004. Characteristic of deuterium excess parameter of groundwater in Hebei plain[J]. Carsologica Sinica, 23(4): 335-338(in Chinese with English abstract).

CHEN Zhong, REN Xue-mei, ZHOU Xin-qin, LUO Li-xia, WANG Jian-li, LI Yan-na. 2003. Temporal-spatial Distribution of Precipitation in Chongqing[J]. Journal of Sichuan Teachers College (Natural Science), 24(2): 171-176(in Chinese with English abstract).

CLARK I, FRITZ P. 1997. Environmental isotopes in hydrogeology[M]. New York: Lewis Publishers: 352.

CRAIG H. 1961. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science, 133(3465): 1702-1703.

CRISS R, DAVISSON L, SURBECK H, WINSTON W. 2007. Isotopic methods[G]//GOLDSCHEIDER N, DREW D. Methods in karst hydrgeoology[M]. Taylor&Francis: 123-145.

CRUZ JR F W, KARMANN I, VIANA JR O, BURNS S J, FERRARI J A, VUILLE M, SIAL A N, MOREIRA M Z. 2005. Stable isotope study of cave percolation waters in subtropical brazil: Implications for paleoclimate inferences from speleothems[J]. Chemical Geology, 220(3-4): 245-262.

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

DESHPANDE R, BHATTACHARYA S, JANI R, GUPTA S A. 2003. Distribution of oxygen and hydrogen isotopes in shallow groundwaters from Southern India: influence of a dual monsoon system[J]. Journal of Hydrology, 271(1-4): 226-239.

DING Lin, XU Qiang, ZHANG Li-yun, YANG Di, LAI Qing-zhou, HUANG Fei-xin, SHI Ren-deng. 2009. Regional variation of river water oxygen isotope and empirical elevation prediction models in Tibetan plateau[J]. Quaternary Sciences, 29(1): 1-12(in Chinese with English abstract).

DOTSIKA E, LYKOUDIS S, POUTOUKIS D. 2010. Spatial distribution of the isotopic composition of precipitation and spring water in Greece[J]. Global and Planetary Change, 71(3-4): 141-149.

FAURE G. 1986. Principles of isotope geology (Second edition)[M]. John wiley & Sons, Inc.1: 589.

FRIEDMAN I, SMITH G, GLEASON J, WARDEN A, HARRIS J M. 1992. Stable isotope compositions of waters in southeastern California: 1. Modern precipitation[J]. Journal of Geophysical Research, 97(D5): 5795-5812.

GUO Fang, JIANG Guang-hui, PEI Jian-guo, ZHANG Cheng. 2002. Assessment on the water qualities of major subterranean rivers in Guangxi and their changing trend[J]. Carsologica Sinica, 21(3): 195-201(in Chinese with English abstract).

GUO Fang, JIANG Guang-hui, YUAN Dao-xian. 2007. Major ions in typical subterranean rivers and their anthropogenic impacts in southwest karst areas, China[J]. Environmental Geology, 53(3): 533-541.

HE Shi-yi, PEI Jian-guo, XIE Yun-qiu, ZHANG Mei-liang. 2006. Study on hydrogeochemical features of the Baiyan dong underground river catchment in Baojing county, hunan[J]. Carsologica Sinica, 25(3): 187-194(in Chinese with English abstract).

LI Bin, YUAN Dao-xian, LIN Yu-shi, QIN Jia-ming, ZHANG Mei-liang. 2000. Oxygen and carbon isotopic characteristics of rainwater, drip water and present speleothems in a cave in Guilin area, and their environmental meanings[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 43(3): 277-285(in Chinese with English abstract).

LI Hong-chun, KU The-lung, YUAN Dao-xian, WAN Nai-jung, MA Zhi-bang, ZHANG Ping-zhong, MIRYAM B M, AYALON A, LIU Zai-hua, ZHANG Mei-liang, ZHU Zhao-yu, WANG Ruo-mei. 2007. Stable isotopic compositions of waters in the karst environments of China: Climatic implications[J]. Applied Geochemistry, 22(8): 1748-1763.

LI Ting-yong, LI Hong-chun, SHEN Chuan-zhou, YANG Chao-xiu, LI Jun-yun, YI Cheng-cheng, YUAN Dao-xian, WANG Jian-li, XIE Shi-you. 2010. Study on the δD and δ18O characteristics of meteoric precipitation during 2006–2008 in Chongqing, China[J]. Advances in Water Science, 21(6): 757-764(in Chinese with English abstract).

LIU Feng, LI Yan-he, LIN Jian. 2008. A Hydrogen and Oxygen Isotope Study of Groundwater in the Yongding River Drainage of Beijing and Its Environmental Significance[J]. Acta Geoscientica Sinica, 29(2):161-166(in Chinese with English abstract).

LIU Jian-rong, SONG Xian-fang, YUAN Guo-fu, SUN Xiao-min, LIU Xin, WANG Shi-qin. 2009. Characteristics of δ18O in precipitation over Eastern Monsoon China and the water vapor sources[J]. Chinese Science Bulletin, 54(22): 3521-3531(in Chinese with English abstract).

LIU Jin-da, LIU En-kai, ZHAO Ying-chang, WANG Dong-sheng. 1997. Analysis of the chief factors influences the stability isotope composition of China atmospheric precipitation[J]. Reconnaissance Science & Technology, 15(4): 14-18(in Chinese with English abstract).

LIU Zhong-fang, TIAN Li-de, YAO Tan-dong, CHAI Xu-rong. 2009. Spatial distribution of δ18O in precipitation over China[J]. Chinese Science Bulletin, 54(6): 804-811(in Chinese with English abstract).

LUO Wei-jun, WANG Shi-jie. 2008. Transmission of oxygen isotope signals of precipitation-soil water-drip water and its implications in Liangfeng Cave of Guizhou, China[J]. Chinese Science Bulletin, 53(21): 3364-3370(in Chinese with English abstract).

MA Zhi-yuan. 2006. Application of the environmental isotope technique to the study of karst groundwater in Pingliang city[J]. Geological Review, 50(4): 434-439(in Chinese with English abstract).

MARFIA A, KRISHNAMURTHY R, ATEKWANA E, PANTON W F. 2004. Isotopic and geochemical evolution of ground and surface waters in a karst dominated geological setting: a case study from Belize, Central America[J]. Applied Geochemistry, 19(6): 937-946.

MURAD A, GARAMOON H, HUSSEIN S, AI-NUAIMI H S. 2011. Hydrogeochemical characterization and isotope investigations of a carbonate aquifer of the northern part of the United Arab Emirates[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 40(1): 213-225.

POAGE M, CHAMBERLAIN C. 2001. Empirical relationships between elevation and the stable isotope composition of precipitation and surface waters: Considerations for studies of paleoelevation change[J]. American Journal of Science, 301(1): 1-15.

PU Jun-bing, YUAN Dao-xian, JIANG Yong-jun, GOU Peng-fei, YIN Jian-jun. 2010. Hydrogeochemistry and environmental meaning of the subterranean karst streams in Chongqing, China[J]. Advances in Water Science, 21(5): 628-636(in Chinese with English abstract).

PU Jun-bing, YUAN Dao-xian, JIANG Yong-jun. 2009. The Spatial distribution of underground streams and water resource in Chongqing Municipality[J]. Hydrogeology & Engineering geology, 36(2): 34-39(in Chinese with English abstract).

SCHWARZ K, BARTH J, POSTIGO-REBOLLO C, GRATHWOHL P. 2009. Mixing and transport of water in a karst catchment: a case study from precipitation via seepage to the spring[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 13(3): 285-292.

SMITH G, FRIEDMAN I, GLEASON J, WARDEN A. 1992. Stable isotope composition of waters in southeastern California: 2. Groundwaters and their relation to modern precipitation[J]. Journal of Geophysical Research, 97(D5): 5813-5823.

VANDENSCHRICK G, WESEMAEL B, FROT E, PULISO-BOSCH A, MOLINA L, STIEVENARD M, SOUCHEZ R. 2002. Using stable isotope analysis (δD-δ18O) to characterise the regional hydrology of the Sierra de Gador, south east Spain[J]. Journal of Hydrology, 265(1-4): 43-55.

WACKERBARTH A, SCHOLZ D, FOHLMEISTER J, MANGINI A. 2010. Modelling the δ18O value of cave drip water and speleothem calcite[J]. Earth and Planetary Science Letters, 299(3-4): 387-397.

YIN Guan, FAN Xiao, GUO Jian-qiang, YANG Jun-yi. 2000. Isotope Tracer on Water Cycle System in Jiuzaigou, Sichuan[J]. Acta Geographica Sinica, 55(4): 487-494(in Chinese with English abstract).

YIN Guan, NI Shi-jun. 2001. Deuterium Excess Parameter Evolution in Ground Water[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 20(4): 409-411(in Chinese with English abstract).

YIN Guan, NI Shi-jun. 2009. Isotope Geochemistry[M]. Beijing: Geological Publishing House: 258-262(in chinese).

YIN Li-he, HOU Guang-cai, SU Xiao-si, WANG Dong, DONG Jia-qiu, HAO Yong-hong, WANG Xiao-yong. 2011. Isotopes (δD and δ18O) in precipitation, groundwater and surface water in the Ordos Plateau, China: implications with respect to groundwater recharge and circulation[J]. Hydrogeology Journal, 19(2): 429-443.

ZHAI Yuan-zheng, WANG Jin-sheng, TENG Yan-guo, ZUO Rui. 2011. Chemical and Isotopic Characteristics of Groundwater in the Yongding River Groundwater System of Beijing Plain[J]. Acta Geoscientica Sinica, 32(1): 101-106.

ZHANG Jian-long, WANG Ling. 2008. Spatio-temporal changes and trend forecast of climate in karst region, Chongqing[J]. Journal of Tropical Meteorology, 24(3): 239-248(in Chinese with English abstract) .

ZHOU Tian-jun, YU Ru-cong. 2005. Atmospheric water vapor transport associated with typical anomalous summer rainfall patterns in China[J]. Journal of Geophysical research, 110(D8), D08104, doi:10.1029/ 2004JD005413.

Hydrogen and Oxygen Isotope Geochemistry of Karst Groundwater in Chongqing

PU Jun-bing
Karst Dynamics Key Laboratory of Ministry of Land and Resources/Guangxi Zhuang Autonomous Region, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004; International Research Center on Karst under the Auspices of UNESCO, Guilin, Guangxi 541004

Karst groundwater constitutes the important water resources and life support systems in the karst areas, and its geochemical research is an indispensable method for karst aquifer protection. There are approximately 380 subterranean karst streams (SS) which are the important part of the groundwater resources in Chongqing City. The isotope geochemistry of 51 subterranean karst streams in Chongqing shows that all the SS waters originate from modern precipitation because their δ18O and δD values are distributed along the line of GMWL or LMWL, which shows that the evaporation of groundwater does not occur or is not strong. Under the control of movement of rain cloud cluster from south to north (atmospheric circulation effect) and the regional relief, the regional distribution of δ18O and δD for SS in Chongiqng in rain season is in order of northeastern Chongqing ＜ western Chongqing, central area of Chongqing ＜ southeastern Chongqing (the symbol “＜” means “more minus”). In dry season, the regional distribution of δ18O and δD for SS is not clear due to the slower movement velocity in karst aquifer. Because of the slower movement velocity and longer staying time in karst aquifer in dry season, the d-excess value of SS in dry season is obvious smaller than that in wet season. Considering the relationship between the altitude and the mean value of δ18O for SS within 100 m altitude, the authors established the second order polynomial ofkarst groundwater between δ18O and altitude. According to the equations, the δ18O-elevation gradient of karst groundwater in Chongqing is –0.34 ‰/100 m in dry season and –0.31‰/100 m in wet season. These results are very useful to the study of the groundwater cycle in karst aquifers. The achievements obtained by the authors are applicable to the reasonable protection and exploitation of subterranean karst streams.

subterranean karst stream; groundwater; stable isotope; Chongqing

P641.134; P641.3

A

10.3975/cagsb.2013.06.08

本文由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41202185)、國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(編號(hào): 201311148)、廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 2012GXNSFBA053137)、中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào): 12120113006700)和IGCP/SIDA598項(xiàng)目聯(lián)合資助。

2013-03-19; 改回日期: 2013-04-20。責(zé)任編輯: 閆立娟。

蒲俊兵, 男, 1982年生。博士, 助理研究員。主要從事巖溶水文地質(zhì)學(xué)、水文地球化學(xué)研究。通訊地址: 541004, 廣西桂林市七星路50號(hào)。電話: 0773-5841791。E-mail: junbingpu@karst.ac.cn。