杨雪娟， 王成龙， 王俊杰

（河北省地矿局 水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050016）

自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏，这种分馏作用可造成不同环境下的同位素含量产生差异.因此，可根据同位素的含量特征分析其来源.对于氢氧稳定同位素来说，蒸发和凝结是引起同位素分馏的重要因素.一般来说，由于蒸发和凝结所造成的同位素分馏，往往使气相富集于较轻的同位素，而液相和固相富集于较重的同位素.大气水的氢、氧同位素组成呈有规律的变化：从赤道到高纬度地区、从海洋到大陆内部、从低海拔到高海拔地区，重同位素的亏损依次递增，构成所谓的纬度效应、大陆效应、高度效应、季节效应、降水量效应等.这是由于水在蒸发、凝聚过程中的同位素分馏293效应造成的，蒸发时轻同位素优先汽化，凝聚时重同位素优先液化，随着蒸发、凝聚过程的不断进行，轻同位素逐渐增加［1］.研究表明，北京采育和风河营两地水的氚值随地下水埋深的增大而减小，浅层到深层水的氚浓度迅速降低，这说明深层地下水的年龄较大，属于“老水”，而浅层地下水较为年轻［2］.西藏地热水的氢、氧同位素含量也表现出类似的规律［3］.本文利用石家庄地区的地下水资料研究不同地下水环境中氢同位素D和氧同位素18O的含量特征，以分析石家庄地区地下水的起源.

1 研究区概况

研究区位于石家庄市区及周围县市，在河北省中南部、太行山东麓、华北平原西缘.地貌类型为山前冲洪积倾斜平原，地面高程45m～85m.属北温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，四季分明.平均气温为11.8℃～13.3℃.温度年内变化明显，一月平均气温为－2.7℃；七月平均气温为20.5℃～26.9℃.1970－2003年多年平均降水量为495.7 mm.年内降水量分配不均，多集中在7－9月，约占年降水量的70%.多年平均水面蒸发量为1972 mm.本文的研究对象为地下水，主要集中在深层（埋深＞1000m）基岩地下热水和第四系的浅层（埋深＜100m）地下热水.

2 资料收集

近几年，我们在石家庄地区做了大量的工作.收集的资料主要来自以往的工作成果.共收集了28份水样，包括雨水、地表水和地下水.其中，地下水的取样岩层为馆陶组、中生界、下古生界和中上元古界.取样位置主要分布在石家庄市区附近的县市.其中，1号水样来自无极、藁城2000m以下的深层含水层中的基岩地下水（三组数据），水温在40℃～50℃.8号至11号水样取自埋深1000m以上的基岩地下热水，水温在60℃～90℃.24号水样为石津渠地表水.25号和26号取自雨水.其他编号的取水水样来自不同深度的地下水.28份水样的相关数据见表1.

表1 石家庄地区地下水中同位素含量特征表 ／‰

3 数据分析

大气水同位素组成的另一特点是δD和δ18O之间有明显的线性关系，表达式为：δD＝8δ18O＋10，它被称为雨水线方程或Craig方程.方程中的斜率反映同位素平衡条件下水气二相中氢、氧同位素富集系数之比，而截距则反映气相中氢、氧同位素组成的绝对值之差.由于温度及过程进行程度不一，各地区水的氢、氧同位素组成有时并不严格服从Craig方程，但原则上方程的斜率可用特定温度下大气水凝聚过程中同位素平衡交换结果来解释.截距则包含了动力分馏结果，它是由同位素的质量差、温度、环境等诸因素决定的.当大气降水经深部循环加热后，其δD值和纬度效应一致，δ18O值则变化较大，偏向更大值.这种氧同位素和大气降水值的漂移取决于水的温度、围岩的δ18O值和水岩交换作用中水、岩的比值等因素.

将表1中28份水样的氢氧同位素进行对比分析，在图1中标记结果，图中的直线为克雷格降水线.由图1可知，第三系热水与基岩热水中氢氧同位素的比值落在克雷格降水线下方，距降水线较近.根据前人的研究成果（如西藏地热水中氢氧同位素的研究），深层地下热水中氢氧同位素的比值应位于克雷格降水线下方.第四系地下热水中氢氧同位素的比值主要分布在克雷格降水线两侧，且与雨水和地表水较接近，表明其地下水是较新的水，主要靠降水和地表水来补给.综合上述内容可知，地下热水中氢氧同位素的比值主要分布在克雷格降水线下方，上第三系热水的δ18O值和δD值都较小，且与克雷格降水线较接近，说明该地下水可能为古降水，封闭性较好.下第三系热水中氢氧同位素的比值位于克雷格降水线下方，且δ18O值偏大，说明其形成与围岩的相互作用有关.基岩热水的δD值较小，表明基岩热水是较古老的水，这可能与其封闭性有关，该区的基岩地热水的封闭性好.

图1 水中氢氧同位素相关图

4 结论

地下水中的氢氧同位素含量受环境的影响表现出一定的特点.通过对石家庄地区地下水中氢氧同位素的分析研究可以看出，地下水中氢氧同位素比值主要分布在克雷格降水线下方.浅层的地下热水中氢氧同位素含量与地表水、降水的氢氧同位素含量较为接近，说明其主要来源于大气降水.深层地下热水中的氢同位素氚的含量较低，表明其来源于古降水，其存在的环境较为封闭；氧同位素含量较高的古地下热水说明其水岩相互作用较强，经历了长距离的运移和深循环，经高温高压与围岩发生了交换.

在进行地下水开发的过程中，研究氢氧同位素的含量特征并分析其来源，对于开展地下水的开发与利用具有重要意义.氢同位素氚的含量较低，表明地下水是较为封闭环境下的地下热水，而氧同位素含量高的地下热水的水岩相互作用较强，开发利用这种封闭环境中的地下热水具有重要意义.氢氧同位素含量与地表水或雨水较为接近时，说明其存在的环境较为开放，补给较为充足.

［1］刘存富.环境同位素水文地质基础 ［M］.武汉：武汉地质学院水文地质教研室，1984：21－27.

［2］刘锋，李延河，林建.北京永定河流域地下水氢氧同位素研究及环境意义 ［J］.地球学报，2008，29（2）：161－166.

［3］郑淑惠，张知非，倪葆龄，等.西藏地热水的氢氧稳定同位素研究 ［J］.北京：北京大学学报：自然科学版，1982，（1）：5－6.