陈建生，江巧宁

(河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

地下水深循环研究进展

陈建生，江巧宁

(河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

对自然界中地下水深循环的研究进展进行了综述。西藏内流区的湖泊与河流存在渗漏,水量呈现出巨大的不平衡,估算每年通过渗漏流出西藏高原的地下水超过了1000亿m3；与此同时,中国北方的地下水也呈现出极大的不平衡,降水量较少的火山与裂谷地区有大量的泉水涌出形成了河流与湖泊,内蒙古高原与东北地区的河流与湖泊在北东方向上呈现出串珠状的分布。通过对长白山天池地下水补给源区的各项分析确定,补给天池的地下水来自于外源水,能够同时满足补给源区高程、降水同位素、渗漏等特征条件的地区只有西藏内流区。北方地下水中的锶、氦同位素特征关系揭示了深循环地下水与地幔玄武岩等发生了水岩反应。贝加尔与山西裂谷地区中地壳高导低速层可能是深循环地下水的导水通道,玄武岩孔洞构成了导水构造。深循环水在火山及裂谷附近向地表排泄形成河流与湖泊,河流源头附近的地温梯度偏低。西藏内流区的渗漏水通过深循环方式补给内蒙古高原、鄂尔多斯、阿拉善、华北平原、东北平原、贝加尔湖、东海、南海等地区,地下水的年龄自西向东呈增加趋势,一般在20～40 a之间。

地下水深循环；水量平衡；同位素分析；导水构造；玄武岩孔洞；西藏内流区；长白山天池

2004年陈建生等[1]在《自然》杂志上发表了地下水维系沙山景观的文章,指出维系巴丹吉林沙漠沙山与湖泊的地下水来自于青藏高原北缘祁连山的冰川融雪,地下水可通过深大断裂带实现跨流域的补给。2009年6月,中国科协举办了第30期新观点新学说学术沙龙——“青藏高原冰川融水深循环及其地质环境效应”,陈建生等首次提出,地下水除了区域水文地质循环之外,还存在着一种深循环形式,地下水在水力梯度驱动下,可以在中地壳甚至地幔孔洞型导水构造中流动,青藏高原的冰川融水补给到了内蒙古高原、鄂尔多斯、阿拉善、华北平原、东北平原等东部地区,除此之外,深循环地下水还补给了塔里木盆地、贝加尔湖、东海、冲绳海沟、雷琼半岛、南海莺歌海盆地等[2-5]。中国北方干旱区的稳定河流与湖泊的主要补给源都来自于深循环地下水,而不是区域水文地质循环水。2013年Post等[6]在《自然》上发表论文指出,大陆架下存在的淡水资源量为50万km3,该水量是过去100年人类抽取地下淡水总量的100倍,这意味今后的水资源危机或将缓和。由此可见,地下水深循环可能是一种更为重要的水循环方式,控制着更为宏观的地下水平衡系统。

关于地下水深循环是真命题还是伪命题仍然存在争议:①缺少西藏的湖泊与河流存在渗漏的水量平衡证据；①缺少北方地区地下水来自于羌塘盆地渗漏水补给的观点的水力学证据；③经过地幔岩浆岩深循环地下水的高温特征；④同位素与地球化学分析具有多解性。近几年来针对上述质疑展开了深入的研究,获得了大量的除了氘(D)、氧(18O)同位素之外的重要证据,尤其是具有排他性的水力学证据,并通过深循环理论为阿拉善右旗找到了饮用水源。随着研究的深入,地下水深循环在地质演变过程中的重要作用将被逐渐揭示出来,其作用范围包括:湖泊、河流、油气运移、地震、成矿、黄土高原成因、沙漠、青藏高原隆升等,这项研究将推动地质学大统一理论的发展。

1 西藏高原内流区湖泊与河流存在渗漏

西藏高原面积120万km2,平均海拔超过5000m,年平均气温低于0℃。西藏高原根据天然的分水岭被分为内流区与外流区,内流区被冰川与雪山包围,冰川融水通过地表或地下径流汇集到羌塘盆地,形成河流与湖泊。西藏内流区的面积为61万km2,河流稀疏短小,径流量202亿m3；西藏外流区面积为59万km2,径流量为4 280亿m3[7]。西藏外流区是长江、黄河、雅鲁藏布江、塔里木河等的补给源区。野外考察与卫星遥感资料分析表明,内流区的河流

为了寻找西藏内流区渗漏水的排泄区,笔者对青藏高原周边地区的地下水进行了采样分析,通过同位素及水化学确定其补给源是否来自于西藏内流区。多年的调查发现,西藏内流区的渗漏水在青藏高原周边广泛的地区都有排泄,其中内蒙古高原、鄂尔多斯、华北平原及东北平原是渗漏水的主要排泄区。1990年以来,河西走廊地下水的水位持续下降,张掖城区地下水的水位下降幅度超过了5m,但是2002年之后,河西走廊地下水出现了上升趋势,张掖城区的地下水位也快速上升,到了2005年,城区最大的上升幅度达到8m,造成2000多户居民被迫搬迁。研究表明,河西走廊的地下水来自于青藏高原北东断裂带,氦氖同位素异常表明地下水来自于深循环过程[12],渗漏水通过断裂带补给到张掖盆地,温度上升使得融水量增加造成盆地地下水位上升[13]。塔克拉玛干沙漠东部的台特玛湖,在接近干涸30 a之后,于2002年在泉水的补给下重现,湖水存在渗漏,例如,昆仑山卡拉米兰山口南坡几十条小河流汇集成的宽度超过1 km的大型河流最终并未汇聚成一条更大的河流或形成尾闾湖,仅流经了几十千米便在地表消失了。通过对比分析可以看出,内流区与外流区径流量存在巨大的差异,径流量相差达到21倍[8]。

西藏内流区最大的湖泊纳木错面积约2000 km2,集水面积约1.061万km2。对纳木错盐分与水量的调查研究发现,湖水不同位置的TDS值虽然有一些波动,但基本上保持在1.7 g/L左右,稍高于1960年前的TDS值[9]。该湖总容量为2 280亿m3,可以得到湖泊盐分总量为0.388亿t。纳木错年入湖补给量为18亿m3,入湖河流TDS值在0.15～0.18 g/L之间。若该湖不存在渗漏,湖泊蒸发量应该等于入湖水量,那么3万a以来流入纳木错总盐分的下限值为81亿t,比目前湖泊中的总盐量高出了200多倍,低盐度表明湖泊存在渗漏[5]。周石硚等[10]在2007—2011年间,对纳木错入湖河水流量、水位、降水、蒸发等进行了连续监测与水量平衡分析,研究表明,纳木错湖存在严重的渗漏,渗漏量达到了120～190m3/s。由于纳木错的集水区面积仅占西藏内流区的1.74%,还有98.26%面积的湖泊与河流的渗漏量是未知的。西藏内流区湖水TDS在0.3～1 g/L之间的封闭湖泊有13个,总面积达到2700 km2[11],显然,这些淡水湖泊存在着严重的渗漏。根据水量平衡关系估算出西藏内流区最小的年渗漏量超过100 km3[8]。

2 青藏高原周边地区地下水补给源调查

面积最大达到了300 km2,湖泊群接受地下水补给,湖泊重现的时间与河西走廊地下水位上升的时间相同[2]。2005年以来,阿拉善左旗巴彦浩特地下水位上升并溢出地表；2010年以来,乌海市海南区地下水上涌,迄今为止已经在地表形成了诸多的水泡子。内蒙古高原的地下水位自西向东呈上升趋势。

成千上万的湖泊/水泡子呈北东走向分布在内蒙古高原与东北平原一带,湖泊群集中分布地带位于内蒙古造山带与大兴安岭,属于欧亚板块之间的缝合带。大型的湖泊包括乌梁素海、岱海、黄旗海、达里诺尔湖、月亮湖等呈现串珠状分布。水量平衡、环境同位素、地球化学研究证实,岱海、达里诺尔湖、乌梁素海及周边的泉水、井水的δD-δ18O关系点与当地降水明显不同,研究表明,湖泊主要接受外源地下水的补给,外源水具有δD、δ18O贫化的特征[14-20]。

在降水量稀少的鄂尔多斯西北的乌海地区发现了泉群与自流井群,乌海的年平均降水量只有159.8mm,6—9月的降水量占全年的70%以上,而年均蒸发量达到3 279.7mm,约为降水量的21倍,平均日蒸发量达到了18mm,而平均日降水量只有0.4mm,平均日蒸发量是平均日降水量的45倍[21]。乌海的泉水与自流井水的δD、δ18O明显比当地降水贫化,现场模拟试验表明,降水不能入渗到地下水中,地下水来源于鄂尔多斯高原以外的地区,降水同位素具有贫化特征,能够同时满足水力学与同位素特征的补给源区只有青藏高原[15]。中国地质调查局经过10多年的水文地质勘查发现鄂尔多斯是个大水盆,通过钻孔抽水实验得出的年补给量达105亿m3[22]。通过对鄂尔多斯盆地的渭河、泾河、无定河、洛河等河水的同位素分析发现,鄂尔多斯盆地的河水与泉水都接受外源地下水的补给,当地降水对地下水基本上没有补给[14]。研究表明,深循环地下水维系了风尘颗粒在鄂尔多斯高原的连续堆积,黄土高原的形成亦与深循环地下水有关[16]。

华北平原的降水量从西北至东南呈现增加趋势,从200～800mm；但地下水的分布趋势却与降水量的分布完全相反,降水量较少的西北山区地下水极为丰富,而降水量偏多的东南地区地下水资源相对匮乏。华北地区每年抽取的地下水量超过20 km3,地下水曾被认为是接受了当地降水及农业灌溉水的入渗补给,实际上,主要抽取的地下水为深层承压水。以衡水地区的含水层为例,目前揭露的含水层为5层,潜水的TDS大于或等于9 g/L,而以下4层承压水的TDS小于1g/L,高盐分的潜水显然不可能是低盐分承压水的补给源。承压水的δD、δ18O比当地降水的加权平均值贫化,这表明华北平原的地下水主要来自于羌塘盆地的外源水[8],地下水的循环周期大约为30 a[23]。

3 东部地区火山玄武岩地下水的来源

自20世纪70年代起,在地矿部贾福海院士领导下,开展了新生代玄武岩地下水的研究。调查发现,长白山、黑龙江、嫩江、五大连池、达里诺尔、辽宁宽甸、河北平泉等火山玄武岩地区地下水极为丰富,认为新生代玄武岩地下水的补给、径流与排泄方式完全不同于孔隙水、裂隙水与岩溶水,属于一种特殊类型的地下水[24]。新生代玄武岩中的熔岩隧道、孔洞与孔隙发育,90%以上的孔洞、孔隙与微孔隙是相互连通的[25]。在大面积新生代玄武岩台地分布地区,往往出现较大和特大泉水,泉水在枯水季节的绝对流量仍然很大。

长白山火山属于新生代,最早喷发于新近纪中新世,经上新世和更新世直至全新世[26]。长白山区的径流量远远大于其他非火山玄武岩地区,多年平均流量为310亿m3,占吉林省全省的87%,呈现出高度不对称的分布特点[27]。长白山天池火山锥体最高峰海拔2750m,锥体顶部的破火山口湖即长白山天池的湖面海拔2 189.7m,南北长4.4 km,东西宽3.37 km[28]。天池湖面20 m以下水温在3.5～4℃之间,但靠近将军峰的水温达到10℃,存在一处不冻水面,表明补给天池的地下水为冷水,地下水年补给天池的水量为0.252亿m3,占天池总水量的65%[29]。补给天池的地下水属于大气降水,地下水年龄为40 a[30]。在天池火山锥体的玄武岩阶地上,还发育着众多的呈放射状分布的河流,松花江、图们江与鸭绿江都发源于此[31]。长白山天池及其周边地区的降水量与径流量呈现出极大的不平衡,总排泄量远远大于降水量,接受外源水补给[32]。

由于同位素具有多解性,所以,地下水深循环的同位素证据受到了强烈的质疑。因此,要证实地下水存在深循环过程,必须找到水力学证据。地下水存在跨流域补给的水动力学证据来自于长白山天池,由于天池地下水的补给源区的高程必须高于2200m,天池周边1 300 km范围内找不到符合高程条件的补给源区,地下水的补给源区应该在更远的区域。扩大寻找范围,海拔高于2200m的区域包括青藏高原、五台山、秦岭、六盘山、贺兰山等地区,但除了青藏高原的湖泊河流存在渗漏外,其他高程大于2200m地区的面积较小,基本上没有河流与湖泊发育。通过同位素对比分析发现[32],只有羌塘盆地降水的D、18O同位素与长白山等北方地区的相似,这就是说,只有羌塘盆地满足了补给源区所必备的条件。

4 岩石圈导水构造形成机制

众所周知,欧亚大陆板块是由很多的小板块拼接而成的,在西藏高原与长白山之间跨越了祁连山、阿拉善地块、鄂尔多斯地块、内蒙古造山带、华北地块、兴安地块等,这些地块之间的相对运动持续到今。考虑到五大连池火山喷发是在公元1719—1721年,距今只有短短的270多a,由此看来,岩石圈中地下水深循环导水构造形成的时间不会很长。岩石圈中的导水构造与近代的火山活动有关,“岩浆”与“水”具有完全不能相容的两种属性,但二者却匪夷所思地联系到了一起,地下水在岩浆中开辟出了最为捷径的通道。研究发现,火山玄武岩中存在着大量相互连通的导水孔洞,地下水正是从这些孔洞中涌出[24-33]。连通青藏高原与东部地区的地下水深循环通道应该位于火山岩中,印度板块在与欧亚大陆板块的碰撞过程中引起的岩浆活动范围包括青藏高原及其东部地区[34],沿着缝合带出现了一系列的火山喷发,岩浆活动将高原与平原联系起来,火山停息后,未喷发出的岩浆快速冷却成孔洞型玄武岩,形成了深循环导水构造,如图1所示(根据文献[34]图5修改)。

图1 印度板块与欧亚大陆板块碰撞引起岩浆活动及火山喷发

如果地下水深循环是客观存在的事实,那么在岩石圈中必然存在着集中导水的通道,这些通道应该具有高导电性与低密度,应该符合高导低速的地球物理特征。大地电磁测深表明,青藏高原到河西走廊、内蒙古高原、鄂尔多斯、太行山、大兴安岭一带的断裂带或缝合带中存在连续的高导层[35]。羌塘中部地区则广泛分布了低速物质,大范围的Sn波缺失[36]。存在强烈渗漏的纳木错湖位于嘉黎断裂上,嘉黎断裂带电性显示为高导性质,连续的高导性延伸到100 km以下,中间存在陡直向地幔延伸的低阻通道,电阻率10～16Ω·m[37]；羌塘盆地的高导低速结构从10 km延伸到400 km,电阻在10～30Ω之间[38-40]。羌塘盆地所有的高导层都与火山裂谷、断裂带相通,而这些裂谷与断裂带往往与河道或断陷湖泊有密切联系[41]。西藏高原渗漏水接近垂向地进入地幔,在东部地区排出地表,地下水深循环造成导水构造附近的温度大幅度降低,西藏岩石圈成为“冷幔热壳”,而东部岩石圈成为“冷壳热幔”。

山西裂谷和贝加尔裂谷分别存在两个高导层,第一高导层在中地壳,第二高导层在上地幔,高导层在裂谷处都出现了上隆,山西裂谷中地壳(15～20 km)高导层的电阻率为4～18Ω·m,上地幔(55～80 km)高导层的电阻率为6～9Ω·m[42]。中地壳与地幔高导层中的流体可能是液态水或超临界流体(SCF),当温度和压力达到374.15℃和22.1MPa时,液态或气态的水都变成为超临界态水(SCW),超临界态水萃取溶蚀了岩石中的铁、镁等元素,形成超临界流体,超临界流体也具有高导特性[43]。如果两层高导层都是超临界流体,那么中地壳高导层的电阻率应该远大于地幔高导层,因为超临界流体的导电性与离子积相关,压力、温度越高,离子积越大,导电性能越强。如果中地壳与地幔高导层中的流体都是超临界流体,由于地幔的温度、压力比中地壳更高,于是地幔高导层的电阻率应该比中地壳高导层更低。但实际上,地幔与地壳高导层的电阻率的差异不是很大,由此可知,至少中地壳高导层中应该是流动的液态水,因为只有流动的水才能保持低温的性质。据此推断,山西裂谷与贝加尔裂谷都应该是地下水集中排泄的区域。

Afanasjev根据水量平衡提出了贝加尔湖中存在地下水的补给,1901—1955占总量的5% (3.12 km3/a),1901—1976占总量的4.3%[44]。补给贝加尔湖河流同位素的加权平均值δ18O为-15.5‰、δD为-117‰,降水的加权平均值δ18O为-13.3‰、δD为-103‰；降水与河流输入湖同位素的加权平均值δ18O为-15.2‰、δD为-116‰；而湖水的同位素值δ18O为-15.8‰、δD-123‰,比入湖水贫化[45],同位素关系表明,更加贫化的地下水补给到了贝加尔湖,西藏内流区河流的渗漏水符合补给源区同位素贫化特征。Mats等[46]发现贝加尔湖底附近的平均流速达到5 cm/s,并没有观测到入湖的低温河水迅速沉入底部的现象,更多的观测结果是底部低温水向上的对流运动；上述现象表明,贝加尔湖接受深循环地下水的补给,补给湖泊的导水通道很可能就是高导低速层。

图2 北方降水、河流、泉水、井水及西藏湖泊的δD-δ18O关系

全世界最大的泉群出现在降水量只有500mm的山西裂谷地区,遥感研究表明,太行山区强岩溶发育的径流带都是沿着裂谷方向分布,岩溶泉常出露于断陷盆地边缘与断裂带附近,构造控制着岩溶分布及泉群发育,灰岩裸露区透水性强[47],这表明岩溶发育与地下水有关。仅太行山南部一带岩溶泉的数量就十分可观,其中天然流量在1m3/s以上的大泉约60个,其流量超过了200m3/s[48]。泉群集中在降水量较低的地区显然不符合常理,泉群的出现可能与山西裂谷中的高导低速层有关。羌塘盆地双湖地区钻孔揭露了石灰岩中巨大的溶洞群,在钻孔过程中出现了井漏[49],溶洞显然是在渗漏水的溶蚀下形成的。调查发现,山西裂谷地区发源的汾河、沁河、桑干河、滹沱河等河流的稳定补给源都来自于泉水,通过对泉水、河水与当地降水的δD-δ18O关系分析发现,当地降水不是泉水的补给源,泉水来自于同位素更为贫化的外源水地区,外源水的同位素特征与西藏羌塘盆地的地表水相同[32],如图2所示。这就是说,山西裂谷泉群附近沉积的岩溶有可能是来自于羌塘盆地的石灰岩。

5 地下水与降水同位素分析

北方地区降水与地下水、泉水、河水中的δD、δ18O值存在明显差异,长白山天池地下水的δD-δ18O关系点落在全球雨水线(GMWL)上(参见图2),显然来自于大气降水,但是与东北地区(长春、锦州、哈尔滨、齐齐哈尔)降水同位素的加权平均值存在明显差异,排除了长白山本地降水入渗补给的可能性。另外,北方地区(张掖、兰州、银川、石家庄、太原、天津、包头、西安、郑州)降水加权平均值的δD-δ18O关系点分布在GMWL的右边,如果地表水或地下水来自于北方降水,则δD-δ18O关系点应该沿着蒸发线EL1分布,但在图2中,北方降水线EL1附近的δD-δ18O关系点很少,这表明北方地下水与地表水的主要补给源并非来自于当地的降水,由于北方降水同位素比东北地区的降水还要富集,所以,海拔高于2200m的北方地区不可能是长白山天池及东北地下水的补给源区。通过对比发现,东北及北方地区地下水、泉水与河水的δD-δ18O关系点落在EL2蒸发线附近,EL2与GMWL的交点正好是长白山天池地下水的δD-δ18O关系点所在位置,这表明北方地区地下水与地表水的补给源区是相同或相近的,与西藏湖泊的δD-δ18O关系点落在了相同的区域内,所以,降水δD-δ18O关系点满足北方地下水来自于西藏内流区河流、湖泊补给的条件。

如果地下水经过了地壳或上地幔岩石圈的深循环,则岩石圈中的氦将溶于地下水中,所以氦可用来作为地下水的示踪剂。大气的3He/4He比值Ra=1.4 ×10-6,由于地壳中富集铀、钍,它们可衰变产生4He,所以陆壳具有较低的比率(3He/4He为0.01Ra),而亏损地幔(MORB)具有高比值(8±1)Ra[50]。对于R/Ra＞1的地下水而言,地下水中存在来自地幔的3He。长白山泉水(14个样)的R/Ra值在3.91～6.32之间,均值为5.61,五大连池泉水(9个样)的R/Ra值在1.46～4.55之间,均值为2.88[51]。五大连池火山岩(7个样)包裹体中R/Ra均值为4.61[52],接近泉水值,而在松辽盆地火山岩包裹体(37个样)中的R/Ra范围在0.2～5.24之间,均值为1.79[53],明显小于火山岩泉水。由于地壳及沉积地层中的R/Ra值远小于1,如果泉水经过了地表沉积层,水中的R/ Ra值将受到混染。由此也可以判断,东部火山地区的泉水经历了地幔火山岩地层。典型例子来自于浑善达克沙漠的锡林河,锡林河发源于沙漠腹地的火山口,河水的R/Ra为1.265,明显具有幔源性质,δD-δ18O关系确认河水的补给源为贫化的外源水,据此判断,外源水经过了孔洞型火山玄武岩导水构造。

水中的87Sr/86Sr可以用来判定地下水是否经过了地幔循环,由于锶同位素不发生分馏,大气降水中的87Sr/86Sr比值接近海水(0.709073),降水入渗岩石圈后,岩石中的锶溶入水中,富集的87Sr来自于风化地壳,而贫乏的87Sr来自于地幔[54]。地下水中的87Sr/86Sr比值自西向东逐渐减小。西藏河流中的87Sr/86Sr比值自西南向东北逐渐增加,藏南河流中的比值最小达到0.705 534[55]。五大连池泉水87Sr/86Sr比值在0.70644～0.70798之间,平均值为0.7068171,而含水介质的87Sr/86Sr比值在0.71180～0.71751之间[56]。长白山火山玄武岩中(8个样)的87Sr/86Sr比值在0.704 95～0.710 387之间,均值为0.705786[57]；长白山发源的河水中的87Sr/86Sr比值(18个样)在0.706 029～0.708061之间,均值为0.707252 7,河水的87Sr/86Sr比值略高于火山岩的均值。降水的87Sr/86Sr为0.709,如果长白山的地下水来自于大气降水的补给,那么地下水的87Sr/86Sr比值低于0.709只有两种可能性,其一,混入了其他来源低87Sr/86Sr比值水——地幔水(0.705786)；其二,入渗降水经过了地幔岩浆岩,岩浆岩中低值的锶被溶解进入到地下水中。因为补给天池的地下水为低温性质,不可能是地幔水,第一种可能性被排除,表明补给天池的地下水可能是来自于羌塘盆地的降水,在流经玄武岩孔洞的过程中发生了水岩反应,地幔岩浆岩中的锶融入了地下水中。松辽盆地含水层介质岩样的87Sr/86Sr比值在0.70652～0.71324之间,均值为0.709 67；而深层地下水87Sr/86Sr比值在0.70662～0.70704之间,低于地壳含水层介质。这表明水岩反应主要发生在地幔物质中,地下水更多地受到高浓度低比值(87Sr/86Sr)火山地热水等幔源水的补给[58]。

鄂尔多斯盆地的河水氚值在7～27 TU之间,平均氚值17.2TU；泉水氚值在2～55TU之间,平均氚值13.7 TU[59]；地下水的CFCS年龄主要集中在20～40 a之间[60]。阿拉善沙漠地下水的年龄在20～30 a之间[1,61],太行山东部地区地下水的年龄大于30a[23],采用氚测定的长白山地下水年龄约40a[30]。东北三江平原的浅水年龄大于40 a[62]。北方地下水的年龄自西向东呈增大趋势,符合深循环地下水的补给、径流与排泄特征。

6 阿拉善找水取得的突破

位于内蒙古高原的阿拉善右旗自建旗以来始终没有找到生活水源,人畜饮水非常困难。阿拉善是一个古老独立的板块,全区内广泛分布的花岗岩多集中于早二叠世[63],野外考察发现,在阿拉善沙漠中存在第四纪火山,大部分的火山口被沙山掩埋。如果维系沙山的地下水来自火山通道,那么,在部分沙山中可能存在涌水的火山口,类似于长白山、五大连池等火山岩地区。新生代以来的岩浆活动将阿拉善花岗岩基底隆起,火山喷发停息后,地下水通过火山通道中的玄武岩孔洞涌入到火山口中形成火山湖,风尘颗粒在火山湖中沉积形成了沙山,从火山口中涌出的水经过潜流进入到盆地中。通过沙山周围的火山岩碎屑、根管结核、钙质胶结及沙山顶部附近的植被发育,判断出沙山中存在着导水的火山口,钻孔揭示出的沙山与盆地的结构见图3。

图3 阿拉善右旗沙山中的火山口构造及深循环地下水排泄示意图

根据深循环理论布置了勘探孔,8个钻孔都分布在疑似存在火山口的沙山周围,地貌特征见图3,在盆地中都找到火山岩碎屑与根管结核,符合深循环特征。钻孔揭示盆地的沉积物主要为风化的花岗岩颗粒,颗粒没有经过磨圆过程,距离沙山越近颗粒越粗,盆地表面的风积沙厚度在0～2m之间,平均小于1m。8个水源井的深度分别在90～260m,水位埋深30～120m,井间距最近的为0.9 km,最远的相距45 km。每一口井都位于一个独立的小盆地,8口井的静水位高程分布在1215.5～1298m之间,井水位之间错落无序,最东边(1 215.5m)与最西边(1218.5m)是两个最低值。抽水试验表明,8口井总水量接近1万m3,其中有3口井的涌水量达到80m3/h,盆地与盆地之间没有水力联系,也不符合断裂带导水特征。地下水具有较高的水温(18～19℃),其中含有大量的13C富集的CO2气体,符合深循环特征；地下水的TDS在0.6～1.7 g/L之间,其中6口井的TDS小于或等于1g/L,达到了富锶型矿泉水标准,TDS小于或等于1 g/L的优质水源位于井群中部。地下水中的δD、δ18O贫化,符合青藏高原地表水特征,与当地降水存在明显差异,氚测定的地下水年龄大约为50 a。示踪测井证实,补给盆地的地下水来自于沙山中的火山口。

7 讨 论

通过上述分析可知,鄂尔多斯、华北平原、内蒙古高原、东北平原等地的地下水的补给源不是当地的降水,在这些串珠状的河流与湖泊的下部可能存在着导水通道,岩石圈中的高导低速层可能就是远距离输水的导水通道。地温梯度较低的地区主要分布在华北平原、鄂尔多斯、内蒙古高原、青藏高原北缘一带,河流与湖泊的源头都属于低温带,例如,渭河、泾河、桑干河、永定河、洛河、西拉木伦河、滦河、滹沱河、陡河、大沙河等河流源头的地温梯度在7.1～13.0℃/km之间,远低于30℃/km的平均地温梯度[8]。

研究表明,在深循环通道的形成演变过程中,玄武岩孔洞曾被超临界态水强烈的萃取溶蚀,而且还经历了从高温到低温的降温过程。孔洞构造中大量的铁、镁、锰等被超临界态流体萃取带出,在地表附近成岩、成矿,被溶蚀的孔洞逐渐发展成为导水通道。研究发现,在地下水丰富的内蒙古高原一带存在热液矿藏与白云岩,在热液矿藏中存在淡水白云岩,表明热液经历了从高温到低温的过程[64-65]。北方地下水丰富的地区,广泛分布着红色风化壳；六盘山南边发现了最早的红土,从0.22亿～0.62亿a的红土呈现连续的堆积[66],但在空间上为点状或带状分布,例如,分布在火山口附近,河流或湖泊附近。青藏高原曾经蕴藏着丰富的油气资源,但是在羌塘盆地的钻探中仅发现沥青脉或干沥青,在盖层完好的情况下,流动的油气缺失了[49]。但在大庆、新疆、鄂尔多斯等油气藏研究中却发现了来自地幔的物质,在沥青包裹体中检测到了来自地幔的铼、镍、钒等成分,铼被公认为地球核幔成分,沥青包裹体中的钐钕同位素得出,这些来自地幔的深部物质可能与大陆高原玄武岩有关[67-69]；石油、沥青中的铅、锶、钕同位素示踪与定年则显示原油特别是甲烷与氢气均具有深源特征,这表明,砂岩型铀矿的沉淀与成矿是由于深部油气的还原作用所造成的[70]。

8 结 语

研究证实,地下水的补给、径流、排泄形式除了区域水文地质水循环之外,还存在着一种深循环形式——地下水经过中地壳或上地幔岩石圈中的导水构造实现跨流域循环。根据水量平衡估算出的深循环水量超过100 km3,深循环水成为北方地区的地下水、河流、湖泊及海沟中的上升泉的主要补给源。西藏内流区的渗漏水自西向东排泄,循环周期一般为20～40 a。

地下水深循环究竟是真命题还是伪命题的问题曾在学术界引起了争议,质疑的焦点聚集在北方地区地下水的δD、δ18O具有多解性。调查发现,长白山周边1300 km之内的地表高程都低于天池水位,符合补给源区所有条件的仅有西藏内流区。在山西与贝加尔裂谷地区中地壳与上地幔低电阻率层的存在提供了低温地下水在中地壳中循环的可靠证据。东北地下水与河水的87Sr/86Sr比值远低于降水值,低的锶同位素比值意味着地下水与地幔岩浆岩发生了水岩反应。白云岩化与红土堆积都表明深循环地下水经历了从高温到低温的过程,含有镁、铁等的热液矿物都来自于超临界态水萃取的地幔物质。

羌塘盆地的渗漏水经过深循环通道输送到了鄂尔多斯、华北、东北、贝加尔湖、东海、南海等地区,所以,西藏地区降水量、冰川、冻土层的增加与减少,都将影响到未来北方干旱区的生态与环境。地下水深循环的方式的发现表明,我们对北方等地区地下水的补给、径流与排泄的认知程度还较低,许多相关的地质学问题都与地下水的深循环过程有关,目前所揭示的地下水深循环过程仅是冰山一角。

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Research progress of ground water deep circulation

CHEN Jiansheng,JIANG Qiaoning (School of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The research progress of ground water deep circulation was summarized.In the inner flow area of Tibet Plateau,the water resources presenta huge imbalance,lakes and rivers have a strong leakage.The annual leakage ofwater is estimated to exceed 1 012m3.Meanwhile,the groundwater in northern China is also showing a great imbalance.The volcano or rift valley areas,where the precipitation is very small,have a large number of springs gushing out into the rivers and lakes.Rivers and lakes in Inner Mongolia Plateau and Northeast China are beaded distribution in the north-east direction.By analyzing the groundwater supply source of Tianchi Lake in Changbai Mountains,it is determined that themain source of groundwater is from outside regions.The only area which can meet the altitude,isotope signature and others features like leakage at the same time is the inner flow area of Tibet plateau.Isotope signature of strontium and helium of groundwater in Northern China reveal the water rock interaction occurring between the deep-circle groundwaterandmantle basalt.The high-conductivity and low-velocity layer in Baikal and Shanxi Rift Valley may be deep-circle groundwater pathways,wherein the basalt porous is conveyance structure.Deep-circle groundwater flowed out from the volcano and rift valley areas,springing water flowed into rivers and lakes.The geothermal gradient in the river source region is lower than the normal value.The leakage water of inner flow area of Tibet Plateau through the deep circulation transport to Inner Mongolia Plateau, Ordos,Alashan,North China Plain,Northeast China Plain,Lake Baikal,the East China Sea,South China Sea, etc.The age of groundwater is increasing,from west to east,generally between 20～40 a.

deep-circle groundwater；water balance；isotope signature analysis；conveyance structure；basalt porosity；inner flow area of Tibet Plateau；Tianchi Lake of ChangbaiMountains

P641.2

：A

：1004 6933(2015)06 0008 10

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.002

2015 08 20 编辑:熊水斌)

国家自然科学基金(51578212)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB417005)

陈建生(1955—),男,教授,博士,主要从事地下水深循环研究。E-mail:jschen@hhu.edu.cn