同位素在地下水研究中的应用

利用同位素方法可以解决地下水的许多问题，如地下水的来源、年龄、补径排条件以及地下热水、卤水等有关问题的研究（沈照理，1986）。

一、研究地下水的起源与成因

地下水按其成因和成生环境可区分为大气成因溶滤水、海相成因沉积水、变质成因再生水和岩浆成因初生水等四种类型。这四种成因类型地下水由于其水的来源和成生环境的不同，在其氢、氧同位素的组成上也存在着很大的差异。这样就可以依据不同成因类型地下水的δD和δ18O的变化范围来大致判定地下水的起源和成因。

有关各种成因类型地下水的δD和δ18O值的变化范围，由于情况复杂，目前尚没有公认的比较统一的数值，还有待今后进一步的研究。

二、判断地下水的补给来源

如果地下水有几种不同的降水补给来源，而且在不同地区形成这些降水的蒸发、凝结条件各不相同，那么就会在不同地区降水来源的δD和δ18O图上出现不同的斜率和截距。据此就可以判定出地下水的不同补给来源。

不同地区的降水中氢、氧同位素组成是不同的。下面仅以土耳其沿海科尼亚平原为例加以说明。

科尼亚平原位于中东半干旱地区。为了查明该平原地下的水资源状况，曾对该平原地下水进行了同位素组成的研究。根据氢、氧同位素组成测定结果，平原内上部含水层中水的同位素组成为δD=8δ18O+22，这刚好是地中海东部地区的大气降水直线；而平原内深部含水层中水的同位素组成为δD=8δ18O+10，这正是来自北部大陆地区降水的降水直线，即来自大西洋湿气补给的降水直线。由此可以判定，土耳其科尼亚平原内上部潜水是受地中海方向来的大气降水补给，而深部承压含水层则是受大西洋方向来的北方降水补给。

三、确定地表水体与地下水的水力联系

地表水水体由于存在着水面蒸发，因此地表水中的氘和18O含量总是高于大气降水和地下水。这样就可根据水中δD和δ18O值以及δD和δ18O图上的斜率来判断它们之间是否存在有水力联系。因为在通常情况下的降水直线为δD=8δ18O+10，如果降水转为地表水并经过蒸发，其直线斜率就会发生变化。

实践证明经过蒸发作用的湖水，其直线斜率就由8降低至4～6，这可作为地下水是否受湖水或其他地表水体补给的标志，如瑞士的阿勒河在伯尔尼和图恩地区附近补给地下水，就是依据对地下水和河水中δ18O值测定的结果而得出的。阿勒河发源于阿尔卑斯山海拔较高的地区，河水的δ18O约为-12‰，而当地地下水中δ18O为-9.8‰。

四、确定含水层补给区的海拔高度

降水中氘（D）和18O含量与当地的海拔高度有关，这就是高度效应。如果地下水由河水补给，而这条河流的主要汇水区域分布在海拔高度不同的地区，那么受河水补给的地下水中δD和δ18O值就会同当地由降水补给的地下水有着明显差别。如上面所提到的瑞士阿勒河流域就是一个很好的例子。

地下水补给区的海拔高度可用下式加以确定：

现代水文地质学

式中：δS为水点露头（泉）的δ18O值；δP为大气降水中的δ18O；K为同位素高度梯度，相应于海拔高度每变化100m时的δ18O值变化量。欧洲大部地区的同位素高度梯度为（0.2‰～0.3‰）／100m，我国西藏东部和四川、贵州一些地区的同位素高度梯度约为0.26‰／100m。

五、确定不同含水层间的水力联系

由于不同含水层中地下水的同位素组成可能不同，故依据各个含水层的氘和18O含量就可判定出它们之间的相互联系程度。此种方法有时可能是解决这类问题的惟一可行手段。有人应用同位素法同水化学法相互配合，进行了大匈牙利平原地下水储量补给条件的研究。以此具体研究了上更新统碳酸盐岩层承压水通过黄土状粘土隔水层补给第四系砂层含水层潜水的可能性。为此曾利用了两个含水层中氘的含量资料，承压水δD平均=-86‰；潜水δD平均=-63‰。根据两个含水层中氘含量的差异、最后判明承压水补给潜水是极不明显的。

六、确定各种来源水的混合比例

用同位素法确定各种来源水的混合比例时，必须具备下列条件：①参加混合的两种以上的水中氘或18O含量必须存在明显差异；②同位素含量必须在时间上保持稳定；③水的同位素成分不因同含水层岩石相互作用而发生改变。

用同位素法确定各种来源水所占比例的研究也曾用于对矿坑巷道充水来源调查的研究上。

七、地热水的研究

地热水的成因长期以来是一个难以解决的问题，而利用氢氧同位素分析则可能非常有效。如同位素方法在被应用以前，没有一种地球化学手段能回答地热水是大气降水补给的，或是原生水、岩浆水补给的。自从地热水的氢氧同位素研究应用以来，热水的降水成因说由已知的世界热田水的氢、氧同位素比值系统测定结果所证实。地热水的D/H比值与当地的降水一致，表明它是由降水下渗补给的，但18O/16O比值则明显偏高，这是地热水和岩石的氧同位素交换反应的结果。由于造岩矿物中氢的含量通常很低，因此氢的同位素交换反应不至于影响地热水的氢同位素组成。

八、确定水体的年龄

目前多用于水体中同位素14C、3H、32Si、39Ar及234U/238U等的含量，测定水体的年龄。由于3H的半衰期（12.43a）远小于放射性14C的半衰期（5568～5730a），因此使用3H更适合于研究循环周期较短（如50a）的地下水，而14C则适合于研究循环周期长达几百或几千年（理论上所测定的年龄下限可到2×104a）的地下水。同时应用这两种同位素可填补年龄的空白，并可互相验证。

九、研究地下水中溶解物质运移的机制（地下水化学成分示踪）

由于某些同位素具有在孔隙介质中运移时成分不变且可测性较好等特点，因此可利用它们作为圈定地下水污染范围、测定含水层的弥散系数、孔隙渗透速度等水文地质参数的示踪剂。目前使用较多的人工同位素有131I、82Br、60Co等半衰期短、放射性较低的同位素。

十、用于解决其他水文地质问题

氢、氧稳定同位素方法也用于研究地下水对河水的补给量、卤水和油田水等。也可以计算地下水在含水层中贮留时间等等。