陳禮明

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州， 350013)

環(huán)境同位素在研究地?zé)崴矫嬷饕?個(gè)用途：揭示地?zé)崴a(bǔ)給機(jī)制；評價(jià)地?zé)崴挲g或運(yùn)動模式；追溯地?zé)崴纬蓺v史；跟蹤開采條件下地?zé)崴膭討B(tài)變化。針對福建省地?zé)崴h(huán)境同位素的研究較少，且一般多限于對單個(gè)地?zé)崽镏械責(zé)崴a(bǔ)給高程的計(jì)算、研究補(bǔ)給區(qū)等補(bǔ)給機(jī)制方面。筆者通過對全省范圍地?zé)崴畾溲醐h(huán)境同位素較系統(tǒng)的測試研究，主要展現(xiàn)其在區(qū)域上的分布特征以及形成差異的原因。地?zé)崴畼悠窚y試結(jié)果來源于“福建省地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評價(jià)與區(qū)劃”項(xiàng)目，在同一時(shí)期內(nèi)完成了福建省194處主要地?zé)狳c(diǎn)(當(dāng)時(shí)全省已知共204處)的流體采樣測試(圖1)，基本覆蓋全省陸域范圍，是有史以來全省地?zé)崴瘜W(xué)分析測試研究涉及面最廣、分析元素最全的一次，也是首次在全省地?zé)崞詹橹羞M(jìn)行較系統(tǒng)的環(huán)境同位素測試分析研究工作。為了便于比對研究，同時(shí)還在福州等地采集了6處地表水進(jìn)行相關(guān)測試。樣品氫氧環(huán)境同位素測試均由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所完成。

1 環(huán)境同位素研究

水分平衡是決定降水中穩(wěn)定同位素分布的基礎(chǔ)。各種地理因素、氣象因素只是這種平衡中的一些基本條件，當(dāng)某一要素占主導(dǎo)作用時(shí)就表現(xiàn)出了所謂的某種“效應(yīng)”[1]。大氣降水中氫氧同位素組成的分布很有規(guī)律，主要受蒸發(fā)和凝結(jié)作用制約。具體說，降水的同位素組成與地理和氣候因素存在直接的關(guān)系，具體主要有溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)、大陸效應(yīng)、降雨量效應(yīng)、季節(jié)性效應(yīng)[2]等。

圖1 福建地?zé)狳c(diǎn)與主要區(qū)域性構(gòu)造分布簡圖Fig.1 The diagram of the geothermal and the main regional tectonic distribution of Fujian province

1.1 地下水分類

根據(jù)水-巖同位素交換反應(yīng)的特點(diǎn)，從水文地質(zhì)學(xué)角度把地下水劃分為[3]現(xiàn)代滲入成因的低溫地下水、古地下水、地下熱水、沉積水、初生水和變質(zhì)水。認(rèn)為地下熱水(溫度高于60℃)同位素成分存在氧同位素“重化漂移現(xiàn)象”：地下熱水δ18O值一般高于當(dāng)?shù)販\層低溫地下水的值即所謂的氧同位素重化漂移。沉積水又稱為埋藏水，由于與其中含量比較多的H2S、CH4發(fā)生交換，δD值升高。

1.2 δD和δ18O同位素分析結(jié)果

此次研究采集的194個(gè)地?zé)崴畼舆M(jìn)行δD、δ18O同位素分析，結(jié)果顯示δD分布范圍為-19‰～-80‰，最小值位于德化縣南埕鎮(zhèn)塔兜村，最大值位于福清市三山鎮(zhèn)沁前村，算術(shù)平均值為-57.5‰；δ18O分布范圍為-5‰～-12.2‰，最小值位于華安縣華豐鎮(zhèn)金山林場仙溪，最大值位于涵江區(qū)白塘鎮(zhèn)周墩村，算術(shù)平均值為-10.2‰。鄭淑蕙等[4]報(bào)道了中國大氣降水中δD含量為20‰～-190‰，δ18O值為2.0‰～-24‰?？梢?，福建省地?zé)崴畾?、氧同位素含量均落在中國降水變化范圍之中?/p>

2 δD與δ18O關(guān)系特征

2.1 地?zé)崴a(bǔ)給來源

1961年Craig通過對全球降水樣品同位素資料的分析指出，雨水的δD與δ18O值之間存在著線性關(guān)系，并得到了相關(guān)關(guān)系式：δD=8δ18O+10。

柳鑒容[5]等人對中國東部季風(fēng)大氣降水δ18O特征進(jìn)行分析，研究擬合出了一條華南地區(qū)的大氣降水線方程：

δD=7.46δ18O+0.9

式中：R2的值為0.94(R2為線性相關(guān)系數(shù)，是衡量變量之間線性相關(guān)程度的量)，說明它們的線性相關(guān)性好。

陳錦芳[6]等人對廈門沿岸地區(qū)大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析，研究擬合出了一條廈門沿岸地區(qū)的大氣降水線方程：

δD=7.67δ18O+7.68

式中：p<0.000 1(在回歸分析中，p值代表拒絕原假設(shè)的值，用于檢驗(yàn)系數(shù)的顯著性水平)，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9876。

章斌[7]等人用氫氧穩(wěn)定同位素評價(jià)閩江河口區(qū)地下水輸入，根據(jù)GNIP福州站點(diǎn)1985～1992年的71個(gè)降水同位素?cái)?shù)據(jù)，建立了福州地區(qū)的降水線方程：

δD=8.19δ18O+11.73

式中：N=71(樣本數(shù))p<0.0001，R2=0.922。

根據(jù)取樣的194組地?zé)崴?組地表水的氫、氧穩(wěn)定同位素測試結(jié)果，以及上述降水線資料，繪制δD-δ18O分布關(guān)系(圖2)。從圖中可以看出，大部分地?zé)崴畼拥臍溲跬凰刂?特別是沿海地區(qū))都位于大氣降水線附近，可見大氣降水是大部分地下熱水主要的補(bǔ)給來源，因?yàn)檠a(bǔ)給高程、徑流途徑差異及沿海個(gè)別點(diǎn)海水的混入而異。

圖2 福建D-δ18O分布規(guī)律Fig.2 Distribution of δD-δ18O in Fujian province1—北武夷隆起區(qū);2—南武夷古生代凹陷區(qū);3—閩東沿?；鹕綌噗陰?—地表水;5—全球大氣降水線;6—華南大氣降水線;7—福州大氣降水線;8—廈門大氣降水線;9—線性(部分地?zé)針悠?;10—樣品數(shù);11—線性相關(guān)系數(shù)

2.2 地?zé)崴笑腄與δ18O總體分布特征

從δD-δ18O分布規(guī)律可以較明顯看出北武夷隆起區(qū)全部樣品、南武夷凹陷區(qū)大部分樣品及閩東火山斷坳帶極少樣品偏離大氣降水線較遠(yuǎn)。分析樣品所在區(qū)域位置是福建沉積地層最廣泛分布區(qū)域，根據(jù)地理位置地質(zhì)背景特征，認(rèn)為主要原因是由于發(fā)生水-巖同位素交換，上述地?zé)崴畼悠返牟糠盅a(bǔ)給來源于沉積水，由于與其中含量比較多的H2S、CH4發(fā)生交換，δD值升高。

根據(jù)上述這些偏離降水線較遠(yuǎn)的50組地?zé)崴畼託?、氧穩(wěn)定同位素值，應(yīng)用最小二乘法擬合得到直線方程：

y=8.1x+58.7(N=50,R2=0.916 8)

式中：N為樣品數(shù)，R2為線性相關(guān)系數(shù)，可見斜距與各條降水線接近，僅截距偏大，說明地?zé)針悠窔洹⒀醴€(wěn)定同位素值的線性相關(guān)性與大氣降水較一致，推斷這些地?zé)崴m然部分補(bǔ)給來源于沉積水，但主要補(bǔ)給還是大氣降水。

閩東沿海火山斷坳帶的絕大多數(shù)地?zé)崴畼悠?，氫、氧穩(wěn)定同位素值相對地表水偏低，說明地?zé)崴a(bǔ)給是經(jīng)過蒸發(fā)或補(bǔ)給過程中經(jīng)過蒸發(fā)的剩余水。這也與劉凱等[8]“環(huán)境同位素在北京市地?zé)豳Y源研究中的應(yīng)用”中的結(jié)論相符：大多數(shù)地下熱水的氫、氧穩(wěn)定同位素值比地下冷水中要偏低。由于高程效應(yīng)，造成大氣降水中氫、氧穩(wěn)定同位素值的差異，從而也引起地?zé)崴袣?、氧穩(wěn)定同位素值的差異。

同時(shí)有小部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)生了氧同位素“重化漂移現(xiàn)象”，說明地下熱儲存在氧同位素的交換反應(yīng)，相對來說從漂移樣品數(shù)量以及漂移程度來看并不顯著?？赡芤?yàn)榈責(zé)崴緸橹?地溫地?zé)嵯到y(tǒng)，熱儲溫度相對不高，或是大部分地?zé)崴h(huán)周期較短，氧同位素的交換反應(yīng)相對不充分。

2.3 地?zé)崴笑腄、δ18O同位素與其他元素的關(guān)聯(lián)分析

通過分析δD、δ18O與Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、F-、H2SiO3、Li、Br、pH值及礦化度等指標(biāo)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在一定條件下δD、δ18O分別與Cl-、礦化度呈現(xiàn)正相關(guān)，因?yàn)棣腄與δ18O二者本身存在正相關(guān)，因此僅以δ18O為代表來分析與Cl-、礦化度呈現(xiàn)正相關(guān)的特征。由福建地?zé)崴?8O與Cl-、礦化度的關(guān)系(圖3，4)可以看出，Cl-、礦化度數(shù)值大于某個(gè)數(shù)值時(shí)與δ18O呈一定程度的正相關(guān)。

將礦化度小于1.0 g/L的地?zé)崴x為淡水[9]，參照這個(gè)指標(biāo)界限，選取礦化度大于1.0 g/L的26組地?zé)崴畼悠?非淡水)，繪制δ18O與氯離子的關(guān)系散點(diǎn)圖(圖5)，應(yīng)用最小二乘法擬合得到相關(guān)方程：

y=1.90x+22.19(N=26,R2=0.714 2)

式中：相關(guān)系數(shù)為0.714 2，說明這些樣品中氯離子含量與δ18O呈線性正相關(guān)。

同樣，選擇礦化度大于1.0 g/L的26組地?zé)崴畼悠罚L制礦化度與δ18O的關(guān)系散點(diǎn)圖(圖6)，應(yīng)用最小二乘法擬合得到相關(guān)方程：

y=3.02x+36.02(N=26,R2=0.711 3)

式中：相關(guān)系數(shù)為0.711 3，說明上述樣品礦化度指標(biāo)與δ18O呈線性正相關(guān)。

以上26組地?zé)崴?，除?處礦化度略大于1 g/L的位于內(nèi)陸，其余均分布于濱海地區(qū)(表1)，因此認(rèn)為主要由于海水的混入形成了上述特征，因?yàn)楹Ｋ臍溲醐h(huán)境同位素值比大氣降水高得多，使礦化度升高的同時(shí)，也提高了同位素值。

圖3 福建地?zé)崴?8O與氯離子關(guān)系Fig.3 The correlation between δ18O and Cl- of geothermal water in Fujian province

圖4 福建地?zé)崴?8O與礦化度關(guān)系Fig.4 The correlation between δ18O and TDS of geothermal water in Fujian province

圖5 福建礦化度大于1.0 g/L的地?zé)崴?8O與氯離子關(guān)系Fig.5 The correlation between δ18O and Cl- of geothermal water with salinity greater than 1.0 g/L in Fujian province

圖6 福建礦化度大于1.0 g/L的地?zé)崴?8O與礦化度關(guān)系Fig.6 The correlation between δ18O and TDS of geothermal water with salinity greater than 1.0 g/L in Fujian province

表1福建地?zé)崴袣溲跬凰?、氯離子及礦化度測試結(jié)果(礦化度>1.0g/L)

Table1ResultsofδD-δ18O，ClandTDSforgeothermalwaterofFujianprovince(TDS>1.0g/L)

序號地理位置δD(‰)δ18O(‰)Cl-(g/L)礦化度(g/L)1福清市三山鎮(zhèn)沁前村-19-9.210.84 16.34 2長樂市漳港鎮(zhèn)龍峰村-26-10.32.84 5.26 3閩侯縣荊溪鎮(zhèn)光明村-30-110.36 1.12 4閩清縣梅溪鎮(zhèn)梅埔村-34-11.40.05 2.22 5薌城區(qū)新華南路-63-7.25.66 9.56 6龍海市港尾鎮(zhèn)湯頭村-65-8.22.57 4.31 7龍海市東泗鄉(xiāng)松嶺村-65-7.84.58 7.96 8龍海市東泗鄉(xiāng)東泗村-62-6.76.60 11.20 9莆田市城廂區(qū)霞林街道木蘭村黃頭-67-8.14.74 7.94 10莆田市涵江區(qū)白塘鎮(zhèn)周墩村-50-516.98 26.55 11泉州市南安市官橋鎮(zhèn)鹽田村-67-81.61 2.77 12廈門市翔安區(qū)大嶝鎮(zhèn)海岸-53-5.510.70 18.93 13廈門市翔安區(qū)新店鎮(zhèn)浦邊村-52-5.412.55 20.99 14廈門市同安區(qū)鳳南農(nóng)場-69-11.31.28 2.30 15廈門市集美區(qū)杏林灣-54-8.78.97 15.83 16廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)湯岸-66-10.72.16 3.98 17龍海市角美鎮(zhèn)田里村-56-9.86.27 10.82 18漳州市龍文區(qū)郭坑鎮(zhèn)黃坑村-65-10.61.27 2.56 19漳州市漳浦縣舊鎮(zhèn)鎮(zhèn)獅頭村-54-8.516.14 27.07 20漳州市漳浦縣沙西鎮(zhèn)埔頭村-69-11.31.11 1.99 21漳州市漳浦縣盤陀鎮(zhèn)官陂村雀埔-70-11.30.79 1.50 22漳州市云霄縣陳岱鎮(zhèn)石前村院前-51-8.112.72 21.87 23龍巖市武平縣城廂鎮(zhèn)下東村-47-80.02 1.05 24永安市洪田鎮(zhèn)貴湖村-27-10.60.01 1.26 25永安市洪田鎮(zhèn)貴湖村熱水口-28-11.40.01 1.02 26永安市紡織廠-26-10.50.01 1.06

2.4 地?zé)崴笑腄、δO 18同位素與水溫的相關(guān)性分析

通過福建地?zé)崴?泉)口溫度、熱儲溫度(SiO2化學(xué)溫標(biāo)換算)與δ18O的關(guān)系散點(diǎn)圖(圖7，8)可以看出：地?zé)崴?泉)口溫度與δ18O沒有明顯的線性相關(guān)性，計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)僅為0.136 4；同樣熱儲溫度與δ18O也沒有明顯的線性相關(guān)性，計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)僅為0.068 7。此線性相關(guān)性分析結(jié)果，也與前文的論斷相符，因?yàn)榈責(zé)崴緸橹?低溫地?zé)嵯到y(tǒng)，熱儲溫度相對不高，或是大部分地?zé)崴h(huán)周期較短，氧同位素的交換反應(yīng)相對不充分，受熱儲溫度影響較小。

3 地?zé)崴a(bǔ)給高程計(jì)算

所謂高程效應(yīng)是指地形起伏比較大的地區(qū)，大氣降水中δD 和δ18O 隨著地面高程的增加而逐漸降低的現(xiàn)象。造成高程效應(yīng)的主要原因是隨高程的增加氣溫逐漸降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾，減少了雨滴的蒸發(fā)，所以常伴有山體迎風(fēng)面的雨量增加，形成山體迎風(fēng)面的超前降雨區(qū)，因而云團(tuán)上升到高空后重同位素含量越來越少，這樣就形成了高程效應(yīng)。正因?yàn)檫@種效應(yīng)，使得同位素水文地質(zhì)研究中，常常借助于研究區(qū)內(nèi)大氣降水的同位素高程效應(yīng)，推測地下水補(bǔ)給區(qū)位置高度。朱前林[10]等人在“同位素高程效應(yīng)推測水補(bǔ)給來源的研究”中提出地下水含水層的補(bǔ)給高程計(jì)算公式：

圖7 福建地?zé)崴?8O與井(泉)口溫度關(guān)系Fig.7 The correlation between δ18O and the wellhead(spring mouth) temperature- of geothermal water in Fujian province

圖8 福建地?zé)崴?8O與熱儲溫度關(guān)系Fig.8 The correlation between δ18O and the thermal storage temperature of geothermal water in Fujian province

式中，H為地下水補(bǔ)給高程；δG為樣品中δ18O的值；δP為大氣降水中δ18O的值；K為δ18O隨高程變化的梯度；h為取樣點(diǎn)高度。

柳鑒容等人對中國東部季風(fēng)大氣降水δ18O值與高程之間的關(guān)系進(jìn)行研究，確定二者梯度關(guān)系為-0.475‰/100 m；同時(shí)總結(jié)出南部地區(qū)大氣降水中δ18O的平均值為-5.94‰。據(jù)此作為計(jì)算參數(shù)，解線性方程可得到福建地?zé)崽锼吹难a(bǔ)給高程分布于165.5～1 853.3 m，其中補(bǔ)給區(qū)海拔最高位于龍巖市新羅區(qū)江山鎮(zhèn)雙東村；最低位于龍海市東泗鄉(xiāng)東泗村。此次計(jì)算的最高補(bǔ)給高程為1 853.3 m，屬新羅區(qū)江山鎮(zhèn)雙東村地?zé)狳c(diǎn)，超過了海拔1 807 m的龍巖市新羅區(qū)最高山脈巖頂山(屬玳瑁山系)，認(rèn)為此次計(jì)算選取的大氣降水中δ18O數(shù)值來自華南大區(qū)，可能造成高程計(jì)算數(shù)值稍偏大。

福建各地區(qū)的地下熱水補(bǔ)給高程差異較明顯，一般來說，龍巖、三明及南平等內(nèi)陸地區(qū)的海拔較高，補(bǔ)給高程總體高于閩東沿海一帶。因?yàn)楦鞯厍鹆甑孛玻０巫兓黠@，一定程度上也造成了補(bǔ)給高程的差異。

4 討論

研究福建省地?zé)崴a(bǔ)給高程發(fā)現(xiàn)，個(gè)別海岸灘涂上地?zé)崃黧w補(bǔ)給高程計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，明顯有悖于水文地質(zhì)學(xué)中的基本原理，筆者認(rèn)為可能是海水入侵地?zé)峥子绊懥谁h(huán)境同位素測試分析指標(biāo)，或是因?yàn)楹Ｓ蛑械牡叵聼崴到y(tǒng)與陸域中的地下熱水系統(tǒng)的補(bǔ)給來源不一樣，個(gè)別沿海地?zé)崴a(bǔ)給來源于海水，因?yàn)槠渎入x子、溴離子的含量及礦化度明顯高于其他大部分地?zé)崴?/p>

致謝：承蒙莊樹裕博士指導(dǎo)，張冰碩士協(xié)助圖件繪制，在此表示感謝。本文是“福建省地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評價(jià)與區(qū)劃”項(xiàng)目成果，對參與此項(xiàng)目的所有工作人員表示感謝。