论文摘要
水是人类赖以生存和发展的不可替代的宝贵资源,由于社会经济的发展,特别是工业化、城市化进程的加快,水资源短缺已成为世界性的危机。河北平原位于我国北方,是我国典型的缺水地区之一,同时也是我国地下水开发利用程度最高的地区之一。长期大量的开采地下水,造成了区域地下水水位持续下降、地下水资源逐年减少、水质恶化、地面沉降等一系列地质环境问题。因此,认清河北平原地下水在人为活动影响下的动态变化、地下水中溶质的迁移规律,对于科学管理地下水资源、防止地下水环境进一步恶化有着重要的意义。氯同位素在地下水的运动、溶质的迁移方面有着广泛的应用实例。氯作为地下水中的宏量组分普遍存在于地下水中,其不形成难溶矿物,不被粘土矿物所吸附且不能被生物积累,可以在水中自由的迁移。与传统的氢氧同位素不同,氯同位素分馏机理有限,可以灵敏的揭示地下水中溶质的运移规律,侧面反映地下水的运动与演化规律。本文在全面、系统分析河北平原区域地质、水文地质条件的基础上,选取了保定-沧州-黄骅这一典型水文地质剖面开展地下水中氯同位素的研究。先后于2009年9月和10月采集了地下水水化学样品、氢氧同位素样品以及氯同位素样品。通过分析地下水中氯同位素的组成及其与水化学组分、氢氧同位素之间的关系,研究了人为活动影响下地下水中氯同位素特征、地下水中溶质氯的来源,探讨了研究区地下水中氯同位素的指示意义。通过分析取自于不同含水组的36个地下水样品氯同位素,发现研究区地下水中氯同位素产生了较大的分馏,其变化区间为-1.42‰～-+1.04‰,有约2.5‰的变化。自上而下的四个含水组中δ37Cl值各不相同。接近地表的浅层地下水（Q4）样品量仅有5个,但是其氯同位素组成却有正值也有负值,氯同位素变化区间为-0.41‰-0.19‰。深部第三含水组（Q2）的承压地下水氯同位素变化区间为-0.88‰～+1.04‰,其中东部地区（保定、高阳一带）水样为正值,中部子牙河附近的2个地下水氯同位素组成与海水一致（约为0.00%0）,沧州中部（青县、沧县、南皮、孟村一带）水样为负值,氯同位素在区域上沿着地下水流动方向呈现逐渐偏负的现象。深部第四承压含水组（Q1）中地下水氯同位素变化区间为-1.42%o-0.00%o,在山前及中部平原的地下水的氯同位素组成均在测试精度范围内,可以认为它们未发生分馏或仅发生了微弱的分馏。但是滨海平原的7个地下水氯同位素组成均偏负,其δ37Cl值均低于-0.20%o,最低值甚至达到了-1.42%o,更值得一提的是在本组地下水中观察到了637Cl值与氯浓度呈现良好的正相关性,相关系数达到了0.9以上。深部第五承压含水组（N）的样品量极少（仅有3个）,其δ37Cl值均为负值,变化区间为-0.35‰--0.21‰。结合区域地质资料及水化学、氢氧同位素的资料,探讨了研究区地下水中氯同位素的指示意义：①指示地下水的补给来源。利用氯同位素分析,证明了研究区存在三种可能的补给方式,即：大气降水补给、粘性土释水补给和越流补给。通过氢氧同位素以及水文地质条件分析,发现浅层地下水和保定-高阳一带第三含水组地下水主要接受大气降水补给,其氯同位素组成在-0.41‰～+1.04‰,在已观察到的降水中氯同位素区间（-4.07‰～-+1.61‰）之内；沧州中部地区第三含水组（Q2）地下水的氯同位素明显较保定-高阳一带地下水δ37Cl值偏负,变化范围为-0.2‰～-0.88‰,推测这一带地下水偏负可能由于地下水超采所造成的粘性土释水所致,粘土弱透水层在释水过程其中的溶质氯也会被释放至含水层中,由于35Cl的活动性高于37Cl,35Cl会优先进入含水层中,导致了δ37Cl值偏负,这一地区的氯同位素分馏主要受扩散作用的影响；越流补给可能发生在黄骅一带第四含水组的地下水中,由于第三含水组受到长期大量的开采,下部第四含水组中地下水越流补给第三含水组,地下水在穿过含水组间的粘土层时,由于受到粘土矿物所带的负电荷的排斥力,在透过的地下水中逐渐富集重同位素37Cl,使得第四含水组中地下水相对富集轻同位素35Cl,即第四含水组中氯同位素组成偏负,值得注意的是越流补给仅为黄骅一带深层地下水的δ37Cl值偏负的其中一个可能的解释。②指示地下水中氯的来源。深部第四含水组（Q1）地下水的氯含量随着径流方向逐渐增加,但是在黄骅一带出现异常偏高,氯含量从129mg/L突然增至300mg/L以上。通过分析氯同位素组成及相应的水化学特征,提出这一带地下水中氯的两种可能来源,一种是围岩淋滤,另一种是来源于深部地下水（通过黄骅坳陷两侧的断裂带向上运移带来了氯）。本文的创新之处为在国内建立了GasBenchⅡ-IRMS在线测试地下水中无机氯同位素技术,系统研究了河北平原地下水中氯同位素的组成及其分布规律,初步探讨了研究区地下水中氯同位素的形成机理及其指示意义。