巴丹吉林沙漠湖泊及其下游地下水同位素分析_陈建生

本文由国际原子能机构TC 项目“河海大学院士基金项目”资助。

责任编辑:宫月萱。

第一作者:陈建生,男,1955年生,教授,博士,博士生导师,主要从事同位素水文学,渗流理论与探测技术研究;E -mail :j schen @hhu .edu .cn 。

巴丹吉林沙漠湖泊及其下游地下水同位素分析陈建生1)　凡哲超1)　汪集2)　顾慰祖1)　赵　霞1)(1)河海大学,江苏南京,210098;2)中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029)摘　要　本文通过环境同位素水化学等分析方法研究了祁连山北侧、龙首山、巴丹吉林沙漠、古日乃、拐子湖和额济纳盆地的泉水和井水的来源,揭示了巴丹吉林沙漠等下游地区的地下水来自于祁连山降水的补给,平均补给高程为3300m ,祁连山顶部存在大片裸露的灰岩地层,雪水融化后沿着喀斯特地层或山前大断裂补给到深部,穿过龙首山直接补给到巴丹吉林沙漠及其下游地区,在沙漠湖泊中发现的钙华与钙质胶结证明地下水经过了石灰岩地层,承压水通过越流补给到浅部含水层,通过蒸发量计算得到的地下水补给量接近6×108m 3/a ,承压水中地下水的年龄为20～30a 。

关键词　巴丹吉林沙漠　钙质胶结　环境同位素　承压地下水　湖泊Isotope Methods for Studying the Replenishment of the Lakes and DownstreamGroundwater in the Badain Jaran DesertCHEN Jiansheng 1)　FAN Zhechao 1)　WANG Jiyang 2)　GU Weizu 1)　ZHAO Xia1)(1)Hehai Un iversity ,Nanjing ,Jiangsu ,210098;2Institu te of Geol ogy and Geophysics ,CAS ,Beijing ,100029)A bstract I n this paper ,the sources of spring wa ter and well water on the no rthern side of the Qilian M ountain and in Lo ngshou M ountain ,Badain Jaran Desert ,Gurinai ,G uaizi Lake and Ejina Basin are studied by the methods of environmental iso topes and w aterchemistry .T he g roundwater in dow nstream areas such as Badain Jaran Deser t is found to be recharged by the precipitation of the Qi -lian M ountain ,with the average recharge elevation being 3300m .Lots of naked limestone lay ers ex ist at the top of the Qilian M oun -tain .The melted snow water of the Qilian M ountain infiltrates into the deep lay er ,passes through the karst strata o r large faults in f ro nt of the mountain ,and directly recharges Badain Jaran Desert and its downstream areas via the Long shou M ountain .T he calcare -ous cement and travertine found in the lakes of the desert prove that the groundw ater passes through the limestone layer .Confined w ater recharges the shallow aquifer by means of leakage .T he calculation of the evapora tio n amount show s that the groundw ater recharge volume is six hundred million cubic meters per year ,and the age of the confined g roundwater is 20～30y ears .Key words Badain Jaran Desert calcareous cement and traver tine environmental isotope co nfined groundw ater lake 通过稳定同位素、水化学、水文地质等方法进行的额济纳盆地与古日乃草原地下水的补给源调查研究已经取得了初步的成果:调查研究中发现额济纳盆地的地下水与巴丹吉林沙漠的地下水同出一源,是由巴丹吉林沙漠补给到古日乃和额济纳盆地的,而且与黑河水不存在相关关系。

研究发现,额济纳盆地与古日乃草原存在多含水层结构,额济纳盆地承压水的水头高出潜水位约60m ,承压水通过越流补给潜水。

在国际原子能机构的支持下,研究中对巴丹吉林沙漠及其周边地区的承压地下水中的同位素δD 、δ18O 、3H 、CFC (氟里昂)、温度、电导、水化学进行了测试,并做了钻孔中人工同位素测定地下水流速、流向等试验。

通过试验与分析初步确定了承压地下水的来源、补给量和补给通道等,为进一步的深入研究奠定了基础。

此次工作通过水-岩相互作用和CFC 证据,确认额济纳盆地地下水的补给年龄只有30a 左右,是完全可以开发利用的。

1　祁连山、巴丹吉林沙漠、拐子湖、古日乃水文地质概况 祁连山主要是由前寒武纪变质岩系、早古生代这两个时期的各种变质岩系构成。

前寒武纪期间,祁连山曾作为原始古地台的一部分与华北台块联成一个整体。

震旦纪初开始下沉,形成NWW —SEE2003年12月24卷6期:497-504 地　球　学　报AC TAGEOSCIEN TICA SINICA Dec .200324(6):497-504的向斜,并与阿尔金山震旦纪海相通。

寒武纪初期,这个向斜块断上升而形成古祁连山,其南北两侧成为早古生代向斜。

加里东运动早期,北祁连块断的向斜开始迥返,晚期,这个地槽普遍迥返并发生强烈褶皱作用。

以垂直上升和断裂为主的华力西运动,造成了早生代地层的隆起和凹陷。

华力西期以后,祁连山就再未遭受海侵。

自中生代以来,祁连山区一直以NWW —SEE 方向的块断运动占优势,白垩纪末尤盛。

这种断裂最后导致狭窄地垒式山岭和宽广地堑式谷地相间的地形。

与此同时,NE 走向的构造线活动也很频繁。

因此,许多山间盆地呈菱形,若干大河谷实际上由一连串菱形盆地组成。

第三纪末,古祁连山基本上已被夷平,深部寒武纪等岩石裸露于地表,其中有大量的灰岩地层(图1)。

第四纪期间,祁连山同整个青藏高原一起经历了阶段性的大幅度整体上升,山体又获得了巨大的高度,致使山区河谷发育多级阶地(兰州冰川冻土研究所,1985)。

寒武纪等古老的灰岩暴露在祁连山走廊南山和老龙岭一带冰雪覆盖的区域,在山前有数条EW 向的深大断裂,研究发现这些断裂仍在活动(史基安等,1999)。

最新的同位素数据显示,巴丹吉林沙漠及其下游的地下水都是来自祁连山顶部附近的雪水,在祁连山老龙岭、南山走廊的雪水融化后并没有形成径流补给到黑河,而是直接渗入至灰岩地层或通过山前的深大断裂汇入灰岩溶蚀层,因为黑河水和形成径流的雪山融水的δ18O 、δD 的值都偏大,平均为-8‰和-50‰,缺少雪山顶部的融水补给(δ18O 和δD 在-10‰和-80‰以上)。

在祁连山与龙首山之间是河西走廊,黑河为发源于祁连山的内陆主要水系之一。

龙首山、合黎山、北大山的北边就是著名的巴丹吉林沙漠。

巴丹吉林沙漠位于阿拉善高原,海拔1000m 以上,境内包括巴丹吉林、腾格里和乌兰布和三大沙漠,其中巴丹吉林沙漠的面积最大,接近5×104km 2,高程在1200～1700m ,是中国的第三大沙漠,以世界上最高的沙丘著称,沙山的高程平均超过300m ,最高的达到500m ,在高大沙山之间存在144个湖泊,湖泊的水域面积达到了33km 2。

沙漠及其以北的降雨量稀少,仅为39mm /a ,蒸发量超过了3000m m /a ,仅湖泊群表面的蒸发量就高达108m 3/a ,最大湖泊图1　祁连山走廊南山和老龙岭一带大片灰岩裸露及山前深大断裂示意图Fig .1　A sketch o f naked limestones and deep big fault in front of Qilian Mountain at Z oulangnanshan M ountain and Laolong Ridge1-硅质岩及灰岩(中早寒武世黑茨沟组);2-基性、中基性火山熔岩夹薄层板岩及灰岩(早奥陶世阴沟组);3-碎屑岩夹泥岩、泥灰岩(早白垩世新民堡群下沟组);4-变凝灰质砂岩夹硅质岩和结晶灰岩(黑茨沟组);5-白云质灰岩(蓟县纪花石山群克素尔组);6-白云质灰岩、硅质灰岩、局部角砾状灰岩、碎屑泥灰岩(五个山组);7-板岩夹灰岩(中堡群);8-浅变质中基性-中酸性火山岩夹厚-薄层灰岩、角砾状灰岩、泥灰岩(扣门子组);9.中基性-中酸性火山岩夹灰岩(晚奥陶世扣门子组);10-砂岩夹泥灰岩(大红山组);11-上部灰岩;下部粉砂岩夹泥灰岩(早石炭世臭牛沟组);12-粉砂岩夹灰岩、泥灰岩(臭牛沟组);13-粉砂岩、板岩夹灰岩、泥灰岩(泉脑沟山组);14-河流;15-断层1-s il icate l imestone ;2-basic volcanic rock and paper slate and l imestone ;3-clastic rock and argill aceous limestone ;4-tuff s andstone and silicate rock and crystal l imestone ;5-dolomite ;6-dolomite ,s il icate l imestone and l ocal gravel l imestone ,clastic argillaceous limestone ;7-sl ate and limestone ;8-limestone ,gravel and argillaceous limestone ;9-volcanic rock and limestone ;10-sandstone and argillaceous l imestone ;11-l imestone ;dusty sandstone and argillaceous limestone ;12-farinose s andstone ,limestone andargill aceous limestone ;13-farinose s andstone ,s late and limestone and argillaceous l imestone ;14-river ;15-fault498地　球　学　报2003年的面积为1.5km2,水深为16m。