同位素在水文地质研究中的应用与发展

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1、2010V01．5No．4余梦明等：同位素在水文地质研究中的应用与发展第5卷第4期同位素在水文地质研究中的应用与发展余梦明，潘红忠(长江大学地球化学秉。湖北荆州443002)摘要：本文通过总结前辈们的研完成果，综合概括我国同位素水文地质学近20余年取得的发展和成耽。指出我们的不足与面临的挑战。关键词：豢文地质。同住素。示踪荆。分析洲试中图分类号：P641文献标识码：A文章编号：1∞7—1903(2010)04-0021—040引言同位素(Isotope)是指质子教相同而中子数不同的一组核素，包括放射性同位素(Radioactiveisoto

2、pe)和稳定同位素(Stableisotope)。凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者称为放射性同位素；目前技术条件下无可测放射性的同位素称为稳定同位素。水文地质学(Hydrogeology)是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。将同位素技术应用于水文地质研究中，是发展水文地质学的一项先进手段。法国是把同位素应用到水文地质学上比较早的国家之一，从四五十年代就开始了同位素在水文地质学方面的研究。我国同位素技术在水文地质上的应用起步相对较晚。自1988年在保定召开第一届《全国同位素水文地质方法

3、学术讨论会》以来，我国同位素水文地质学理论研究与仪器设备的研发和引进上都取得了长足的进展，并巳形成同位素地球化学的一重要分支——同位素水文地质学(IsotopeHydrogeology)。目前普遍认为同位素水文地质学是介于水文地质学和同位素地球化学之间的一门新兴交叉学科，主要研究地下水的环境同位素组成，探讨其补给、径流、排泄、水体之间的混合、水体年龄等水文地质问题。1近20余年来同位素在水文地质研究中的应用目前，同位素水文地质学，主要从事研究地下水及土壤污染问题、地下水循环与演化、水文地质勘察技术与方法、水文地质野外实验技术、水文地球化学信

4、息技术以及其它与水文地质环境相关研究领域。以下简要介绍人工放射性同位素法和环境同位素法在水文地质研究中的应用。(1)人工放射性同位素法的应用人工放射性同位素法是人为地将某些放射性同位素添加到某体系的环境中，然后通过测定地质体中所添加的同位素丰度在各个方向上的变化，研究该体系的特征，如常用的Ⅱ1I、玎Br等。该方法常用于水文地质参数(如地下水的渗流速度，岩石的渗透率、裂隙度等)的测定、地下水污染示踪和坝体渗漏研究等方面。同位素单孔稀释法测定地下水流速与流向，确定地下水补给关系原理。单孔稀释法是用已确定达西渗透流速的示踪剂稀释测井。把放射性示踪

5、剂放到一定深度的钻孔或井孔中；当滤水管中的水柱被示踪剂标记后，被标记的地下水主要沿着地下水水流方向，以一定的流散角被地下水带至孔外含水层中而稀释，其稀释速度与地下水渗透流速有关，而漂移到含水层中的示踪剂放射性晕反射回来作用于孔内。其方向各不相同，最强的方向相对应于地下水流出滤水管的方向，而最弱的方向与流入滤水管的方向相对应。故根据对孔周测得的计数率，便可确定地下水流向。应用实例。武汉长江底钻孔人工放射性同位素13tI单井法地下水流速、流向测试在武汉市长江底部第四纪孔隙含水层中，用单井稀释法测定了地下水流速、流向。测试结果表明：武2010第5

6、卷第4期研究探讨20lOV01．5No．4汉长江底部JC·II-6号钻孔处地下水流向从上到下都受到地表长江水流的影响，上部影响大，深部较弱，地下水流向从上到下逐渐向东偏转35。左右。上部中细砂层中的地下水流速大于下部粗中砂层中地下水流速，表明长江水流对浅部含水层地下水流有较大的影响。(2)环境同位素的应用环境同位素方法是利用自然体系中本来就有的同位素做示踪剂来研究水文地质学上的问题，它们分为放射性同位素(如T、14C、238U、232Th、盯Sr等)和稳定同位素(D、180、BC、34S等)。该方法常应用于研究地下水的起源与形成(包括补给来

7、源、补给高程、循环深度)，地热水和咸水的成因，不同水体或含水层之间水力联系与补给关系、混合比等。2董。l①对比稳定同位素特征，确定地下水补给源原理。地表水和地下水具有不同的同位素组分，且水分子的稳定同位素在含水层中的运移不变，只要含水层的地下水有同位素的差别，就可以识别地下水的运移方向。应用实例。利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险通过不同水源中的氘和氚同位素对比，探讨秦岭特长隧道敏感地段突(涌)水的可能性(图1)。位于隧址区北坡近EW向的F4断层为控制秦岭地区构造格架的主要断裂构造之一，其导水性是隧道建设所考虑的重点问题。图1秦岭特长

8、隧道地质剖面图勘测阶段的环境同位素数据显示：岭北隧址区地表水的氘含量值平均为一58．6‰，明显较位于F4断裂带上的冉家坪QDSZ．2钻孔中水样的值(平均-71．990)重化，前者