典型黄土塬区地下水水化学成因机制及碳循环意义

摘要：

水岩相互作用包括了溶解、沉淀和离子交换等作用,其参与了各种地质作用和生态-环境过程;而目前对离子交换作用在水中离子来源解析和同位素示踪等方面考虑不足,这限制了对水化学演化规律和碳循环刻画等方面的认识.本研究选择水文地质条件较为简单的甘肃陇东地区董志塬,在对降水入渗补给评估、地下水定年(3H和14C)等水循环规律刻画的基础上,通过对降水元素输入和阳离子交换容量分析,以及应用硝酸盐同位素(δ15N-NO3和δ18O-NO3)、硫酸盐同位素(δ34S-SO4和δ18O-SO4)、87Sr/86Sr(包括地下水及黄土各分量)、阳离子关系等手段,解析了董志塬地下水中主要离子来源.研究结果显示,降水入渗补给量为39±8mm/a,土壤水运移速度为0.13±0.03m/a;研究区包气带较厚(主要在40～75 m),这说明年降水需要250～750年才能补给到地下水,但持续的补给使得自然条件下每年约有(3167±650)x104m3地下水通过泉水补给两侧河流.地下水年龄较老,不含3H,14C校正年龄在417年至19420年之间,因此水化学组成受现代人类活动影响可忽略;地下水中Cl-和SO24-主要来自于古降水,并反演出古降水SO24-平均含量为1.2mg/L,显著低于受化石燃料等影响的现代含量(平均为6.6 mg/L);而地下水NO3-则主要来自于土壤氮的硝化.地下水87Sr/86Sr比值(0.7107至0.7114)与黄土中碳酸盐的比值(0.7103至0.7111)基本一致,表明Ca2+和Mg2+主要来自于碳酸盐矿物的溶解,部分被吸附至粘土矿物.研究区黄土具有较高的阳离子交换容量(149±33meq/kg),地下水总Na+中,降水贡献平均占29％,其余Na+主要来源于水中Ca2+和Mg2+和粘土矿物中Na的交换(平均为71％),硅酸盐溶解对水中Na+贡献可忽略(硅酸盐溶解会导致87Sr/86Sr增加),而以往研究大多认为除了降水输入、蒸发岩溶解外,水中Na+主要来自于硅酸盐矿物的溶解,并贡献了碳汇.本研究认为在研究区地下水中,硅酸盐风化的碳汇效应可忽略;同时强调了在含有粘土矿物的流域或水岩体系,阳离子交换作用在示踪水中离子来源及碳循环中的重要性.

关键词：水岩相互作用、同位素、碳循环、风化作用、阳离子交换

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分类号：P641.12;P595(水文地质学与工程地质学)

资助基金：国家自然科学基金;中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目;科技部第二次青藏高原综合科学考察研究项目

在线出版日期：2023-04-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：356-367