锶元素地球化学在水文地质研究中的应用进展(2)

地球化学

应用主要有以下几个方面:①河水来源;②现代环境监测;③地下水水化学组分的控制因素及含水层之间的越流补给量的确定;④古沉积环境。1.1　河水来源

河水通常接受不同类型的地下水和降水的补给,不同补给源的贡献大小可以确定河水的水化学组分。根据质量守恒定律,河水中某一化学组分a浓度可用如下方程表示:

cm=ci

+cj+…+cn

VmVmVm

(1)

式中:cm为混合溶液中a组分浓度(mol L);ci为i

补给来源中a组分浓度(mol L);cj为ja组分浓度(mol L);cn为n(mol L);Vmii源水的体积;j;Vn为n补若已知河水及各补给源中某几种组分的浓度,则可根据公式(1)反求河水中不同补给源的贡献比例。

[38]

Land等用c(Ca) c(Sr)、c(Ba) c(Sr)值研究了瑞典北部Kalix河流的河水来源。Land等认为

浅层地Kalix河流的河水主要有三种来源:土壤水、

下水和深层地下水。由于Ca、Sr、Ba含量不同的矿物的抗风化能力不同,使进入地下水中Ca、Sr、Ba浓度也不同。因此用c(Ca) c(Sr)、c(Ba) c(Sr)值可计算来自不同类型的水所占比例,并用n(87Sr) 86

n(Sr)验证了该模型的合理性。1.2　现代环境监测

垃圾填埋是处理城市垃圾最常用的方法,但也会带来一些环境问题,常见的就是垃圾渗滤液污染地下水的问题。如何快速而准确地确定地下水是否受污染及其受污染的程度是环境监测中一个很重要的问题。根据锶同位素的地球化学特性,Siegel等[39]

86

用n(87Sr) n(Sr)值和铅同位素比值作为环境监测的示踪剂,确定垃圾填埋场附近地下水各来源(未受污染的地下水、海水和垃圾填埋场渗滤液)所占的比例。其基本原理与确定河水来源的类似,也是通过质量守恒方程反求各来源所占的比例,从而确定该地区地下水的污染程度。

1.3　地下水水化学组分的控制因素及含水层之间

的越流补给量的确定

水—岩作用是一个复杂的过程,不仅有岩石组分的溶解,而且也有某些组分从水中的析出。地下水化学组分及其浓度的变化可以反映哪种作用在起主导作用。Shawan等[40]研究了澳大利亚东南部半干旱灰岩地区地下水组分的演化,发现盆地边缘地带

86

的n(87Sr) n(Sr)值为0.7097,距离盆地边缘

86

250km的n(87Sr) n(Sr)值与碳酸盐岩含水层中

86

的n(87Sr) n(Sr)值相近,为0.7084。同时,地下水中的c(Sr) c(Ca)、c(Mg) c(Ca)值也增加。这说明此含水层中的水—岩作用以高镁方解石的非全等溶解为主。由于不同含水层在岩性、径流条件等方面的

86

差异,不同含水层中的n(87Sr) n(Sr)值也不同。

[40]8786

Shawan等用n(Sr) n()值估算得到下伏含15%85%1.。Fairchild等[41]研究了法国南部的Clam2ouse岩溶洞穴和意大利东北部的Ernesto岩溶洞穴的沉积物中c(Mg) c(Ca)和c(Sr) c(Ca)值。他们认为洞穴沉积物中c(Mg) c(Ca)和c(Sr) c(Ca)值的增加反映了较干旱的气候条件。因为干旱的气候不仅延长了平均滞留时间,促使白云石的溶解,增大了c(Mg) c(Ca)值,而且有利于脱气作用和方解石的沉淀,从而导致c(Mg) c(Ca)和c(Sr) c(Ca)值的增加。

2　国内锶元素地球化学在水文地质

研究中的应用

　　国内锶元素的应用兴起于90年代,其中大多是用锶解决古环境问题[42～45],而在水文地质研究中的应用则不多。王焰新等[46]用娘子关泉域锶浓度的变化推断该地区的水动力环境。他们认为岩溶水的径流时间和径流途径长,与围岩充分接触,有利于锶的富集。由此根据泉水中Sr2+浓度的不同,划分了泉群的不同流动系统。周练等[47]以冀中坳陷的地下水为例研究了锶同位素在水文地质学中的示踪意义。韩贵琳等[48]研究了贵州喀斯特地区两条主要水系

86

(乌江水系和沅江水系)Sr2+浓度及n(87Sr) n(Sr)的变化,发现流经碳酸盐岩地层的乌江水系的Sr2+

86

浓度高而n(87Sr) n(Sr)值低,流经碎屑岩地区的

86

沅江水系的Sr2+浓度低而n(87Sr) n(Sr)值高。结合c(Na) c(Ca)、c(Mg) c(Ca)值确定河水溶质来源于三个端元物质的风化(石灰岩、白云岩和硅酸盐岩),且主要受灰岩风化作用的控制。赵继昌等[49]研究了长江源区河水中的锶同位素比值及主要离子浓度,并根据物质运移均衡方程计算了河水中各类主要元素及锶所占的比例,分析了长江源区主要河流的补给来源。

王增银等[50]根据对延河泉岩溶水系统c(Sr)