孤立山脉对地下水水化学演化的影响：来自同位素和地球化学分析的见解

《Journal of Hydrology》：Impact of isolated mountains on groundwater hydrochemical evolution: insight from isotopic and geochemical analysis

柴达木盆地孤山对地下水化学演化的影响研究显示，山体改变了地下水流场和介质反应，导致水化学特征分异。研究结合同位素与水化学指标发现，山前至平原的流动路径中，TDS先降后升，δ2H和δ18O呈现耗损-富集模式，水化学类型从Cl·HCO3?-Ca·Na向Cl?-Na转变，揭示孤山延长地下水滞留时间，而封闭地下水因深部循环不受山体影响。研究为冲积-坡积盆地地下水管理提供新视角。

　　

杜敖敖|廖福廖|昝若洋|张子文|杨炳超|尤向志|曾清明|王光才

中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室及教育部地下水循环与环境演化重点实验室，北京100083，中国

摘要

在许多流域中，从山前到远端平原，孤立的山体是常见的地貌特征；然而，它们在控制流域尺度地下水演化中的作用却鲜有关注。本研究结合多种同位素（O、H和C）和水质指标，探讨了孤立山体如何影响中国西北地区小喀喇丹盆地的地下水演化。结果表明，位于平原内的孤立山体可能对包气带地下水的演化路径产生显著影响。从补给区向远端盆地流动的过程中，地下水从Cl?HCO₃-Ca?Na和Cl?SO_{43-Na?Ca类型逐渐转变为Cl-Na类型。总溶解固体（TDS）最初减少后增加，而地下水年龄（¹⁴C）则先下降后上升。同样，δ²H和δ¹⁸O值也呈现出先降低后增加的趋势。这些观察表明，孤立山体的存在延长了地下水的停留时间，导致δ²H和δ¹⁸O特征相对富集，并形成了高TDS和Cl?SO4-Na?Ca类型的水。相比之下，承压地下水的地球化学演化受不同的水文地质过程控制。承压地下水的稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）贫乏，饱和指数（SI）远低于包气带水，水化学相以碳酸氢盐为主，TDS较低，且地下水年龄明显更老。这些特征表明承压地下水受深层循环路径控制，不受孤立山体的影响。这些发现为冲积-坡积盆地系统中的地下水演化提供了新的见解。}

引言

在干旱和半干旱盆地中，尤其是在缺乏常年地表水的地区，地下水通常是家庭、农业和工业活动的主要（甚至唯一）水源。因此，它是水资源管理策略的核心（Adimalla和Qian，2019；Subba Rao等人，2020）。有效的地下水管理通常需要在流域尺度上进行研究，以便评估水流动态和水质演化。在这一尺度上，可以划分出包括补给、径流和排放在内的地下水流动系统，从而更全面和系统地理解水文单元内的地下水过程（Tóth，1963；Han等人，2009；Keesari等人，2014；Gu等人，2017）。

流域尺度上的地下水地球化学演化直接影响地下水管理策略。在许多流域中，地下水开采主要集中在山前地带，那里的含水层通常具有较高的出水量和更好的水质，其特征是TDS较低且主要为HCO₃-Ca类型的水（Li等人，2021；Liu等人，2024）。在自然条件下，现在普遍认为：从补给区到排放区的流动路径上，主要阴离子通常从HCO₃^–转变为SO₄^2-，最终变为Cl^-，而阳离子则从Ca²⁺转变为Na⁺（Prakash Rai等人，2023）。许多研究都证实了这一传统模式；例如，Wang等人（2023）发现冲积扇区的地下水以HCO₃^–为主，而在排放区Cl^-浓度显著增加；在中国西北部的民勤盆地，距离山前约45公里处Cl^-浓度显著升高，而HCO₃^–浓度则持续下降（Zhu等人，2007）。需要注意的是，传统的地球化学演化模式通常假设从山前到远端平原的过渡是平滑的，流域内部没有孤立山体的存在（图1a）。

实际上，由于构造活动或长期风化作用，流域平原中经常会出现孤立的山体（某些研究中也称为孤山）（图1b），这些山体在地貌学和构造地质学中得到了广泛研究（R?mer，2005；Nenonen等人，2018）；然而，它们在水文地质系统中的作用却相对较少受到关注。对流域尺度地下水流动系统的理论研究表明，起伏的地形可以根本性地改变地下水流动模式（例如，产生局部地下水流动；Tóth，1963），从而改变地球化学演化。同样，盆地中的断层也会改变地下水流动结构和相关的地球化学过程（Figueroa等人，2021；Wang等人，2020）。理论上，孤立山体的出现会在原本平坦的流域平原中引入明显的高程起伏，可能类似于断层一样改变地球化学演化。然而，孤立山体是否以及如何影响地下水的地球化学演化至今仍是一个较少被关注的问题。

小喀喇丹盆地（XQB）是一个典型的干旱盆地，地下水是当地城镇的主要水源。该盆地北部毗邻祁连山脉的广阔分支，特别是库勒莱克山脉，其最终排放区是小喀喇丹湖（图2）。由于喜马拉雅造山运动期间的强烈新构造作用，局部地壳抬升导致 Lvliang 山体在盆地平原中出现（Xu等人，2020）。盆地内的地下水来源于库勒莱克山脉的降水，流经盆地平原后遇到 Lvliang 山体，最终到达终端湖泊。作为受孤立山体影响的代表性盆地，XQB 在其地球化学演化方面研究较少。

本研究在 Lvliang 山体的山麓带以及盆地其他区域采集了地下水样本。通过结合多种同位素示踪剂（δ²H、δ¹⁸O 和 ¹⁴C）和水质分析，本研究的目标是：（1）描述 XQB 地区地下水的主要离子组成和空间分布；（2）评估孤立山体在控制非承压和承压含水层地球化学演化中的作用。

研究区域描述

XQB 位于中国西北部喀喇丹盆地的北部边缘（图2），地理坐标范围为 37°30′N–37°50′N，95°10′E–95°40′E。从山前到盆地边缘，海拔逐渐降低；而在西部，由于孤立山体的存在，海拔呈现出“降低-增加-降低”的模式（图2c 和图 S1）。该地区具有高原大陆性干旱气候特征（Yang等人，2023）。

地下水成分的空间变异性

研究区域内地下水的总溶解固体（TDS）范围从216毫克/升到1714毫克/升，不同类型的地下水之间存在显著差异（表S2）。包气带地下水的TDS值显著较高（平均：802毫克/升），而承压地下水的TDS值较低（平均：248毫克/升）。泉水的盐度介于两者之间，平均TDS为794毫克/升。有两个采样点的数值异常（D12：12212毫克/升和D18：19870毫克/升），因此被排除在进一步分析之外。

XQB 地区的地下水地球化学演化

在典型的盆地水文地质系统中，地下水成分浓度通常沿流动路径增加。在扇形区域的顶端，地下水流速相对较高，水-岩相互作用有限，导致离子浓度较低。随着地下水向下游迁移，累积的溶解-吸附反应加剧，使得溶质浓度升高。在排放区，强烈的蒸发作用进一步浓缩了溶质，导致离子浓度最高。

结论

本研究分析了 XQB 地区的地下水地球化学特征，并总结了沿地下水流动方向的地球化学演化空间模式。通过整合多种稳定同位素（H/O/C）和传统的地球化学方法，展示了从山麓区域到终端湖泊的演化过程。主要结论如下：

1)

沿地下水流动路径，地球化学特征呈现出明显的地带性。

未引用的参考文献

Al-Ahmadi, 2013; Huttly, 1990; Xie et al., 2015.

CRediT 作者贡献声明

杜敖敖：撰写——初稿、软件开发、方法论、调查、正式分析、数据管理。廖福廖：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。昝若洋：验证、方法论、正式分析。张子文：验证、正式分析、数据管理。杨炳超：验证、调查。尤向志：验证、调查。曾清明：验证、调查。王光才：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFC3702300）和国家自然科学基金（42030705、42202272）的支持。