（地质工程专业论文）华北平原第四系含水层地下水年龄与补给温度.pdf

摘要 华北平原地下水资源的超量开采和不合理开发利用已经诱发了诸多的生态环境地 质问题，例如：地面沉降、咸水下移、水环境恶化等等。研究华北平原地下水年龄与补 给温度对于深入了解华北地区地下水循环演化过程以及地下水系统更新等方面具有重 要的意义，这对于指导地下水资源的合理开发利用具有十分重要的作用。 本次研究沿石家庄衡水一塘沽剖面采集了华北平原第四系不同含水层的地下水及气 体样品，包括稳定同位素2 、”d ，放射性同位素3 日、“c ，环境示踪剂配、以及惰 性气体样品。应用c e 模型计算了样品的惰性气体温度以及过量气体，山前平原浅层地 下水采用野：法及啊3 h e 法进行了年龄估算；中东部平原深层地下水则采用“c 和4 月j 的 方法进行了年龄估算，并对不同方法测年结果进行了对比。 取得了以下几个主要结论： ( 1 ) 惰性气体温度结果表明年轻地下水的补给温度相对年老地下水补给温度偏高约 5 0 c ，这也说明了年老水的补给形成条件不同于现今。 ( 2 ) 山前平原浅层地下水s f , 及3 一3 胁年龄均显示出现代水特征，循环更新速度较 快，瓯年龄范围为0 2 3 0 5 年，3 日一3 月i 年龄范围为1 5 5 4 0 7 3 年，均为可更新地 下水资源。 ( 3 ) 核成分分离结果表明，中部平原地壳放射性核背景值为4 0 5 e 8 ，深层地下水中 氚成因3 h e 浓度为6 9 7 1 0 9 5 e 1 5 锄3 s t p g ，相对应的氚值为2 8 4 4 t u 。 ( 4 ) 中东部深层( q i 、q 2 含水层) 地下水“c 未校正年龄范围为1 2 4 4 k a ，校正年 龄范围为4 6 - - 3 8 1k a ，4 h e 年龄变化范围为8 2 3 5 1 k a 。从山前到衡水以西地区，第三 含水层组地下水“c 年龄变化范围为4 6 3 5 6k a ，4 h e 年龄变化范围为8 2 3 5 4k a ， 4 h e 年龄与“c 年龄结果比较一致，而第四含水层组4 h e 年龄则相对“c 年龄偏大很多， 显示出化石水的特征，地下水资源可视为不可更新地下水资源。 关键词：环境同位素； 惰性气体；s 吒； 更新能力 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha sl a n ds u b s i d e n c e ，s a l i n ew a t e ri n t r u s i o n , a n dw a t e r q u a l i t yd e g r a d a t i o n ，o c c u r r e d i nt h en o r t hc h i n ap l a i n ( n c p ) d u et o g r o u n d w a t e r o v e r e x p l o i t a t i o n t h es t u d i e so ng r o u n d w a t e ra g ea n dr e c h a r g et e m p e r a t u r ei nn c pc a n p r o v i d es o m e v a l u a b l ei n f o r m a t i o na b o u th y d r o l o g i cc y c l ea n dg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s r e n e w a b i l i t y t h e s ei n f o r m a t i o n i sv i t a lf o rg r o u n d w a t e rg r o u n d w a t e rr c s o u r c c s m a n a g e m e n t g r o u n d w a t e ra n dg a ss a m p l e s ，i n c l u d i n gs t a b l ei s o t o p e s2 ha n d 珥o 。r a d i o i s o t o p e s3 h a n d c ，e n v i r o n m e n t a lt r a c e r s f 6 ，a n dn o b l eg a s ，w e r ec o l l e c t e da l o n gt h et r a n s e c to f s h i j i a z h u a n gt ot a n g g uf r o mw e l l so fq u a t e r n a r ya q u i f e r s t h en o b l eg a st e m p e r a t u r e ( n g t ) a n de x c e s sa i rw e r ee x p l a i n e db yu s i n gt h ec em o d e l ，s f 6a n d3 h 一3 h ea p p r o a c h e sw e r e u s e df o ry o u n gg r o u n d w a t e rd a t i n gi nt h ep i e d m o n t ，w h i l e 。4 ca n d4 h e a p p r o a c h e sw e r e u s e df o rw a t e r si nt h ec e n t r a la n dl i t t o r a lp l a i n t h em a j o rr e s u l t sa sf a l l o w s ： ( 1 ) t h en g ts u g g e s t e dt h a tt h er e c h a r g et e m p e r a t u r eo f y o u n gg r o u n d w a t e ri sa b o u t5 。c l o w e rt h a nt h a to f o l dg r o u n d w a t e r i ti sa l s om e a n i n gt h a tt h ec l i m a t en o wi sb e i n gw a r n l e r t h a np a s t ( 2 ) t h es f 6a g ea n d3 h 一3 h ea g eo fg r o u n d w a t e ri np i e d m o n ti n d i c a t e dt h a tt h e yw e r e m o d e mw a t e r s t h eg r o u n d w a t e ri ss u s t a i n a b l ea n dq u i c k l yr e n e w a b l e ( 3 ) t h ec o m p o n e n to fh e l i u mi n d i c a t e dt h a tt h ec r u s th e l i u mi s o t o p er a t i oi s4 0 5 e 8i nn c p , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft r i t i o g e n i ch e l i u m 一3i nt h ec o n f i n e da q u i f e r si nn c pr a n g ef r o m 6 9 7t o1 0 9 5 e 一1 5c r n s t p g e q u e a lt ot h et r i t i u mr a n g ef r o m2 8 t ut o4 4 t u ( 4 ) t h eu n c o r r e c t e d ”ca g eo fc o n f i n e dw a t e r si nt h ec e n t r a la n dl i t t o r a lp l a i nr a n g ef r o m 1 2k a t 04 4k a i i nc o n t r a s t ，t h e4 h ea g er a n g e f r o m8 2k a t o3 5 1 k a t h e y w e r es i m i l a r i n t h em i d d l ep l e i s t o c e n ea q u i f e r , w h i l e4 h ea g ei sa p p a r e n t l yl a r g e rt h a n1 c a g ei nt h e l o w e rp l e i s t o c e n ea q u i f e r , a n de x h i b i tt h ec h a r a c t e r i s t i co ff o s s i lw a t e r t h ew a t e rr e s o u r c e s c a nb ec o n s i d e r e da sn o r l r e n e w a b l eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a li s o t o p e s ；n o b l eg a s ；s u l f u rh e x a f l u o r i d e ；r e n e w a b i l i t y i i 原创性声明 本人声明，我呈交的学位论文是我个人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 7 互- 日期：婴三五：z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定，即： 中国地质科学院有权保留、送交学位论文的电子版和纸质版，允许论文被 查阅或借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 日期： 7 占7 t 爻 导师签名：二j 互复塾 日期：型z 。么么 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源，随 着水资源危机的加剧与水环境质量的不断恶化，水资源短缺已经演变成世界倍受关注的 资源环境问题之一。 华北平原位于中国东部，是我国社会经济发达的地区，同时又是水资源供需矛盾十 分突出的地区，近3 0 年来，由于地表水资源的严重不足，造成对地下水资源的过度依 赖，主要依靠超采地下水资源来满足社会对水资源的日益增长需求，地下水资源在水资 源利用中的比例逐年上升。部分地区( 如：衡水、沧州等) 地下水的严重超采，致使地 下水的循环条件发生了显著变化，造成了一系列的生态环境地质问题，如：地面沉降( 郭 永海等，1 9 9 5 ；张洪波等，1 9 9 8 ) 、地裂缝( 李俊等，2 0 0 3 ；李世雄等，2 0 0 5 ) 、咸水下 移( 郭永海，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ；周炼等，1 9 9 8 ) 、水环境污染( 王秀兰等，1 9 9 4 ) 等等，这 些已经成为区域社会经济发展的重要制约因素。由此，促使人们去思考如何来实现地下 水资源的合理开发利用，以保证地下水资源的可持续利用目标。实现这一目标的重要前 提在于对地下水资源的可更新能力进行评估，而判断地下水更新能力大小的重要依据之 一是地下水的年龄。 地下水年龄是指补给水进入含水层至采样时所过去的时间，由于地下水处于流动状 态且与流经介质不断相互作用，因此其年龄不同于岩石或矿物的年龄。确切地说没有任 何一滴水是由单一年龄的水构成的，实际上研究的是混合水年龄的平均值。 国内外对地下水测年的研究由来已久，目前地下水测年的方法主要有3 种：水动力 学方法、水化学动力学方法和环境同位素方法。 水动力学法测年是以渗流理论为基础，研究中需要大量含水介质的结构参数，这些 参数是变化的，求取中还存在若干不确定性，而在年龄计算时又往往假定流场是稳定的， 二者相互矛盾，想要详细了解古水流场是极其困难的，因此，这种研究结果无法确切反 映地下水的循环演化。 水化学动力学方法基于化学动力学理论，研究中需要大量热力学参数，且依赖于对 选择组分化学存在形式和平衡关系的了解，而目前常用的参数大多源自室内的理想实 验。另外，这一方法同样需要含水介质参数等，导致研究结果的可靠性难以评估。 环境同位素方法是基于原子衰变理论建立起来的，是根据同位素随大气降水渗入地 下，经衰变后减少的数量判断地下水所经历的时间来确定地下水年龄，较水动力学和水 中国地质科学院硕士学位论文 化学动力学测年方法具有更准确、更可靠的优点( 孙继朝，1 9 9 8 ；张宗祜，2 0 0 0 ) 。 本文拟采用环境同位素方法研究华北平原地下水年龄，并应用惰性气体方法对地下 水的补给温度进行估算，为了解华北地区地下水循环演化过程、水的成因类型以及开展 地下水资源更新评价等工作提供理论依据；另外本次研究引进e 测年、3 日一3 h e 、4 h e 测年等国外最新环境示踪剂方法，以及惰性气体补给温度研究，为环境同位素新方法测 年及古温度变化在国内的应用开拓了方向。因此本次研究不仅对于指导地下水资源的合 理开发利用具有重要的实际意义，也对推广环境同位素测年新方法的应用及古温度研究 具有重要的理论意义。 1 2 研究历史与现状 1 2 1 地下水环境同位素测年研究进展 水文地质学中常用到的环境同位素测年方法主要是应用3 h 以及1 4 c ，此外一些新的 环境示踪计方法( 如：5 e 、c f c s 、3 h 一3 h e 、”c i 、”k r 、4 h e 等) 也逐步应用于 地下水的测年，其中年轻地下水测年方法包括踬、c f c s 以及3 日一3 月j 等；年老地下 水测年方法则包括3 6 c ，、“勋和4 k 等。各种测年方法的测年范围见图1 1 。 图l - 1 地下水测年方法的测量范围 2 第一章绪论 1 2 1 1 年轻地下水测年研究进展 目前年轻地下水测年方法主要包括3 h 、c f c s 、s f , 、3 h 一3 h e 以及s e c f c s 比 率法等等。3 日测年曾经是应用最广泛的一种测定年轻地下水年龄的方法( e g b o k a 等， 1 9 8 3 ；r o b e r t s o n 和c h e r r y ，1 9 8 9 ) 。然而随着氚浓度不断的放射性衰变而大幅度降低， 应用3 日测定年轻地下水年龄的方法已经逐渐被c f c s 以及3 h 一3 h e 等测年方法所替代。 c f c 测年法被认为是确定1 9 5 0 年以来的年轻水年龄的有效方法，如果地下水中存在c f c 则说明有两种情况，一是存在1 9 4 5 年以来补给的地下水，二是老水与5 0 年代以来的地 下水发生了混合( 秦大军，2 0 0 5 ) ，此方法弥补了1 9 8 0 年以来确定0 5 0 年尺度地下水 年龄缺乏可靠方法的不足，然而由于其对来自城市和工业污染源的敏感性，以及易被降 解、吸附等特征，从而导致了地下水测年的不确定性，因此c f c 测年通常只能作为其 它地下水测年方法的有效补充。 w 一3 胁法是由t o l s t i k h i n 和k a m e n s k i y ( 1 9 6 9 ) 首先提出来的，t o r g e r s o n 等( 1 9 7 7 ) 第一次将3 h 一3 h e 法应用于湖沼学的研究。m o s o r ( 1 9 8 7 ) 、t a k a o k a 和m i z u t a n i ( 1 9 8 7 ) 、 p o r e d a 等( 1 9 8 8 ) 以及s c h l o s s o r 等( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 将此方法应用于浅层地下水的测年研 究。r , _ a m e n s k y 等( 1 9 9 1 ) 将3 h 一3 h e 法用来计算了年轻地下水与老水的混合关系。 a e s c h b a c h h e r t i g 等( 1 9 9 8 ) 就此方法应用于裂隙基岩含水层地下水的测年，结果表明 3 h 一3 h e 的年龄分布与研究区的地形和取样的井深相关，并且通过分析3 日一h e 年龄与 总溶解固体及总二氧化碳浓度之间的关系，发现3 h 一3 h e 年龄中包含了地下水水化学时 间变化方面的重要信息。p r i c e ( 2 0 0 3 ) 用此方法研究了美国国家公园湿地区域地下水的 流动模式。 3 h 一3 h e 法测年由于测试仪器昂贵，因此国内应用较少。已有的研究包括：刘恩凯 ( 1 9 9 3 ) 对3 h 一3 h e 法地下水测年进行了介绍，韩庆芝、刘存富等( 2 0 0 5 ) 应用3 h 一3 h e 法对石家庄地区浅层地下水年龄开展的研究。 国外最早由l o v e l o c k ( 1 9 7 1 ) 首先认识到s f 6 可作为大气和海洋研究中潜在的示踪 剂，并且第一次对大气中的s f , 进行了测量。w a s t o n 和l i d d i c o a t ( 1 9 8 5 ) 年尝试通过深 海测量浓度来重建大气中的瓯浓度历史。s m a r t 和b i g g i n ( 1 9 8 9 ) 将瓯作为示踪剂对 地下水的流动途径进行了研究。w i l s o n 和m a c k a y ( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 应用s f , 研究了 饱和介质中地下水运动规律，b u s e n b e r g 和p l u m m e t ( 1 9 9 7 ，2 0 0 0 ) 则对年轻地下水测 年的s t , 方法进行了全面的介绍。s a n t e l l a 等( 2 0 0 3 ) 对纽约市附近土壤空气中s f , 的升 高以及这对s f , 地下水测年的影响进行了研究。 国内方面，李晶晶等( 2 0 0 5 ) 对地下水s f , 测年技术进行了介绍，认为该方法作为 中国地质科学院硕f 擘位论文 一种新型的测定年轻地下水年龄的有效工具，由于其存在稳定、在大气圈中寿命长且增 长速率快、取样分析方法简单等优点，因而具有很大的优越性与应用前景。但目前国内 将s f , 实际应用于地下水的测年研究还未见报道。 1 2 1 2 年老地下水测年研究进展 目前年老地下水测年方法主要包括“c 、”c ，、”髓一和4 h e 等。 应用“c 方法测定含碳物质的年龄最早是由l i b b y ( 1 9 4 9 ) 提出来的，1 9 5 7 年德国 学者k o m u n n i c h 首先将“c 应用于测定地下水的年龄，在这之后“c 测年方法不断地 得到改进和完善。在过去的3 0 年里，先后有i n g e r s o n 和p e a r s o n ( 1 9 6 4 ) 、v o g e l ( 1 9 6 7 ， 1 9 7 0 ) 、t a m e r s ( 1 9 6 7 ，1 9 7 5 ) 、m o o k ( 1 9 7 6 ，1 9 8 0 ) 、f o n t e sa n dg a m i e r ( 1 9 7 9 ) 、 g e y h ( 1 9 8 0 ) 、w i g l e y 等( 1 9 8 1 ) 、e i c h i n g e r ( 1 9 8 3 ) 、f o n t e s ( 1 9 9 2 ) 等对地下水的“c 的年 龄解释给出了多种校j 下模型。这些模型探索了解决水中总溶解无机碳形成过程中产生的 化学作用及同位素交换混合作用问题，并有力地推动了地下水“c 测年的发展。 国内方面，很多的学者包括陈以健( 1 9 8 4 ) 、张之淦( 1 9 8 7 ) 、刘存富( 1 9 9 0 ) 、王 恒纯( 1 9 9 1 ) 、陈宗字等( 2 0 0 5 ) 均对地下水的“c 测年的应用进行了研究，”c 是目前 在地下水测年中应用最广，也是较成熟的方法之一。 ”a 在地球科学和环境科学都具有重要的应用前景。在加速器质谱技术建立后对 ”c 测量的灵敏度达到l e 1 5 ，使锝”a 的应用研究逐渐开展起来。应用”a 测定地下 水年龄是目前”c ，应用比较多的一个方面。“d 可测定的年龄范围在十几万到几百万年 之间，从而可测定更古老的地下水的年龄，扩展了“c 法测定地下水的年龄。国内，刘存 富等( 1 9 9 3 ) 、董悦安等( 2 0 0 2 ) 、对河北平原地下水的”d 年龄进行了研究。 用4 胁测定地下水年龄最早是由s a e h e m k o ( 1 9 3 6 ) 提出来的，d a v i s 和b e n t l e y ( 1 9 8 2 1 对地下水4 k 测年的技术潜力进行了介绍，t o r g e r s e n 、l v e y 和c l a r k e ( 1 9 8 5 ) 研究了澳 大利亚g r e a ta r t e s i a n 盆地地下水中h e 的来源，并应用模型对地壳中h e 通量进行了估 算。a n d r e w s 等( 1 9 8 5 ) 应用4 h e 方法对奥地利m o l a s s e 盆地地下水年龄进行了研究。 s t u t e 等( 1 9 9 2 ) 对匈牙利的p a n n o n i a n 盆地地下水4 h e 年龄进行了研究，s o l o m o n 等( 1 9 9 6 ) 应用4 胁对安大略s t u r g e o nf a l l s 地区浅层地下水了研究，并表明4 胁可以作为测定 l o 1 0 0 年地下水年龄的工具。c a s t r o 等( 1 9 9 8 a , 1 9 9 8 b ) 应用此方法对巴黎盆地地下水 年龄进行了研究。z h e n gz h o u ( 2 0 0 5 ) 对油田和天然气地区地下水的4 k 年龄进行了研 究，并用一种简单模型对深层地壳通量进行了计算。这些研究有效地推动了4 h e 测年方 法在地下水中的应用前景，也为国内开展地下水的4 h e 测年提供了重要的理论支撑。 国内方面，蔡鹤生等( 2 0 0 5 ) 以河北平原为例尝试应用模型来解释地下水的4 h e 年 第一章绪论 龄。但实际上模型的参数存在很多的不确定性，最可靠的方法还是进行h e 成分分离， 提取地下水中溶解h e 的放射性成因h e 成分。 1 2 1 3 多种示踪剂地下水测年的对比研究 使用不同方法得到的地下水年龄值不一定是相同的，而且与水的真实年龄可能会存 在偏差，有时甚至会得出错误的结论。因此，进行地下水年龄的对比研究十分必要。 c a s t r o 等( 2 0 0 0 ) 对德克萨斯州的c a r r i z o 含水层、新墨西哥州s a nj u a n 盆地的o j o a l a m o 和n a c i m i e n t o 含水层以及纳米比亚的a u o b 砂岩含水层地下水年龄的4 h e 和方法 对比研究。l e h m a n n 等( 2 0 0 3 ) 分别应用”、”c ，和4 h e 方法对澳大利亚g r e a t a r t e s i a n 盆地的四口井进行了测年对比。 国内刘存富等( 1 9 9 3 ) 使用3 6 a 的方法测定了沧州地区的不同含水组地下水的年 龄，并与“c 测年进行了对比研究，认为华北平原深层地下水年龄超出了”c 测年范围。 韩庆芝等( 2 0 0 5 ) 应用3 h 一3 h e 法对对石家庄地区浅层地下水年龄进行了研究，并与氚 法测年结果进行了对比，结果显示出两种方法得到了相同的变化规律。 1 2 2 惰性气体温度研究进展 m a z o r ( 1 9 7 2 ) 首次应用地下水中溶解的惰性气体研究了以色利j o r d e nr i f t 峡谷地 下水的古补给温度。在这之后，a n d r e w s 和l e e ( 1 9 7 9 ) 、h e a t o n 和v o g e l ( 1 9 8 1 ) 提出 了总溶解模型，又称u a 或t d 模型。由于对b r a z i l 地区惰性气体数据无法解释，s t u t e 等( 1 9 8 9 ，1 9 9 5 ) 又发展了惰性气体的p r 模型解释，a e s c h b a c h h e r t i g 等( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ， 2 0 0 1 ) 提出了更好的惰性气体解释模型c e 模型，这些学者均对地下水中的惰性气体温 度研究作了大量的工作，为地下水惰性气体温度理论研究奠定了坚实的基础，并为其应 用研究提供了大量的例证。 1 2 3 华北平原地下水年龄与气候变化研究进展 作为华北平原古气候、古环境以及地下水循环演化等研究的基础，华北平原地下水 年龄及气候变化的研究程度较高。姚足金( 1 9 9 5 ) 在研究华北地热水3 万年以来的古气 候记录时，对华北地热水碳、氢、氧同位素组分及“c 年龄进行了测定，并用地质方法 检验了地热“c 测年数据的可靠性。周炼等( 1 9 9 6 ) 在河北沧州地区进行了地下水3 6 c l 同位素测年。刘存富( 1 9 9 7 ) 通过进行河北平原地下水氢、氧、碳、氯同位素测年分析， 研究了第四纪以来河北平原气候环境演化过程。陈宗宇等( 1 9 9 8 ) 在研究华北地下水古 环境意义及古气候变化对地下水形成的影响中，研究了华北平原地下水同位素组成特 中国地赝科学院硕1 。学位论文 征。张光辉等( 2 0 0 0 ) 通过分析华北平原地下水氢、氧同位素特征以及“c 地下水年龄 分布，研究了华北平原地下水形成与区域水文循环演化的关系。董悦安等( 2 0 0 2 ) 对河 北平原第四系深层地下水进行了3 6 c 1 同位素年龄的研究。刘存富等( 2 0 0 5 ) 研究了河北 平原地下水氦氩同位素特征。汪珊，孙继朝等( 2 0 0 6 ) 应用环境同位素方法在河北滦南 县姜泡水源地进行“c 测年，并以此为基础研究了水源地地下水循环过程。以上成果对 本次研究工作具有很好的借鉴意义，但在针对年轻地下水和年老地下水开展不同同位素 方法测年的对比研究方面尚显不足。开展同位素测年对比研究，对于准确测定地下水年 龄，为华北平原古气候、古环境演变及地下水循环研究提供基础年代学资料具有十分重 要的作用。 因此，本次研究对华北平原年轻地下水年龄采用野：、3 h 一3 h e 法分别进行了测定， 年老地下水年龄采用”c 、4 h e 法分别进行了测定，就不同测年方法所得结果进行了对 比分析。并且应用惰性气体温度对华北平原地下水补给温度进行了研究。 1 3 论文研究思路概述与创新点 论文以研究区华北平原石家庄一衡水一塘沽剖面为例，对剖面上不同含水层地下水 进行了取样，立足于地下水本身的丰富信息内涵，提取其中的惰性气体信息，对地下水 的补给温度进行研究。对于浅层年轻水年龄分别采用憎一3 k 及s f , 两种方法进行测定， 深层地下水年龄则采用“c 及4 h e 两种方法进行测定，并分别对浅层和深层地下水不同 测年方法所得到的结果进行对比，得出不同方法地下水测年年龄的分布特征，并在此基 础上，对华北平原第三含水组的的地下水流动特征进行水文地质解译以及深层地下水资 源的更新能力分析，为准确评价和合理开发利用华北平原地下水资源提供科学依据，也 为华北平原古气候古环境演化趋势研究提供基础信息。 论文创新之处包括两个方面： ( 1 ) 首次应用惰性气体( n o b l eg a s ) 方法对华北平原地下水的补给温度进行了研 究，并与环境示踪剂测年相结合。为气候变化研究在国内的开展提供了新的研究方法。 ( 2 ) 首次应用s f , 方法对华北平原西部山前平原( 补给区) 浅层地下水年龄进行了 测定，为国内浅层年轻地下水年龄的测定提供了新的技术支撑。 第二章研究区概况 第二章研究区概况 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 华北平原位于我国东部，东邻渤海，西抵太行山，北起燕山，南至黄河。地理坐标 为东经1 1 2 0 3 0 一1 1 9 0 3 0 ，北纬3 4 0 4 6 一4 0 0 2 5 ；行政区划包括北京市、天津市、河北 省的全部平原及河南、山东两省的黄河以北平原，面积1 3 6 万k m 2 ( 图2 1 ) 。 2 1 2 地形地貌 图2 - l 华北平原地理位置图 华北平原位于太行山山脉以东，燕山山脉以南，地势平坦，广阔坦荡，海拔不超过 l o o m ，自北、西、南西三个方向向渤海湾倾斜。地形坡降由山前1 2 o 变为东部临海平 ， 中国地质科学院硕士学位论文 原的0 1 o 2 。从山麓至渤海海岸，分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、 东部冲积海积滨海平原三部分。 ( 1 ) 山前冲积洪积倾斜平原 沿太行山、燕山山麓呈带状分布，宽度一般在3 0 6 0 k m 。海拔高程在太行山山麓在 l o o m 以下，在燕山山麓5 0 m 以下。由各河流的冲洪积扇连接而成。有相当一部分前第 四纪山麓丘陵，被第四系冲洪积砂砾石层、亚砂土及亚粘土松散堆积物超覆掩埋在之下， 形成古潜山。自东北向西南，可划分为6 个亚区。 滦河洋河山前平原亚区：地面标高l o 1 5 m ，由洋河、滦河、沙河、陡河等 河流冲洪积扇构成。 州河还乡河山前平原亚区。 永定河潮白河山前平原亚区：地面标高1 5 6 0 m ，由永定河、温榆河、潮白 河、白沟河等河流冲洪积扇构成。第四系沉积物之下掩埋古山麓丘陵。其中，碳酸盐岩 古潜山分布广泛。 拒马河唐河山前平原亚区：地面标高扇项5 0 7 0 m ，东部白洋淀l o 1 5 m 。 由拒马河、易水河、漕河、府河、唐河等河流冲洪积扇构成。京广铁路以西，第四系沉 积物之下掩埋由变质岩、闪长岩、白云岩及少量石灰岩组成的古山麓丘陵。 滹沱河山前平原亚区：地面标高扇顶1 l o 1 2 0 m ，下部2 3 2 8 m 。由大沙河、 磁河、滹沱河、坻河等河流冲洪积扇构成。扇顶第四系沉积物之下掩埋由变质岩为主的 古山麓丘陵。 漳河卫河山前平原亚区：地面标高扇顶l l o 7 0 m ，下部5 0 m 。由纸房沟、峪 河、上八里河黄水河、沧河、淇河、汤菱河、安阳河及漳河、名河、沙河、自马河等河 流冲洪积扇构成。沙河以南第四系沉积物之下掩埋砂页岩古潜山，在河南汤阴县东部。 浚县西部分布在有岗地，地面标高8 0 1 2 0 m ，以北第四系之下分布有碳酸盐岩古潜山。 ( 2 ) 中部冲积湖积平原 由海河、滦河、古黄河等水系的冲积物组成。地面标高多在5 0 m 以下，天津地区以 东l o 2 0 m 以下，地势自北、西向渤海湾方向缓缓倾斜，逐渐降低。区内地面稍有起伏， 缓岗、洼地交互分布，可分为5 个亚区。 永定河扇前平原亚区：位于河北省，包括香河县南部、安次县、永清县和固安 县大部分，为永定河、潮白河山前冲洪积扇与扇前洼地的过渡地带。区内地形平坦，河 流易泛滥改道，地面标高1 5 3 0 m 。 白洋淀黄庄洼低平原亚区：位于河北省与天津市，包括河北的白洋淀、东淀、 第二章研究区概况 文安洼和天津黄庄洼等扇前洼地区。地形低洼，河道迂回，局部形成半封闭或封闭的湖 泊和季节性积水沣淀。地面标高2 5 l o m 。 滹沱河扇前平原亚区：位于河北省石家庄与衡水之间，包括束鹿县、翼县、安 国县等地，为滹沱河山前冲洪积扇的扇前泛滥平原。区内地形平坦，有沙垄状古河道分 布。地面标高1 8 5 2 8 m 。 永年千顷洼低平原亚区：位于河北省南部邢台与衡水之间，包括永年洼、大 陆泽、宁晋泊、千顷洼等山前冲洪积扇与黄河冲积平原的交接洼地。地形平坦，河道迂 回曲折，形成半封闭的湖沼洼地，地面标高1 9 4 2 m 。 黄河漳卫河冲积平原亚区：位于河北邯郸、邢台、衡水地区的东部和沧州的 西部地区，以及河南黄河以北的东部、山东黄河以北地区。为古黄河大徙、改道、决口、 泛滥所产生的河床、漫流、静水、歧流沉积作用区和现代漳卫河、马颊河、陡骇河的冲 积区，是华北平原晟大的二级地藐单元，地形平坦，南高北低。河南段地面标高9 0 4 0 m ， 河北山东一带地面标高5 4 5 m 。 ( 3 ) 东部冲积海积滨海平原 大致沿渤海湾北岸、西岸呈半环状分布。可分为3 个亚区。 滨海低平原亚区：由近代海侵和河流冲积而成，一般宽1 5 5 0 k m ，地势低平， 地面标高2 5 m ，微向海倾斜，多为的低洼盐碱地，分布有泻湖和洼地沉积，并遗留三 道古海岸线遗迹贝壳堤。 沿海滩涂洼地亚区：环渤海海岸线分布，为近代海退成陆的滩涂，一般宽8 1 5 k m ，地貌呈现为沼、洼地、沙堤和盐田。 黄河三角洲冲积海积平原：顶点在山东利津县南宋附近，呈一向海凸出的扇 形，自现代黄河向北侧微微倾斜，地面标高多在2 l o m ，地面坡降0 1 o 1 5 ，黄河 携带大量泥沙在河口地带浅海区推进沉积而成。岗地之间发育有条带状的洼地，高差约 2 m 左右。 上述特有的地形地貌对地表径流、地下水的运动和富集、地下咸水的形成与赋存、 盐碱地的分布都具有重要的控制作用。 2 1 3 气象与水文 华北平原属欧亚大陆东岸暖温带半干旱季风型气候区，春季多风，夏季炎热多雨， 秋季晴朗气爽，冬季寒冷干燥，具有四季分明的特点。 据1 9 5 6 2 0 0 0 年气象资料统计，降水量的季节分配明显不均，多集中在7 、8 、9 月份，占全年降水量的7 5 左右，冬季最少，往往春早秋涝。降水量年际变化大，少雨 中国地质科学院硕 ：学位论文 年份大部分地区降水量不足4 0 0 m ，多雨年份大部分地区降水量多于8 0 0 r a m 。多年平均 降水量多在5 0 0 6 0 0 m m ，冀东平原可达7 0 0 r a m ，滨海地区约6 0 0 6 5 0 m m ，冀中平原辛集、 南宫、衡水一带受泰山、沂蒙山雨影和北来气流下沉作用的影响，降水量减少，多年平 均降水量不足5 0 0 r a m ，为平原区降水低值区。 区域干旱指数石家庄至衡水带一般为1 5 2 0 。年平均气温1 0 1 5 ，全年 一月份温度最低为一1 8 1 o c ，七月份温度最高，在2 6 。c 3 2 之间，最高气温约 4 0 。全年日照时数为2 4 0 0 3 1 0 0 小时左右。无霜期在2 0 0 天以上。水面蒸发量为9 0 0 1 4 0 0 m e n ，1 2 月份较稳定，3 月份开始逐渐升高，4 5 月份明显增多，6 9 月份达到 最大，1 0 月份以后开始下降。蒸发量随着气温上升而增加又大致随纬度增加而递减。 华北平原属海河、滦河及黄河流域，此外还有徒骇河、马颊河、河北沿海诸河等直 接入海的小河流，共有大小河流近6 0 条。其中海河流域包括北四河、永定河、大清河、 子牙河、南运河五大水系，流域面积为1 2 4 6 万f ( i i l 2 ；滦河流域包括小滦河、兴洲河、 伊逊河、武烈河、白河、老牛河、柳河、瀑河、长河、青老河等1 1 条较大支流，这些 支流均匀分布于干流两侧，构成羽笔状水系，面积约4 6 4 万l ( i n 2 ；黄河流域是华北平原 研究区的南部边界，为一强烈堆积型河流，由于河床高出两岸地表，这给河流侧渗补给 地下水和引用黄河水提供了有利条件，目前，黄河是华北平原重要供水水源以及沿黄地 区浅层地下水的主要补给来源之一。 2 1 4 社会经济 华北平原不仅是我国的政治和文化中心，也是我国北方重要的经济核心地区，经济 实力雄厚，发展情景广阔。同时也是我国重要的农业基地，是主要粮、棉产区之一，粮 食播种面积约占全部作物播种面积的8 0 。主要粮食作物有小麦、玉米、高粱、谷子、 薯类等；经济作物有棉花、花生、大豆、蔬菜等，形成以种植业为主体的农业产业结构。 工业经过多年的调整发展，已形成了以电力、煤炭、钢铁机械制造、化工、石油等重工 业和以纺织、医药、造纸、陶瓷等轻工业为基础的产业结构。建国以来，工农业发展迅 速，人民生活水平不断提高，特别是改革开放以来，社会经济迅猛发展，己形成以农业 为基础，工业为主导，第一、二、三产业均衡发展的经济结构。 2 2 地质背景 2 2 1 第四系地层 华北平原第四纪堆积物厚度一般为3 5 0 5 5 0 m 。其成因类型复杂，以冲积、洪积、 湖积，以及它们的过渡类型为主，问有海积、风积、冰水堆积和火山堆积等类型。根据 第二章研究区概况 岩石地层学和气候地层学特征，将更新统划分为三组七段，全新统划分为三个组：各组 段岩性与厚度变化，见华北平原第四纪地层综合特征表： 表2 一l 华北平原第四纪地层综合特征表( 据陈望和，1 9 9 9 ) 地层名称 底界埋深( n 1 )厚度( m )主要岩性特征 歧口组冲积、湖沼积亚粘土、亚砂土夹砂层，沿海一 2 1 0 q 4 q 带为海相层，并有风成砂堆积局部夹泥炭。 全 山前平原为冲洪积中部为冲积湖积泥质亚砂 新 高湾组 2 0 4 0 l o 3 0 土与中细砂互层夹泥炭；东部为海积淤泥质粘 统q 4 9 土、亚砂十夹薄层泥炭。 ( q 4 ) 山前平原为冲洪积砂砾层，中东部平原为洪湖 杨家寺组 5 1 5积亚粘士、淤泥、亚砂土互层夹细砂层，上部 q 4 y 局部夹泥炭，底部局部见有火山碎屑岩。 上 山前平原为冲洪积、冰水堆积砂砾层及亚砂 5 0 7 01 0 4 0 土，东部平原为冲积湖积细砂、亚砂土、亚粘 段 土互层，滨海地区夹海相地层。 上 欧山前平原为冲洪积砂、砂砾层，中东部平原为 更 庄 由 9 0 1 2 02 0 5 4 冲积湖积亚粘土、亚砂土互层夹细砂及淤泥 新 组 段 统 层，局部地区夹泥炭，滨海地区夹海相层。 ( q 3 ) q 3 0山前平原为冲湖积、冰水堆积砂砾层上部为 下亚粘土、亚砂土、细砂互层，东部平原为冲积 1 2 0 1 7 03 0 6 0 段湖积亚粘土、亚砂土互层夹细砂层，局部底部 见幺武岩及火山碎屑岩。 以棕黄色、黄棕色为主。山前平原为冲洪积亚 中 杨 上 2 0 0 2 8 07 0 9 0 粘士、亚砂土夹砂砾层；中东部平原为冲积、 更柳 段 湖积亚粘土夹砂层。 新青 以棕色、浅棕红色为主。山前平原为冰川一冰 统组下 水堆积泥砾层或含泥的砂卵石层：中东部平原 2 5 0 3 5 08 0 1 0 0 ( q 2 )q t y段区为冲积，湖积含砂亚粘土夹砂砾层，部分地 区近底部夹玄武岩及火山碎屑岩。 上 以棕黄色、棕色为基色，混锈黄色为主。山前 下 固 段 3 0 0 4 0 07 0 1 0 0地带为冲积、洪积亚砂土、亚粘土夹砂砾层； 东部平原为冲积湖积亚粘土与细砂土互层。 更 安 以棕红色为基色，混锈黄色、灰绿色为主。山 新 组 前地带为冰川一冰水堆积泥砾层夹砂砾层及 统 下 ( q i ) q i g3 5 0 5 5 0 8 0 l l o亚粘土；东部平原为冲积、湖积粘土、亚粘土 段 夹砂砾层。局部地区近底部夹凝灰岩及玄武 岩。 中国地质科学院硕 ：学位论文 2 2 2 地质构造 华北平原在构造上隶属中朝准地台的华北断拗。其中又分布着冀中拗陷、沧州隆起、 黄骅拗陷、埕宁隆起、济阳拗陷、临清拗陷、内黄隆起及开封拗陷等次一级构造单元。 这些拗陷区与隆起区的新生代尤其是第四纪的沉积特征一定程度上控制了含水层发育 及地下水渗流特征，从而制约了地下水化学成分、地下水温度等变化。 华北平原是一个大型中、新生代的沉积盆地，基底下部由太古界和下元古界经过褶 皱变质形成的一套复杂变质岩系组成，上部由中、上元古界、下元古界和新生界两套沉 积层组成，前者为海相碳酸盐岩，后者为陆相碎屑岩，其中上奥陶至下石炭统普遍缺失。 区内震旦纪时是准平原，寒武、奥陶纪时是稳定的陆缘海，中奥陶世后整体上升， 直到中石炭世再度下陷接受沉积。此期间构造运动以升降运动为主，岩浆活动比较微弱。 晚三叠世的印支运动后该区进入大陆边缘活动带发展阶段，燕山运动使其盖层遭受强烈 的褶皱和断裂变动，并伴随有大规模的中酸性为主的火山喷发和花岗岩浆侵入，使原有 构造格局发生了根本的变化，形成了一系列北北东和北东向排列的隆起和拗陷相间的次 级构造和深大断裂，成为目前该区隆起拗陷构造格局的皱形。燕山运动晚期以来，华北 平原继承性活动且以强烈升降运动为主，接受了巨厚的中、新生代的沉积。第四纪本区 新构造运动仍然很活跃，并伴有火山活动和地震活动。在东部沿海地区曾发生多次海侵 活动。第四纪以来，曾多次出现冷暖交替的气候变化。太行山东麓及燕山南麓有过多次 冰川活动，致使第四纪沉积物具有明显的冰川i 、冰水活动特征。这对于本区地下水含水 层的划分和咸水体的形成有直接关系。 2 3 水文地质特征 2 3 1 第四系含水层组划分及各组水文地质特征 华北平原第四系厚度由于受不同地质历史时期的古气候、古地理沉积环境及新构造 运动等因素控制，含水岩层在不同深度的分布形态和发育程度，均存在着差异性，并导 致了它的水力性质、水化学、渗透性、导水性、富水性及地地下水动态等水文地质条件 发生相应变化。因此，以第四纪沉积物岩性为基础，以水文地质条件为依据，将华北平 原第四系自上而下划分为四个含水层组( 见附录2 ) ： ( 1 ) 第一含水层组 第一含水层组底界面埋深一般为4 0 , - , 6 0 m ，在山前平原冲洪积扇和扇间、扇前地带 具有不同的水文地质特征。在冲洪积扇地区，含水层粒度大、厚度3 0 5 0 m 、垂向连续 性强，属单层或双层结构，透水性强，导水系数多大于5 0 0 0 m 2 d ，单位涌水量为2 0 第二章研究区概况 3 0 m 3 1 1 m 。含水体直接裸露，或被薄层砂质粘土覆盖，具有强入渗补给和储存条件，又 常与山区河谷含水体相连，具有侧向径流补给条件。石家庄以南的太行山东麓