新疆賽里木湖水化學及氫氧同位素特征分析

邵 杰,李 瑛,滕 超,楊欣杰,曹 軍,陳喜慶

(1.中國地質調查局自然資源實物地質資料中心，河北三河 065201；2.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西西安 710054)

賽里木湖古稱“凈?！?，坐落于我國新疆維吾爾自治區西部伊寧市西邊天山西段的高山盆地中，位于陸上絲綢之路的北道，且緊鄰伊犁州霍城縣[1]，憑借其優美的自然環境與景色，2021年賽里木湖景區被評為5A級景區。賽里木湖與湖濱四周的雪山、冰川、森林、草原等地類構成了一個寬闊而獨立的山澗盆地，是新疆海拔最高、面積最大的高山湖，對維護新疆北疆生態系統、調節北疆氣候、涵養山地水源起著極其重要的作用[2]。

近年來相關學者圍繞賽里木湖水化學特征、水質評價等進行了相關研究。如陳志軍等[3]通過結合博州水文局和博州環境監測站近幾年的監測數據分析，對該湖水化學特征、水質現狀及營養狀況進行初步研究；欒瀚韜[4]對該湖水主要理化因子和營養鹽狀況進行了檢測和評價；郝永志等[5]對該湖水質評價與時空分布規律進行了研究。但有關賽里木湖水環境同位素特征研究鮮見報道。筆者在參考有關學者研究成果的基礎上，結合湖水樣水質和同位素測試結果，探討了現階段賽里木湖水化學特征，并且首次對賽里木湖水及其周邊河流的同位素特征進行研究，以期為當地政府相關部門對賽里木湖水資源的科學保護及景區旅游業的健康發展提供相關支撐與建議。

1 資料與方法

1.1 研究區概況賽里木湖地處81°59′35″～81°22′17.5″E、44°29′37.4″～44°32′19″N，湖面海拔2 071 m。湖泊略呈橢圓形，東西長30 km，南北寬25 km，面積453 km2，最大水深99 m，平均水深56 m，蓄水量達210億 m3[6]。

研究區水位及水化學特征方面主要受氣象、水文、地質構造等因素制約。賽里木湖地處歐亞大陸腹地，屬溫帶大陸性半干旱氣候。近年觀測資料表明，研究區平均氣溫0.5 ℃，年降水量350 mm以上[7]。賽里木湖為斷陷而成，四周構造裂隙極為發育。在大地構造單元上，屬海西寧早期地槽褶皺帶。經加里東、海西寧造山運動隆起為山地，形成軸向大致為東西向的帶狀構造基礎，與此同時，在褶皺帶內產生了若干北西向的斷裂地帶。湖盆就發育在一組斷裂帶上[8]。湖水主要接受大氣降水、地表水流入和基巖裂隙水的側向補給。四周入湖河流達32條，其中常流水河流7條，其余為季節性河流，主要分布于湖泊的西面和西北面，最長流入湖泊的河流薩嘎克勒，長18.0 km。湖水的排泄主要有蒸發和滲漏。

1.2 數據來源所需研究數據來源于自然資源部中國地質調查局地質調查項目“新疆伊犁河谷地下水資源及環境問題調查與評價”。2014年在伊犁進行野外水文地質調查過程中，在賽里木湖湖邊相應位置采集水化學樣品1組、同位素樣品1組，在距賽里木湖西南方向約25 km果子溝河流相應位置采集水化學樣品1組、同位素樣品1組。具體采樣位置見圖1。樣品采集過程中嚴格按照《水質采樣技術規程》(SL 187—96)、《環境同位素分析水樣采集》導則進行。樣品測試工作由自然資源部地下水礦泉水及環境監測中心完成。水化學樣品測試項目包括溶解性總固體(TDS)、pH、電導率、溶解氧、總硬度(以CaCO3計)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-、CO32-、高錳酸鉀指數(CODMn)、NH4+、NO3-、NO2-、PO43-等[9]。同位素樣品測試項目包括δD、δ18O兩項[10]。

圖1 賽里木湖及周邊河流采樣點位置

1.3 研究方法在前人研究相關成果基礎上，根據此次試驗測試結果，結合研究區地質、水文地質條件分析研究區水化學分布特征。將所測水體氫氧穩定同位素樣品置于全球大氣降水線以及當地大氣降水線中，并采用對比分析法，將賽里木湖水樣與臨近的果子溝河水樣的氫氧同位素進行對比，進而分析賽里木湖水樣δD與δ18O之間的關系及其分布特征，分析賽里木湖水的補給來源。

2 結果與分析

2.1 水化學特征在賽里木湖邊取一組水化學樣品，在距賽里木湖采樣點西南方向約25 km處取一組果子溝河水化學樣品。水化學樣品測試指標包括陽離子8項、陰離子9項、其他指標7項，共計24項指標。具體水化學樣品測試結果見表1。

表1 水化學樣品測試結果

陽離子測試指標為K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+。其中賽里木湖水中各陽離子含量Mg2+>Na+>K+>Ca2+，果子溝河水中各陽離子含量Ca2+>Mg2+>Na+>K+，二者的Fe3+、Fe2+、NH4+、Al3+均未檢測出。賽里木湖水中K+、Na+、Mg2+含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而Ca2+含量卻遠遠小于果子溝河水中的含量。

陰離子測試指標為Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-、NO3-、NO2-、PO43-、F-。其中賽里木湖水中各陰離子含量SO42->HCO3->Cl->CO32->NO3->F->PO43-，OH-、NO2-未檢測出。果子溝河水中各陰離子含量HCO3->SO42->Cl->NO3->F-，CO32-、OH-、NO2-、PO43-均未檢測出。賽里木湖水中SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量遠遠大于果子溝河水中的含量。

賽里木湖水中的TDS、礦化度、總硬度含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而游離CO2、H2SiO3含量較小以致未檢測出結果。賽里木湖水屬于偏堿性，果子溝河水屬于弱堿性。賽里木湖水化學類型為SO4·Mg-Na型，果子溝河水化學類型則為HCO3·SO4-Ca·Mg型。

賽里木湖多年來水位及水化學方面變化甚微，主要是由于當地特殊的水文、氣象、地質構造等條件導致的結果。湖水的主要補給來源為當地大氣降水、周圍地表水和基巖裂隙水，且賽里木湖為斷陷成因形成，周圍發育較多的構造裂隙，加之湖水位置較高，造成湖水沿裂隙大量滲漏，主要表現為發源于湖西面約10 km處的庫色木契克河，發源于湖南面的果子溝、烏拉斯溪、阿克蘇溪和發源于湖東面的刊吉尕河等，流量都有增大的現象，表明果子溝等河流受湖水滲漏補給的影響。表面上湖水排泄量大于補給量，但實際上目前湖水位變化甚微，礦化度和水化學類型等特征能長期保持穩定，礦化度近50年來維持在2 500～2 900 mg/L(表2)。因此也說明湖水接受了四周基巖裂隙水的補給，補給與排泄基本處于平衡狀態。而果子溝河水中的主要化學指標則表現出與賽里木湖截然不同的結果。主要是由于所處的環境不同，包括河水水動力條件較強、與地下水存在較強的相互轉化關系、河水流動過程中與周圍巖石發生較強的水-巖相互作用等因素共同作用形成的。

表2 1965、1985、2004、2014年賽里木湖主要化學指標

2.2 氫氧穩定同位素特征在賽里木湖邊取一組氫氧同位素樣品，在距賽里木湖采樣點西南方向約25 km處取一組果子溝河水氫氧同位素樣品。具體測試結果見表3。由于賽里木湖屬于高山湖泊，根據Wang等[11]在研究區附近山區(位于天山北坡，伊寧市以北山區)觀測得到的大氣降水同位素數據，得到研究區附近山區降水線方程為δD=8.131 6δ18O+10.577，所以將此方程視為當地大氣降水線，由此可以看出，當地大氣降水線與全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)非常接近。

結合表3和當地大氣降水線方程，發現賽里木湖水樣更加靠近當地大氣降水線，而果子溝河水樣遠離當地大氣降水線。說明山區的大氣降水是賽里木湖的主要補給來源之一，與果子溝河水樣相比，賽里木湖水樣的δ18O和δD值更加富集，這與賽里木湖水補給來源相對穩定、高山湖泊受到蒸發作用有很大關系。

表3 水樣氫氧穩定同位素測試結果

3 討論

該研究通過野外調查查明賽里木湖周邊地質、水文地質條件，采集相關樣品并室內測試樣品的水化學指標，通過與臨近的果子溝河水水化學指標進行對比分析，將賽里木湖水分別在1965、1985、2004年測試結果與此次2014年主要化學指標測試結果進行對比，結果發現，賽里木湖多年來水位及水化學方面變化甚微，主要是由于受水文、氣象、地質構造等因素制約形成。賽里木湖水的主要補給來源為當地大氣降水、周邊的基巖裂隙水及地表水，湖水的礦化度和水化學類型長期保持穩定說明賽里木湖水的補給量與排泄量基本能夠維持平衡。該研究首次采集了湖水的氫氧同位素樣品并進行了室內分析，發現氫氧同位素靠近當地大氣降水線并受到了一定程度的蒸發作用而引起氫氧重同位素的富集。

4 結論

(1)賽里木湖水中的陽離子K+、Na+、Mg2+含量遠遠大于果子溝河水中的含量，而Ca2+含量卻遠遠小于果子溝河水中的含量，其陰離子SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-含量遠遠大于果子溝河水中的含量。并且其主要陰陽離子近50年來保持穩定。

(2)賽里木湖水中的礦化度近50年來維持在2 500～2 900 mg/L，其水化學類型為SO4·Mg-Na型，湖水水質偏堿性。

(3)賽里木湖水氫氧穩定同位素值非常接近當地大氣降水線并受到了一定程度的蒸發作用而引起氫氧重同位素的富集，其δ18O值約為-20.63‰，δD值約為-1.51‰。