巴丹吉林沙漠湖泊群水体氢氧同位素和水化学特征

金可 张乾柱 卢阳 胡月 饶文波

摘要：巴丹吉林沙漠东南部湖泊群是该沙漠重要的水源之一，为揭示湖泊群水体潜在补给来源和补给方式，探索湖泊水体离子空间变化特征及其影响因素，系统分析了该沙漠东南部湖泊群水体δ18O和δD同位素特征及水化学组成。结果表明：① 巴丹吉林沙漠湖泊群水体pH和电导率平均值分别为9.29，291 mS/cm，以Na+和Cl-离子为主，占离子总量比例达69.4%。② 湖泊群水体δ18O和δD同位素平均值分别为6.42‰和-3.67‰，不同区域湖泊群蒸发效应差异显著，湖泊蒸发强度自东南部至西北部逐步增大。③ 基于同位素高程效应方程，研究区湖泊水体潜在补给来源为东南部雅布赖山大气降水，补给方式主要以周边地下水侧向补给为主。补给水源和区域岩石风化是研究区湖泊群水体离子空间变化的主控因素。

关 键 词：湖泊群; 氢氧同位素; 水化学特征; 补给来源; 影响因素; 巴丹吉林沙漠

中图法分类号： P641.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.011

0 引 言

中国北方沙漠分布众多，区内降水稀少，蒸发强烈，沙尘暴频发，生态系统极为脆弱，有限的水资源是沙漠地区动植物生长和人类生产生活的可靠保障，也是抑制沙漠持续扩张的重要因子，更是区域水文循环和生态系统可持续发展的核心。巴丹吉林沙漠腹地坐落着世界上最高大的沙山，流动沙丘占整个沙漠的80%以上[1]。与其他沙漠类似，巴丹吉林沙漠气候干旱少雨，蒸发强烈;但又与其他沙漠不同的是，该沙漠东南部分布着140多个大小不一、形态不同的湖泊，且常年有水的超过110余个。湖泊周边地下水和泉水出露，其独特的沙山湖泊景观和水文特征吸引了国内外学者们的密切关注[2-7]。

根据巴丹吉林沙漠地貌分布特征和湖泊群水体离子组成，学者们以伊克力敖包为界，认为沙漠南北部湖泊存在两个不同补给源[8]。关于巴丹吉林沙漠湖泊空间分布、湖面蒸发强度、离子组成特征和补给来源等方面的研究，学者们运用了野外观测、蒸发试验、遥感监测和同位素示踪等多种技术手段[3，7，9-10]。然而，由于沙漠地理位置特殊，研究者采用不同的研究方法存在一定局限性，目前关于湖泊的补给来源仍未达成共识，潜在的补给来源包括降水直接补给、近源补给、远源补给和“古水”补给[6]。支持降雨补给湖泊的学者主要认为降水能够维持湖泊水量平衡，或者储存在沙山中的降水先补给到地下水含水层继而补给湖泊[2，11-12]。关于近源补给，学者们推测沙漠东南部山区和西部黑河流域是巴丹吉林沙漠湖泊的潜在补给源[13-15]。Chen等[3]通过对比巴丹吉林沙漠地下水和祁连山冰川融雪同位素组成，推测祁连山雪融水通过深层断裂带补给沙漠地下水和湖泊，首次提出巴丹吉林沙漠水体存在远源补給。此外，马金珠等[16]通过分析巴丹吉林沙漠和周边地区地下水化学和同位素组成，指出沙漠湖泊由更新统时期古湖演化而来。

氢（2H）和氧（18O）同位素是水分子重要组成部分，在不同气候条件、水体混合和表面蒸发过程中能够保留原始信息，是研究不同水体补给来源、补给过程、混合机制和水岩反应的重要示踪元素，已广泛应用于干旱地区水文循环研究[17-21]。通常，不同水体化学成分受到外界影响产生的演化规律不同，系统分析元素含量以及离子比值能够确定水体的补给来源和揭示水体离子演化过程。因此，稳定同位素和水化学示踪是研究巴丹吉林沙漠湖泊水分来源和离子空间变化影响因素的有效技术手段。

本研究系统分析了巴丹吉林沙漠湖泊群2H和18O同位素特征和水化学组成，旨在探讨沙漠湖泊群水体同位素和水化学分布特征，进一步揭示湖泊水体补给来源和补给模式，并系统评估湖泊水体离子浓度影响因素与控制机制等，为干旱地区水文研究提供理论参考。

1 研究区概况

巴丹吉林沙漠位于内蒙古阿拉善高原西北部，是中国第二大沙漠[1]。沙漠东南部为雅布赖山，南部与北大山、合黎山及龙首山等相邻，西北部为古日乃草原，北部为拐子湖湿地，黑河流域是距离该沙漠最近的地表径流（见图1）。整体上，巴丹吉林沙漠地势东南高，西北低，海拔范围为1 150～1 700 m。沙漠东南部沙山相对高度为200～300 m，最高超过400 m[6]，沙山的主要形态可分为叠置沙丘的复合型沙山、无叠置沙丘的复合型沙山和金字塔形的沙山等。

巴丹吉林沙漠主体位于塔里木板块东北缘的北山构造带和华北板块西北缘的阿拉善板块之间，主要地层包括前寒武系变质基底层、古生代海相沉积层和中新生代河湖相沉积层及第四系沉积层[8]。沙漠腹地岩石类型主要为第四系沉积物，沙漠周边主要分布着侏罗系和白垩系岩石[4]。沙漠植被覆盖率极低，主要以耐旱植物为主。该沙漠属于大陆性沙漠气候，年降水量仅为30～120 mm，自东南部向西北部逐步减少，大部分降雨集中在7～9月[22]。沙漠年平均蒸发量超过2 600 mm[4]，西北部相对东南部蒸发量更大。沙漠高大沙丘干沙层水分含量不足1%，而湿沙层水分含量为2%～3%，甚至存在高含水率的薄膜水[23]，成为沙漠不可忽视的潜在水源之一。

2 样品采集与分析测试

湖泊水体样品采集时间为2013年和2014年夏季，累计采集21个湖泊样品，湖泊样品采集点覆盖巴丹吉林沙漠伊克力敖包东南部、东北部和北部湖泊群3个区域。此外，结合巴丹吉林沙漠同季节湖泊已有研究成果，本文累计分析55个湖泊水体δ18O和δD同位素特征和水化学组成。湖泊水体同位素和水化学组成统计数据见表1。

湖水样品储存在使用超纯水清洗3遍的聚乙烯塑料瓶中，分离出10 mL水样储存在棕色玻璃瓶中，用于δ18O和δD同位素测试。剩下水样经0.45 μm规格的滤膜过滤后，分为2部分储存，取100 mL水样用于阴离子测试，100 mL水样酸化至pH值为2左右后用于阳离子测试。pH和Ec在野外测试，通过便携式多参数水质分析仪（Mutil 3400i）测定，测试精度分别为±0.03和±1 μS/cm。湖泊水体主要阳离子（K+，Na+，Ca2+和Mg2+）在江苏省华东南工地质技术研究有限公司的电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES，Thermo ICP 6300）上进行测定，测试精度为±5%;主要阴离子（Cl-，SO42-和NO3-）在河海大学环境学院离子色谱仪（ICS-2100）上进行测定，测试精度为±3%;HCO3-在样品收集之后24 h内通过HCl滴定法进行测定，测量精度为±3%。湖泊水体δ18O和δD同位素组成在中科院青藏高原研究所的液态水同位素质谱仪（Picarro L2130-1）上进行测定。淡水湖样品过滤后可直接用于测试，咸水湖样品经蒸馏处理为淡水后方可进行测试。处理后的水样通过0.22 μm规格的注射器注入同位素质谱仪中，每一个水样重复测试6次，以最后3次测定结果的平均值作为样品的最终数据。δ18O和δD同位素的测试结果与Vienna“标准平均海洋水”（V-SMOW）进行比较，可以表示为δD或δ18O=Rsample-RSMOVRSMOV×1000%。其中，δ18O同位素的测试精度为±0.1‰，而δD同位素的测试精度为±1‰。

3 结果与分析

3.1 湖泊水体水化学和同位素分布特征

巴丹吉林沙漠湖泊均为碱性湖，伊克力敖包东南部湖泊群pH和Ec值均低于伊克力敖包东北部和北部湖泊群（见表1）。湖泊水体阳离子主要富集Na+和K+，阴离子主要以Cl-和CO32-为主，占离子总量的比例超过87.5%（见图2）。伊克力敖包东南部湖泊群主要以微咸水湖为主，湖泊水化学类型为Na+Mg-Cl+SO4和Na-Cl+SO4。伊克力敖包东北部和北部湖泊群的水体离子浓度整体偏高，绝大部分为咸水湖，水化学类型主要为Na-Cl。整体上，湖泊水体离子浓度自沙漠东南部至西北部呈现出逐步递增的空间变化特征（见图3）。其中，湖泊水体Na+、Cl-、SO42-离子变化趋势最为明显，可能受到沙漠腹地盐岩和芒硝等蒸发岩石溶解影响。Mg2+和CO32-离子呈现出一定的波动（见图3），可能的原因包括：① 个别湖泊和周边地下水混合，离子浓度受到地下水稀释;② 湖泊发生过饱和沉淀，致使湖水离子浓度降低;③ 个别湖泊溶解了更多的白云石，导致Mg2+和CO32-离子浓度偏高。

巴丹吉林沙漠湖泊水体18O和2H同位素值明显高于地下水[24]，表明湖泊蒸发程度更加强烈。湖泊水体δ18O同位素值变化范围为1.80‰～18.11‰，平均值为6.42‰;δD同位素值变化范围为-28.6‰～45.32‰，平均值为-3.67‰（见表1）。其中，伊克力敖包东南部湖泊水体δ18O和δD同位素平均值分别为5.53‰和-3.96‰，伊克力敖包东北部湖泊水体δ18O和δD同位素平均值分别为6.25‰和-6.08‰，伊克力敖包北部湖泊水体δ18O和δD同位素平均值分别为7.68‰和-0.68‰（见表1）。整体上，湖泊水体δ18O和δD同位素值自伊克力敖包东南部至北部逐步递增（见图3），表明伊克力敖包北部湖泊群蒸发程度显著高于东南部湖泊群。

3.2 湖泊水体补给来源和蒸发效应

巴丹吉林沙漠湖泊水体δ18O和δD同位素关系为δD=4.47δ18O-32.4（R2=0.91，n=33），即为湖泊蒸发线。沙漠不同区域湖泊水体同位素分布在相同的蒸发线上，表明其来源一致，如图4（a）所示，相对于全球大气降水线（GMWL）和当地降水线（LMWL），其斜率和截距均偏低，反映出湖泊经历了较为强烈的蒸发。伊克力敖包东南部湖泊水体d-excess同位素值大部分介于-20‰和-40‰之间，伊克力敖包东北部湖泊水体d-excess同位素值绝大多数处于-40‰和-60‰之间，而伊克力敖包北部湖泊水體d-excess同位素值均小于-40‰，个别湖泊水体d-excess同位素值甚至低于-60‰，如图4（b）所示。d-excess同位素值越负表明经历的蒸发强度越大，整体上，巴丹吉林沙漠湖泊自东南部向西北部蒸发程度逐步增强，与该沙漠地表蒸发强度自东南部向西北部不断增大一致。

研究区湖泊水体δ18O和δD同位素组成与当地降水线相比偏移较大，且区域内降雨较少，很难维持湖泊水位，表明降水直接补给湖泊的量极少，成为湖泊主要补给源的可能性较小。该沙漠湖泊主要受到地下水补给[3，14，30]：① 地下水同位素组成和湖泊基本分布在相同蒸发线;② 湖泊水位低于周边地下水且离子浓度相对较大[24];③ 湖泊中发现了钙华，表明湖泊存在稳定水源补给。一些学者认为青藏高原的雪融水和河水通过深层断裂带补给巴丹吉林沙漠地下水，沙漠地下水δ18O和δD同位素值和青藏高原潜在补给水源存在一定差异，水化学组成也存在明显不同[24]。沙漠南部紧邻雅布赖山、北大山和龙首山等，成为天然屏障，在一定程度上阻碍了水体之间的相互传递[15]。因此，巴丹吉林沙漠地下水和湖泊水体是否来自青藏高原还有待进一步验证。巴丹吉林沙漠湖泊蒸发线和当地降水线之间的交点δ18O和δD同位素分别为-10.9‰和-81‰，交点处的同位素值表示补给来源的初始同位素值。根据最新的同位素高程效应方程δ18O=-0.0029H-4.83及δD=-0.018H-34.1[24]，计算得出沙漠湖泊水体的补给高程范围为2 093～2 605 m。湖泊补给高程范围和该沙漠东南部的雅布赖山（最高1 957 m）和北大山（2 000～2 500 m）海拔近似，而远低于祁连山脉（>4 000 m），表明巴丹吉林沙漠湖泊潜在补给来源为周边山脉。雅布赖山距离沙漠东南部湖泊群最近，降雨较为充沛，区域地下水也较为年轻[31]，具备了补给沙漠湖泊的可能性，是巴丹吉林沙漠湖泊水体潜在补给来源。

研究区地下水补给湖泊包括多种模式：① 饱和含水层的地下水通过不连续的弱透水层向上补给湖泊[32];② 湖泊底部存在温跃层，深层和浅层地下水均能够补给湖泊[33];③ 地下水通过深部断裂带或在岩浆作用下形成地热水并通过导水构造带向上补给湖泊[3，34];④ 湖泊周边沙山存在淡水和咸水的分界面，湖泊底部地下水在盐度差的驱动下形成补给湖泊的稳定流[7];⑤ 沙漠极端降水（>15 mm）透过沙山干沙层，形成高含水量的薄膜水，在重力驱动下补给到地下水含水层，继而补给湖泊[12]。关于地下水通过深层断裂带或导水构造补给湖泊的机制目前仍不明了，沙漠个别湖泊中心发现了钙华[3，14]，表明存在上升泉补给湖泊，但这种补给方式局限性较大。湖泊底部因盐度差形成的水流，对解释巴丹双湖之间补给关系有着积极意义，但双湖系统是否能够通过之间的沙山进行水体交换仍有待验证。极端降水透过沙山补给含水层的周期较长，能否成为湖泊稳定补给源缺少更多有力证据支撑。湖泊水位低于周边地下水，并且湖泊离子浓度远高于地下水[24]，表明饱和层地下水侧向补给湖泊是巴丹吉林沙漠潜在的补给方式。

3.3 湖泊水体离子影响因素与控制机制

巴丹吉林沙漠湖泊水体Na++K+与Cl-的摩尔比值绝大部分位于1∶1至2∶1之间，Na++K+相对SO42-占比更大（见图5），表明湖泊水体不仅受到蒸发盐和碳酸盐溶解影响，同时也伴随着硅酸盐水解[35]。除了个别湖泊水体SO42-与Ca2+摩尔比位于1∶1和2∶1之间外，其余湖泊水体SO42-与Ca2+摩尔比值大于5∶1。通常，石膏溶解能够释放SO42-和Ca2+进入含水层，湖泊水体SO42-离子含量较高，表明过量的SO42-不仅来自石膏溶解，同时受到芒硝溶解的影响。利用PHREEQC软件计算得出研究区湖泊水体石膏饱和指数为-0.98，而方解石和白云石饱和指数分别为2.0和4.7，表明湖泊中方解石和白云石发生过饱和沉淀。

早期研究表明中国北方地区化学风化主要包括碳酸盐溶解和硅酸盐风化[36-37]。湖泊水体Ca2++Mg2+和SO2-4+HCO-3摩尔比值如图5（d）所示。整体上，湖泊水体SO2-4+HCO-3離子浓度更高，表明巴丹吉林沙漠湖泊水体离子浓度主要受到硅酸盐风化影响[38]。此外，湖泊水体SO42-/Na+和Cl-/Na+摩尔比值基本上均小于1，反映出湖泊经历了更强的硅酸盐风化过程，而钾盐溶解和芒硝溶解的影响相对较小。伊克力敖包东南部湖泊Mg2+/Ca2+和SO42-/Ca2+大多数大于1，表明白云石溶解对其影响较大;伊克力敖包东北部湖泊化学风化可分为两个类型，一个是处于方解石和白云石溶解阶段，另一个是处于白云石溶解阶段;伊克力敖包北部湖泊化学风化过程较为复杂，一部分湖泊白云石溶解占主导，一部分湖泊受到方解石和白云石共同影响，还有一部分溶解了更多的方解石。综上所述，影响巴丹吉林沙漠湖泊水体离子浓度组成的主要化学风化类型为硅酸盐风化。

4 结 论

（1） 湖泊水体均为碱性湖，主要富集Na+、K+、Cl-和CO32-，占总离子含量87.5%以上。伊克力敖包东南部湖泊离子浓度相对较低，水化学类型主要为Na-Cl+SO4;伊克力敖包东北部和北部湖泊离子浓度较高，绝大部分为咸水湖，主要的水化学类型为Na-Cl。

（2） 根据同位素高程效应方程，推断湖泊水体潜在补给水源海拔高程范围为2 093～2 605 m，基于沙漠湖泊和潜在补给来源水体同位素与水化学组成特征，推断雅布赖山为巴丹吉林沙漠湖泊水体潜在补给源。湖泊水位低于周边地下水，离子浓度和同位素组成均高于地下水，表明研究区湖泊主要受到周边地下水侧向补给。

（3） 研究区湖泊水体离子浓度主要受到补给水源和岩石风化影响，湖泊主要化学风化类型为硅酸盐风化，受到石膏、方解石和白云石等溶解或者蒸发浓缩影响，湖泊水体Na+、Cl-、SO2-4离子浓度自伊克力敖包南部至北部不断增大，Mg2+和CO2-3离子受到湖泊岩石过饱和沉淀或者地下水稀释作用，浓度呈现一定程度的空间波动。

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（编辑：刘 媛）

Research on stable isotopes and hydrochemical features of lakes water in Badain Jaran Desert

JIN Ke1，2，ZHANG Qianzhu1，LU Yang1，HU Yue1，RAO Wenbo2

（1.Chongqing Branch，Changjiang River Scientific Research Institute，Chongqing 400026，China; 2.College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

Abstract：

The lakes，located in the southeast of the Badain Jaran Desert，are one of most significant water resources in this desert.In order to reveal the potential recharge sources and recharge modes of lakes and explore the spatial variation characteristics of chemical ions and influence factors on lake water，the stable isotopic （δ18O and δD） characteristics and hydrochemical features of lake water in the Badain Jaran Desert had been systematically analyzed.The results were as follows：the average values of pH and Ec for lake water were 9.29 and 291 mS/cm respectively，and the main ions of lake water were Na+ and Cl-，accounting for 69.4% of total ions.The average values of δ18O and δD for lake water were 6.42‰ and-3.67‰ respectively.The evaporation effects on lakes in different regions varied significantly，and the evaporation intensity of lakes gradually increased from the southeastern to the northwestern of this desert.Based on the isotope-elevation relationship equation，the potential recharge source of lakes was the atmospheric precipitation from the Yabulai Mountains located in the southeast of this desert，and the recharge mode of lakes was mainly the lateral recharge from the surrounding groundwater.The recharge sources and regional rock weathering were the main controlling factors for the spatial variation of lake water ions in this desert.

Key words：

lake groups;hydrogen and oxygen isotopes;hydrochemical features;recharge sources;influence factors;Badain Jaran Desert