1. 引言
水文地球化学的同位素特征可以很好地指示地下水的补给来源、水流动途径、“三水”转化以及各含水层之间的水力联系等水动力信息，同时还可用以估算地下水年龄 [1] 。利用环境同位素示踪方法，可以快速、准确地了解地下水资源的各种属性，揭示地下水的可再生能力的变化规律，为水资源的合理开发利用奠定基础。锶元素和氚元素在地下水的化学研究中应用广泛，锶元素由于其化学性质稳定、在不同岩石中的含量有明显差异等特点，能够很好的示踪地下水形成时不同环境特征；氚元素由于其含量只受元素衰变规律的影响，不与岩石介质发生交换的特点，可较好地反映现代水、古水的分布情况。本文以辛安泉域为研究区域，通过运用锶、氚同位素的失踪特性，研究辛安泉域岩溶地下水的演化、更新规律。
2. 研究区概况
辛安泉域是山西省第二岩溶大泉，位于山西省东南部，泉域面积10,950 km2。属于溢流全排型泉，溶岩地下水由北、西、南三面向东部径流，以不同的途径向泉域排泄区汇流，并在北耽车一带浊漳河河谷处呈泉群出露，泉域岩溶地下水全部排泄出地表，泉水多年平均流量9.64 m3/s。主要分为六大含水岩组：第四系全新统及上更新空隙含水层(0~100 m)；第四系中更新统孔隙含水岩组(3~40 m)；第四系下更新统孔隙含水岩组(0~220 m)；二叠、三叠系石炭系上统砂岩、泥岩互层的一套陆相碎屑岩裂隙含水层；奥陶系中下统及寒武系中上统碳酸盐岩组 [2] 。
3. 样品的采集与分析
优选出36个锶同位素(87Sr/86Sr)作为样品，其中水样32个，岩样4个。锶测试结果采用87Sr/86Sr比值(图1)。
氚含量用单位(TU)表示，一个TU定义为每1018个氢原子中有一个氚原子。本次研究区碳酸岩覆盖区岩溶水系统可划分成四个径流带区，各区的氚平均值各为21 TU，9 TU，2 TU和16 TU。利用区域平均单位涌水量求出的年加权平均氚值为18.78 TU。
(▲地表水，□孔隙水，△岩溶水，■岩溶泉水，*矿坑排水)
Figure 1. The strontium isotope value (87Sr/86Sr) drift in the study area
图1. 研究区水样锶同位素值(87Sr/86Sr)漂移图
4. 分析与讨论
4.1. 岩溶地下水系统转化关系分析
为实现泉域地下水的合理开发和可持续利用，需要深刻地认识泉域岩溶水、裂隙水与地表水之间的转化关系。本次将锶元素作为示踪元素，跟踪溶岩水的来源。
研究域地下水87Sr/86Sr值的分布特点为：岩溶水、孔隙水和裂隙水以及地表水，87Sr/86Sr高值区均分布在盆地西北部地区(图2)，最高87Sr/86Sr比值位于研究区北部，为0.71217，东部岩溶水及岩溶泉水的平均87Sr/86Sr比值为0.71049。研究区主要地表水浊漳河河水的87Sr/86Sr值为0.71217~0.71155，锶含量为0.499~0.688，与浅层孔隙水的87Sr/86Sr值平均值0.711617比较接近。锶的分析结果为：灰岩的87Sr/86Sr值基本约为0.7089和0.70916，符合水文化学的认识规律。
由以上分析可知，泉域内普通的低87Sr/86Sr值水的主要来源与碳酸盐相互作用，这意味着水–岩作用是控制岩溶水中87Sr/86Sr值的主要因素。通过将地下水点投在87Sr/86Sr-1/Sr关系图中进行分析。
由图2得，大多的观测点都以混合线为中心，呈现在其的左右(其中混合线为碳酸和硅酸盐的混合线)，说明研究水域的溶质很大一部分都出自上述两种盐的风化、溶解。根据观测点在混合线的上方还是下方，可以对应的把溶岩水分成两部分。上下两部分的87Sr/86Sr值分别以碳酸盐风化端点、孔隙水和地表水为端员为起点，逐渐下降，最后贴近水平混合线，由于研究域的孔隙水和地表水的87Sr/86Sr约为0.712，可以得出地表矿物溶解是
(+岩溶水，×岩溶泉水，△地表水，◇孔隙水，○矿坑排水，■岩样，假定其Sr含量为零)
Figure 2. 87Sr/86Sr-Sr relationship of water sample in study area
图2. 研究区水样87Sr/86Sr-Sr关系图
该地区是其化学成分的主要来源。也可以得到，上方的溶岩水的供给主要是地表水或裂隙水(因为上方溶岩水有比较高的87Sr/86Sr)，综上可得该地区的溶岩水收到其他地区的供给，岩溶泉水的87Sr/86Sr值比较平稳，都与混合线较近，说明泉水受到多个地区的供给，矿坑排水的87Sr/86Sr值也较高，本文暂不做探究。
4.2. 地下水更新性分析
地下水更新能力优劣已经成为地下水合理开发利用的重要依据，地下水资源评价的重要内容。本次利用氚元素，测定地下水形成年龄 [3] ，从而达到对其更新能力的分析。对研究域岩溶地下水应用全混模型进行地下水形成年龄求算，公式如下：
(1)
式中：
为氚输出函数，
为氚输入函数，
为地下水年龄分配函数，τ为地下水年龄，t为取样时间，
为氚衰变校正因子。
对于全混模型
为指数函数。输入函数以年为单位，并用匹配法求解。考虑1952年以前输入的氚在含水层中残留量已 <1 TU，可忽略不计，(1)式可简化为：
(2)
式中：Tm为地下水平均年龄。
(1) 降水氚输入值
同一个地区降水年加权平均氚值与年降水量的线性正比关系，可以用来确定与该地区同纬度地区降水年加权平均氚值与时间的关系。本文收集了当地38年的降水资料，并对其中的氚(T)浓度进行了计算，然后选取条件相似的Ottawa站位参考站，分析本研究域1953~1962年的T浓度。氚恢复值见表1。
(2) 模型求解
将历年大气降水氚值代入(1)式并设定不同的τm值便可得到对应的C(t)值，作
曲线得全混模型的输出函数，如图3。按各个泉水样品年加权平均氚值便可在图上得到西流泉、南流泉、实会泉的平均年龄各为25年，107年和180年。地下水的可更新能力与地下水的形成年龄成反比 [4] 。新安泉域地下水的年加权平均氚含量18.78 TU，为现代循环水。西流泉水中的氚值含量相对比较大，地下水周转时间较短，氚年龄为25a，表明水循环条件较好，更新速度快，可恢复性强。南流泉和实会泉水中氚含量相对比较小，地下水周转时间较长，氚年龄大于100a，表明水循环不畅，更新速度慢，可恢复性强。
Table 1. Recovery of tritium concentration over the years
表1. 历年氚浓度恢复值
Figure 3. Output of the total mixed model function
图3. 全混模型输出函数
4.3. 结果的分析和讨论
根据观测点在混合线(其中混合线为碳酸和硅酸盐的混合线)的上方还是下方，可以对应的把溶岩水分成两部分。由于研究域的孔隙水和地表水的87Sr/86Sr约为0.712，可以得出地表矿物溶解是该地区是其化学成分的主要来源。也可以得到，上方的溶岩水的供给主要是地表水或裂隙水(因为上方溶岩水有比较高的87Sr/86Sr)，综上可得该地区的溶岩水由多个地区供给。
通过计算可以发现新安泉域地下水的年加权平均氚含量18.78 TU，为现代循环水。西流泉水中的氚值的含量大，而且更新周期短，说明水循环条件较好，更新速度快，可恢复性强。南流泉和实会泉水中氚值特征则与西流泉水中的氚值相反，所以其水循环特性与更新、恢复特点都与西流泉水相反。
5. 结论
(1) 泉域内岩溶地下水的主要来源于与碳酸盐的相互作用，水–岩相互作用显著。其次岩溶水与地表水、裂隙水存在水力联系，岩溶水一定程度上接受地表水和裂隙水渗漏补给，泉水的来源具有多样性特点。
(2) 辛安泉域岩溶地下水为现代循环水，整个泉域水资源的更新交替相对频繁。西流泉地下水的更新能力最强，其更新周期在25年左右，处于积极交替带；南流泉和实会泉更新能力较弱，地下水交替缓慢，更新周期较长。