中国南部雷州半岛地下水氦同位素特征及其来源识别

《Applied Geochemistry》：Groundwater Helium Isotope Characteristics and Source Identification in Leizhou Peninsula, Southern China

地下水演化研究中，氦同位素与碳14测年结合分析雷州半岛地下水发现，现代补给组（>75pMC）具有高3He/4He比值和大气氦特征，而古老组（1-75pMC，最大29,000年BP）显示低3He/4He比值及 crustal 4He积累。火山岛样本出现异常高3He/4He（~3Ra），指示地幔氦输入。通过 ternary 混合模型证实地下水年龄与4He累积率（2.76×10^-9 ccSTP/g/ka）正相关，为地下水管理提供新工具。

　　

李少恒|梁作兵|埃施巴赫·维尔纳|森东·迪奥尼|吴文伟|吴奇瑞|田迪|龚柔彦|曾刚|杨在志|陈建尧|董林尧

中山大学地理与规划学院，广州，510275，中国

摘要

本研究利用氦同位素、放射性碳（¹⁴C）测年以及²⁰Ne/⁴He元素比值来探讨中国南部雷州半岛地下水的演化过程。根据校正后的¹⁴C年龄，将地下水样本分为两组：第一组（现代补给水，>75 pMC）和第二组（较老的地下水，1-75 pMC），其年龄范围可达约29,000年前。氦同位素分析显示了两组水体的不同来源：第一组的³He/⁴He比值较高（> 1 Ra），且含有大量氚生成的³He，这表明大气是主要补给源；而第二组的³He/⁴比值较低（< 1 Ra），并积累了放射性⁴He，这与较长的地下水停留时间和水岩相互作用一致。一个显著的例外是来自火山岛的样本，其³He/⁴比值（约3 Ra）和氦浓度异常高，表明有来自地幔的氦贡献。通过三元混合模型量化了氦的来源，发现随着地下水年龄的增长，地壳的贡献比例逐渐增加（1-52%）。此外，溶解态⁴He浓度与校正后的¹⁴C年龄呈正相关，得出放射性⁴He的积累速率为2.76×10^-9 ccSTP/g/ka，进一步证实了⁴He作为地下水年代测定工具的有效性。这些发现强调了含水层系统中随时间变化的惰性气体积累和混合过程，为该地区的可持续地下水管理提供了依据。

引言

氦（He）及其他惰性气体在地下水研究中被广泛用于理解地下水演化（Jiang等人，2022；Zhang等人，2019）、估算停留时间（Markovich等人，2021；Matsumoto等人，2018）以及重建古气候条件（Broers等人，2021；Seltzer等人，2021）。惰性气体因其独特的同位素特征和化学惰性而成为有价值的示踪剂，它们在地下水中不会发生化学反应或改变（Lu等人，2014）。因此，惰性气体能够提供关于地下水动态和补给历史的可靠信息。特别是氦，在地下水研究中起着关键作用，因为它可以通过其独特的同位素特征提供关于地下水运动、起源和年龄的详细信息（Huang等人，2024）。

地下水中的氦同位素组成主要来源于三个方面：（1）补给过程中溶解的大气氦，其特征是³He/⁴比值约为1 Ra（1.4×10^-6）；（2）由U/Th系列同位素衰变产生的地壳放射性氦，其³He/⁴比值较低（约0.02 Ra）；（3）来自深层储层的地幔氦，其³He/⁴比值较高（约8 Ra）（Burnard等人，2012；Kulongoski & Hilton，2012）。这些来源的相对比例反映了地下水的停留时间、水岩相互作用以及流体迁移路径，也可能记录局部构造影响，使得氦同位素成为揭示地下流体相互作用的强大工具。

位于中国广东省南部的雷州半岛是研究氦同位素特性的理想场所。该地区经历了第四纪玄武岩火山活动，广泛分布的火山岩构成了区域水文地质框架的重要组成部分。这些地质特征可能对地下水流动模式和地下流体迁移产生局部影响，表现为地热异常和温泉喷气现象（Zhao等人，2023）。然而，尽管该半岛的农业和日常生活严重依赖地下水，但以往的研究主要集中在常规水化学和稳定水同位素（δ²H、δ¹⁸O）上，而较少利用惰性气体示踪剂，尤其是氦同位素来限制地下水的停留时间和演化过程。因此，对氦同位素的系统分析为地下水演化和随时间变化的地下流体积累提供了宝贵的见解。

此外，基于氦的地下水研究目前面临的一个挑战是区分多种来源的混合贡献。例如，较低的³He/⁴比值可能表明地下水与岩石的长期相互作用或被大气氦稀释，而较高的比值则可能反映地幔物质的输入或现代补给水中含有氚生成的³He（Pinti等人，2022）。为了解决这些不确定性，本研究采用了多示踪剂方法，结合了氦同位素、放射性碳（¹⁴C）测年和²⁰Ne/⁴He元素比值。放射性碳测年提供了关于地下水停留时间的关键信息（例如区分现代补给水和化石地下水），而³He/⁴He及²⁰Ne/⁴He比值有助于确定氦的来源。通过结合这些技术，本研究旨在（1）利用¹⁴C测年确定地下水停留时间，（2）研究不同年龄地下水中氦的浓度和同位素特征，（3）量化大气、地壳和地幔氦来源的相对贡献。

研究区域

雷州半岛位于中国大陆的最南部，延伸至南海，构成了雷琼坳陷带的北部。其纬度范围约为20?10′ N至21?35′ N，经度范围约为109?30′ E至110?40′ E（图1），面积约为8,500平方公里。该地区属于热带季风气候，年平均温度为23°C。降水主要发生在5月至9月的雨季。

采样与测量

根据之前的野外调查，在雷州半岛选择了25个地下水监测钻孔进行惰性气体和¹⁴C采样。这些钻孔的深度从50米到350米不等（表1），主要针对中层和深层承压含水层。采样点在该地区均匀分布，大部分位于大陆上，有四个点位于周边岛屿（图1）。采样前，每个钻孔至少采集了三倍的样品。

¹⁴C年龄

根据第3.2节所述，使用Han-Plummer图方法确定了影响¹⁴C活性的主要地球化学过程，并选择了适当的校正模型，从而得到了校正后的地下水年龄。如表1和图2所示，根据δ¹³C值和¹⁴C活性，雷州半岛的地下水样本可以分为两组：第一组样本的¹⁴C活性较高（> 75 pMC），δ¹³C值约为-12‰，表明这些水为现代补给水。

结论

本研究采用多示踪剂方法，结合氦同位素、放射性碳测年和²⁰Ne/⁴He比值来研究雷州半岛地下水的演化。校正后的¹⁴C年龄显示，地下水的停留时间从现代到28,998年前不等，存在明显的深度-年龄关系：浅层和中层含水层主要含有现代地下水，而深层承压含水层则含有较老的地下水。氦同位素分析揭示了不同的水源。

作者贡献声明

迪奥尼·森东：方法论。吴文伟：方法论。吴奇瑞：研究。田迪：研究。董林尧：研究。梁作兵：方法论。李少恒：撰写——初稿。龚柔彦：研究。曾刚：研究。杨在志：研究。陈建尧：方法论、研究、概念化

利益冲突声明

作者声明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

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3709002）、国家自然科学基金的国际合作与交流资金（4181101551）以及中国地质科学院的喀斯特地质研究所基础科学研究专项基金（2023018）的财政支持。