油气地质学论文范文
油气地质学论文范文第1篇
关键词:天环坳陷;低幅度构造;趋势面;地层倾角
近年来随着地震地质勘探技术的发展，作为油气勘探重要接替领域之一的低幅度构造研究得到人们越来越多的重视，低幅度构造识别技术进一步发展．其中，小等值线构造成图、统计法、地震资料处理与解释、钻井、等时格架控制等一系列地震地质勘探技术使低幅度构造识别更加精细．但是由于区域构造背景影响地层界面趋势面的变化，而上述研究方法都不能对低幅度构造总体变化趋势进行系统描述，因此在此趋势面背景上形成的部分局部变化规模小的低幅度构造不易发现和识别［1］．为了更好地进行趋势面背景分析，部分学者将趋势面分析运用到低幅度构造识别技术中．李新峰［2］采用趋势面技术求出剩余图，使储层微构造的局部高低点得以突出;姜传金［3］通过对构造趋势面和古构造发育史的分析识别出岐山北工区微幅度构造;王凤启［1］针对大庆油水关系复杂地区，采用二维趋势面技术对剩余油分布进行了有效预测．以上研究实质是用“小网格”化的精确构造图减去“大网格”化的区域构造趋势背景图以得到剩余差值构造图，最后重新网格化成剩余构造图，从而在微幅度构造变化的总趋势或总背景上，突出储层微型构造的局部高点和低点，便于剩余油气产状的分析的一种技术．因此针对地层倾角较大地区，构造圈闭预测精度需进一步提高．基于以上因素考虑，本文对研究区进行了趋势面分析，从而更好地对研究区低幅度构造进行预测．首先探讨了针对研究区特殊的地质概况，及二维趋势面技术对研究区进行低幅度构造研究的重要性，并介绍技术的方法原理，进而在研究区进行实际应用，最后通其预期效果验证了本方法的有效性．
1区域地质概况研究
区位于鄂尔多斯盆地天环坳陷(图1)，天环坳陷是一南北相狭长向斜构造带，西临西缘断褶带，东接伊陕斜坡［4］．天环坳陷东、西两翼斜坡不对称发育，西斜坡受西缘南北向逆冲断裂带影响较大，坡度较大，倾角可达4°;东斜坡坡度相对较小，倾角小于1°．研究区低幅度构造及圈闭的形成一方面是因为印支运动使鄂尔多斯盆地西南缘受到了北北东向的挤压应力，区域上随之隆起并接受漫长地质时期的差异剥蚀作用，形成了早期具有高低起伏的古地貌背景［5］，并且在相同地质时期天环坳陷中南段同时受构造抬升及河流下切侵蚀双重作用，导致延长组上部地层缺失，延安组与延长组呈不整合接触关系［6］．在早先千沟万壑的古地貌基础上后期地层填平补齐，因此在早先古地貌的雏形上形成了低幅度构造圈闭;另一方面在构造形成的早期受差异压实作用影响显著，而构造形成后又受到构造应力的改造再定型［7］．由于在构造抬升过程中局部地区受力不均匀，在斜坡背景上发育了一系列低幅度构造，同时侵蚀改造后的低幅度构造接受挤压作用的构造改造，也形成了一批挤压成因的低幅度构造［8］．
2方法原理
在对研究区低幅度构造进行预测的过程中，在低幅度构造变化的总趋势基础上对局部变化进行深入研究，逐步引起人们的重视．为了更好地进行低幅度构造研究，本文将二维趋势面分析运用到研究区低幅度构造预测过程中，从而找到低幅度构造变化的总趋势或总背景，进而突出储层微型构造的局部高点．
2．1基本原理对趋势面进行分析就是对研究区地质空间的变化进行研究，而局部范围内出现的异常高低点则是对低幅度构造进行追踪验证的关键．趋势面分析分为二维趋势面分析及三维趋势面分析，一般采用二维趋势面分析技术，其实质是用拟合趋势面方程对某一地质特征进行研究［9］．其数学模型为:
2．2识别方法首先，要求出待定系数bk，一般是根据最小二乘法原理计算．然后，建立趋势面方程zi，带入井点坐标(xi，yi)，即可求出其趋势值．具体计算公式:其中，Zi为第i个井点储层的顶面或底面海拔高度值;zi为第i各观测点地质变量Zi的趋势值;ΔZi﹥0局部高点，ΔZi﹤0局部低点．最后，进行地界拉平，即可识别出地震剖面上的低幅度构造，其示意图如图2．
3应用效果分析
在小等值线构造成图、统计法、地震资料处理与解释、钻井、等时格架控制等一系列基础地震地质勘探技术的基础上．运用趋势面技术对研究区进行趋势面成图，突出了低幅度构造的局部高点．如图3所示，通过二维趋势面技术的应用，找到研究区地质空间变量的变化，突出了储层低幅度构造的局部高点，其中异常构造高点的出现可以对勘探过程中不易发现的低幅度构造进行追踪和验证，有利于油气产状的分析．经勘探证实，新发现构造圈闭19个，在26个圈闭中有20个含油性较好，占76．9%，且高产井均位于构造高点．由此可知，低幅度构造的构造高点是油气成藏的有利区，勘探成功率较高．
4结语
针对研究区地质情况复杂，地层倾角较大的情况，以往的常规地震地质勘探技术虽然可以使低幅度构造识别更加精细，但是由于其自身存在的缺陷性，使研究区构造高点和圈闭面积识别并不准确．因此，本文在以往常规地震勘探的基础上利用趋势面技术，使研究区低幅度构造的预测更加精确，增加了勘探有利区带，扩大了其储量面积，为井位优选提供了直接证据．
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油气地质学论文范文第2篇
柴达木盆地是我国西部的一个重要的中新生界含油气盆地。本文以储层沉积学、岩相古地理学、石油地质学等多学科为理论指导，对柴达木盆地西缘的储层发育特征，即从储层岩石学特征、储层沉积构造发育特征、岩石组合和储层物性特征等方面进行了研究，认为柴达木盆地西部第三系岩性主要为碎屑岩，含有少量的碳酸盐岩和煤。碎屑岩包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，分布于第三系的各个层位;柴西缘第三系碎屑岩储层时期不同，其特点不同，主要烃源岩与储集岩集中在下干柴沟组下段与下油砂山组。
关键词:
柴达木盆地;第三系;碎屑岩;储层特征
1．区域地质概况
柴达木盆地位于青藏高原北部，被昆仑山、祁连山、阿尔金山这三大山系包围，盆地内部东南低，西北高，处于东经90°～98°20'，北纬35°55'～39°10'之间，面积12.1×104km2，盆地海拔2600m～3000m左右，外形近似菱形的山间盆地，是最大的高原盆地。
2．储层特征
2．1储层岩石学特征柴达木盆地第三系岩性主要为碎屑岩，各个层位由砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩构成，碳酸盐岩和煤含量较少。碳酸盐岩包括泥质灰岩、藻灰岩和颗粒灰岩(表1)，主要分布于下干柴沟组和上干柴沟组。
2．2沉积构造特征柴达木盆地第三系根据成因及形态分类由准同生变形构造，物理成因的层理、层面，生物成因沉积构造，化学成因构造等沉积构造几大类构成。沉积构造特征是沉积时水动力条件的直接反映，又较少受沉积后各种作用的影响，具有良好的指相性。综合野外露头和岩心观察，发现柴达木盆地下第三系沉积构造非常的丰富。
2．3储层分布特征本区储层岩性主要是砂、砾岩，还有少部分是碳酸盐岩。碎屑岩储层主要沉积于洪积扇、辫状河、扇三角洲、辫状河三角洲、滨浅湖环境。纵向上，碎屑岩储层在各个层位都发育;平面上，碎屑岩储层主要分布于盆地边缘部位，但不同层位碎屑岩储层分布范围不同。路乐河组(层序I和II)和下干柴沟组下段(层序III和IV)，主要发育洪积扇和辫状河相储层，沿盆地北、南、东、西边缘分布，分布带宽20－50km。扇三角洲储层主要发育于阿尔金山前，辫状河三角洲储层发育于阿拉尔、切克里克一带。下干柴沟组上段(层序V和VI)到下油砂山组(层序IX和X)，由于湖泊扩大，辫状河三角洲储层广泛发育，环绕湖泊的北、西、南侧分布，湖泊东侧由于无河流注入，不发育三角洲。当然，洪积扇和辫状河储层仍沿盆地边缘发育。该时期，碎屑岩相带宽度也较大，为20－50km。上油砂山(层序XI)到狮子沟组(层序XII)，盆地中碎屑岩储层分布带变窄，宽度在20km左右，并且以辫状河储层为主。
2．4储层物性特征根据物性分析资料如表2，柴西缘第三系碎屑岩储层孔隙度和渗透率随深度增加而减小。物性与成岩作用、储集空间类型有明显的关系，碎屑岩粒度、泥质和方解石含量、矿物成熟度等对物性也有较大的影响。
3．结论
1．柴达木盆地第三系岩性主要为碎屑岩，含有少量的碳酸盐岩和煤。碎屑岩包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，分布于第三系的各个层位。2．柴西缘第三系碎屑岩储层时期不同，其特点不同，主要烃源岩与储集岩集中在下干柴沟组下段与下油砂山组。3．储层的质量与其岩性、物性、沉积环境、沉积构造等有关。
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油气地质学论文范文第3篇
1鄂尔多斯市矿产资源禀赋特征
鄂尔多斯盆地是在古生代华北克拉通盆地基础上发育形成的中新生代多旋回沉积盆地，多种沉积矿产虽然赋存于盆地的不同构造单元和古生界至中生界的不同地质层位（表1），但它们在空间分布和成矿时间上相互关联，使其后期矿床禀赋呈现出一种特有的空间叠置共生关系，其统一成矿、共存层位的峰值时代主要发生在盆地重大变革的燕山中晚期和后期改造过程的早喜山期，明显受控于盆地中新生代构造演化的构造转换基期耦合成矿作用。在盆地演化过程中各种内外地质动力因素的共同作用[1]，使得流体有机矿产分布于盆地内部，无机矿产分布于盆—山转换部位，最终反映在空间上，煤、铀、天然气、页岩气、煤层气、高岭土等矿产资源在盆地叠置共生。煤主要分布于盆地边缘的乌海和准格尔地区，已探明的煤炭资源储量主要位于1000m以浅的侏罗系和石炭—二叠系含煤岩系中，与煤矿共伴生的是煤层气、页岩气及高岭土；铀矿分布在盆地东北部，白垩纪地层和侏罗纪含煤地层顶部的直罗组，埋藏深度大致为600~700m以浅；天然气分布于准格尔地区，赋存层位以石炭系、二叠系为主，含气层深度一般2000~4500m[2]，具有低孔、低渗、低压、非均质性强的特点。
2主要矿产资源勘查开发情况
2.1勘查现状
2016年底，鄂尔多斯市各类在期探矿权有74个（不含油气）,其中煤炭探矿权59个，面积为5069.69km2[3]。铀矿探矿权仅一处，地热探矿权2个，油气探矿权基本布满全区。鄂尔多斯市已发现各类矿产48种，其中已探明资源储量的矿产有26种。煤炭、天然气、地热、天然碱、芒硝、耐火粘土、石膏、铸型用砂等16种矿产保有资源储量居内蒙古自治区第一位。目前，煤炭勘查程度高，煤层埋深1500m以浅资源基本查明，煤炭资源保有资源储量为2019.22亿t[4]，约占全区煤炭总资源储量的一半，其面积约占鄂尔多斯市总面积的70％；区域内铀矿资源丰富，分布多处大型及超大型铀矿床；天然气勘查区块15个，登记面积约占行政面积的62.03%；煤层气、页岩气、油页岩资源虽尚未形成可供开采利用的基础储量，但资源潜力均有较强体现。
2.2开发利用现状
2016年，鄂尔多斯市共有矿山747个，其中煤炭矿山319个，煤炭产量37695.48万t，占内蒙古自治区煤炭总产量的86.0%；煤炭工业总产值873.67亿元[5]，占鄂尔多斯市工业总产值的40%[6]。无铀矿、页岩气及煤层气的采矿权；自治区的第一口页岩气参数井——鄂页1井在鄂托克旗施工完成，在太原组泥页岩层段发现了工业气层，经压裂试气并点火成功，平均稳产气量为1.95万m3/天。“十三五”期间将在东胜煤田深部赋煤区进行煤层气开发利用示范。天然气开采区块11个，登记面积占行政区面积的32.84%，累计探明地质资源量占全国比例15.48%[7]。
3存在的问题
3.1矿业权设置平面上交叉重叠，作业主体相互制约
近年来，鄂尔多斯市矿业权设置“遍地开花”“囤货奇居”，成为制约该地区地质找矿的新瓶颈。鄂尔多斯市矿业权重叠严重，煤炭与油气矿业权尤甚，几乎99%以上的煤炭探矿权都与油气矿业权重叠；70%的煤炭采矿权与油气探矿权重叠，面积约为2382km2；非金属采矿权与油气矿业权重叠，面积约为178km2。油气矿业权的面积大，有效时间长达70年的约占鄂尔多斯市面积的78%，其中最大的探矿权面积达6489km2。尽管《中华人民共和国矿产资源法》《物权法》《矿产资源开采登记管理办法》等法律法规和国土资源部颁布的相关指导性政策和文件,对矿业权重叠区域内的矿业权的归属和安全生产避让做出了要求,但实际运行中依然存在作业主体之间的相互制约。多人研究认为开发时序错乱会造成矿产资源浪费及生态环境问题，如在煤、铀资源富集区，若先采煤，赋存在砂岩中的铀就会随着地下水的扰动而流失[8-13]，如露天开采会大量剥离含铀的表层土，从而产生放射性废渣，其他位于煤炭之上的近地表非金属矿产亦存在此类问题；在油气、煤资源重叠区，若先采油气，将在地下布设大量管网，使得煤炭掘进无从下手，可能会造成数以百亿吨计的煤炭资源成为呆矿。
3.2勘查程度参差不齐，开发时序缺乏科学规划与落实
鄂尔多斯的煤炭资源1000m以浅的资源储量情况已摸清，因受管理体制的影响，地勘行业分工过细，致使煤油等资源富集区的铀矿、页岩气、煤层气等矿产勘查程度低，赋存情况不明，资源家底不清。含煤层系中赋存的煤层气、页岩气如不提前综合回收，不仅给煤炭生产安全带来隐患，而且会造成大量资源浪费。目前，已有多项开发时序的研究报告，但多因在贯彻实施过程中遇到重重阻力而成果寥寥，由于牵涉多方利益关系，多止步于研究阶段而无法落地。
3.3行业垄断严重，地质资料共享难
铀、油气资源的勘查与开发形成了行业垄断是不争的事实，多集中在央企或指定企业，缺乏竞争机制，各自为政，相关资源综合开发协调难度大。核工业部门垄断了铀矿资源的勘查与开发，长期靠国家投入，造成铀矿勘查工作滞后、进展缓慢。其资源分布规律和资源潜力不明，严重制约了矿产资源的综合开发利用。中石油、中石化企业是典型的“油老大”作风，依仗“尚方宝剑”，垄断了油气勘查开发，由于其矿业权发证机关为国土资源部，地方政府与国土资源管理部门监管困难，存在圈而不探的现象。地质资料不能共享，互设壁垒，目前各油气矿业权人汇交资料多为单井报告且为一级汇交，大部分受国土资源部委托由各油气公司代为保管，铀矿资料则保密。近年来，鄂尔多斯市开展煤炭、煤层气、页岩气等矿产工作时很难收集到已有油气、铀等矿产的地质资料，对于区内油气工作新进展和成果、投入情况等基本上不了解，造成勘查工作重复投入，浪费国家大量资金。
3.4叠置资源综合勘查开发缺乏顶层设计，相关技术、规范尚不完善
现行《矿产资源法》和实施细则，仅对新立能源矿产矿业权作出了规定，而如何解决已有矿业权重叠区域能源矿产的勘查开发问题，没有相应文件支持。相关规范仅对煤—铀，煤—煤层气等共、伴生矿产的综合勘查工作提出了简要的要求，而对油气—铀，油气—煤等叠置矿产的综合勘查开发工作尚无具体规定，对综合勘查开发工作的约束和引导作用不足。铀、煤、天然气勘查和开发分工属于不同机构，均有行业技术和规范标准支撑，而叠置资源综合勘查开发技术研发不足。
4对策建议
矿产资源叠置区的开发必须通过创新思维、创新理论、创新技术、创新机制体制，为矿产资源综合勘查开发拓展空间、争取时间，分区施策，建设煤—铀、煤—天然气综合勘查开采示范基地，开创资源节约集约、高效、绿色、协调的新局面，走“经济—环境”双赢的能源新型道路。
4.1打破行业垄断，清理现有矿业权，打开矿产资源综合勘查开发新空间
打破行业垄断势在必行，刻不容缓。引入既有强大的地勘队伍，加快相对滞后的铀、煤层气、页岩气等矿产资源的勘查，摸清鄂尔多斯市资源家底，提交资源量，为综合开发利用赢取时间。由自治区人民政府牵头，协同相关企业，系统调查清理矿业权重叠问题，需三管齐下：对于油气、页岩气探矿权，近三年未投入勘查或投入不符合国家相关规定者，清理退出或消减面积；清理油气采矿权，将未列入本行业“十三五”规划的开采区段清理退出或削减采矿权面积；充分利用国家煤炭去产能的契机，按要求关停煤炭矿山。清理期间，石油、煤炭矿山企业暂不新开钻井，待综合开发时序规划和综合开发方案完善后，再有序开展工作，不失为亡羊补牢之策。
4.2整合作业主体、地方注册，创建矿产资源综合勘查开发新模式
在资源的叠置区鼓励油气—煤矿、煤矿—铀，煤—煤层气等能源矿产勘查开发单位成立混合制股份公司或以股权合作方式联合共营，提高地方政府的参与程度，当地注册，加快资源叠置区资源协调勘查开发，实现责任同担，利益共享。新成立的公司充分发挥在资源、技术、装备、管理、资金等方面的优势促进资源综合勘查开发。
4.3创新驱动，科技引领，支撑矿产资源综合勘查开发新局面
建立科研平台，加大科研投入，建立多方科技研发投资渠道，重点鼓励协会、高校、企业联合建立产学研一体化的科技创新模式，重点研究方向为资源综合勘查与评价技术与应用装备，同时进行资源环境承载力研究[14-15]、矿产资源综合开发综合效益评价[8,15-16]及三维立体地质空间数据库建设。依托科研平台，加强高级专门人才、复合型人才和应用性技术人才的培养，补充综合勘查开采的人才力量。
4.4分区施策，示范引领，保障矿产资源安全与高效利用
按照矿产资源赋存特征和叠置组合情况、经济地位、储量规模、开发技术条件以及矛盾突出程度进行综合分析，制定科学合理的分区方案，针对分区提出具体时序、技术等建议，制定承诺书与互不影响和权益保护协议内容的具体条款，提高协调与解决实际矛盾的效率。建立开发示范区，以解决突出的矛盾问题，找出可复制、可推广的经验参数，指导解决其他资源叠置问题。
4.5创新体制机制，协调综合勘查开发新局面
（1）成立专门协调机构。在国土资源部的引导下，自治区人民政府成立协调机构，办公室设在内蒙古自治区国土资源厅，组织建立相关油气矿业权人、非油气矿业权人、国土资源主管部门三方工作协调机制，定期召开联席会议，协调推进工作，建立油气、煤、铀等专业专家库，论证能源矿产的综合勘查开发规划，对各作业单位开发利用方案进行审查，妥善解决资源、利益、安全、环境等问题。（2）创新投资机制。建立国家、地方、企业、社会多元化投资渠道，积极争取国家投入。充分合理利用自治区地勘基金，打破原有固体矿产勘查分散投入方式，开展对鄂尔多斯市铀、煤层气、页岩气以及影响其综合开发的地下水进行集中勘查，在3~5年时间内摸清主要叠置矿产资源家底，为矿产资源合理开发利用提供基础资料。充分发挥矿业权市场配置资源的作用，以市场为导向，大力引导社会资金投入商业性矿产资源与清洁能源的勘查开发。（3）建立地质资料共享制度。油气矿业权人除按规定进行资料汇交外，同时应向项目所在地省级矿产资源主管部门汇交；给予省级国土资源主管部门访问油气地质资料信息系统、资料目录库等电子数据库的权限。建立地质资料借阅绿色通道，将已有矿产资源相关数据及研究成果公开，免费提供各科研单位用于叠置矿产资源综合勘查开发研究。（4）建立完善法律法规与技术标准规范。建议尽快修改《矿产资源法》及相关法规，完善矿业权管理制度，落实探矿权人综合勘查、综合评价主体责任。由国家主管部门牵头，联合油气、核工业、煤炭等相关行业和协会，结合鄂尔多斯市地质条件、能源矿产资源赋存规律及资源叠置特点，并基于示范区的经验参数，制定能源矿产综合勘查、协调开发的技术标准及规范，明确综合勘查综合评价的目标、要求及协调开发设计的相关参数，为能源矿产资源协调开发项目的设计和建设提供参考。
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油气地质学论文范文第4篇
摘要：
地下水系统是包含地质环境、地下水动力、地下水化学等子集的综合系统，早在2000年前的古罗马时代，人们就已应用水文地球化学方法开展地下水的水化学特征、地下水补给、径流与排泄等研究。近现代同位素技术的发展，为开展地下水补给和可更新性、追踪地下水污染等方面的研究，提供了极大帮助。研究者通过分析地下水样品的水文地球化学指标，如K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋等离子，结合δ18O、δD、δ37Cl、δ81Br等稳定同位素指标，在地下水径流特征分析、水岩相互作用过程、地下水咸化、地下水资源管理以及地下水水质问题等研究方面取得了大量成果。本文概述了国内外近年来应用水文地球化学与同位素结合的手段进行地下水系统研究取得的成果及进展，着重回顾了在地下水咸化、地下水硝酸盐及微量有机污染以及地下水资源管理研究中的应用成果。文末讨论了应用水文地球化学与同位素结合的手段研究地下水系统的基本方法，探讨了开展地下水质质量评价与地下水资源管理的科学方法，展望了水文地球化学与同位素方法在地下水有机污染调查研究中的应用前景，认为该方法可以为地下水中新型及持久性有机污染物的来源及污染特征研究提供重要支撑。
关键词：
水文地球化学；同位素；地下水；硝酸盐；微量有机污染物
自从古罗马哲学家老普利尼记录第一条水文地球化学规则以来———流水呈现出与它所经过的岩石相似的性质———科学家和哲学家对水文地球化学的运用已经历了2000余年。早期的水文地质研究倾向于水岩相互作用、径流走向、水文地球化学循环特征等方面，现代水文地球化学更注重应用于水资源管理及水污特征染等的研究。上世纪60、70年代，随着工业化进程加剧，水资源短缺与水质恶化问题凸显，水文地球化学在地下水污染及相关问题研究中的作用更为重要。与此同时，元素的检测仪器从原子吸收光谱（AAS）发展到电感耦合等离子体发射光谱仪再到电感耦合等离子体质谱，多元素同步检测以及含量在μg／L水平以下微量元素的检测技术取得突破，水文地球化学的应用得以扩展到酸雨、孔隙水等微小体积样品分析领域。对水资源评价和水质分析做出重要贡献的另一工具———稳定同位素技术在这段时期也得到快速发展。1961年，Craig在《科学》杂志上发表了经典文章“isotopicvariationsinmeteoricwaters”（全球降水的同位素组成差异），标志着同位素手段在自然水体中的系统应用开始。历经50余年的发展，同位素手段已与水文地球化学分析手段紧密的融合在一起，在建立地下水循环过程概念模型、了解水质演化、判断地下水补给水源以及地下水溶质的溯源等方面发挥着重要的作用。众所周知，地下水资源是干旱、半干旱地区工业、农业和生活用水的重要来源。例如在西班牙，地下水提供了全国总用水量的1／5，并灌溉了全国1／3以上的农田。我国首都北京市同样处于温带半干旱半湿润地带，水资源天然禀赋不足，全市2／3以上的供水量来自地下水资源?。自20世纪70年代以来，北京因地表水的减少和地下水开采量增加，地下水逐年亏损。超量开采地下水造成水位下降，形成水位降落漏斗，产生地面沉降、水质污染等问题?。为缓解紧张的用水形势，保障城市供水，很多地区利用再生水进行农田灌溉。但目前多数城市工业废水和城市生活污水排放量大幅增加，污水处理设施能力明显不足，再生水灌溉严重威胁到地下水水质安全。在沿海地区，地下水超采还会引发海水入侵，导致地下水咸化、地下水水质退化等问题。面临日益严峻的地下水资源短缺及地下水水质恶化等问题，人们迫切的需要在地下水水质状况、污染状况、污染物来源、迁移及归趋、水资源管理等等方面展开深入细致的研究。水文地球化学特征与同位素特征分析相结合的研究方法，已成为广大研究者用于研究地下水资源管理及污染物来源及迁移转化的重要手段。本文将就水文地球化学与环境同位素分析手段在地下水资源与水质评价研究中的应用现状与成果做一回顾，着重概述水文地球化学与环境同位素分析手段在地下水补给来源、地下水咸化过程、地下水污染及地下水资源管理研究中的应用。并在此基础上讨论应用水文地球化学与同位素方法研究地下水系统的基本方法，探讨开展地下水质质量评价与地下水资源管理工作的科学方法，展望今后水文地球化学与环境同位素分析方法的应用空间及有关发展趋势。
1地下水的补给与演化
水文地球化学与同位素分析手段是描述地下水补给来源与揭示地下水演化规律的有效研究方法，被广泛应用于多个地区地下水系统的研究中。研究者将地下水样品中的δD、δ18O值与当地大气降水线比较，如果二者拟合程度好，则说明研究区地下水主要源自大气降水的入渗补给。DongJiannanetal．（2014）研究了我国四川省广元市的地下水来源与演化，将研究区地下水的δD、δ18O值投影到西南地区δD－δ18O值关系图上，发现均落在降水线附近，如图1所示，即认为该区地下水主要来源于大气降水补给。ZhaiYuanzhengetal．（2011）比较了北京市平原区地下水与北京地区大气降水中的δD－δ18O关系，发现地下水中的δD、δ18O平均值明显低于大气降水中的δD、δ18O值，地下水中的δD－δ18O线性斜率亦小于大气降水线。据此，作者得出该区域地下水主要来源于大气降水的入渗补给，并认为地下水在补给过程中经历了不同程度的蒸发作用影响。Chenetal．（2014）在地下水系统的研究中，除分析D和18O同位素外，还增加了37Cl和81Br的指标，用于更为准确的判断地下水的补给来源，以及揭示地下水形成初期所经历的地球化学演化过程。δ37Cl和δ81Br同位素组成的变化可对一些物理过程如蒸发、稀释、离子交换等起到指示作用，蒸发作用使样品中δ37Cl和δ81Br值升高，而海水稀释则使δ37Cl和δ81Br值降低，其中δ81Br的变化幅度更为显著。通过分析中国北方某地区地下水中δ37Cl－δ81Br相互关系以及δ37Cl和δ81Br与TDS之间的关系，Chenetal．（2014）准确区分了经历蒸发作用与海水稀释的两个地下水演化系统，如图2所示。图中可见，冀中地下水系统经历的蒸发作用明显，而黄骅地下水系统则主要经历了海水的稀释作用。
2地下水咸化
海滨地区地下水超采引发海水入侵灾害造成地下水咸化，在干旱半干旱地区尤为严重。在葡萄牙的大西洋海岸，从北部的Aveiro到南部的Algarve，都发生了因超采引起的地下水咸化灾害，并逐步向内陆延伸。我国环渤海地区由于淡水资源匮乏，地下淡水资源是居民饮用水及工农业用水的重要组成部分，地下水连年超采，引发严重的海水入侵，已经破坏了部分滨海水源地。除海水入侵以外，地下水的咸化还归因于其他过程，如蒸发浓缩过程、污水回灌、古咸水补给、表层水盐分溶解与渗滤以及水岩相互作用使矿物溶解等。很多地区地下水咸化往往是上述几个因素共同作用的结果，要区分地下水咸化的来源及主要作用过程，将是一个非常复杂的难题。环境同位素的组成特征是识别海水入侵及其他地下水咸化过程的重要工具。当地下水咸化主要是由海水入侵引起时，地下水的同位素组成（δ18O和δD）呈现出与海水一致的变化。而地下水发生盐分矿物溶解、或表层盐水渗滤导致地下水盐度增高时，地下水的δ18O和δD同位素组成则并不会发生变化（图3）。结合Ca2＋、Mg2＋、总溶解性固体等水化学特征，就可以区分地下水咸化的不同来源。图3不同咸化过程地下水同位素组成与盐度变化关系Fig．3δ18Ovssalinity：changeinisotopiccompositionofwater，ascribedtodifferentsalinizationprocessesCaryetal．（2015）通过分析地下水中溶解氧、电导率、总溶解性固体（TDS）以及Ca2＋、Mg2＋等多种离子含量，结合δ2H，δ18O，δ87Sr和δ11B等多元素同位素组成，探讨了巴西东北部重要沿海城市Recife地区地下水咸化的来源与主要过程。浅层地下水中δD和δ18O同位素分析表明咸化是由古海水汇入以及浅层地下水蒸发浓缩造成的，深层地下水中Na、B、Ca、Sr等水文地球化学特征显示有明显的咸水引入，并发生相应的离子交换。YangJilongetal．（2012）、Xueetal．（2000）通过水文地球化学与环境同位素结合分析，对我国滨海地区地下水海水入侵程度、盐分来源以及入侵机理进行了研究。研究者以大连大魏家水源地为研究对象，对地下水δD和δ18O同位素的组成进行了分析，结合Cl－浓度分布，作者认为研究区除海水入侵淡水含水层增加了地下水中的盐分外，浅层地下水的蒸发也对地下水中盐分的累积起到了重要作用。根据不同水体中δ34S－δO4、δ13C－HCO3等同位素特征，结合水化学成分（如SO42－、Cl－）分析认为，研究区微咸水和咸水并不是地下水淡水和海水机械混合而成，而是在混合作用基础上还发生了如石膏、碳酸盐岩的溶解和沉淀等地球化学作用。通过对环境稳定同位素（δ2H、δ18O和δ13C）和放射性同位素（3H和14C）进行分析，结合地球化学数据，Carreiraetal．（2014）识别出葡萄牙内陆地区地下水咸化的主要来源包括：海水入侵、深层盐水稀释、以及浅层灌溉水的蒸发。研究区大部分地下水的δD、δ18O值均位于全球降水线上或在附近，说明当地地下水主要来自降水补给。在近海地区，地下水Cl－浓度升高，电导率升高，体现出与海水混合、盐分溶解的影响。利用放射性C同位素、环境稳定同位素和水文地球化学资料，便可从多种途径解释地下水盐分升高的来源，甚至区分古海洋水和现代海水的入侵比例。而近代人为活动如对地下水超采、采用污水灌溉等，已成为仅次于海水入侵引发地下水盐化、地下水水质退化的过程。采用Cl离子与δ18O的关系作为指示地下水蒸发浓缩程度的一个经典常用指标，可以指示污水回灌引起的盐分变化。
3地下水污染
自古代以来地下水水质就与人类活动息息相关，随着近现代工业化不断发展，人类对地下水资源需求量增大，地下水位不断下降，取水井深不断增加，地下水污染逐步显现（图4）。其中，农业面源污染、城市生活污水及工业固体废物处置是造成地下水有机与无机污染的主要人为活动（Edmunds，2009），也是目前研究者重点关注的研究领域。近50年来，为了应对人口增长对粮食的需求，以地下水灌溉为前提的农业生产活动，如印度等国家为提高粮食产量提出的“绿色革命”，造成了地下水位的持续严重下降（Perrinetal．，2011）。在我国，单位耕地面积化肥及农药用量分别为世界平均水平的2．8倍和3倍，大量化肥和农药通过土壤渗透等方式污染地下水；部分地区长期利用污水灌溉，对农田及地下水环境构成危害，农业区地下水氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮超标和有机污染日益严重?。人口急剧增长和城市规模扩大使生活污水的排放量不断增加，而废污水处理设施建设相对滞后，大量废污水未经处理或者未处理完全即排放到环境中，成为地下水污染的重灾区?。我国大部分农村地区的生活垃圾仍处在随意丢弃的阶段，城市地区多处非正规垃圾填埋场几乎没有防渗措施，垃圾渗滤液严重威胁地下水环境安全。工业固体废物的不当处置会造成渗漏污染地下水，石油化工行业勘探、开采及生产等活动显著影响地下水水质，工业企业通过渗井、渗坑和裂隙排放、倾倒工业废水，造成地下水污染。当前，我国相当部分地下水面临严重污染，部分地区地下水污染程度仍在不断加重?。当前及未来形势下，人类需要识别地下水污染的来源，追踪地下水污染物的迁移转化行为，了解地下水污染物的消减机制，为地下水资源的再生及可持续利用提供支持。
3．1硝酸盐污染
硝酸盐是地下水中最为普遍的一类污染，主要与农业上施用氮肥等活动、垃圾集中处理、工业废水排放、动物养殖等活动相关。不同来源的硝酸盐显示出不同的N、O同位素比值特征。因此，通过分析地下水中硝酸盐的δ15N与δ18O值，可以判断地下水中硝酸盐污染的主要来源。结合水文地球化学数据，还可对硝酸盐污染物的生物地球化学转化过程进行评价。研究资料显示，工业化肥的δ15N－NO3一般在－9．2‰～＋14．5‰之间，而动物粪肥的δ15N－NO3一般在10‰～20‰之间，且δ18O－NO3普遍低于15‰。Matitatos（2016）分析了希腊中部Asopos盆地24孔井水中硝酸盐的同位素，结果表明，δ15N－NO3位于－9．2‰～＋14．5‰之间，平均5．4±1．2‰（n＝24）；δ18O－NO3位于－2．6‰～＋13．8‰之间，平均2．5±1．5‰（n＝24）。结合十项水文地球化学指标的分析（电导率，Mg2＋，Cl－，SO2－4，NO－3，TotalOrganicCarbon，K＋，As，SiO2andZn），Matitatos（2016）推断Asopos盆地研究区地下水硝酸盐污染主要来自城市和工业废污水。地下水硝酸盐的生物地球化学转化过程，包括硝化作用与反硝化作用，从N、O的同位素比值变化上有所反映。好氧条件下的硝化过程中，14N发生富集而15N贫化，δ18O－NO3值介于＜－5‰到＋15‰之间。厌氧条件下，NH4＋迅速完成硝化反应，生成富集15N的硝酸盐产物。地下水硝酸盐的硝化速率受含水层岩石组成的影响，水稻田的灌溉补给和反硝化作用可显著降低地下水硝酸盐浓度（Chaeetal．，2009）。
3．2硫酸盐污染
地下水中NO3－富集，会促进沉积岩含水层中的硫铁矿发生氧化，进而使地下水硫酸盐浓度升高。硫酸盐是地下水中普遍存在的一类化合物，来源于多种人为源和自然源，包括土壤施用的农业化学品淋滤、酸雨、石灰岩含水层中硫化铁矿物的氧化与溶解等。饮用水中硫酸盐含量过高，还会影响到水的硬度和口感。不同来源的硫酸盐δ34S和δ18O值表现不同，硫铁矿氧化生成的硫酸盐化合物具有δ34S和δ18O极度贫化的特征，而未遭受人为污染的深层水显示出与前工业化时代降水一致的δ34S富集的特征。在区域尺度上多个含水层交界的地下水系统中，研究者利用硫酸盐的δ34S和δ18O同位素指标作为硫酸盐的物理过程和生物地球化学过程的指示物。为探究地下水中硫酸盐的人为源与自然源（硫铁矿氧化）组成关系，Moncaster等（2000）通过一个简单的二维模型模拟了理想状态下石灰岩含水层中硫酸盐的不同来源关系（式1）。假设在这个理想系统中，硫酸盐无转化无沉淀，则：Cg·δ34S（SO4）g＝Ca·δ34S（SO4）a＋Cp·δ34S（SO4）p，（1）其中，C：浓度；δ34S（SO4）：硫酸盐S同位素组成；g：地下水总硫酸盐；a：人为源硫酸盐；p：硫铁矿氧化硫酸盐；由于：Cg＝Ca＋Cp，则：δ34S（SO4）g＝（n）（δ34S（SO4）a）＋（1－n）（δ34S（SO4）p），其中，n＝人为源硫酸盐的比例。利用上述模型，Moncaster等（2000）计算得到在LincolnshireLimestone含水层地下水约有66％～88％的硫酸盐来自人为源（图5），印证了当地浅层地下水主要是遭受污染的现代水的说法。
3．3微量有机污染
在我国，地下水有机污染研究起步较晚，但已在一些地区发生了严重的地下水有机污染事件，持续发展的高灵敏度和高选择性分析测试技术使得地下水中的新型微量污染物得以不断被检出。当前，各类化学品通过工业废水、矿山等点源污染和土地施用化肥、农药等面源污染进入到地下水中，地下水的有机污染已引起越来越多的关注。地下水污染研究已从无机污染转向有机污染，微量有机污染上升为地下水环境保护领域的首要问题。研究普遍认为，地下水中的有机污染与畜牧养殖、农业化肥与农药使用等人类活动相关。进入到地下水中的污染物在下渗过程中会通过土壤吸附、生物降解、稀释等自然作用消减，但一些污染物也有可能在地下水中富集，或生成更顽固的中间产物。此外，污水处理厂排放的废水及地下水污水回灌也给地下水系统带来大量有机污染。相较城市建设的进程，很多污水处理设施的建设明显落后，部分未达标处理的废污水排入地下水，造成地下水有机污染加重。图6总结了地下水中有机污染的主要来源与迁移途径。可以看到，地下水系统面临来自人类活动的多重污染。地下水中的微量有机污染物的含量及迁移转化等行为，与化合物的水溶解度S、辛醇－水分配系数logKow、有机碳－水分配系数logKoc等物理化学特征密切相关。水溶解度高、logKow高的化合物倾向在地下水中富集，如2环、3环和4环多环芳烃（logKow＜5）相较5环和6环（logKow＞6）多环芳烃在地下水中的检出率明显较高。此外，含水层的地质条件、水文地球化学特征也是影响地下水中微量有机污染物富集的关键因素。非承压含水层及地下水滞留时间短的含水层，如卡斯特含水层和浅层冲击含水层，通常微量有机污染物的含量较高。硝酸盐、硫酸盐是地下水人为污染的重要指标，人为活动的影响较多的地方大部分显示出地下水中NO3－、SO42－离子浓度较高的特征，NO3－、SO42－离子浓度结合δ15N－NO3、δ18O－NO3和δ34S－SO4、δ18O－SO4同位素特征分析，可进一步识别出地下水中不同有机污染物的来源及贡献。应用水文地球化学分析与稳定同位素特征相结合的手段，探寻地下水有机污染物的来源及转化，在有工厂污水排放、畜禽养殖、污水回灌等多种人类活动混合的复杂区域，显得更为有效。GuoHuamingetal．（2001）选择我国南阳油田作为研究区，根据近似地下水流线方向地下水中总油质量浓度和水化学分析结果，发现有机物污染严重的地方地下水总油质量浓度就高。由于硫酸盐与总油质量浓度之间的变化关系明显，作者认为硫酸盐可作为地下水有机污染的地球化学标志物。Estevezetal．（2016）对位于西班牙某高尔夫球场地下水中的微量有机污染物进行了分析，包括一些优先控制的微量有机污染物（多环芳烃、有机氯农药等）以及典型新型持久性有机污染物（药物）的含量情况，同时分析了地下水中δ15N－NO3、δ18O－NO3和δ34S－SO4、δ18O－SO4同位素。作者发现污染物的含量与地下水的水文地质条件、稳定同位素特征之间均存在明显的相关关系。位于补给区域的井水中污染物含量以及δ15N－NO3同位素指标均处于较低水平；而用于灌溉的再生水中的硝酸盐、六氯苯、毒死蜱等有机污染物浓度δ15N－NO3、δ34S－SO4同位素明显较高。因此，在研究地下水中的有机污染物时，可以根据研究区的水文地质特征及稳定同位素特征选择适合的监测井。Sassineetal．（2015）首次使用三嗪类农药（阿特拉津、西玛津及其降解产物）作为农业活动污染的指示物，结合Na＋、K＋、Cl－、NO32－等水文地球化学指标，及δ18O、δD、87Sr／86Sr等同位素特征分析，对法国某地浅层冲击含水层的补给水源进行了识别。经主成分分析证实，这种多参数研究手段可以应用于较大尺度上地下水补给的来源以及地下水质量的管理研究。
4地下水资源管理
位于多个地区交界的含水层地下水资源管理需要精确而又详细的含水层边界与补给水源资料，对于地热资源这种十分宝贵的综合性矿产资源尤其如此。Pannonian盆地是欧洲最大的内陆盆地，横跨匈牙利、罗马尼亚、塞尔维亚等八个国家和地区，随着各国对地下水资源的需求不断加大，建立一个共同的地下水与地热资源的管理方案十分必要。借助于Cl－、NO3－、NO2－、SO42－等离子及元素分析，以及δ18O、δ2H和3H、14C同位素分析，Szocsetal．（2013）尝试对斯洛文尼亚东北－匈牙利西南部的跨界含水层进行描述。作者发现在斯洛文尼亚与匈牙利之间的地热资源确实存在跨界传输，两侧的地下水均为Na－HCO3型、中度矿化，补给水源均来自大气降水，地下水从斯洛文尼亚流向匈牙利方向。在Lendava－Szolnok附近的含水层地下水类型虽然接近，却相对破碎且没有传输关系（图7）。通过14C测年监测，斯洛文尼亚一侧的地下水存在年代更古老的水源补给。作者认为地下水的地球化学组分变化可以提示补给路径与水源的变化，δ18O、δ2H、δ13C等同位素的监测可以帮助获知地热资源的传输机制，这些信息对于地下水资源的适度开采和科学管理十分重要。在澳大利亚的LatrobeValley，煤矿开采、页岩气开采、农业活动、居民生活用水等对地下水资源需求巨大，近30年来地下水位下降严重。为探讨含水层之间的水力联系以及了解地下水滞留时间，评价LatrobeValley地区地下水资源的可持续性，Hofmannetal．（2013）分析了地下水中的水文地球化学指标，包括Ca2＋、K＋、Mg2＋、Cl－等，以及稳定同位素信息，δ18O、δ2H等，采用3H、14C同位素测定地下水的年龄，建立了地下水在不同含水层之间运移与交换的概念模型。研究区煤矿和页岩气开采使地下水流向发生了改变，不同含水层之间的主要离子、稳定同位素特征、87Sr／86Sr等特征均比较接近，但14C的分布不一致，说明各含水层在水平和垂向上都发生了混合，不可再生的古地下水向第三纪到第四纪含水层作出了补给。为保障当地地下水资源的再生能力和可持续利用，必须对煤矿和页岩气开采采取规范和限制措施。同样，Warneretal．（2013）研究了美国Fayetteville地区非常规天然气开采对地下水资源的影响，利用多个地球化学指标、CH4及其C同位素δ13C－CH4，以及其他多种同位素特征的分析结果，并未得到浅层地下水质量退化与天然气开采存在相关关系的结论。上述研究结果有助于解决竞争性用水的问题，为区域性地下水资源管理提供支持，而这样的结论单纯通过地下水位分析是不能得到的。
5讨论
5．1地下水水质评价
地下水资源作为干旱半干旱地区人们生活、生产活动的主要水源，在水质和水量上都受到来自人口增长和气候变化的威胁。随着人口增长及粮食产量提高，地下水资源的需求量不断增加，多个地区地下水超采严重，地下水位持续下降。各类工业废水、矿山开采产生的固体废物以及油气开采等活动中的大量深井，不但使各类有机和无机污染物源源不断的进入地下水，还从水文地质环境上改变了地下水的流向及汇流路径，地下水水质退化趋势明显。应用水文地球化学方法与环境同位素方法结合研究地下水系统，不仅可以识别地下水的水化学特征、水化学成分及水质的演化过程，还可以追溯污染物的来源，区分自然源和人为源的特征，描绘跨界含水层间的源汇关系，为地下水资源的合理开发和利用提供科学依据。当前，地下水水质评价仍以硝酸盐、铁、锰等无机指标为主，我国至今仍沿用的《地下水质量标准GB／T14848－93》，由原国家环保总局于1994年，地下水质量评价体系共包含39项指标，其中的微量有机污染物指标仅有六六六和滴滴涕2项。然而地下水的有机污染一直存在，且随着工业化发展有不断加重的趋势。日益先进的检测技术使得更多微量有机污染物被检出，地下水微量有机污染的研究进入蓬勃发展的阶段。2005年，国土资源部启动全国地下水污染调查评价工作，地下水微量有机污染物调查指标大幅增加至39项，包括卤代烃15项，氯代苯5项，单环芳烃8项，有机氯农药11项，其中检出36项。随着城市化进程的加快，工业污染和农业污染大幅增加，大量未被列入地下水质量监控的新型微量有机污染物进入到地下水环境中，对生态环境和人体健康造成潜在威胁。今后，水文地球化学与同位素相结合的分析手段将在地下水中微量有机污染物的来源、迁移和转化研究中发挥重要作用，为完善地下水质量评价体系提供支撑。此外，污染物在进入到地下水环境的过程中会经历物理、化学、生物等过程，发生吸附、稀释、降解及转化，一部分生成更为顽固的中间产物。目前，对地下水微量有机污染的中间产物的研究还未展开，在今后应考虑加大研究力度。
5．2地下水资源管理
地下水资源管理是在充分了解地下水资源和开发利用状况及动态的前提下，运用行政、法律、经济、技术等手段，对地下水开发、利用和保护实施组织、协调、监督，实现地下水资源可持续利用和生态环境的有效保护（WenDongguang，2002）。水文地球化学方法在了解地下水的水化学特征、查明地下水的补给、径流与排泄以及阐明地下水成因及资源的性质上卓有成效，环境同位素技术在研究地下水补给和可更新性、追踪地下水的污染方面，是当前国内外较为新颖的方法之一。将水文地球化学方法与同位素方法结合，研究者能够把大气水－地表水－地下水视为统一的“系统”，进而定量研究其转化关系，为地下水资源管理提供科学支撑。目前许多国家已将水文地球化学方法与同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。水文地球化学指标除了测定地下水中常规的八大离子，即K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋、HCO3－、Cl－、NO3－、SO42－及总溶解固体TDS等外，还包括Fe2＋、Mn2＋、F－、CO32－等离子，根据含水层情况而定。同位素指标方面，应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氘、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B／10B研究卤水成因等方面都有重要进展。地下水资源的保护目标，不仅包括水质，使其不受人类社会经济活动的污染，还要保护水量的可持续利用。新时期的地下水资源保护应把提高地下水资源保障能力、改善人民群众的饮水质量和生存环境质量、保护生态、减轻或避免地下水不合理利用产生的地质灾害等放在重要位置，实现从重开发、轻保护到保护与开发利用并重的战略转变，加强水源保护，减少人为水灾，促进人水和谐。
6结论
地下水资源是人类十分宝贵的战略资源，地下水资源的更新和可持续利用是关系到国计民生的重大问题。为科学解决这一问题，必须要加强对地下水系统特征的认识。从国内外现有研究成果来看，水文地球化学方法结合同位素方法是认识地下水资源属性、划分地下水系统的有效方法。大量研究工作表明，人类活动已成为控制某些地区地下水环境演化的主导力量，地下水的水质及水资源量都与人类的活动强度直接相关。地下水污染研究已从无机污染转向有机污染，微量有机污染上升为地下水环境保护领域的首要问题。应用水文地球化学方法与同位素方法结合，能够准确地描述描述地下水系统中各类污染物的来源、径流及排泄，能够科学地认识地球系统的自然行为与人类扰动的影响，在更广阔的视野和可持续发展的战略思想上去发展水文地质学科。
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