關(guān)中東部地下熱水氫氧同位素研究

關(guān)中東部地下熱水氫氧同位素研究

0抗裂斷裂帶金融資源研究區(qū)位于關(guān)中盆地南部，南臨秦嶺，北臨渭河，東至蘭田縣、臨津縣和梅縣。區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏有豐富的地下熱水資源。研究區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬渭河斷陷南側(cè)。渭河斷陷為鄂爾多斯地臺(tái)與秦嶺地軸的過(guò)渡帶,其構(gòu)造斷裂,對(duì)研究區(qū)地下熱水的形成與分布起著控制作用(圖1)。大氣降水和地下水通過(guò)斷裂破碎帶經(jīng)深循環(huán)加熱形成地下熱水,又儲(chǔ)存于破碎帶及其周?chē)牧严吨?形成帶狀熱儲(chǔ)區(qū)。研究區(qū)主要帶狀熱儲(chǔ)區(qū)有:(1)秦嶺山前斷裂熱儲(chǔ)帶:沿秦嶺山前斷裂所形成的地?zé)岙惓?地下熱水的天然露頭有藍(lán)田東湯峪溫泉和眉縣西湯峪溫泉,均出露于中下元古界變質(zhì)巖中,水溫分別為50℃,70℃。(2)臨潼-長(zhǎng)安斷裂熱儲(chǔ)帶:沿臨潼-長(zhǎng)安斷裂由西南到東北有東大、西北飯店、毛西村等地?zé)崴Ｋ疁?3℃～57℃,東段與驪山山前斷裂相交,地下熱水的天然露頭有臨潼華清池溫泉,出露于太古界變質(zhì)巖中,水溫41℃～45℃。(3)渭河斷裂熱儲(chǔ)帶:沿渭河斷裂帶分布,熱水出露于第四系沖積層或黃土層中。該熱儲(chǔ)帶各泉的水量偏小,水溫偏低。沿該斷裂帶自西而東分布有蔡家坡泉、馬嵬泉、魏家泉、馬跑泉、老雅泉等,水溫20℃～26℃。當(dāng)?shù)叵聼崴ㄟ^(guò)斷裂帶沿各熱儲(chǔ)層作水平運(yùn)動(dòng)并賦存于其中時(shí),則形成了層狀熱儲(chǔ)區(qū)。層狀熱儲(chǔ)區(qū)可分為:(1)奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)層:埋藏分布于渭河以北,巖溶熱水的天然露頭有篩珠洞泉、龍巖寺泉等,水溫20℃～45℃。(2)第三系松散半松散巖類(lèi)裂隙孔隙熱儲(chǔ)層:該層是西安城區(qū)和咸陽(yáng)、興平一帶的主要熱儲(chǔ)層,水溫55℃～70℃。(3)第四系松散巖類(lèi)孔隙熱儲(chǔ)層:主要為下更新統(tǒng)粗粒沉積物。地下熱水主要分布在西安市長(zhǎng)安區(qū)東大、子午鎮(zhèn)、西留堡和紡織城地區(qū),水溫59℃～70℃。1城市地下熱水的補(bǔ)給特性為了建立研究區(qū)大氣降水背景值,在高陵縣氣象站建立了氫氧穩(wěn)定同位素的樣本采集站。樣品按每次降水采集,按每月的各次降水量加權(quán),根據(jù)1991年以來(lái)連續(xù)3年的月降水同位素測(cè)試結(jié)果。研究區(qū)大氣降水線方程為:δ(D)=7.85δ(18O)+12.94。研究區(qū)各類(lèi)地下水環(huán)境同位素組成列于表1。地下水的氫氧同位素組成南北低中間高,西部低東部高,與地形呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2),指示地下水來(lái)水方向。研究區(qū)各類(lèi)水體的氫氧同位素組成如圖3。各類(lèi)水體的氫氧同位素測(cè)定結(jié)果可得結(jié)論:(1)研究區(qū)的大氣降水線方程為δ(D)=7.85δ(18O)+12.94。該雨水線與全球降水方程δ(D)=8δ(18O)+10較接近,其斜率稍小和截距偏大均較小,這與本區(qū)地處內(nèi)陸、降水量偏小、空氣干燥的氣候類(lèi)型有關(guān),表明大氣降水在落到地表時(shí)已經(jīng)過(guò)一定的蒸發(fā)。(2)研究區(qū)所有地表水、地下水,包括淺層冷水和深層冷水以及不同溫度的各類(lèi)地下熱水的樣點(diǎn)趨勢(shì)線與關(guān)中大氣降水線呈平行線性分布,表明大氣降水是區(qū)內(nèi)各類(lèi)水體的補(bǔ)給水源。其補(bǔ)給過(guò)程自補(bǔ)給發(fā)生以來(lái)基本均衡。(3)地下熱水具有現(xiàn)代大氣降水的H,O同位素組成特征,基本未顯示其δ(18O)值向右漂移現(xiàn)象,說(shuō)明研究區(qū)地?zé)崴词芩?巖同位素交換明顯影響。(4)圖3中水溫較高的眉縣西湯峪樣點(diǎn)位于降水線下端,說(shuō)明熱水中的鹽分主要來(lái)自巖石礦物的溶解。(5)圖3中渭北熱水壓δ值在大氣降水線上,顯示地下熱水與與現(xiàn)代大氣降水密切相關(guān),直接接受降水補(bǔ)給。臨潼熱水與地表水與地下水的δ值大部分重合,說(shuō)明地表水與地下冷水對(duì)臨潼熱水有大量補(bǔ)給。(6)除臨潼、渭北地下熱水外,在秦嶺山前帶狀儲(chǔ)熱區(qū)諸水點(diǎn)的δ值十分接近,說(shuō)明來(lái)自共同的補(bǔ)給。其δ值遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)氐叵滤偷乇硭摩闹?其補(bǔ)給來(lái)源應(yīng)當(dāng)來(lái)自遠(yuǎn)處高地或寒冷時(shí)期的降水入滲。據(jù)此可推斷,臨潼、渭北和秦嶺山前諸熱水點(diǎn)(西安、長(zhǎng)安、戶縣、眉縣等)各來(lái)自不同的補(bǔ)給水源。(7)在圖4中,若連接熱水中溫度最高,δ(18O)值最低的眉縣東湯峪熱水A點(diǎn)與冷水中最接近熱水的B點(diǎn)和C點(diǎn)為直線,分別與氚值為0的橫坐標(biāo)相交,δ(18O)分別為-15×10-3,-13.75×10-3,-15×10-3可視為凈熱水氧同位素的最小值。故此,溫度最高的A號(hào)樣仍然是混有冷水的。研究區(qū)各熱水的δ值在1556m范圍內(nèi)與熱水出露層高無(wú)相關(guān)關(guān)系(圖5),證實(shí)1556m以上深度的熱水是混入冷水的混合水。表1中臨潼華清池、長(zhǎng)安東大等熱水井泉的14C測(cè)年在萬(wàn)年以上,氚值的測(cè)定結(jié)果又顯示熱水存在現(xiàn)代大氣降水補(bǔ)給,放射性同位素的測(cè)定結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了研究區(qū)地下熱水為混合水的結(jié)論。2凈熱水補(bǔ)徑排的確定如上所述,研究區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,臨潼、渭北和秦嶺山前諸熱水點(diǎn)有其各自的補(bǔ)給水源。渭北熱水與現(xiàn)代大氣降水密切相關(guān)(見(jiàn)圖3),其補(bǔ)給水源為現(xiàn)代大氣降水及淺層潛水。渭河以北巖溶熱水的δ(D),δ(18O)值分別為(-67.38～64.88)×10-3和(-10.27～-9.96)×10-3,與渭北黃土地區(qū)淺層潛水δ(D),δ(18O)值相似(表2),由此推測(cè),渭河以北的巖溶熱水是受渭北地區(qū)淺層地下水、渭北巖溶水及大氣降水的混合而降低了巖溶熱水的溫度。如圖3,臨潼熱水的δ值不在大氣降水線上,與關(guān)中南部其他熱水點(diǎn)可連成與大氣降水線有相近斜率的直線,說(shuō)明臨潼熱水不是大氣降水直接補(bǔ)給,補(bǔ)給水源較遠(yuǎn)。但臨潼熱水的δ值遠(yuǎn)大于關(guān)中南部其他熱水點(diǎn)的δ值,且與地表水與地下水的δ值大部分重合,顯示地表水與地下冷水對(duì)臨潼熱水有大量補(bǔ)給。圖6表明,在黃河與洛河之間的渭北東部巖溶水系統(tǒng)南部邊界,有部分巖溶水向關(guān)中盆地排泄。故此,臨潼凈熱水的補(bǔ)給來(lái)源可能為秦嶺山地降雨和渭北巖溶水的共同補(bǔ)給。研究區(qū)其余各熱水點(diǎn),如東西湯峪、西安、長(zhǎng)安、戶縣等地?zé)崴?不論是太古代變質(zhì)巖類(lèi)裂隙熱水,還是第三系、第四系松散巖類(lèi)孔隙熱水,其δ值十分接近(圖3,圖7),顯示其補(bǔ)給來(lái)源相似。值得注意的是,這些水點(diǎn)的氫氧同位素組成遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)氐叵滤偷乇硭畾溲跬凰刂?也遠(yuǎn)低于秦嶺分水嶺大氣降水及地下水氫氧同位素值(見(jiàn)圖3)。這說(shuō)明其補(bǔ)給源不是當(dāng)?shù)卮髿饨邓?也不是秦嶺北麓現(xiàn)代大氣降水。凈熱水δ值的差異不僅僅是高度效應(yīng)引起的差異,還有補(bǔ)給時(shí)間引起的差異,凈熱水的補(bǔ)給時(shí)期應(yīng)排除現(xiàn)代大氣降水。凈熱水的δ(18O)值大約為-15×10-3,與當(dāng)?shù)亟邓骄?7.37×10-3相差-7.63×10-3。根據(jù)研究區(qū)δ值的溫度效應(yīng)關(guān)系式:δ(D)=3.50t-82.90,r=0.958;δ(18O)=0.47t-12.24,r=0.976。若按氣溫每1℃相差δ(18O)為0.47×10-3計(jì),凈熱水補(bǔ)給水源的平均氣溫與現(xiàn)代降水平均氣溫相差約16℃。由此推斷凈熱水補(bǔ)給時(shí)期的溫度與現(xiàn)代溫度差異較大,凈熱水不是現(xiàn)代大氣降水的補(bǔ)給。根據(jù)14C測(cè)年結(jié)果,西安地區(qū)地下熱水形成的年齡為13.3～28.2ka(表1),此時(shí)正值中國(guó)北方第四紀(jì)末次冰期鼎盛時(shí)期,當(dāng)時(shí)的氣溫比現(xiàn)今低13℃～15℃,與本文所計(jì)算氣溫相近?，F(xiàn)代西安地區(qū)年平均溫度為13.07℃,按凈熱水與現(xiàn)代降水平均氣溫相差16℃計(jì)算,凈熱水補(bǔ)給時(shí)平均氣溫約為-3℃。若按秦嶺高程效應(yīng)(-0.51×10-3)/100m,凈熱水的補(bǔ)給高程約在1800m以上,而研究區(qū)南部秦嶺北麓一般高程都在1800m以上?？梢?jiàn),研究區(qū)地下熱水是在第四紀(jì)末次冰期形成的,形成期的熱水接受秦嶺北麓海拔1800m以上冰川雪水的補(bǔ)給。3熱水混合比例從以上討論可知,研究區(qū)地下熱水大多為混合水,其混合比例因地而異。根據(jù)同位素混合公式冷水/熱水=(δ熱-δ混)/(δ混-δ冷)(1)冷水比例=(δ熱-δ混)/(δ熱-δ冷)(2)冷水/熱水=(δ熱?δ混)/(δ混?δ冷)(1)冷水比例=(δ熱?δ混)/(δ熱?δ冷)(2)式中:δ熱為研究區(qū)凈熱水δ(18O)值,由以上討論得δ熱為-15×10-3;δ冷分別采用戶縣、臨潼、西安的地下常溫水δ(18O)值(表1),將表1中混合熱水值代入式(1)和式(2),可得研究區(qū)各溫泉及熱水井冷水混合比例(表3)。由表3可知,臨潼熱水的冷水混入量最大,冷水比例達(dá)73.27%～80.83%;最少為眉縣西湯峪熱水,冷水比例為39.55%～46.67%,平均值為57.66%。4熱儲(chǔ)深度的計(jì)算當(dāng)熱儲(chǔ)層的水化學(xué)體系處于一定溫度、水-巖相互作用最終達(dá)到了基本平衡狀態(tài)時(shí),可用那些與溫度存在相關(guān)關(guān)系的化學(xué)組分作為地球化學(xué)溫標(biāo),估算其地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度和熱儲(chǔ)深度。筆者采用SiO2地?zé)釡貥?biāo)tSiΟ2=1309/(5.19-lgSiΟ2)-273.15(3)熱儲(chǔ)深度的公式為h=(t1-t0)Δt(4)式中:h為熱儲(chǔ)深度;t1為用地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度;t0為補(bǔ)給來(lái)源