地質背景條件下的溫泉水文地球化學特征對比研究

地質背景條件下的溫泉水文地球化學特征對比研究

作為一種特殊的自然資源，熱熱資源的價值、恢復價值和休閑娛樂在以來一直受到人們的廣泛關注。此外，這是地質條件的產物。國內外科學家對溫泉的成因、形成機制、補充來源、路徑和熱資源的利用進行了大量研究。1977年,Ellis等在《地熱系統化學》一書中就熱水的起源、熱水的物理化學同位素特征、熱水蝕變、熱水中礦物沉淀等做了詳細闡述。Giggnebach1988-1992年間創(chuàng)建了一系列三角圖來研究地熱流體起源和形成機制。1998年劉文輝等研究了咸陽市區(qū)地下熱水水化學特征認為咸陽市區(qū)地下熱水化學特征的空間分布與渭河北岸斷裂有著密切聯系,并依據地下熱水用途對熱水進行分類評價。2000年劉再華等研究表明地熱系統CO2-水-碳酸鹽巖系統與出露在火成巖地層中的地熱系統有不同的水文地球化學特征。2002年劉久榮等通過對北京某地熱田1984-2001年間的地熱水化學成分、地熱溫標、地熱活動總體強度和示溫礦物的研究,得出開采引起了熱儲壓力的降低,從而導致熱儲水和熱的補給加強的結論。本文從重慶市溫塘峽背斜和滇東小江斷裂帶溫泉的區(qū)域地質背景狀況入手,結合溫泉水中各種化學組分和水化學指標的分析,探討各溫泉水文地球化學特征之間的差異,揭示不同地質背景下地熱系統的水-巖作用過程,為地熱資源合理的開發(fā)利用提供必要的基礎依據。1南大別南大地利土水文站南u3000結合物云南小江斷裂帶是滇中地塊中南北走滑斷裂系中的一條主干斷裂(圖1),也是一條長期活動的發(fā)震斷裂,破碎帶寬500m以上。新生代由于印度板塊與歐亞板塊的匯聚、碰撞和楔入,菲律賓和太平洋板塊對中國大陸的夾持,構成了云南境內特有的構造格局和復雜的應變面貌,形成了眾多的剪切構造及其伴生的形態(tài)多樣的走滑盆地群。小江斷裂表現為左行走滑運動性質,構成川滇菱形斷塊體的東界,自北向南總體形態(tài)由單一結構分支為二,進而向南撤開,沿斷裂分布著一系列新生代褐煤斷陷盆地,溫泉沿斷裂帶呈線狀分布,出露地質背景狀況有很大差異,其溫泉熱源主要來自于地熱增溫,補給水源主要來自于大氣降水,熱儲層位主要為碳酸鹽巖地層。建水澡堂村(YN1)溫泉,位于建水縣以北,曲江盆地邊緣,“山”字型構造的轉折端,受曲江隱伏斷層控制,泉水出露地層為震旦系澄江組(Z1c)紫紅色砂巖。在該泉點東北面出露三疊系深灰色、黃綠色泥巖、砂質泥巖、鈣質粉砂巖不等厚互夾少量泥灰?guī)r、灰?guī)r和細砂巖,與澄江組為不整合接觸,再往東為二疊系灰?guī)r地層;建水黃龍寺(YN2)溫泉,出露于泥盆系東崗領組(D2d)灰?guī)r中,位于小江斷裂南段和建水斷裂的交匯處,東面有第三系泥灰?guī)r出露;元陽南沙(YN3)溫泉,出露于前震旦系哀牢山群阿龍組(Pt1α)大理巖中,位于紅河斷裂的西南邊,主要受紅河壓扭性斷裂控制;宜良湯池(YN4)溫泉位于宜良湯池鎮(zhèn)內,陽宗海東北角,出露在小江斷裂帶上的震旦系燈影組(Z3d)白云巖內,陽宗海以西為二疊系灰?guī)r地層,較高處有峨眉山玄武巖出露,中間為小江斷裂礫巖,大小不一,混雜第三系褐煤層;宜良蓬萊(YN5)溫泉位于宜良蓬萊鄉(xiāng),出露在小江斷裂的東支上,出露地層為第四系,下部為下泥盆和志留系灰?guī)r、白云質灰?guī)r地層。重慶市溫塘峽背斜屬于二級大地構造單元四川臺坳的川東平行排列的隔擋式褶皺束中華鎣山構造帶向西南的梳狀分支,區(qū)內出露地層主要有下三疊統嘉陵江組(T1j)灰?guī)r、白云質灰?guī)r和石膏互層;中三疊系雷口坡組(T2l)白云質灰?guī)r、泥頁巖;上三疊統須家河組(T3xj)砂巖、碳質頁巖(圖2)。本區(qū)溫泉的儲熱含水層主要為三疊系嘉陵江組和雷口坡組的碳酸鹽巖地層,根據鄰近地區(qū)露頭剖面調查,雷口坡組為咸化淺海相碳酸鹽沉積,由灰色厚層狀白云質灰?guī)r和白云巖組成,含有硬石膏、巖鹽等巖溶角礫,但大部分已被剝蝕,現殘存厚度10～20m。雷口坡組之下的嘉陵江組為半咸化淺海相碳酸鹽沉積,以淺灰、灰黃色薄層-中厚層灰?guī)r和巖溶角礫狀白云質灰?guī)r為主,厚度大約500～520m。區(qū)內溫泉熱源主要來自于地熱增溫,補給水源主要來自于大氣降水。北溫泉(CQ1)和水文站(CQ2)兩個泉點位于嘉陵家右岸深切峽谷內,出露地層為上三疊統須家河組砂巖;青木關(CQ3)和騮公橋(CQ4)兩個泉點位于青木關鎮(zhèn),出露巖層為下三疊統嘉陵江組灰?guī)r地層,其中CQ4泉點位于青木溪旁一洗衣池邊。2樣品采集與分析2.1水化學成分分析2009年8月中旬,在云南小江斷裂帶和重慶市溫塘峽背斜一共選取9個溫泉點(其中小江斷裂帶5個,編號為YN1、YN2、YN3、YN4、YN5;溫塘峽背斜4個,分別標記為CQ1、CQ2、CQ3、CQ4)進行水化學分析。現場測量各泉點水溫(T)、pH、電導率(Ec)、HCO3-和Ca2+。溫度、pH值和電導率用美國Hach公司便攜式水質分析儀測定,其精度分別為0.1℃、0.01pH和1μs/cm;HCO3-和Ca2+采用德國Merck公司便攜式試劑盒,精度分別為0.1mmol/L和2mg/L。2.2樣品處理與陽離子測定采樣前,用水樣潤洗取樣瓶3～4次,現場用直徑50mm,0.45μm的醋酸纖維脂膜過濾水樣后,存儲于500mL聚乙烯樣品瓶中,立即放入便攜式冰袋保存,12h內運至室內4℃冷藏,用于水中陰離子檢測;另取過濾后水樣裝于事先用1∶1的HNO3溶液清洗過的50mL聚乙烯取樣瓶中,立即加1∶1優(yōu)級純硝酸溶液5～8滴,調節(jié)pH值<2,12h內運至室內4℃冷藏,用于水中陽離子檢測。采樣結束立即返回實驗室進行樣品測試。Cl-使用AgNO3滴定法(0.1mg/L),SO42-測定采用紫外分光光度計(0.01mg/L);陽離子用ICP-OESOptima2100DV測定(0.001mg/L)。上述實驗均在西南大學地理科學學院水化學分析實驗室和同位素實驗室完成。3溫泉水的化學特征及其形成的巖性影響3.1溫泉水的巖作用重慶溫塘峽和云南小江斷裂溫泉水化學分析結果如表1所示。由表1可以看出,所有樣點泉水均表現為中性(pH在6.55～7.55之間),電導率也都比較高,除YN2外(585μs/cm),均超過1000μs/cm。此外,小江斷裂帶上出露溫泉水溫普遍較高,一般高出溫塘峽背斜溫泉10～25℃左右(YN2除外),這是因為小江斷裂帶上出露溫泉循環(huán)深度比較大,而且大地熱流背景值也比重慶地區(qū)高。YN2出露點位于兩大斷裂交匯處,可能自身循環(huán)深度較淺,且出露地層為灰?guī)r地層,表層巖溶作用強烈,溶隙、裂隙發(fā)育,熱水在向上運移過程中參入了大量的冷水,導致電導率和水溫均較低。同樣,CQ3、CQ4的水溫也相對較低,可能也是因為其出露于灰?guī)r地層,巖溶管道裂隙發(fā)育,向上運移至地表的過程中與淺層巖溶水混合所致,尤其CQ4泉點位于青木溪旁,由于溪水的混入,水溫只有26.7℃。因此,可以推測YN2和溫塘峽背斜溫泉水-巖作用過程比較類似。此外,小江斷裂帶溫泉向大氣中釋放著大量CO2氣體,這是其水中HCO3-含量高的必然表現。水化學類型圖能較好地反映了地下水水化學屬性。圖3是由表1得到的溫泉水水化學類型圖。在該水化學類型圖上,重慶市溫塘峽背斜出露的幾個溫泉位置很集中,都落在了D區(qū),均屬于SO4-Ca(Mg)型水,而云南小江斷裂帶出露的溫泉其在水化學類型圖上的位置很分散,水化學差異較大,從圖中可以看出,YN1為HCO3-Na型水,YN2為HCO3-Ca型水,YN3和YN5均為SO4-Ca(Mg)水,YN4則屬于SO4-HCO3-Na-Ca型水。3.2溫塘峽背斜技能水2+溫泉水在地下運移過程中會與圍巖發(fā)生水-巖作用,水中高含量的各種離子基本均來自其對圍巖中各種礦物的溶解。因此圍巖巖性在很大程度上影響著溫泉水的化學特征。由表1可以看出,重慶市溫塘峽背斜出露的溫泉,水化學性質非常相近,水中各種離子含量相差并不大。其中,陽離子以Ca2+和Mg2+為主,占陽離子總量的98%左右,陰離子以SO42-和HCO3-為主,同樣占陰離子總量的98%左右。下三疊統嘉陵江組(T1j)地層是溫塘峽溫泉的主要儲熱含水層,巖性主要為灰?guī)r、白云質灰?guī)r(含硬石膏層),因此,溫泉中高含量的Ca2+、Mg2+和SO42-、HCO3-無不與熱水對圍巖的溶蝕有關。對溫塘峽背斜溫泉水中SO42-和Ca2+、Mg2+做相關性分析,發(fā)現它們彼此間存在很高的相關性(圖4),也說明了它們有相同的來源。然而,在分析HCO3-和Ca2+、Mg2+的相關性時,卻發(fā)現它們呈很高的反相關性(圖5),其原因在于和圍巖發(fā)生水-巖作用過程中,熱水溶解了大量的硬石膏,產生大量的Ca2+、Mg2+,由于同離子效應的存在,在一定程度上抑制了CaCO3和MgCO3的溶解所引起。仔細查看表1中的數據,還發(fā)現溫塘峽背斜溫泉雖然水化學特征比較接近,但還是有一些差別。CQ3和CQ4中各種離子(除HCO3-外)以及水溫均小于CQ1和CQ2,分析其原因為,CQ3和CQ4出露于下三疊統嘉陵江組(T1j)灰?guī)r地層,表層巖溶作用十分強烈,巖溶管道、裂隙發(fā)育,導致溫泉水中混入淺層巖溶水所致;至于CQ3和CQ4的HCO3-含量相對較高,可能與青木關地區(qū)表層巖溶水中本身HCO3-(>300mg/L)較高有關。表1中顯示,云南小江斷裂帶溫泉水中各種離子含量差異較大。YN1位于建水縣以北,曲江盆地邊緣,“山”字型構造的轉折端,受曲江隱伏斷裂控制,出露地層為震旦系澄江組紫紅色長石砂巖(Z1c),熱水在沿斷裂裂隙向上運移過程中,溶解了來自深部的CO2,并與圍巖發(fā)生水-巖作用,溶解了圍巖中的鈉長石,導致水中HCO3-和Na+含量比較高。YN2出露在中泥盆統東崗嶺組(D2d)灰?guī)r地層中,位于小江斷裂南段和近東西向建水斷裂的交匯處,泉口有CO2逸出,熱水在沿斷裂運移至地表過程中溶蝕周圍的碳酸鹽巖致使水中主要離子為HCO3-和Ca2+,水化學類型表現為HCO3-Ca型。由于位于斷裂交匯處,加之灰?guī)r地層巖溶裂隙、管道發(fā)育,有淺層冷水的混入,導致其水溫并不是很高。YN3中HCO3-、Ca2+和Na+的含量均比較高,主要受到出露地層巖性的控制,即該泉的圍巖主要為下元古界哀牢山群阿龍組上亞組大理巖夾斜長角閃巖透輝角閃斜長變粒巖和下亞組斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖等混合巖,熱水在地下運移過程中溶解了圍巖中的方解石和鈉長石,導致了水中HCO3-、Ca2+和Na+含量均較高。YN4出露在上震旦統燈影組(Z3d)白云巖地層中,中間夾雜有硅質條紋和條帶,并存在石鹽假晶,HCO3-和Ca2+來自于白云巖的溶解,而水中較高的Cl-主要來自于熱水對石鹽假晶的溶解。該泉水中的Na+除來自石鹽溶解外,還來源于硅酸鹽礦物的溶解,以至泉水中的Na+含量要明顯高于Cl-。YN5出露在第四紀地層中,其下覆巖層為下泥盆系和志留系灰?guī)r和白云質灰?guī)r,熱水在運移過程中水-巖作用主要表現為對灰?guī)r的溶解,導致水中的HCO3-和Ca2+的含量比較高。此外,YN3、YN4和YN5中均含有很高的SO42-,對其出露點所在區(qū)域地質背景考察,發(fā)現有第三系褐煤地層廣泛分布,因此SO42-可能來自于褐煤中硫化物的氧化。4巖漿巖平衡分析與固熱溫度計算4.1sq1yn熱水層析成巖作用模式圖6顯示的是研究區(qū)熱水樣品在Giggenbach(1988)提出的熱水Na-K-Mg圖解模型中的分布情況,此圖解廣泛應用于評價地下熱水的水-巖平衡狀態(tài)。圖6表明,所有泉點樣品均分布在完全平衡線以下,即所有泉點熱水均未達到水-巖作用平衡狀態(tài),可能熱水在向上運移過程中均受到了不同程度的淺層地下水的混合作用影響。然而,由圖6可以看出YN1已經比較接近完全平衡線,表明它比其它幾個泉點熱水更接近水-巖平衡狀態(tài),水的成熟度更高,受到冷水混入的影響較小,更接近深部儲水層的熱水特征。圖中YN1所處位置對應的熱儲平衡溫度為100～120℃,此溫度與SiO2溫標計算出來的熱儲溫度(表2)偏低,但相差不大。其他泉點熱水均遠離水-巖平衡狀態(tài),屬于未成熟水,可能是因為這些泉點在向上運移過程中,均有流經碳酸鹽巖地層,受到淺層冷水混入影響較大。4.2對溫度和時間的觀察和討論另一個基于陽離子比率來反映水-巖作用平衡的圖解模型是Giggenbach(1988)提出的Na-K-Mg-Ca圖解。圖7是基于本研究水化學資料計算得到的Na-K-Mg-Ca圖解,圖上顯示的是所有熱水樣品中10Mg2+/(10Mg2++Ca2+)與10K+/(10K++Na+)的關系。與圖6一樣,圖7同樣顯示沒有一件熱水樣品達到水-巖作用平衡狀態(tài)。但是仔細觀察該Na-K-Mg-Ca圖解,可以看到YN1非常接近完全平衡線,接近水-巖作用平衡狀態(tài),這點與圖6反映的信息是一致的,且其對應的熱儲平衡溫度為110℃左右,與圖6中顯示的熱儲溫度和SiO2溫標計算的結果(表2)同樣比較接近。而其它泉點也表現的與圖6中一樣,均遠離完全平衡線。另外,仔細觀察圖7,不難發(fā)現所有樣品分布于A、B兩個區(qū)域,而且分布于A區(qū)域中的4個樣品的[10K+/(10K++Na+)](0.13～0.31)的變化沒有[10Mg2+/(10Mg2++Ca2+)](0.39～0.81)的大,分析可能是因為熱水中K/Na受到系統中溶解、沉積過程的影響沒有那么強烈。而Mg和Ca的來源比較廣泛(尤其像碳酸鹽礦物),更容易受到系統中溶解和沉積過程的影響。B區(qū)域中的5個樣品其[10K+/(10K++Na+)]變化(0.76～0.86)和[10Mg2+/(10Mg2++Ca2+)]變化(0.77～0.82)都不大,可能是由于這5個樣品點熱水儲層均為灰?guī)r地層,尤其是溫塘峽背斜的4個樣品,地質背景條件基本相同,物