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與秦嶺地軸的過渡帶,其構(gòu)造斷裂,對研究區(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斷裂破碎帶經(jīng)深循環(huán)加熱形成地下熱水,又儲存于破碎帶及其周圍的裂隙中,形成帶狀熱儲區(qū)。研究區(qū)主要帶狀熱儲區(qū)有:(1)秦嶺山前斷裂熱儲帶: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-長安斷裂熱儲帶:沿臨潼-長安斷裂由西南到東北有東大、西北飯店、毛西村等地?zé)崴?。水?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^斷裂帶沿各熱儲層作水平運動并賦存于其中時,則形成了層狀熱儲區(qū)。層狀熱儲區(qū)可分為:(1)奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲層: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裂隙孔隙熱儲層:該層是西安城區(qū)和咸陽、興平一帶的主要熱儲層,水溫55℃～70℃。(3)第四系松散巖類孔隙熱儲層: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年以來連續(xù)3年的月降水同位素測試結(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,與地形呈負相關(guān)關(guān)系(圖2),指示地下水來水方向。研究區(qū)各類水體的氫氧同位素組成如圖3。各類水體的氫氧同位素測定結(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、空氣干燥的氣候類型有關(guān),表明大氣降水在落到地表時已經(jīng)過一定的蒸發(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地下熱水的樣點趨勢線與關(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)各類水體的補給水源。其補給過程自補給發(fā)生以來基本均衡。(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位于降水線下端,說明熱水中的鹽分主要來自巖石礦物的溶解。(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),直接接受降水補給。臨潼熱水與地表水與地下水的δ值大部分重合,說明地表水與地下冷水對臨潼熱水有大量補給。(6)除臨潼、渭北地下熱水外,在秦嶺山前帶狀儲熱區(qū)諸水點的δ值十分接近,說明來自共同的補給。其δ值遠低于當(dāng)?shù)氐叵滤偷乇硭摩闹?其補給來源應(yīng)當(dāng)來自遠處高地或寒冷時期的降水入滲。據(jù)此可推斷,臨潼、渭北和秦嶺山前諸熱水點(西安、長安、戶縣、眉縣等)各來自不同的補給水源。(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點與冷水中最接近熱水的B點和C點為直線,分別與氚值為0的橫坐標相交,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)與熱水出露層高無相關(guān)關(guān)系(圖5),證實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、長安東大等熱水井泉的14C測年在萬年以上,氚值的測定結(jié)果又顯示熱水存在現(xiàn)代大氣降水補給,放射性同位素的測定結(jié)果進一步證實了研究區(qū)地下熱水為混合水的結(jié)論。2凈熱水補徑排的確定如上所述,研究區(qū)地?zé)崴难a給來源為大氣降水,臨潼、渭北和秦嶺山前諸熱水點有其各自的補給水源。渭北熱水與現(xiàn)代大氣降水密切相關(guān)(見圖3),其補給水源為現(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,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)中南部其他熱水點可連成與大氣降水線有相近斜率的直線,說明臨潼熱水不是大氣降水直接補給,補給水源較遠。但臨潼熱水的δ值遠大于關(guān)中南部其他熱水點的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臨潼熱水有大量補給。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,臨潼凈熱水的補給來源可能為秦嶺山地降雨和渭北巖溶水的共同補給。研究區(qū)其余各熱水點,如東西湯峪、西安、長安、戶縣等地?zé)崴?不論是太古代變質(zhì)巖類裂隙熱水,還是第三系、第四系松散巖類孔隙熱水,其δ值十分接近(圖3,圖7),顯示其補給來源相似。值得注意的是,這些水點的氫氧同位素組成遠低于當(dāng)?shù)氐叵滤偷乇硭畾溲跬凰刂?也遠低于秦嶺分水嶺大氣降水及地下水氫氧同位素值(見圖3)。這說明其補給源不是當(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,還有補給時間引起的差異,凈熱水的補給時期應(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,凈熱水補給水源的平均氣溫與現(xiàn)代降水平均氣溫相差約16℃。由此推斷凈熱水補給時期的溫度與現(xiàn)代溫度差異較大,凈熱水不是現(xiàn)代大氣降水的補給。根據(jù)14C測年結(jié)果,西安地區(qū)地下熱水形成的年齡為13.3～28.2ka(表1),此時正值中國北方第四紀末次冰期鼎盛時期,當(dāng)時的氣溫比現(xiàn)今低13℃～15℃,與本文所計算氣溫相近?，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℃計算,凈熱水補給時平均氣溫約為-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。可見,研究區(qū)地下熱水是在第四紀末次冰期形成的,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熱儲深度的計算當(dāng)熱儲層的水化學(xué)體系處于一定溫度、水-巖相互作用最終達到了基本平衡狀態(tài)時,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,估算其地?zé)崴臒醿囟群蜔醿ι疃取９P者采用SiO2地?zé)釡貥藅SiΟ2=1309/(5.19-lgSiΟ2)-273.15(3)熱儲深度的公式為h=(t1-t0)Δt(4)式中:h為熱儲深度;t1為用地?zé)釡貥擞嬎愕臒醿囟?t0為補給來源