地質(zhì)背景條件下的溫泉水文地球化學(xué)特征對(duì)比研究

地質(zhì)背景條件下的溫泉水文地球化學(xué)特征對(duì)比研究

作為一種特殊的自然資源，熱熱資源的價(jià)值、恢復(fù)價(jià)值和休閑娛樂在以來(lái)一直受到人們的廣泛關(guān)注。此外，這是地質(zhì)條件的產(chǎn)物。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)溫泉的成因、形成機(jī)制、補(bǔ)充來(lái)源、路徑和熱資源的利用進(jìn)行了大量研究。1977年,Ellis等在《地?zé)嵯到y(tǒng)化學(xué)》一書中就熱水的起源、熱水的物理化學(xué)同位素特征、熱水蝕變、熱水中礦物沉淀等做了詳細(xì)闡述。Giggnebach1988-1992年間創(chuàng)建了一系列三角圖來(lái)研究地?zé)崃黧w起源和形成機(jī)制。1998年劉文輝等研究了咸陽(yáng)市區(qū)地下熱水水化學(xué)特征認(rèn)為咸陽(yáng)市區(qū)地下熱水化學(xué)特征的空間分布與渭河北岸斷裂有著密切聯(lián)系,并依據(jù)地下熱水用途對(duì)熱水進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。2000年劉再華等研究表明地?zé)嵯到y(tǒng)CO2-水-碳酸鹽巖系統(tǒng)與出露在火成巖地層中的地?zé)嵯到y(tǒng)有不同的水文地球化學(xué)特征。2002年劉久榮等通過(guò)對(duì)北京某地?zé)崽?984-2001年間的地?zé)崴瘜W(xué)成分、地?zé)釡貥?biāo)、地?zé)峄顒?dòng)總體強(qiáng)度和示溫礦物的研究,得出開采引起了熱儲(chǔ)壓力的降低,從而導(dǎo)致熱儲(chǔ)水和熱的補(bǔ)給加強(qiáng)的結(jié)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(zhì)背景狀況入手,結(jié)合溫泉水中各種化學(xué)組分和水化學(xué)指標(biāo)的分析,探討各溫泉水文地球化學(xué)特征之間的差異,揭示不同地質(zhì)背景下地?zé)嵯到y(tǒng)的水-巖作用過(guò)程,為地?zé)豳Y源合理的開發(fā)利用提供必要的基礎(chǔ)依據(jù)。1南大別南大地利土水文站南u3000結(jié)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(zhǎng)期活動(dòng)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(duì)中國(guó)大陸的夾持,構(gòu)成了云南境內(nèi)特有的構(gòu)造格局和復(fù)雜的應(yīng)變面貌,形成了眾多的剪切構(gòu)造及其伴生的形態(tài)多樣的走滑盆地群。小江斷裂表現(xiàn)為左行走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì),構(gòu)成川滇菱形斷塊體的東界,自北向南總體形態(tài)由單一結(jié)構(gòu)分支為二,進(jìn)而向南撤開,沿?cái)嗔逊植贾幌盗行律置簲嘞菖璧?溫泉沿?cái)嗔褞С示€狀分布,出露地質(zhì)背景狀況有很大差異,其溫泉熱源主要來(lái)自于地?zé)嵩鰷?補(bǔ)給水源主要來(lái)自于大氣降水,熱儲(chǔ)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(gòu)造的轉(zhuǎn)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(diǎn)東北面出露三疊系深灰色、黃綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖不等厚互夾少量泥灰?guī)r、灰?guī)r和細(xì)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(lǐng)組(D2d)灰?guī)r中,位于小江斷裂南段和建水?dāng)嗔训慕粎R處,東面有第三系泥灰?guī)r出露;元陽(yáng)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(nèi),陽(yáng)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(nèi),陽(yáng)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(zhì)灰?guī)r地層。重慶市溫塘峽背斜屬于二級(jí)大地構(gòu)造單元四川臺(tái)坳的川東平行排列的隔擋式褶皺束中華鎣山構(gòu)造帶向西南的梳狀分支,區(qū)內(nèi)出露地層主要有下三疊統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和石膏互層;中三疊系雷口坡組(T2l)白云質(zhì)灰?guī)r、泥頁(yè)巖;上三疊統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖、碳質(zhì)頁(yè)巖(圖2)。本區(qū)溫泉的儲(chǔ)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(jù)鄰近地區(qū)露頭剖面調(diào)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)灰?guī)r為主,厚度大約500～520m。區(qū)內(nèi)溫泉熱源主要來(lái)自于地?zé)嵩鰷?補(bǔ)給水源主要來(lái)自于大氣降水。北溫泉(CQ1)和水文站(CQ2)兩個(gè)泉點(diǎn)位于嘉陵家右岸深切峽谷內(nèi),出露地層為上三疊統(tǒng)須家河組砂巖;青木關(guān)(CQ3)和騮公橋(CQ4)兩個(gè)泉點(diǎn)位于青木關(guān)鎮(zhèn),出露巖層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r地層,其中CQ4泉點(diǎn)位于青木溪旁一洗衣池邊。2樣品采集與分析2.1水化學(xué)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(gè)溫泉點(diǎn)(其中小江斷裂帶5個(gè),編號(hào)為YN1、YN2、YN3、YN4、YN5;溫塘峽背斜4個(gè),分別標(biāo)記為CQ1、CQ2、CQ3、CQ4)進(jìn)行水化學(xué)分析?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量各泉點(diǎn)水溫(T)、pH、電導(dǎo)率(Ec)、HCO3-和Ca2+。溫度、pH值和電導(dǎo)率用美國(guó)Hach公司便攜式水質(zhì)分析儀測(cè)定,其精度分別為0.1℃、0.01pH和1μs/cm;HCO3-和Ca2+采用德國(guó)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(yáng)離子測(cè)定采樣前,用水樣潤(rùn)洗取樣瓶3～4次,現(xiàn)場(chǎng)用直徑50mm,0.45μm的醋酸纖維脂膜過(guò)濾水樣后,存儲(chǔ)于500mL聚乙烯樣品瓶中,立即放入便攜式冰袋保存,12h內(nèi)運(yùn)至室內(nèi)4℃冷藏,用于水中陰離子檢測(cè);另取過(guò)濾后水樣裝于事先用1∶1的HNO3溶液清洗過(guò)的50mL聚乙烯取樣瓶中,立即加1∶1優(yōu)級(jí)純硝酸溶液5～8滴,調(diào)節(jié)pH值<2,12h內(nèi)運(yùn)至室內(nèi)4℃冷藏,用于水中陽(yáng)離子檢測(cè)。采樣結(jié)束立即返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品測(cè)試。Cl-使用AgNO3滴定法(0.1mg/L),SO42-測(cè)定采用紫外分光光度計(jì)(0.01mg/L);陽(yáng)離子用ICP-OESOptima2100DV測(cè)定(0.001mg/L)。上述實(shí)驗(yàn)均在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院水化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室和同位素實(shí)驗(yàn)室完成。3溫泉水的化學(xué)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(xué)分析結(jié)果如表1所示。由表1可以看出,所有樣點(diǎn)泉水均表現(xiàn)為中性(pH在6.55～7.55之間),電導(dǎo)率也都比較高,除YN2外(585μs/cm),均超過(guò)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?yàn)樾〗瓟嗔褞铣雎稖厝h(huán)深度比較大,而且大地?zé)崃鞅尘爸狄脖戎貞c地區(qū)高。YN2出露點(diǎn)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(qiáng)烈,溶隙、裂隙發(fā)育,熱水在向上運(yùn)移過(guò)程中參入了大量的冷水,導(dǎo)致電導(dǎo)率和水溫均較低。同樣,CQ3、CQ4的水溫也相對(duì)較低,可能也是因?yàn)槠涑雎队诨規(guī)r地層,巖溶管道裂隙發(fā)育,向上運(yùn)移至地表的過(guò)程中與淺層巖溶水混合所致,尤其CQ4泉點(diǎn)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(cè)YN2和溫塘峽背斜溫泉水-巖作用過(guò)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(xiàn)。水化學(xué)類型圖能較好地反映了地下水水化學(xué)屬性。圖3是由表1得到的溫泉水水化學(xué)類型圖。在該水化學(xué)類型圖上,重慶市溫塘峽背斜出露的幾個(gè)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(xué)類型圖上的位置很分散,水化學(xué)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(yùn)移過(guò)程中會(huì)與圍巖發(fā)生水-巖作用,水中高含量的各種離子基本均來(lái)自其對(duì)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(xué)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(xué)性質(zhì)非常相近,水中各種離子含量相差并不大。其中,陽(yáng)離子以Ca2+和Mg2+為主,占陽(yáng)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(tǒng)嘉陵江組(T1j)地層是溫塘峽溫泉的主要儲(chǔ)熱含水層,巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r(含硬石膏層),因此,溫泉中高含量的Ca2+、Mg2+和SO42-、HCO3-無(wú)不與熱水對(duì)圍巖的溶蝕有關(guān)。對(duì)溫塘峽背斜溫泉水中SO42-和Ca2+、Mg2+做相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)它們彼此間存在很高的相關(guān)性(圖4),也說(shuō)明了它們有相同的來(lái)源。然而,在分析HCO3-和Ca2+、Mg2+的相關(guān)性時(shí),卻發(fā)現(xiàn)它們呈很高的反相關(guān)性(圖5),其原因在于和圍巖發(fā)生水-巖作用過(guò)程中,熱水溶解了大量的硬石膏,產(chǎn)生大量的Ca2+、Mg2+,由于同離子效應(yīng)的存在,在一定程度上抑制了CaCO3和MgCO3的溶解所引起。仔細(xì)查看表1中的數(shù)據(jù),還發(fā)現(xiàn)溫塘峽背斜溫泉雖然水化學(xué)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?yàn)?CQ3和CQ4出露于下三疊統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r地層,表層巖溶作用十分強(qiáng)烈,巖溶管道、裂隙發(fā)育,導(dǎo)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(duì)較高,可能與青木關(guān)地區(qū)表層巖溶水中本身HCO3-(>300mg/L)較高有關(guān)。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(gòu)造的轉(zhuǎn)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(zhǎng)石砂巖(Z1c),熱水在沿?cái)嗔蚜严断蛏线\(yùn)移過(guò)程中,溶解了來(lái)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(zhǎng)石,導(dǎo)致水中HCO3-和Na+含量比較高。YN2出露在中泥盆統(tǒng)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?dāng)嗔训慕粎R處,泉口有CO2逸出,熱水在沿?cái)嗔堰\(yùn)移至地表過(guò)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(xué)類型表現(xiàn)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(dǎo)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(zhǎng)角閃巖透輝角閃斜長(zhǎng)變粒巖和下亞組斜長(zhǎng)角閃巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖等混合巖,熱水在地下運(yùn)移過(guò)程中溶解了圍巖中的方解石和鈉長(zhǎng)石,導(dǎo)致了水中HCO3-、Ca2+和Na+含量均較高。YN4出露在上震旦統(tǒng)燈影組(Z3d)白云巖地層中,中間夾雜有硅質(zhì)條紋和條帶,并存在石鹽假晶,HCO3-和Ca2+來(lái)自于白云巖的溶解,而水中較高的Cl-主要來(lái)自于熱水對(duì)石鹽假晶的溶解。該泉水中的Na+除來(lái)自石鹽溶解外,還來(lái)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(jì)地層中,其下覆巖層為下泥盆系和志留系灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r,熱水在運(yùn)移過(guò)程中水-巖作用主要表現(xiàn)為對(duì)灰?guī)r的溶解,導(dǎo)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(duì)其出露點(diǎn)所在區(qū)域地質(zhì)背景考察,發(fā)現(xiàn)有第三系褐煤地層廣泛分布,因此SO42-可能來(lái)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(jì)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(yīng)用于評(píng)價(jià)地下熱水的水-巖平衡狀態(tài)。圖6表明,所有泉點(diǎn)樣品均分布在完全平衡線以下,即所有泉點(diǎn)熱水均未達(dá)到水-巖作用平衡狀態(tài),可能熱水在向上運(yùn)移過(guò)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(jīng)比較接近完全平衡線,表明它比其它幾個(gè)泉點(diǎn)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?jī)?chǔ)水層的熱水特征。圖中YN1所處位置對(duì)應(yīng)的熱儲(chǔ)平衡溫度為100～120℃,此溫度與SiO2溫標(biāo)計(jì)算出來(lái)的熱儲(chǔ)溫度(表2)偏低,但相差不大。其他泉點(diǎn)熱水均遠(yuǎn)離水-巖平衡狀態(tài),屬于未成熟水,可能是因?yàn)檫@些泉點(diǎn)在向上運(yùn)移過(guò)程中,均有流經(jīng)碳酸鹽巖地層,受到淺層冷水混入影響較大。4.2對(duì)溫度和時(shí)間的觀察和討論另一個(gè)基于陽(yáng)離子比率來(lái)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(xué)資料計(jì)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(guān)系。與圖6一樣,圖7同樣顯示沒有一件熱水樣品達(dá)到水-巖作用平衡狀態(tài)。但是仔細(xì)觀察該Na-K-Mg-Ca圖解,可以看到Y(jié)N1非常接近完全平衡線,接近水-巖作用平衡狀態(tài),這點(diǎn)與圖6反映的信息是一致的,且其對(duì)應(yīng)的熱儲(chǔ)平衡溫度為110℃左右,與圖6中顯示的熱儲(chǔ)溫度和SiO2溫標(biāo)計(jì)算的結(jié)果(表2)同樣比較接近。而其它泉點(diǎn)也表現(xiàn)的與圖6中一樣,均遠(yuǎn)離完全平衡線。另外,仔細(xì)觀察圖7,不難發(fā)現(xiàn)所有樣品分布于A、B兩個(gè)區(qū)域,而且分布于A區(qū)域中的4個(gè)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?yàn)闊崴蠯/Na受到系統(tǒng)中溶解、沉積過(guò)程的影響沒有那么強(qiáng)烈。而Mg和Ca的來(lái)源比較廣泛(尤其像碳酸鹽礦物),更容易受到系統(tǒng)中溶解和沉積過(guò)程的影響。B區(qū)域中的5個(gè)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(gè)樣品點(diǎn)熱水儲(chǔ)層均為灰?guī)r地層,尤其是溫塘峽背斜的4個(gè)樣品,地質(zhì)背景條件基本相同,物