古氣候變化與地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位的關(guān)系

李 婷,胡偉偉,馬致遠,豆惠萍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院,陜西西安 710054)

古氣候變化與地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位的關(guān)系

李 婷,胡偉偉,馬致遠,豆惠萍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院,陜西西安 710054)

關(guān)中盆地地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位素的研究表明:研究區(qū)地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位素組成變化與當?shù)毓艢夂蜃兓哂辛己玫膶?yīng)關(guān)系,古氣候變化直接影響了地下熱水接受補給時的氫氧穩(wěn)定同位素組成。研究區(qū)地下熱水的補給為更新世前古代大氣降水。大約在 8.2～10.2 kaB.P.和 18.1～19.2 kaB.P.這兩個時間段,可能是由于當時溫度較低導(dǎo)致關(guān)中盆地地下熱水補給偏少;關(guān)中盆地地下熱水的補給過程受古氣候的變化影響呈現(xiàn)非等速補給特征,可能存在一定的古地下水形成期。

關(guān)中盆地;地下熱水;氫氧穩(wěn)定同位素;古氣候變化

0 引言

用同位素的組成變化來研究地下水的補、徑、排的方法在國內(nèi)外經(jīng)?？吹?這種方法具有其他同類方法無可比擬的優(yōu)越性。國外通常研究同位素的高程效應(yīng)[1～2]。而在國內(nèi)通常作法是研究地下水中氫氧同位素的組成變化與當?shù)毓艢夂蜃兓穆?lián)系[3],而地下熱水中氫氧同位素與古氣候的對應(yīng)關(guān)系方法尚不多見。本文以關(guān)中盆地地下熱水為研究對象,研究關(guān)中盆地地下熱水補給時的溫度及氣候變化情況,對認識關(guān)中盆地水文循環(huán)及氣候變化具有重要的參考意義。在關(guān)中盆地地下熱水中,水的溫度大大高于大氣溫度而氫氧同位素值卻又低于大氣降水。那這是怎樣產(chǎn)生的?是否由于補給時期溫度與現(xiàn)代大氣降水有差異?如果是古溫度的影響,那么補給時的古溫度與現(xiàn)代溫度有多大的差距?

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)及地熱地質(zhì)

關(guān)中盆地位于陜西省中部,西起寶雞,東至潼關(guān),南依秦嶺,北抵北山,位于東經(jīng) 107°30′～ 35°50′,北緯 33°39′～ 35°50′之間,總體似半個彎月橫亙于陜西省中部,是陜西省政治、經(jīng)濟、文化中心。

關(guān)中盆地的含水層可分為兩大類:第四系和第三系含水層。第四系含水層厚約 800 m,包括多孔的,風積的,沖積的和洪積的第四紀沉積物,上面覆蓋有弱透水層的沙質(zhì)和粉質(zhì)粘土,主要巖性為淡灰黃色黃土及砂、礫石層,其主要富水段為砂、礫石孔隙含水層,富水性強。第三系含水層由棕紅色泥巖夾雜粉砂質(zhì)泥巖的中粒長石砂巖組成,厚度從幾十米到幾百米不等,砂巖膠結(jié)疏松,孔隙、裂隙發(fā)育,富水性中等。

關(guān)中盆地地處不同構(gòu)造單元的交接過渡部位,構(gòu)造格局十分復(fù)雜[4]。盆地南北邊緣以發(fā)育強烈的擠壓構(gòu)造為顯著特征。受熱源和構(gòu)造影響,盆地溫泉和地溫異常分為三個帶:盆地北部邊緣斷裂地熱帶;盆地南部邊緣斷裂地熱帶 ;咸陽 -西安地熱帶。作為主斷層的盆地南北緣斷裂帶,控制著盆地現(xiàn)今的伸展擴展,活動性更強一些,但是由于熱水循環(huán)過程中混入大量冷水,大大降低了熱水溫度。盆地中部渭河斷裂帶由巨厚的新生界沉積物覆蓋,因為蓋層巨厚,所以咸陽-西安地熱帶的熱水溫度目前最高。但是深大斷裂附近熱水的地溫梯度較其它地方高,是地下熱水開采的最佳部位。

1.2 古氣候背景

據(jù)相關(guān)資料[5],研究區(qū)末次冰期始于 75 kaB.P.,終止于11 kaB.P.,一般劃分為兩寒夾一暖 3個階段。早冰階氣候寒冷但非最嚴寒階段,年均溫比現(xiàn)代低 5℃～6℃。中期是相對溫暖的寒冷氣候階段。晚期(尤其是 18 kaB.P.)是末次冰期氣候嚴寒干冷的盛冰期,年均溫比現(xiàn)代均溫低 8℃～9℃左右,也是 130 kaB.P.來海平面下降幅度最大和沙漠顯著發(fā)展的干旱期。由于氣候干冷,故末次冰期冰川規(guī)模不大。

研究區(qū)全新世以來氣候的變遷與全球氣候變化的總規(guī)律是一致的。全新世早期,因剛脫離開大理冰期而跨入冰后期,所以氣候比較寒冷,10 000～8 000a B.P.的全新世早期年平均溫度較今低 5℃～6℃。全新世中期,全球氣候進一步回暖,被稱為“氣候適宜期”,說明當時氣候較今溫暖濕潤,應(yīng)為亞熱帶氣候。全新世晚期,氣候向溫涼干旱方向發(fā)展。

2 氫氧穩(wěn)定同位素組成特征

關(guān)中盆地的大氣降水和地熱水的同位素組成見圖 1。關(guān)中盆地中部的西安、咸陽地下熱水中的 δ180發(fā)生了明顯的漂移,西安及咸陽 δ180漂移端元水樣還發(fā)生了 δD的漂移,這在中低溫地熱田較為少見,在我國盆地型地下熱水中也不多見,可能存在滯留型、非現(xiàn)代循環(huán)降水形成的地下熱水。關(guān)中地區(qū)的 δD-δ180在地下熱水中的含量明顯比現(xiàn)代大氣降水中 δ值低;然而氫氧同位素在水中的含量是與溫度正相關(guān)的,即當溫度降低時水中的 δD和δ180值亦隨之降低。

關(guān)中盆地氫氧同位素組成變化較大,根據(jù)其特征可分為西安、咸陽、山前、渭北四類,西安凹陷淺部熱水點及沿山前主控斷裂參與現(xiàn)代水循環(huán)的井泉多分布于大氣降水線上,凹陷深部參與深層徑流的熱水多發(fā)生 δ180漂移;而西安凹陷外部如寶雞、渭南、華陰則與西安凹陷內(nèi)的熱水 值有較大的差異,咸陽的熱水除發(fā)生 δ180漂移外,還發(fā)生了 δD的漂移。關(guān)中盆地地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位素以圖 1表示。

圖1 研究區(qū)大氣降水,地表水及地下熱水中的同位素組成

圖1表明,關(guān)中盆地的大氣降水線為:δD=7.49δ180+6.12。結(jié)果表明所有的熱水來源于大氣降水,受蒸發(fā)影響較小。西安熱水中的 δ180因水巖反應(yīng)偏離大氣降水線,其漂移線與大氣降水線交于 A點,其 δ值分別為(-83.23‰,-11.70‰),與山前地下熱水平均值一致,A點即為關(guān)中盆地山前及西安地下熱水接受補給時的 δ值,該值與現(xiàn)代降水平均值(-45.02‰,-7.37‰)及山前現(xiàn)代常溫水平均值(-68‰,-10‰)相差較大,故可推斷其補給源非現(xiàn)代大氣降水。

3 地下熱水接受補給時氣溫條件

3.1 地下熱水的補給年代與古氣候特征

氘剩余等值線圖,圖 2能清楚的判斷出地下熱水的補給區(qū) -徑流區(qū)。在同一含水層中,由于制約地下水 δ值變化的主要因素大致相同,在含水層的不同部位,地下熱水 δ值的相對變化僅與滯留時間的長短有關(guān)。假定地下熱水的徑流方式為活塞流模型,從寶雞和秦嶺山前及蒲城到咸陽和西安及渭南地區(qū)地下熱水 δ值的變化是從接近大氣降水線到遠離大氣降水線的過程,這也就是關(guān)中地區(qū)地下熱水的徑流方向。其中秦嶺為西安地區(qū)地下熱水的主要補給源。

圖3關(guān)中盆地地下熱水14C年齡分布的總體特征是:在盆地周邊出現(xiàn)最小值,并向盆地中部地熱水分布區(qū)域逐漸增大,在咸陽、渭南形成兩處圈閉,圈閉中心分別達到14C年齡的最大值。由圖 4地熱水的14C年齡與埋深成正比,14C年齡在西安、咸陽一帶偏大,推測此區(qū)域地下熱水進行了深部循環(huán),地下熱水滯留時間較長,所處的地質(zhì)環(huán)境相對封閉,水巖反應(yīng)強烈,從而改變了熱水的同位素組成。

圖2 關(guān)中盆地地下熱水 δD剩余等值線圖

圖3 關(guān)中盆地地下熱水14 C年等值線圖

根據(jù)現(xiàn)有同位素資料,關(guān)中地下熱水的補給既有現(xiàn)代大氣降水的補給,又有古代大氣降水的補給。圖 1沿大氣降水線展布、d＜0‰的諸熱水點基本沿橫貫盆地的東西向秦嶺山前斷裂、渭河斷裂及北西西向、北西向、北東向斷裂帶及斷裂交匯部位展布,為現(xiàn)代降水和古代大氣降水的混合補給,而關(guān)中盆地深部如西安、咸陽、渭南、華陰等處熱水井點因水巖同位素交換作用產(chǎn)生180漂移,分別將西安、咸陽兩處氧漂移趨勢線交于大氣降水線,咸陽熱水的 δ180值為 -10.41‰～-9.63‰,根據(jù)前人研究得出[6～12],咸陽熱水補給源來自渭北北山,取渭北大氣降水 δ180平均值為 -7.37‰,這樣,咸陽熱水與當?shù)卮髿饨邓?δ180的差值為 2.26‰ ～3.04‰,根據(jù)關(guān)中盆地溫度效應(yīng),關(guān)中盆地 δ180的溫度梯度為 0.47‰/℃。因此,古代與現(xiàn)代大氣降水的溫度差△T=2.26/0.47～3.04/0.47=4.80℃～6.47℃。同理,得出西安熱水180的漂移趨勢線與大氣降水線交點處的 δ180范圍在 -13.19‰ ～-11.83‰之間,秦嶺大氣降水平均值為 -9.45‰,這樣,古代與現(xiàn)代大氣降水 δ180差值在 2.38‰ ～3.74‰之間,古代與現(xiàn)代大氣降水的溫度差△T=5.06℃～7.96℃,也即關(guān)中盆地古、現(xiàn)代大氣降水溫差為4.80℃～7.96℃,這一溫度差范圍與全球末次冰期與現(xiàn)代地表溫度差 4℃ ～9℃相吻合[14],與中國北方孢粉研究記錄末次冰期至今地表溫度變化為12℃接近[15],說明關(guān)中盆地內(nèi)地下熱水補給時的溫度與現(xiàn)今相差約 5℃～8℃,為距今 10 000～60 000 a的末次冰期降水的補給,14C測試證實,咸陽深部(1 500～3 500 m)地下熱水的滯留年齡為 15 492±343～28 139±1 303a。西安深部(1 500～3 500m)地下熱水的滯留時間為 13 323±76～26 868 ±414a。

圖4 關(guān)中盆地地下熱水埋深與14 C年齡關(guān)系圖

表1 秦嶺山前δD-18C對比表

3.2 δD組成與古氣候變化

研究區(qū)古氣候變化主要表現(xiàn)為古降水中溫度的變化,這種氣候的變化由降水中穩(wěn)定同位素含量改變尤其是氘含量所證實。由于關(guān)中盆地地下熱水中 δ180發(fā)生了漂移,下面我們用 δD值來研究關(guān)中盆地的氣候變化情況。

由于其它地區(qū)地下熱水中的 δD也有不同程度漂移,所以選用接受秦嶺北麓補給的地下熱水中的δD對該地區(qū)的古氣候進行研究(圖 5),而在分析關(guān)中地區(qū)地下熱水接受補給的時期時則用關(guān)中盆地所有資料(圖 6),由于圖 6中包括有δD漂移的所有點。

圖5 接受秦嶺北麓補給的地下熱水中δD含量與14C年齡的關(guān)系圖

表2 關(guān)中盆地δD-14C對比表

26 2004.03.04 澄城寺前西吳坡供水井 -66 13 710 27 2004.03.04 合陽合家莊劉彥村 -67 4 060 28 2004.03.04 合陽合家莊合家莊村 -67 16 700 29 2004.03.05 合陽合家莊賀儉村 -66 14 630 30 2004.03.05 合陽王村井溢村 -67 13 510 31 2004.03.05 合陽馬家莊富禮坊村 -63 14 450 32 2004.03.06 合陽新池西王莊 -65 17 715 33 2004.03.07 合陽恰川漁業(yè)指揮部 -68 18 080 34 2004.03.08 澄城城郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)基村 -64 17 100 35 2004.03.09 浦城縣永豐鎮(zhèn)東堡村 -66 16 880 36 2005.11.29城建集團公司地熱井(秦都 3#)-71.607 20 219 37 2005.11.29 185煤田地質(zhì)隊地熱井 -69.299 20 251 38 2005.11.30 綠浪有限公司地熱井 -68.38 28 512 39 2005.11.30 咸陽世紀大道旁帝都花園 -73.487 30 142 40 2005.12.01 505大學地熱井 -67.484 27 015 41 2005.12.01咸陽步長集團國際商貿(mào)學院 -70.966 26 290 42 2005.12.22藍田縣湯峪鎮(zhèn)省第三療養(yǎng)院 -69.102 6 295 43 2005.12.23 臨潼空療院內(nèi)東南 -86.32 26 868 44 2005.12.23臨潼區(qū)縣醫(yī)院西地熱公司 2號井 -86.2 27 966 45 2005.12.24 陜西省寶雞市寶雞飯店 -70.358 1 383 46 2005.12.25寶雞市馬營鎮(zhèn)七十一溫水溝 -69.035 3 824 47 2005.12.27周至縣啞柏鎮(zhèn)西天河溫泉賓館-76.604 17 678 48 2005.12.28藍田縣西關(guān)二組新民路峪后溫泉 -76.169 20 704 49 2005.12.28 202研究所地熱井 -66.297 23 652 50 2005.12.28咸陽三普大隊 2號(康普集團 2號)-70.644 15788 51 2005.12.28 咸陽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 -66.022 22 263 52 2005.12.29興平市華興公司金浪溫泉公司 -70.78 25 911 53 2006.01.05 戶縣靈感寺靈山溫泉 -88.4 21 363 54 2006.01.20 咸陽周陵 -68.079 22 717

圖6 關(guān)中盆地地下熱水中 δD含量與14C年齡的關(guān)系圖

根據(jù)關(guān)中盆地 δD-14C年齡關(guān)系圖可以看出,大約在8.2-10.2 kaB.P.和 18.1-19.2 kaB.P.這兩個年齡段無樣品,這與盛冰期的降溫期基本相對應(yīng)[5],它們可能表明由于當時氣溫較低導(dǎo)致地下水補給偏少。從接受秦嶺北麓補給的地下熱水中δD-14C年齡關(guān)系圖(圖 5)還可以看出,年齡大于 10 ka的地下熱水的 δD值有變小的趨勢,這與晚更新世以來 10-25 kaB.P.氣候相對變暖有關(guān)這種 δ值與古氣候?qū)?yīng)關(guān)系與圖 7、圖 8中的鄂爾多斯盆地南部地下水中 δ180含量與14C年齡的關(guān)系及加拿大冰核中的 δ180值對應(yīng)關(guān)系一致。其次,根據(jù)圖 5和圖 6散點分布的不均勻性以及不連續(xù)性還可以得到關(guān)中盆地古地下水的補給過程受古氣候的變化影響呈非等速補給特征,可能存在一定的古地下水形成期。以上這些分析結(jié)論表明關(guān)中盆地地下熱水中同位素 δD含量的變化與當?shù)毓艢夂虻淖兓窍鄬?yīng)的。

圖7 鄂爾多斯盆地南部地下水中 δ18 0含量與14C年齡的關(guān)系圖(黃冠星等,2007)

圖8 加拿大冰核中的 δ18 0值(冰核中 δ18 0值來自加拿大東部北極地區(qū)(Agassizle),格陵蘭(Camp Century),南極東部(Vostok)(Koerner1989年修改),冰核中的垂直斷面包括從 12.5萬年到一萬年的晚更新世)[13]

圖9 關(guān)中盆地地下熱水中 δD隨時間變化圖

圖5、圖 6和圖 7可以看出,關(guān)中盆地的地下熱水與鄂爾多斯盆地南部的地下水14C年齡都存在若干無樣品年齡段。說明地下熱水在接受古大氣降水補給時是非等速、非均質(zhì)特征,這是古地下熱水在適宜氣候期集中補給的證據(jù)。從圖 5、圖 7和圖 8可以看出,由于一萬年以前的存在冰期和間冰期,氣候變化比較明顯,δ值波動較大,5～8的氣溫變動只能發(fā)生在歷史時期少有的幾十年中,而全新世 時期的氣候到目前為止都相對穩(wěn)定,波動較小,但從地質(zhì)歷史演化進程推測,不會永遠穩(wěn)定下去。

4 結(jié)論

(1)關(guān)中盆地地下熱水溫度高于大氣溫度,但是氫氧同位素值卻又低于大氣降水。由氫氧同位素與大氣降水線的關(guān)系,可以判斷出地下熱水為大氣降水補給。根據(jù)氫氧同位素與溫度的線性關(guān)系與冰心測年法[14～16]相結(jié)合的方法得出:由于地下熱水接受補給時的古氣侯年均溫度低于現(xiàn)代大氣溫度 5℃～8℃所致。

(2)關(guān)中地區(qū)地下熱水補給時溫度以西安地區(qū)最低為0.5℃,咸陽為 3.5℃、寶雞 5℃,渭南 6.5℃。因此,關(guān)中地區(qū)地下熱水補給時的古年均溫度與現(xiàn)代大氣的溫差的最高值為 11.5℃、最低值為 4℃、平均值為 6.5℃。

(3)關(guān)中盆地地下熱水14C年齡顯示,大約在 8.2～10.2 kaB.P.和 18.1～19.2 kaB.P.這兩個無樣品年齡段與盛冰期的兩個明顯的降溫期相對應(yīng),表明可能是由于當時古氣候溫度較低導(dǎo)致關(guān)中盆地地下熱水補給偏少。

(4)關(guān)中盆地地下熱水中同位素 δD含量的變化表明該地區(qū)古地下熱水的補給過程受古氣候的變化影響是非等速的集中性補給。而全新世時期的氣候到目前為止都相對穩(wěn)定,但從地質(zhì)歷史演化進程推測,不會永遠穩(wěn)定下去。

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Relationship between Ancient Clim ate Change and the Geothermal Water Oxygen and Hydrogen Stable Isotope Com position

LI Ting,HU W ei-wei,MA Zhi-yuan,DOU Hui-ping
(College of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,X i'an 710054,Shaanxi)

The study of the geothermal water oxygen and hydrogen stab le isotope of the Guanzhong Basin we suggest that:The charge ofgeothermal water oxygen and hydrogen stable isotope content and that of the paleoclimate in Guanzhong Basin show obvious corresponding re lationship;the supp ly o f oxygen and hyd rogen stable iaotopes of the geothermal water was directly affec ted by the change of the climate.The geothermalwater of the research area was recharged by the ancient p recipitation before the p leistocene.The two time periods about 8.2-10.2kaB.P.and 18.1-19.2 kaB.P.,may be due toa lower temperature at that time led to the geothermalwater supplied in Guanzhong Basin lower;influenced by the charge of paleoclimate,the supply p rocess of ancient geothermal water was not a uniform motion.There may be some formative period of ancient groundwater.

Guanzhong Basin;Geothermal Water;hyd rogen and oxygen stable isotopes and ancient climate change

P641

A

1004-1184(2011)01-0004-04

2010-09-19

國家地質(zhì)調(diào)查局項目《陜西關(guān)中地下熱水調(diào)查》(1212010535A 98)

李婷 (1987-),女,陜西銅川人,工學碩士,主要從事水文地球化學研究。