關(guān)中盆地深部地下熱水殘存沉積水的同位素證據(jù)

何丹+馬致遠(yuǎn)+王疆霞+鄭磊

摘要：應(yīng)用環(huán)境同位素水文地球化學(xué)方法，結(jié)合區(qū)域沉積演化史，對(duì)關(guān)中盆地固市凹陷、咸陽-禮泉斷階和西安凹陷深部地下熱水成因類型進(jìn)行了探討，并就殘存沉積水存在的可能性，尋找氫氧同位素關(guān)系、硫氧同位素關(guān)系、碳氧同位素關(guān)系、N（87Sr）/N（86Sr）與古鹽度的關(guān)系等環(huán)境同位素證據(jù)，rNa/rCl值、ρ（Cl-）/ρ（Br-）、rBr/rI值與ρ（Cl-）的關(guān)系等水文地球化學(xué)證據(jù)以及沉積演化史證據(jù)。結(jié)果表明：固市凹陷華陰地下熱水的同位素、水文地球化學(xué)特征已基本符合沉積水的特征，推測(cè)其為混有古入滲水的殘存沉積水；固市凹陷華陰之外的其他構(gòu)造單元、咸陽—禮泉斷階和西安凹陷地下熱水的同位素和水文地球化學(xué)特征部分接近沉積水的特征，部分介于古入滲水和沉積水之間；咸陽—禮泉斷階東部地下熱水可能為古入滲水或殘存沉積水與后期入滲水的混合；西安凹陷及咸陽—禮泉斷階西部地下熱水屬于現(xiàn)代入滲水與古入滲水的混合水。

關(guān)鍵詞：地下熱水；環(huán)境同位素；沉積水；水文地球化學(xué)；鹽度；沉積演化史；關(guān)中盆地

中圖分類號(hào)：P314.1；P641.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

沉積水是指與沉積物大體同時(shí)生成的、由古地表水演變而成的古地下水[1]，它們被埋藏于比較封閉的含水層中，幾乎不參與現(xiàn)代水循環(huán)，屬不易更新資源，是不能在沒有人工回灌的條件下大量開采的水源。關(guān)中盆地深部地下熱水的成因類型事關(guān)熱水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，一直為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)[27]。

圖1關(guān)中盆地地理位置

Fig.1Location of Guanzhong Basin目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深部地下熱水的成因及來源眾說不一：Grasby等認(rèn)為加拿大及澳大利亞沉積盆地鹵水屬海相沉積水[8]；孫占學(xué)等認(rèn)為江西地下熱水屬大氣降水深循環(huán)補(bǔ)給[9]；譚紅兵推測(cè)柴達(dá)木盆地1 500 m深度流體可能是幔源和殼源的深部循環(huán)混合水[10]；王潤(rùn)三等對(duì)關(guān)中盆地具地壓特征的地下熱水的賦存環(huán)境進(jìn)行了初步論證[11]。柴達(dá)木盆地巴楚隆起熱流體、松遼盆地地下熱水、關(guān)中盆地深部熱流體及加拿大Beaufort Mackenzie盆地地下熱水等大型沉積盆地深部地下熱水同位素研究成果顯示，深部地下熱水存在或混合（或殘留）沉積成因流體有同位素水文地球化學(xué)方面的重要證據(jù)[8，1213]。筆者應(yīng)用同位素水文地球化學(xué)方法，結(jié)合關(guān)中盆地深部熱儲(chǔ)地層構(gòu)造演化史，對(duì)研究區(qū)深部地下熱水的成因類型及關(guān)中盆地賦存沉積水的可能性進(jìn)行了探討。

1研究區(qū)概況

關(guān)中盆地是一個(gè)獨(dú)立的新生代地塹型斷陷盆地，處在中國(guó)重要的大地構(gòu)造分界位置上，北接鄂爾多斯臺(tái)地，南鄰秦嶺褶皺帶，呈多期的隆升和沉降演化過程，與世界著名的地壓型盆地沉積速率相近，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)重要的具有快速沉積特征的沉積盆地。

ⅡⅡ′為剖面位置

關(guān)中盆地屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為550～750 mm。研究區(qū)（圖1）位于關(guān)中盆地腹地深部，主要涉及咸陽—禮泉斷階、西安凹陷、固市凹陷三大斷塊（圖2），斷塊差異性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致不同斷塊具有不同的沉積厚度、地貌類型以及沉積相特征等（圖3）。研究區(qū)主要開采熱儲(chǔ)層為第四系下更新統(tǒng)三門組（Q1s）、新近系上新統(tǒng)張家坡組（N2z）以及新近系上新統(tǒng)藍(lán)田灞河組（N2l+bh）。第四系含水層厚約800 m，主要富水段為砂、礫石孔隙含水層，富水性強(qiáng)；新近系含水層厚數(shù)千米，主要巖性為泥巖及中、細(xì)粒砂巖，砂巖膠結(jié)疏松，孔隙、裂隙發(fā)育，富水性中等。

西安凹陷位于關(guān)中盆地中南部，基底為元古界變質(zhì)巖層，上覆新生界河流相、河湖相碎屑巖層和松散沉積堆積物層。西安凹陷由于其基底地貌的不同和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，被各期斷裂切割成許多次級(jí)斷凸和斷凹。咸陽—禮泉斷階由其北部的乾縣斜坡區(qū)和南部的凸起區(qū)組成，基底為下古生界寒武系、奧陶系碎屑巖層和碳酸鹽巖地層，上覆第三系碎屑巖層和第四系松散堆積沉積物地層。咸陽地?zé)崽锾幱谙剃枴Y泉斷階南側(cè)和渭河南、北兩條斷裂帶之間，地?zé)岬刭|(zhì)條件非常好。固市凹陷位于關(guān)中盆地東部中間地帶，新生代以來處于北翹南俯的掀斜狀態(tài)且新生界厚度較大，為地?zé)豳Y源提供了較好的儲(chǔ)存條件。

2樣品采集與測(cè)試

本次研究共采集同位素樣品45個(gè)，其中西安凹陷有16個(gè)，咸陽—禮泉斷階有19個(gè)，固市凹陷有6個(gè)，秦嶺采樣點(diǎn)有4個(gè)，基本覆蓋了整個(gè)研究區(qū)域。δ（D）與δ（18O）值共25組樣品，δ（34S）值有21組，δ（14C）值有15組，δ（13C）值有16組，δ（87Sr）值有24組；樣品測(cè)試時(shí)間為2008～2010年。以上水樣均由低密度聚乙烯瓶采集保存，除碳同位素樣品外，其他樣品不需經(jīng)過特殊的預(yù)處理。所取氫氧同位素水樣由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所MAT253質(zhì)譜儀測(cè)定；硫酸鹽的δ（34S）值采用燃燒法制樣，由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素室Deltas儀器測(cè)定；碳同位素樣品經(jīng)預(yù)處理后送由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試；鍶樣品送中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所采用熱電離質(zhì)譜儀MAT261測(cè)定；水化學(xué)樣品24組，全部送中南冶金地質(zhì)研究所測(cè)試中心測(cè)試，所用主要儀器為AA100原子吸收儀。其中：δ值表示同位素測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的千分偏差；δ（·）為某元素同位素測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的千分偏差。3環(huán)境同位素證據(jù)

3.1氫氧同位素特征

沉積水的氫氧同位素成分是沿著一條斜率為正，介于大氣降水線與氧漂移線之間的直線分布[1213]，沉積水的δ值富集并出現(xiàn)漂移，比海水的δ值小。圖4是關(guān)中盆地與全球大型沉積盆地、塔里木盆地的氫氧同位素特征趨勢(shì)對(duì)比圖。從圖4可以看出：關(guān)中盆地地下熱水同位素趨勢(shì)斜率與密歇根等盆地型沉積水和塔里木盆地沉積水的斜率極為近似；但研究區(qū)的δ（D）值稍偏小，δ（D）值低且δ（18O）值漂移顯著，表明關(guān)中盆地在接受補(bǔ)給時(shí)溫度較低，貯存環(huán)境較封閉，水巖反應(yīng)強(qiáng)，符合古入滲水或沉積成因的地下熱水特征。因此，推測(cè)關(guān)中盆地有沉積水殘存的可能。δ（D）、δ（18O）值參照維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（VSMOW）；圖件引自文獻(xiàn)[14]和[15]

氘盈余（d）是水巖氧同位素交換程度的總體反映。水巖作用越強(qiáng)烈，氘盈余越?。浑嗫杀碚鳓模?8O）值漂移程度，進(jìn)而表征地下熱水起源的意義。圖5中 A～D分別反映了不同溶濾或混合程度的地下水。A區(qū)（固市凹陷）地下熱水的混合程度相對(duì)最小，沉積水占大多數(shù)，δ（D）值較高，δ（18O）值漂移程度顯著，δ（18O）值的富集主要是由于氧與巖石發(fā)生同位素交換，較高的δ（D）值應(yīng)是地下熱水中大量H2S和CH4氣體與圍巖中的氘進(jìn)行大幅度交換所致，δ（D）、δ（18O）值參照維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（VSMOW）

3.2硫氧同位素特征

地下熱水中的硫酸鹽來源可反演地下熱水的起源。咸陽—禮泉斷階東部、固市凹陷及西安凹陷δ（34S）平均值分別為13.59×10-3、13.84×10-3和11.99×10-3；研究結(jié)果與圖7對(duì)照發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地下熱水中硫酸鹽最可能為海相沉積巖，即泥盆紀(jì)—二疊紀(jì)CaSO4。根據(jù)沉積和構(gòu)造演化史，關(guān)中盆地在地質(zhì)歷史時(shí)期多次被湖水侵沒；隨著湖水消失，在后期沉積作用下，殘存湖水被埋藏于熱儲(chǔ)層中。同時(shí)，研究區(qū)地處西北內(nèi)陸，海水入侵發(fā)生在奧陶紀(jì)，而且渭河斷裂以南絕大部分海侵地層被剝蝕，而二疊紀(jì)地層在西安凹陷、咸陽—禮泉斷階東部、固市凹陷基本無表露。因此，可基本排除海相蒸發(fā)巖成為研究區(qū)地下熱水中SO2-4來源的可能性。

根據(jù)研究區(qū)熱水采樣點(diǎn)的δ值分布范圍，對(duì)比陸地、海水、大氣3種硫酸鹽的δ（34S）值與δ（18O）值的關(guān)系（圖8），可排除海水硫酸鹽及大氣硫酸鹽成為地下熱水中SO2-4主要來源的可能性。西安凹陷及咸陽—禮泉斷階西部大部分采樣點(diǎn)接近陸地蒸發(fā)巖，推測(cè)西安凹陷及咸陽—禮泉斷階西部基底構(gòu)造活動(dòng)頻繁，斷層開啟性良好，深部地下熱水在經(jīng)歷了熱儲(chǔ)封閉環(huán)境下硫酸鹽還原作用后受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，H2S氣體二次氧化形成次生陸地蒸發(fā)巖，即西安凹陷及咸陽—禮泉斷階西部深部地下熱水可能經(jīng)歷了由沉積封閉狀態(tài)向入滲開放狀態(tài)的過渡；咸陽—禮泉斷階東部和固市凹陷熱水硫酸鹽中δ（34S）值及δ（18O）值偏高，且賦存環(huán)境相對(duì)封閉，硫酸鹽還原作用較強(qiáng)，以水巖作用下溶濾作用為主；固市凹陷熱水采樣點(diǎn)具有高δ（18O）值、δ（34S）值，是硫酸鹽還原作用以及硫酸鹽與地下熱水同位素交換作用的結(jié)果，同位素交換作用貢獻(xiàn)較大。結(jié)合水化學(xué)特征推測(cè)固市凹陷可能具有古入滲成因，賦存少量殘存陸相沉積熱水。

3.3碳氧同位素特征

3.3.114C測(cè)年特征

14C測(cè)年可將古地質(zhì)環(huán)境下地下熱水的滯留時(shí)間定量化，為地下熱水的起源成因提供年代證據(jù)。圖9為研究區(qū)14C年齡等值線分布圖。14C測(cè)年結(jié)果表明，關(guān)中盆地地下熱水14C年齡均處在12～32 ka，關(guān)中盆地地下熱水應(yīng)接受了全新世前古降水的補(bǔ)給。固市凹陷地下熱水14C年齡高值為30 ka，咸陽—禮泉斷階則超過20 ka。鑒于14C測(cè)年的局限性，估計(jì)地下熱水實(shí)際年齡更大。

地下熱水無機(jī)碳中的δ（13C）值可指示熱儲(chǔ)系統(tǒng)中古碳酸鹽系統(tǒng)的開放度。圖10對(duì)比了海相和次生大陸碳酸鹽的δ（13C）、δ（18O）值。從圖10可以看出，關(guān)中盆地深部地下熱水的δ（13C）、δ（18O）值與熱液方解石的范圍大致重合，表明研究區(qū)地下熱水無機(jī)碳的主要來源為次生熱液碳酸鹽溶解。這一溶解應(yīng)為地質(zhì)歷史時(shí)期在構(gòu)造因素影響下熱儲(chǔ)減壓脫氣的結(jié)果；溶解過程后于構(gòu)造變動(dòng)時(shí)期，形成時(shí)代與熱液方解石形成的時(shí)代相近，也就是說，水與巖石的關(guān)系為同期形成或稍后形成，指示研究區(qū)地下熱水可能是在地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的。

假設(shè)一海水與陸表水混合的水體，根據(jù)混合原理，水體的N（87Sr）/N（86Sr）值（P）表達(dá)式為P = （PsCsA+PrCrB）/（CsA+CrB）（1）式中：Ps為（古）海水端員的N（87Sr）/N（86Sr）值；Pr為（古）陸表水端員的N（87Sr）/N（86Sr）值；Cs為（古）海水端員的Sr含量；Cr為（古）陸表水端員的Sr含量；A為（古）海水端員占混合水體的比例；B為（古）陸表水端員占混合水體的比例，B=1-A。

假設(shè)海水鹽度為35×10-3，陸表水鹽度為0，則混合水體的Sr含量（C）和鹽度（S）表達(dá)式為C=CsA+CrB（2）

S=35×10-3A（3）聯(lián)合式（1）～（3），可得混合水體的鹽度公式

4水文地球化學(xué)證據(jù)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)沉積水的研究甚少，有限的研究集中于海相沉積水的水文地球化學(xué)識(shí)別方法，鮮有陸相沉積水研究的相關(guān)報(bào)道。關(guān)中盆地沉積相組合為河湖相。為探明研究區(qū)深部地下熱水的成因類型以及殘存沉積水的可能性，采用海相沉積水的水文地球化學(xué)特征對(duì)比及海、陸相沉積水對(duì)比的方法對(duì)研究區(qū)陸相沉積水進(jìn)行研究。

沉積水的水文地球化學(xué)性質(zhì)主要包括：Ca2+相對(duì)含量增大，Na+相對(duì)含量減少，rNa/rCl值小于085，ρ（Cl-）/ρ（Br-）≥293，H2S、CH4氣體出現(xiàn)，礦化度高，pH值增高。

4.2ρ（Cl-）/ρ（Br-）、rBr/rI值與ρ（Cl-）的關(guān)系

ρ（Cl-）/ρ（Br-）值和rBr/rI值是判別沉積成因地下水的參數(shù)。海水的ρ（Cl-）/ρ（Br-）值為293，ρ（Cl-）/ρ（Br-）值大于293的為陸相沉積水[17]。沉積水在沉積過程中存在富含溴和碘的生物遺骸，且在封閉的環(huán)境下地下熱水中碘的富集速率大于溴[13]，因此，大量溴和碘富集使ρ（Cl-）/ρ（Br-）、rBr/rI值降低。

ρ（Cl-）值與ρ（Cl-）/ρ（Br-）值的關(guān)系（圖13）顯示，固市凹陷華陰地下熱水ρ（Cl-）/ρ（Br-）值明顯高于海水（293），且ρ（Cl-）值最高，可能是熱儲(chǔ)中鹽巖的大量溶解使Cl-的富集速率大于Br-，這與陸相沉積水的ρ（Cl-）/ρ（Br-）值大于293[17]的特征相吻合，說明華陰地下熱水為沉積成因的陸相沉積水。而咸陽—禮泉斷階地下熱水ρ（Cl-）/ρ（Br-）值低于但接近海水（293），可能是由于咸陽—禮泉斷階地下熱水的補(bǔ)給來源為北部奧陶系灰?guī)r水。西安凹陷由于與咸陽—禮泉斷階地質(zhì)構(gòu)造差異大，且ρ（Cl-）值較低，ρ（Cl-）/ρ（Br-）值相對(duì)較低，因此，推測(cè)其地下熱水可能存在經(jīng)后期淋濾的殘存沉積水。

關(guān)中盆地內(nèi)所有采樣點(diǎn)的rBr/rI值（0.19～59）都遠(yuǎn)小于海水的rBr/rI值，甚至低于四川威遠(yuǎn)氣田沉積水的rBr/rI值（18～44）[21]，其中固市凹陷華陰地下熱水變質(zhì)程度較高，其余地質(zhì)單元地下熱水亦存在一定程度的變質(zhì)。

4.3鈣鎂系數(shù)

深部地下熱水封存愈久，鈣鎂系數(shù)愈高，且一般圖13地下熱水ρ（Cl-）與ρ（Cl-）/ρ（Br-）的關(guān)系

4.4溶解性總固體

海陸相體系的沉積物具有不同的原始化學(xué)成分，但普遍認(rèn)為陸相沉積水的溶解性總固體（TDS）低于海相沉積水。固市凹陷地下熱水的溶解性總固體介于4.4～33.54 g·L-1，咸陽—禮泉斷階東部地下熱水溶解性總固體介于1.3～8.27 g·L-1，部分正好處于陸相沉積水的范圍內(nèi)（3～14 g·L-1）[22]。固市凹陷華陰地下熱水長(zhǎng)期的水巖反應(yīng)致使其溶解性總固體高達(dá)33.54 g·L-1，δ（18O）值漂移程度遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)除四川盆地鹵水外的所有流體，接近海水的溶解性總固體（35 g·L-1），表明華陰地下熱水封存條件更佳，可能殘存沉積水（表1）。

5沉積演化史證據(jù)

關(guān)中盆地是奠基在不同構(gòu)造基底之上的疊合式、大陸裂谷型沉積盆地，亦為第三系快速沉積盆地。在晚白堊世—古新世，關(guān)中盆地長(zhǎng)期處于隆起和剝蝕狀態(tài)；自始新世，盆地沉陷并積水成湖；上新世時(shí)期，渭河斷裂帶的裂陷作用加??；至第四系時(shí)期，渭河斷陷帶下陷速度超過了沉積速度，形成了廣闊的“三門湖”；晚更新世，渭河斷陷帶仍繼續(xù)沉降，以廣泛發(fā)育的河流相為特征。自中更新世以來，由于斷陷帶經(jīng)歷了多次沉降與堆積的輪回，形成了多級(jí)河流沖積階地。從古近紀(jì)始新世至第四紀(jì)全新世，渭河斷陷帶的演化過程具有斷陷及充填同時(shí)進(jìn)行的演化特征。

關(guān)中盆地古沉積環(huán)境為內(nèi)陸河湖相沉積相，盆地的快速沉降堆積可以將早期存在于地層中的地下水封存在疏松地層孔隙中，并將深部孔隙介質(zhì)中賦存的地下熱水?dāng)D壓到含水層中，呈滯留狀態(tài)，直到渭河形成才使淺部流體得以排泄，而1 500 m以下地下熱水則因很難參與水循環(huán)而滯留原地。由于不斷與周圍巖石發(fā)生水巖交換及蒸發(fā)濃縮，地下水發(fā)生δ（18O）值漂移并形成較高礦化度的水。深大斷裂或其他開啟性構(gòu)造的形成使附近流體有更多機(jī)會(huì)接受入滲水及地表水的混合作用，使原本咸化的流體逐漸淡化，或轉(zhuǎn)化為（古）入滲水，但部分仍保留原始沉積水的特征，即殘存沉積水。

6結(jié)語

（1）固市凹陷華陰051采樣點(diǎn)地下熱水的δ（D）、δ（18O）值均落在沉積水的δ值范圍內(nèi)，其氫氧同位素趨勢(shì)與國(guó)內(nèi)外典型沉積盆地沉積水的趨勢(shì)相近，且溶解性總固體已接近海水，屬高礦化度鹽水，rNa/rCl值小于0.85，ρ（Cl-）/ρ（Br-）值大于海水（293），鈣鎂系數(shù)高達(dá)12.26，呈現(xiàn)滯留型水動(dòng)力條件，符合沉積水的水化學(xué)特征。

（2）固市凹陷華陰之外的其他構(gòu)造單元、咸陽—禮泉斷階東部的地下熱水推測(cè)為古入滲水或殘存沉積水與后期入滲水的混合；西安凹陷及咸陽—禮泉斷階西部的地下熱水屬于現(xiàn)代入滲水與古入滲水的混合水。

（3）多種環(huán)境同位素及水化學(xué)研究結(jié)果證實(shí)，關(guān)中盆地深部地下熱水可能是地質(zhì)歷史時(shí)期的古入滲水或部分經(jīng)后期古入滲水改造的殘存陸相沉積水。

（4）未來有必要開展36Cl及N（4He）/N（3He）等同位素研究來進(jìn)一步證實(shí)本文的研究結(jié)果。

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