同位素方法對西八千地下熱水的成因分析

宋俊德　鄧懷民　朱錦程　王巖　王寧遼寧工程勘察設(shè)計院, 121000

同位素方法對西八千地下熱水的成因分析

宋俊德*鄧懷民朱錦程王巖王寧
遼寧工程勘察設(shè)計院, 121000

提 要 遼寧凌海西八千地?zé)崽镂挥谙逻|河盆地的西部邊緣地帶，屬新生代沉積盆地?zé)醾鲗?dǎo)型地?zé)?。為取得相對高溫地下熱水，確定開采熱儲層為古近系沙河街組三段、四段的砂巖和砂礫巖含水層。采取1組地?zé)崴畼舆M(jìn)行了穩(wěn)定同位素（18O、2H、）和放射性同位素（14C、3H）的檢測。應(yīng)用HO、3H、14C等同位素方法對地下熱水成因進(jìn)行分析，得出其地下熱水是由早期的沉積水和近期大氣降水經(jīng)逕流補(bǔ)給的水混合而成的。

關(guān)鍵詞同位素 西八千 地下熱水 地?zé)豳Y源 成因分析

1 地?zé)崽锘厩闆r

遼寧凌海西八千地?zé)崽镂挥阱\州市東南部、遼河盆地西部，具有良好的地?zé)岢缮鷹l件，地?zé)豳Y源優(yōu)勢明顯，開發(fā)前景廣闊。西八千地?zé)崽镄姓^(qū)劃隸屬于凌海市西八千鄉(xiāng)，面積 38.97km2。凌海西八千地段屬于遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶五點一線之重要一點。其地理位置優(yōu)越，距離錦州、葫蘆島和盤錦等城市不超過百公里。交通十分便利，京哈等多條高速公路、鐵路均從周邊通過，與附近的錦州海港、錦州空港構(gòu)成了陸?？樟Ⅲw交通網(wǎng)絡(luò)。

工作區(qū)地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。四季分明，冬季寒冷少雪，夏季炎熱多雨，春秋兩季干燥多風(fēng)。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫9.5℃，最高氣溫36℃，最低氣溫-25℃。多年平均降水量為600mm，降水多集中在6～9月份，占全年降水量的70%～80%，多年平均蒸發(fā)量為1700mm。

工作區(qū)東部500m遠(yuǎn)有大凌河流過。大凌河發(fā)源于凌源市打鹿溝，流經(jīng)朝陽地區(qū)、錦州義縣、凌海后注入渤海，河流全長397km，總流域面積23 540km2。由于上游修建白石水庫，下游河水逕流量大大減少。

2 地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)條件

西八千地?zé)崽飳俪练e盆地?zé)醾鲗?dǎo)型。是下遼河盆地地?zé)崽锏囊徊糠?，分布在盆地的西部邊緣地帶。該地段的西北部為低山丘陵區(qū)，是地下水補(bǔ)給區(qū)；東部為下遼河盆地大型地?zé)崽锏闹行膮^(qū)。實際上西八千地?zé)崽飳儆谙逻|河盆地大型地?zé)崽锏霓熈鲄^(qū)。

凌海西八千地?zé)崽锼幍孛矄卧獮槠皆?，地形平坦。東北部屬沖洪積平原大小凌河扇地。西南部屬沖海積平原，分布的面積較小。

按照區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件，下遼河盆地中熱儲主要指新近系熱儲層館陶組和古近系熱儲層包括東營組、沙河街組。而西八千地段位于下遼河盆地邊緣，各地層厚度變薄，為取較高溫度的熱水，主要開采古近系沙河街組三段和四段的砂巖和砂礫巖含水層（深度約為1000m以下）。

西八千地?zé)崽飳賹涌責(zé)醿Γ瑹醿ι喜扛鞯貙拥哪鄮r均可視為熱儲的蓋層。根據(jù)已有鉆探資料，熱儲上部分布的地層巖性情況從上至下分述如下。

第四系：直接出露，巖性為粉質(zhì)粘土和砂礫石，呈多旋回沉積出現(xiàn)，總厚度150m。

新近系：分為明化鎮(zhèn)組和館陶組，巖性均為泥巖和砂礫巖互層，層底深545m 厚度395m。

古近系：分為東營組、沙河街組一段和沙河街組二段。東營組巖性為砂巖和泥巖互層，地層埋深545m，層底深672m，厚度127m。沙河街組涉及兩個段，自上而下為沙河街組一段和二段。埋深672m，層底深1130m，厚度458m。

按整體地勢和所處下遼河盆地位置考慮，西八千地?zé)崽锏叵聼崴飨虼篌w自西北向東南方向流動。由于位于下遼河盆地西部邊緣，屬于逕流區(qū)，但地形平緩，地下熱水埋深大，地下水交替作用較緩慢。地下水水質(zhì)較好，根據(jù)《理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，F(xiàn)和I的濃度均大于1 mg/L，達(dá)到醫(yī)療價值濃度。地溫梯度基本處于3.27～3.39℃/100m之間。

3 地下熱水成因分析

西八千地?zé)峋罡叱鏊疁囟冗_(dá)53℃。采取1組西八千地?zé)崴畼舆M(jìn)行了同位素檢測，包括穩(wěn)定同位素（18O、2H、）和放射性同位素（14C、3H）。

3.1 樣品的采取及分析內(nèi)容

3.1.118O、2H樣品 取樣用體積為10L的塑料桶。

用樣品水洗刷三次后，桶內(nèi)注滿水樣，將塑料桶的蓋子蓋好及時送交實驗室。分析內(nèi)容為δ2H和

δ18O。

3.1.214C樣品 用若干體積為20L的帶蓋的塑料桶，用樣品水洗刷三次。桶內(nèi)注水樣后，向桶中加入氫氧化鈉使水樣的pH值調(diào)到8，然后加入50～100g的氯化鍶，將塑料桶的蓋子蓋好后用力搖動水樣，使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，靜置0.5h后碳酸鹽沉淀物將聚積于桶的底部，把上部清液吸出將沉淀物收集在小塑料桶中。重復(fù)采集，直到采集足夠的沉淀物，合純碳(C)約5g。及時送交實驗室。

3.1.33H樣品 盛水容器采用500mL聚乙烯瓶。在裝樣前，用樣品水洗刷樣品瓶三次。水樣盡可能充滿樣品瓶，并用白色膠帶在瓶蓋外纏緊切實封密。將樣品瓶貼上標(biāo)簽、注明采樣時間等內(nèi)容，及時送樣。測定氚含量。

3.2 HO同位素的應(yīng)用

經(jīng)測試，西八千地下熱水中δ2H為-73.8×10-3，δ18O為-13.8×10-3。均在大氣降水的同位素變化范圍內(nèi)（δ2H為-300×10-3～+50×10-3、δ18O為-46×10-3～+16×10-3）；從圖1中，也可以看出西八千地下熱水中δ2H、δ18O的值稍稍偏離了全球大氣降水線，說明地下熱水的主要來源于大氣降水。對于深埋1000多m、上覆泥巖不透水蓋層的地下水，不可能直接接受大氣降水。熱儲中的地下水主要為沉積水和逕流補(bǔ)給水，下面分別解釋該水的測定和分析結(jié)果。沉積水是指隨沉積物一起沉積下來并保存在地下的水，這種水認(rèn)為是早期的大氣降水形成的。對于溫度低于60℃的地下水，水－巖同位素交換反應(yīng)的速度極其緩慢，這種水的同位素成分能夠保持上百萬年而不發(fā)生變化，也就是說巖土的同位素成分對地下水的同位素組成沒有影響。除了沉積水，熱儲層中地下水還來自該地段西北部大氣降水入滲地下逕流補(bǔ)給。通過上述分析，地下熱水主要來源于大氣降水是合理的。

圖1　西八千地下熱水δ2H、δ18O與全球大氣降水線的關(guān)系Fig.1 Relationship betweenδ2H、δ18O and global atmospheric condensation line of eight thousand underground hot water

3.33H的應(yīng)用

由于缺少氚含量的初始值，不能定量地計算地下水的絕對年齡，采用表1“建立在氚含量基礎(chǔ)上的地下水的近似年齡”（據(jù)Clark和Fritz,1997）的定性方法估計地下水的年齡?？辈閰^(qū)位于沿海地區(qū)，3H的測試結(jié)果為0.88TU，介于0.8～2TU之間，地下熱水為亞現(xiàn)代地下水（1952年以前補(bǔ)給的）與近期補(bǔ)給的混合水。

3.414C的應(yīng)用

通過14C測定，地下熱水距今超過48 000a。地下水在流動過程中，通過地球化學(xué)反應(yīng)使14C濃度發(fā)生變化的情況不可避免，最為典型就是溶解方解石和白云石而使測定的結(jié)果偏大。但是根據(jù)地下水的補(bǔ)給區(qū)和逕流區(qū)白云石、方解石不發(fā)育，可以排除14C濃度受溶解古老巖石的影響，可以推斷地下熱水逕流較緩慢。前面通過HO同位素和3H的應(yīng)用分析，地下熱水由早期的沉積水混合了近期補(bǔ)給的水，與14C測定結(jié)果不相矛盾(表2)。

表1　建立在氚含量基礎(chǔ)上的地下水的近似年齡Table 1 Approximative age of underground water established on the basis of tritium content

表2　碳十四實驗室樣品年代測定結(jié)果Table 2 Age determining result of (14)C samples

4 結(jié)論

西八千地?zé)崽飳俪练e盆地?zé)醾鲗?dǎo)型，位于下遼河盆地西部邊緣，屬于整個盆地的逕流區(qū)。由于地形平緩，地下熱水埋深大，地下水交替作用緩慢。該地段的西北部為低山丘陵區(qū)，是地下水主要補(bǔ)給區(qū)。通過應(yīng)用HO、3H、14C等同位素方法分析得到如下結(jié)論：西八千地?zé)崽锏纳畈康叵聼崴怯稍缙诘某练e水和近期大氣降水經(jīng)逕流補(bǔ)給的水混合而成的。

參 考 文 獻(xiàn)

1 宋俊德，朱錦程. 遼寧凌海西八千地段深層地?zé)峥辈閳蟾鎇R]. 2011

2 錢會，馬致遠(yuǎn). 水文地球化學(xué). 2005

ANALYSIS OF THE CAUSE OF THE EIGHT THOUSAND UNDERGROUND HOT WATER BY ISOTOPIC METHOD

Song Junde Deng Huaimin Zhu Jincheng Wang Yan Wang Ning Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau , Jinzhou, Liaoning, 121000, China

Abstract

Liaoning Linghai Xibaqian geothermal field is located in the western edge of the area of Liaohe basin,and it’s belong to the Cenozoic sedimentary basin geothermal field of heat conduction. To achieve a relatively high temperature of underground water,determine the exploitation of geothermal reservoirs are the sandtone and conglomerate aquifer among third and fourth section of Shahejie Formation of bottom Tertiary.Take a group of geothermal water samples were detected for stable isotopes (18O,2H,) and radioisotope (14C,3H). HO,3H,14C isotope method are applied to analyze causes of underground water.Showed that underground water is a mixture of the early sedimentary water and recent atmospheric precipitation runoff water together.

Keywords:isotope, Xibaqian, geothermal water, geothermal resources, cause analysis

技術(shù)·方法

收稿日期：2015-04-20；改回日期：2015-05-21

* 第一作者簡介：宋俊德（1976～），男，水工環(huán),注冊巖土工程師，高級工程師

中圖分類號：P629:P314.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006–5296（2015）02–0111–04