基于水文地球化學(xué)的隱伏型地?zé)岢梢蛱接?/h1>

2015-12-20 05:18:03鄧志德毛緒美

西部探礦工程訂閱 2015年7期 收藏

關(guān)鍵詞：熱泉水化學(xué)東莞市

鄧志德，毛緒美

（1.廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)中心，廣東廣州510425；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074）

基于水文地球化學(xué)的隱伏型地?zé)岢梢蛱接?/p>

鄧志德*1,2，毛緒美2

（1.廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)中心，廣東廣州510425；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074）

以東莞市為例，利用水文地球化學(xué)的方法，對(duì)東莞市隱伏型地?zé)岬某梢蜻M(jìn)行初步探討。其采樣區(qū)為東莞市及周邊地區(qū)，主要為河源深斷裂帶和紫金—博羅大斷裂帶兩側(cè)；通過(guò)采樣區(qū)的地下水化學(xué)特征的分析及比對(duì)，東莞市周邊分布的熱泉具有區(qū)別于境內(nèi)常溫地下水的顯著的水化學(xué)特征；并結(jié)合區(qū)域地?zé)針?gòu)造條件推斷，東莞市發(fā)育中低溫對(duì)流型帶狀隱伏地?zé)釤醿?chǔ)。通過(guò)水文地球化學(xué)方法在隱伏地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用探索，可以為同類勘查工作提供借鑒。

東莞市；隱伏型地?zé)?；水文地球化學(xué)；地?zé)岢梢?/p>

1　概述

隱伏型地?zé)崾侵嘎癫赜诘叵律钐?、一般無(wú)地表熱顯示的地?zé)豳Y源，因其上覆蓋層厚，散熱慢，往往具有更為可觀的能源儲(chǔ)量。加強(qiáng)隱伏型地?zé)岬拈_發(fā)利用研究，不僅可以拓寬區(qū)域地?zé)豳Y源的研究深度和廣度，還可以提高地?zé)豳Y源的利用率，為區(qū)域地?zé)豳Y源的規(guī)劃和管理提供可靠依據(jù)。對(duì)于城市建設(shè)來(lái)說(shuō)，就地開發(fā)利用下伏隱伏地?zé)豳Y源，發(fā)展各具特色的地?zé)岙a(chǎn)業(yè)意義尤為突出。

目前，對(duì)于深部隱伏地?zé)岱植嫉奶讲檠芯?，目前?guó)內(nèi)主要運(yùn)用的是物探手段，物探解譯往往具有多解性，且在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)物探工作難以開展，干擾多，在沒(méi)有深孔資料參考的情況下，其準(zhǔn)確性更是難以保證；采用水文地球化學(xué)探查的手段可以克服以上問(wèn)題，并能更加準(zhǔn)確地反映地球深部地?zé)針?gòu)造體系。首先，地?zé)崃黧w一般具有標(biāo)志性的化學(xué)組分，可依此確定隱伏地?zé)岚袇^(qū)；其次，地?zé)崃黧w中的同位素組成具有示蹤作用，可以很好地追蹤地?zé)針?gòu)造的展布和地?zé)崃黧w的來(lái)源。因此，本文利用水文地球化學(xué)的方法探討東莞市隱伏型地?zé)岬某梢颉?/p>

2　地?zé)崴牡刭|(zhì)概況

東莞市區(qū)域上位于華南準(zhǔn)地臺(tái)湘桂贛粵褶皺系粵中坳褶束的中部[1]。境內(nèi)地層主要見(jiàn)下古生界、泥盆系、石炭系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系。區(qū)域斷裂構(gòu)造主要為北東向河源深斷裂和紫金—博羅大斷裂，次為北西向斷裂及東西向斷裂，由于后期北西向斷裂對(duì)深大斷裂及深斷裂的切割，次級(jí)斷裂極為發(fā)育，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。巖漿活動(dòng)主要受北東向構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)期次以燕山三期、四期為主。東莞盆地位于東莞市西北部，盆地自東而西分別由4個(gè)構(gòu)造單元組成：鐵場(chǎng)凹陷、塘廈凸起、中堂凹陷、觀龍凸起[2]，東莞市境內(nèi)主要包括塘廈凸起及中堂凹陷。

研究區(qū)松散巖類孔隙水含水層主要為第四系中粗砂、粗砂及砂礫石，水量中等—豐富；紅層裂隙水含水巖組為古近系泥質(zhì)砂巖、礫巖，及白堊系凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖等，水量貧乏—中等；層狀巖類裂隙水含水巖組為泥盆系至侏羅系頁(yè)巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，水量貧乏；塊狀巖類裂隙水主要賦存于加里東、印支、和燕山各期的侵入巖和下古生界深變質(zhì)巖裂隙中，一般水量貧乏。

地下水主要補(bǔ)給來(lái)源有降雨滲入補(bǔ)給、河流滲入補(bǔ)給和周邊地下水的側(cè)向補(bǔ)給，局部接受灌溉回歸水的滲入補(bǔ)給?？辈閰^(qū)地下水由丘陵山區(qū)流入平原，其徑流形式由垂直循環(huán)轉(zhuǎn)入水平循環(huán)，水力坡度變緩，緩慢向珠江口匯流，礦化度逐步增大，過(guò)渡為咸水。排泄方式主要為周期性向河水排泄并消耗于蒸發(fā)及植物蒸騰。第四系地下水埋藏較淺，6～9月出現(xiàn)1～2次水位高峰，9月后隨著降雨和灌溉回歸水的減少，水位緩慢下降，常在1月份出現(xiàn)一次水位低谷；下伏基巖裂隙水一般為承壓水，一般水位動(dòng)態(tài)年變幅較小。

參照廣東省地?zé)犸@示及分布規(guī)律，廣東省以低溫地?zé)豳Y源（小于90℃）為主，大多數(shù)溫泉沿北東向斷裂展布，受構(gòu)造及花崗巖體控制，多出露于構(gòu)造復(fù)合部位以及花崗巖體邊緣。東莞市境內(nèi)尚未見(jiàn)溫泉出露。

3　樣品采集與分析

在收集分析東莞市斷裂構(gòu)造、水文地質(zhì)等區(qū)域資料的基礎(chǔ)上，對(duì)東莞市全境、廣州市與東莞市接壤的山區(qū)、惠州市與東莞市接壤的山區(qū)、河源市和惠州市的泉水、井水及北東向河源深斷裂、紫金—博羅大斷裂上分布的典型的高溫?zé)崛M(jìn)行調(diào)查及采樣分析。

使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)試氣溫、水溫、pH、EC及DO，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定堿度；現(xiàn)場(chǎng)添加高純濃硝酸，調(diào)節(jié)樣品的pH值小于2，分別使用ICP-AES、原子熒光分析儀測(cè)定陽(yáng)離子組成，ICP-MS測(cè)定微量元素含量，MAT-261測(cè)定87Sr/86Sr；采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)程序采集地下水14C樣品，使用超低本底液體閃爍能譜儀測(cè)定現(xiàn)代碳含量，確定地下水14C年齡；采取50mL塑料瓶水樣（同時(shí)采集雨水、河水），使用MAT-253質(zhì)譜儀測(cè)定氫氧同位素組成。所有測(cè)試工作在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

4　水化學(xué)特征與分析

地下水化學(xué)特征反映了地下水同圍巖之間的溶解與溶濾作用，同時(shí)體現(xiàn)了巖漿活動(dòng)、大氣降水入滲及含水層之間的補(bǔ)給等因素。

野外共采集水樣23處，以基巖地下水為主，其中泉水11處，井水11處，同時(shí)采取地表河水1份，收集雨水1份；11處泉水中，4處為外圍高溫泉水（編號(hào)DG-13～16）。調(diào)查取樣時(shí)間為夏季，外圍熱泉溫度為56.7℃～78.60℃，區(qū)內(nèi)外一般泉水溫度為22.2℃～28.4℃。

表1　東莞市及周邊水文地球化學(xué)調(diào)查采樣點(diǎn)主要離子及元素含量一覽表

根據(jù)取樣分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，熱泉水與常溫泉水在水化學(xué)性質(zhì)、組分及同位素組成等方面均存在明顯差異；同時(shí)，一些特征組分及同位素組成反映了地下水的補(bǔ)給、水巖作用及過(guò)程和成因。

4.1常規(guī)組分及微量元素

本次調(diào)查及區(qū)域資料顯示，東莞市境內(nèi)常溫地下水化學(xué)特征具有明顯分帶性。西北部東莞盆地一帶基巖地下水以高礦化度的Cl-Na型水為主，礦化度大于1000mg/L，屬微咸—咸水，礦化度自東部向西遞增；盆地以南地區(qū)地下水則以淡水為主，礦化度一般為47.20～983.56mg/L，水化學(xué)類型一般有HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na·Ca和Cl·HCO3-Na·Ca型，陽(yáng)離子以Na+為主，次為Ca2+。地下水pH值總體小于7，呈弱酸性為主。

根據(jù)本次調(diào)查取樣的分析結(jié)果（見(jiàn)表1），熱泉水與常溫地下水常規(guī)組分及微量組分質(zhì)量濃度的區(qū)別如下：

（1）熱泉中Na+質(zhì)量濃度為101.1～129.3mg/L，其余一般小于30mg/L，區(qū)域資料地下水中Na+離子質(zhì)量濃度一般也小于100mg/L；

（2）熱泉中Li、Be、As、Mo、W等元素質(zhì)量濃度一般為常溫地下水的數(shù)倍至數(shù)百倍；

（3）熱泉中SiO2、F-等質(zhì)量濃度一般為常溫地下水的數(shù)倍至數(shù)十倍；

該元素或組分顯著濃度差異，表明熱水在循環(huán)過(guò)程中對(duì)圍巖中的物質(zhì)的溶解能力要比常溫地下水強(qiáng)得多。地下水溶解礦物及濃度的變化，可能是地下水溫度變化的一個(gè)標(biāo)志。本次調(diào)查中的熱泉中Na+濃度高，是由于該熱泉的熱儲(chǔ)為花崗巖，熱水在花崗巖體熱儲(chǔ)中循環(huán)是溶解大量的含鈉礦物。

（4）如水化學(xué)三線圖（圖1）所示，熱泉（DG13～16）的水化學(xué)類型以HCO3-Na型水為主，這與其熱儲(chǔ)巖性—碎裂花崗巖的溶解密切相關(guān)。冷泉水的水化學(xué)類型同井水樣比較復(fù)雜，說(shuō)明地下水含水層的多樣性。

于東莞盆地一帶所取井水樣DG-12（水溫26.8℃）也具有與熱泉極為相似的水化學(xué)性質(zhì)和元素組成，可作為分析區(qū)內(nèi)隱伏地?zé)岢梢虻闹匾罁?jù)。

4.214C年齡

14C定年是判斷地下水來(lái)源的重要標(biāo)志。本次定年結(jié)果（表2），大部分常溫地下水均顯示為現(xiàn)代碳源特征，從而說(shuō)明地下水在含水層中滯留時(shí)間不長(zhǎng)，循環(huán)交替較快。熱泉的地下水年齡在11000～19000年之間，為晚更新世時(shí)期的地下水，反映出其深循環(huán)、滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。地下水年齡越老往往表明該地下水源自地球內(nèi)部成因水。DG-12井水年齡則也達(dá)一萬(wàn)年以上，推測(cè)也屬于長(zhǎng)時(shí)間深循環(huán)的特點(diǎn)。

表2　東莞市及周邊水文地球化學(xué)調(diào)查采樣點(diǎn)14C定年一覽表

4.3H、O同位素

氫氧穩(wěn)定同位素是水分子的直接組成部分，在水循壞的每一階段，受同位素分餾、蒸發(fā)作用以及不同水體的混合作用等影響，水中的氫氧穩(wěn)定同位素具有不同的演化規(guī)律和組成特征。基于同位素在水循環(huán)過(guò)程中的標(biāo)記特點(diǎn)，氫氧穩(wěn)定同位素是了解天然水起源和演化歷史的良好示蹤劑。

本次H、O同位素測(cè)定結(jié)果顯示各泉水的氫氧同位素組成存在異常（圖2）。參照全球雨水線及東莞地區(qū)雨水線，泉水的氫氧同位素組成呈左上方漂移，即δD有所增高，δ18O減少?？辈閰^(qū)屬季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，區(qū)內(nèi)地下水主要來(lái)自大氣降水補(bǔ)給，推測(cè)是因?yàn)橛衼?lái)自深部地?zé)崃黧w的混合，形成了區(qū)內(nèi)地下水氫氧同位素組成異常。可見(jiàn)，區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w具有相同的主要補(bǔ)給來(lái)源——大氣降水。結(jié)合14C定年結(jié)果，可以判斷熱泉應(yīng)為來(lái)自大氣水與地下某處的深層熱水的混合。

圖2　東莞市及周邊水文地球化學(xué)調(diào)查采樣點(diǎn)氫氧同位素組成

4.4Sr同位素

地?zé)岬臒嵩磥?lái)源于地球內(nèi)部，局部的異常則認(rèn)為來(lái)自花崗巖的放射性元素衰變的熱量?；诂F(xiàn)代研究中對(duì)地球Sr同位素的起源與組成顯示，不同的源區(qū)的花崗巖（如地幔與地殼）具有不同的Sr同位素組成的性質(zhì)，Sr同位素組成可作為判斷地?zé)崞鹪匆罁?jù)之一。

本次取樣Sr同位素組成顯示，DG-12井水、DG13～16熱泉的87Sr/86Sr值代表了上地幔花崗巖類源區(qū)的鍶同位素組成（圖3）。據(jù)此推斷，勘查區(qū)周邊熱泉（DG13～16）的熱源很可能來(lái)自較晚期巖漿活動(dòng)形成的花崗巖的放射熱，大氣水沿深大斷裂導(dǎo)水帶下滲進(jìn)入地球深部，經(jīng)該花崗巖加熱后，因阻水構(gòu)造上升而出露成泉?？辈閰^(qū)及周邊發(fā)育北東向河源深斷裂帶、紫金—博羅大斷裂帶等深大斷裂，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)受深大斷裂控制，因此，該同位素組成可驗(yàn)證廣東省溫泉主要沿北東向斷裂帶分布的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)DG-12井抽出水的87Sr/86Sr值與周邊熱泉相似，但水溫僅為26.8℃，推斷其同樣有來(lái)自經(jīng)過(guò)花崗巖的加熱的水源，但含量極少。

圖3　東莞市及周邊水文地球化學(xué)調(diào)查采樣點(diǎn)所有水樣（a）和巖樣（b）中87Sr/86Sr的比值

5　結(jié)論

（1）通過(guò)東莞市及周邊常溫地下水與熱泉的水化學(xué)特征的分析與比對(duì)，可以得出，周邊熱泉具有區(qū)別于區(qū)內(nèi)外一般地下水的顯著的地球化學(xué)特征：①地?zé)崃黧w呈賦存于花崗巖裂隙熱儲(chǔ)中，Na+濃度高，Li、Be、As、Mo、W等微量元素濃度高；②氫氧同位素組成證明區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給主要為大氣降水；③14C定年超過(guò)一萬(wàn)年，推斷其循環(huán)深度大，混合了深部的地?zé)崃黧w；④Sr同位素組成推斷熱源有來(lái)自上地幔花崗巖類的放射熱。

（2）區(qū)內(nèi)DG-12井水具有與周邊熱泉極為相似的地球化學(xué)特征，但抽出水溫僅26.8℃。推斷DG-12井處地下水可能來(lái)自大氣水與深部地?zé)崃黧w的混合，但來(lái)自深部地?zé)崃黧w的組分極少。

（3）廣東省熱泉分布主要受北東向構(gòu)造控制，常常出露于北東向斷裂與北西向斷裂交匯處。東莞市境內(nèi)有北東向河源深斷裂和紫金—博羅大斷裂貫穿全區(qū)，該兩斷裂帶屬區(qū)域控?zé)針?gòu)造，沿?cái)嗔褞蓚?cè)分布有較多的中低溫?zé)崛?；同時(shí)，區(qū)內(nèi)還發(fā)育北西向獅子洋斷裂、黃旗峰斷裂和石碣斷裂。結(jié)合本次地球化學(xué)調(diào)查成果，初步推斷東莞市發(fā)育中低溫水熱型帶狀隱伏型地?zé)釤醿?chǔ)。

綜上所述，認(rèn)為在綜合研究區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，可采用水文地球化學(xué)的手段對(duì)東莞市隱伏型地?zé)岬拈_展進(jìn)一步勘查，通過(guò)取樣分析區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征，選取與周邊熱泉相似的特征作為尋找隱伏熱儲(chǔ)的突破口，并利用同位素示蹤原理來(lái)圈定斷裂交匯位置，以及通過(guò)計(jì)算地?zé)崃黧w的循環(huán)深度來(lái)確定熱儲(chǔ)位置。

[1]廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局.區(qū)域地質(zhì)志[M].地質(zhì)出版社，1988.

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[10]廣東省地質(zhì)局編圖組.廣東省熱礦水分布圖說(shuō)明書1∶300萬(wàn)[E].1976.

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P641.3

A

1004-5716（2015）07-0114-05

2014-12-01

2014-12-08

鄧志德（1981-），男（漢族），廣西岑溪人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)勘查工作。

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