水化學特征在永泰地熱資源調(diào)查中的指示意義

陸求裕

(福建省地質調(diào)查研究院，福州，350013)

地下熱水的水化學成分是在漫長的地下徑流過程中逐步形成的。由于其貯存介質、水動力條件及溫度不同，水化學特征具有較大差異。地熱水在徑流過程中與圍巖發(fā)生充分的水巖相互作用，使得地熱水的水化學特征與淺層基巖裂隙水有明顯的不同。杜毓超等[1]對滇西潞西盆地溫泉進行了研究,得出該區(qū)溫泉水化學特征主要與地層巖性、水溫等因素有關,隨著溫度的升高,地下熱水中的Na+、SO24-、SiO2和礦化度也隨之逐漸增加。于彥等[2]利用Q-型聚類統(tǒng)計分析了天津市中低溫地熱水化學特征與地質構造的關系。徐則民等[3]、伍坤宇等[4]系統(tǒng)地研究了西藏朗久地熱田水文地球化學特征和溫泉水化學特征,指出溫泉水的特征介于未成熟水與部分成熟水之間,熱水中高豐度的Li+、As、B+與Cl-濃度有良好的相關性。張曉倫、梁杏等[5]利用PHREEQC軟件模擬了地下冷熱水混合機理，從而為合理開發(fā)利用地下熱水提供了依據(jù)。隨著水化學測試技術不斷提高，微量元素地球化學得到迅速的發(fā)展。微量元素具有普遍性、低濃度性和分布穩(wěn)定性特點，因此在成巖、成礦及地球形成與演化等研究中具有重要作用，也為地下水微量元素水文地球化學及應用研究提供了可靠的技術支撐[6，7]。

福建永泰是中國溫泉之鄉(xiāng)，縣域已有13處溫泉自冒點，筆者擬在論述永泰地區(qū)地下熱水水化學特征的基礎上，進一步探討永泰地區(qū)地下熱水、冷水水化學特征的差異性及其在地下熱水資源調(diào)查中的指示意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

永泰縣位于福州市西南部，縣域面積2 243 km2。地處戴云山脈東北延伸部，區(qū)內(nèi)總體地勢從西部向東部傾斜，南、西、北三面高，中央及東部低，地形標高變化較大,大部分地區(qū)海拔在500～1 000 m，高差一般在300～500 m，個別達千米左右，以中低山地貌為主，嵌有山間小盆地。不同火山巖的巖性抗風化程度的差異使地勢切割強烈，具山陡坡急的特點，僅大樟溪沿岸的侵入巖區(qū)和部分火山巖區(qū)呈低緩丘陵與山間侵蝕盆地展布。

1.2 氣象特征

永泰縣屬亞熱帶氣候區(qū)，受季風影響，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明。據(jù)永泰縣氣象局資料，年平均氣溫19.5℃，極端最高氣溫40.9℃，極端最低氣溫-5.4℃。降雨量一般在1 400～2 000 mm，年際變化大，年內(nèi)分配不均，以3～9月雨量最多，占全年降雨量的84%，近10年來平均降水量1 550.7 mm，平均降雨天數(shù)為160 d。

1.3 區(qū)域地質概況

1.3.1 地層

縣域內(nèi)出露地層較為簡單，主要發(fā)育有早侏羅世—晚白堊世。由老到新依次有震旦紀，三疊紀文賓山組，侏羅紀梨山組、長林組、南園組，白堊紀黃坑組、寨下組、石牛山組，第四紀沖洪積層。其中，南園組、黃坑組、寨下組等呈厚層狀, 在縣域內(nèi)大面積出露, 為地熱田出露的主要地層(圖1)。

圖1 永泰構造綱要圖Fig.1 Construction outline map of Yongtai county1—長樂組沖洪積層；2—晚白堊世侵入巖；3—早白堊世侵入巖；4—晚白堊世潛石英正長巖；5—晚白堊世潛花崗斑巖；6—早白堊世潛花崗斑巖；7—早白堊世潛石英二長斑巖；8—早白堊潛石英正長斑巖；9—晚侏羅世潛花崗斑巖；10—晚侏羅世潛二長花崗斑巖；11—晚侏羅世潛英安玢巖；12—巖脈；13—斷層；14—溫泉

1.3.2 侵入巖

縣域內(nèi)的侵入巖侵入時代多為早白堊世、晚白堊世，巖性主要為花崗巖、鉀長花崗巖、石英二長斑巖、花崗斑巖、石英正長斑巖等, 呈巖株、巖瘤、巖墻狀;其次有輝長巖、石英閃長巖等中-基性巖體, 出露面積不大, 規(guī)模小, 呈巖株、巖瘤狀。脈巖發(fā)育, 主要有輝綠巖脈、閃長玢巖脈、花崗斑巖脈、石英正長斑巖脈、正長斑巖脈等, 一般寬數(shù)十厘米至數(shù)米, 延伸數(shù)米至幾百米。巖脈多呈北北東向展布，根據(jù)此次調(diào)查，地熱區(qū)內(nèi)均有酸-堿性巖體或巖脈出露。

1.3.3 構造

地下熱水與構造的關系十分密切，從某種意義上可以說沒有適宜的地質構造特別是較大較深的斷裂構造就沒有地下熱水及其天然露頭——溫泉的形成。在地質發(fā)展史中永泰境內(nèi)經(jīng)歷了多次構造運動疊加形成以北東向展布的斷裂、褶皺為主的基本構造格局，在后期受北西向構造切割，永泰構造綱要圖可清楚地看出，溫泉的出露與分布明顯受較大構造體系的主要構造帶及其復合部位的控制。溫泉主要出露在北北東向構造與北北西向構造交叉部位。根據(jù)各溫泉實地調(diào)查資料，溫泉的具體出露位置常常是大型構造的旁側或羽狀張裂隙帶或短粗的張性、張扭性斷裂帶以及壓性、壓扭性斷裂與張性、張扭性斷裂的交會處。

2 樣品采集與分析

樣品采集了永泰葛嶺鎮(zhèn)、城峰鎮(zhèn)、清涼鎮(zhèn)、梧桐鎮(zhèn)、富泉鄉(xiāng)、赤錫鄉(xiāng)等地區(qū)熱水樣11個，并采集了葛嶺鎮(zhèn)、梧桐鎮(zhèn)、赤錫鄉(xiāng)等地區(qū)泉水樣(冷泉)3個(表1)。

表1 水樣特征

所取水樣送往福建省地質測試研究中心等離子色譜儀分析室進行分析。此次共分析NO3-、Se等32項指標，綜合永泰地區(qū)冷、熱水水化學特征，擬采用HCO3-、Cl-、SO42-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等主要離子以及偏硅酸、F-、硫化氫、Li、Sr、Ge、偏硼酸等微量元素進一步探討該區(qū)地下冷、熱水水化學特征及其在地下熱水調(diào)查中的指示意義(表2)。

表2 樣品分析

注：元素單位為mg/L，Li-Ba單位為μg/L，pH為無量綱。

3 地下熱水水化學特征

永泰地下熱水水溫多數(shù)在30～72℃，屬于低溫熱水；溶解性總固體一般在134.2～739.7 mg/L，屬于低礦化度水；pH值在7.1～8.3，屬于中性水。總硬度在19.2～95.8 mg/L，平均值35.6 mg/L，屬于軟水-極軟水；根據(jù)舒卡列夫分類，永泰溫泉水化學類型主要包括HCO3+SO4-Na型、HCO3-Na型、SO4-Na型、HCO3-Ca+Na型(圖2)。

圖2 永泰地下熱水Piper三線圖Fig.2 Piper three line map of underground hot water in Yongtai county

地下熱水在徑流過程中與圍巖發(fā)生充分的水巖相互作用，改變熱水組分的濃度，使得地下熱水的水化學特征與基巖裂隙水有明顯不同。永泰地區(qū)地下熱水中的HCO3-、SO42-、Na+含量明顯高于冷水中的(圖3)，其含量平均值分別是冷水的5.02，37.99，11.54倍(表3)。

圖3 永泰地下熱水主要離子相對含量變化趨勢圖Fig.3 Relative content change trendency chart of the main ions of the underground hot water in Yongtai county(mg/L)

表3永泰地下冷、熱水主要離子含量對照(mg/L)

Table3ComparisonofmainioncontentoftheundergroundcoldandhotwaterinYongtaicounty(mg/L)

類別HCO3-Cl-SO42-NaCaMgK熱水149.539.1678.8994.1013.040.753.43冷水29.783.002.088.162.391.273.03熱水/冷水5.023.0637.9911.545.460.591.13

永泰地下熱水Ca、Mg、Cl等離子含量相對較低，而對應的Na、HCO3、SO4等含量相對較高。地下熱水中的Na/Cl比值在4.85～17.18，平均值為11.39，大于1；Mg/Ca比值在0.01～0.22，且Mg值含量在0.1～1.7 mg/L，說明該區(qū)地下熱水曾發(fā)生過強烈的水巖反應，由于熱水強烈的溶濾作用使得長石中的Na、K元素隨熱水大量遷出，易與SiO32-結合形成可溶性巖，而Ca2+和Mg2+含量的相對增加會形成(Ca、Mg) SiO3沉淀。因此，Na+、K+含量較高會促進SiO2的溶解，Ca2+、Mg2+含量的相對增加會加速SiO32-的沉淀，因此永泰地區(qū)地下熱水水巖未達到平衡狀態(tài)。

永泰地下熱水富含偏硅酸、F、H2S、Li、Sr、B、偏硼酸、Ge等微量元素。其中，偏硅酸、F含量均達到命名礦水濃度標準。永泰地區(qū)地下熱水中的偏硅酸、F、Li、Sr、偏硼酸、Ge等含量明顯高于冷水中的(圖4)，其含量平均值分別是冷水中的1.48，80.09，42.20，8.90，10.42，67.18倍(表4)。

圖4 永泰地下冷、熱水微量元素相對含量變化趨勢圖(均值)Fig.4 Comparison of trace elements of the underground cold and hot water in Yongtai county (mean value)

Table4ComparisonoftraceelementsoftheundergroundcoldandhotwaterinYongtaicounty(meanvalue)

類別偏硅酸(mg/L)F(mg/L)硫化氫(mg/L)Li(ug/L)Sr(ug/L)偏硼酸(ug/L)Ge(ug/L)熱水84.2110.410.15136.52288.09166.642.75冷水56.880.130.113.2432.3915.990.04熱水/冷水1.4880.091.3542.208.9010.4267.18

由永泰地下冷、熱水微量元素含量相對變化和主要微量元素的對照分析可知，永泰地區(qū)地下熱水中的F、Li、Ge含量與普通地下水相比，具有顯著的差異(圖5，6，7)。

圖5 永泰地區(qū)地下熱水中水溫與F含量關系圖Fig.5 Relational graph between water temperature and F content in the underground hot water of Yongtai county

圖6 永泰地區(qū)地下熱水中水溫與Li含量關系圖Fig.6 Relational graph between water temperature and Li content in the underground hot water of Yongtai county

圖7 永泰地區(qū)地下熱水中水溫與Ge含量關系圖Fig.7 Relational graph between water temperature and Ge content in the underground hot water of Yongtai county

永泰地區(qū)地下熱水中微量元素是地熱水形成過程時與圍巖接觸發(fā)生水巖相互作用形成的。從熱力學角度看，水溫越高，硅酸鹽、F、Li、Sr、B、偏硼酸、Ge等溶解度越大。但是由于巖石中各微量元素形成的礦物種類不同，不同礦物溶解性也不同，由永泰地區(qū)地下熱水中水溫分別與F、Li、Ge三者含量關系圖中可知，永泰地區(qū)地下熱水水溫與F、Li、Ge的線性相關性較強，R2值分別為0.80，0.98，0.97，永泰地區(qū)地下水中F、Li、Ge含量隨著水溫升高而顯著增長。

4 結論

(1)永泰地下熱水Ca、Mg、K、Cl等離子含量相對較低，而對應的Na、HCO3、SO4等含量相對較高。且熱水中的HCO3-、SO42-、Na+含量明顯高于其冷水中的含量，其含量平均值分別是冷水的5.02，37.99，11.54倍。

(2)永泰地區(qū)地下熱水中的偏硅酸、F、Li、Sr、偏硼酸、Ge等含量明顯高于冷水中的，其含量平均值分別是冷水中的1.48，80.09，42.20，8.90，10.42，67.18倍。且F、Li、Ge含量與水溫呈正相關關系，可作為該區(qū)地下熱水水化學特征的標型主分，對該區(qū)地下熱資源調(diào)查與評價具有指示意義。

1 杜毓超,呂勇,羅貴榮.滇西潞西盆地溫泉水文地球化學特征及其成因.地質通報,2012,31(2-3).

2 于彥,劉杰,康楠,等.地熱流體水化學特征與地質構造關系的Q-型聚類分析.水文地質工程地質,2013,40(3).

3 徐則民,雍自權,孫世雄.西藏朗久地熱田水文地球化學特征.桂林工學院學報,1997,17(1).

4 伍坤宇,沈立成,王香桂.西藏朗久地熱田及其溫泉水化學特征研究.中國巖溶,2011,30(1).

5 張曉倫，梁杏，孫敬.奇村地熱田水化學特征及其混合作用模擬.水文地質工程地質，2007，34(6).

6 戴塔根,劉漢元.微量元素地球化學及其應用.長沙：中南工業(yè)大學出版社，1992.

7 劉英俊，曹勵明，李兆麟，等.元素地球化學.北京：科學出版社，1984.