汝城熱水溫泉水文地球化學(xué)特征研究

沈 川，顏 越

(核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長沙 410007)

0 前 言

汝城熱水溫泉是湖南省水溫最高的熱泉，溫度平均在82℃～90℃之間。位于汝城縣熱水鎮(zhèn)境內(nèi)，距縣城47公里。汝城熱水溫泉旅游開發(fā)及溫泉形成條件等方面前人已進(jìn)行了較為深入的研究，但關(guān)于溫泉的水文地球化學(xué)研究還比較薄弱。因此，研究汝城溫泉的水文地球化學(xué)成分特征類型及成因機(jī)理，計算溫泉補(bǔ)給高程和熱儲溫度，對溫泉今后的繼續(xù)開發(fā)、該區(qū)地?zé)豳Y源的合理開采及遠(yuǎn)景規(guī)劃具有指導(dǎo)意義[1]。

1 自然地理條件

汝城熱水溫泉行政上屬湖南省汝城縣城東熱水鎮(zhèn)管轄，地質(zhì)上處于南嶺山脈中段北側(cè)熱水鎮(zhèn)盆地內(nèi)，熱水河由南向北貫穿盆地，熱水盆地地形平緩，海拔標(biāo)高一般為343～480 m，屬侵蝕堆積的低山丘陵，總體地勢南高北低，盆地中溫泉以泉群形式出露沿區(qū)域上海拔最低的熱水河分布。

2 地質(zhì)背景

熱水鎮(zhèn)位于南嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶與新華夏系第二隆起帶的交匯部位。由于地應(yīng)力的長期作用和應(yīng)力場的多次轉(zhuǎn)變，使區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的構(gòu)造活動的演變過程不但具有長期性、復(fù)雜性，而且有明顯的階段性和繼承性。因此構(gòu)成各種構(gòu)造形式彼此干擾的圖案，構(gòu)造復(fù)合現(xiàn)象較為普遍和復(fù)雜。區(qū)內(nèi)的被新華夏——切割的華夏式斷裂帶，是區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造格架，其中北北東向斷裂是區(qū)內(nèi)與深部熱源密切相關(guān)的主要斷裂[2](圖1)。

1 背斜；2 華夏系壓扭性斷裂；3 新華夏系壓扭性斷裂；4 新華夏系扭性斷裂；5 新華夏系張性斷裂；6 扭性斷裂；7 加里東期構(gòu)造；8 燕山早期花崗巖

圖1區(qū)域構(gòu)造

3 水文地球化學(xué)特征

汝城溫泉pH值為8.5，為偏弱堿性水。溫度為87.5℃，屬于高溫?zé)崴?。礦化度在170 mg/L左右，屬于低礦化度淡水。電導(dǎo)率在343 μs/cm左右，SiO2含量為122 mg/L。溫泉未見沉淀及鈣化，肉眼觀察無膠粒與懸浮物，溫泉水質(zhì)透明清澈，有較淡的臭雞蛋氣味。采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀iCAP7400和離子色譜ICS-110等儀器對溫泉水樣進(jìn)行了水質(zhì)分析檢測，分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 汝城熱水溫泉水質(zhì)全分析結(jié)果 mg/L

根據(jù)表1可知，汝城熱水溫泉微量元素組分含量很少。計算可知，陽離子總毫克當(dāng)量值為3.071 mEq/L。陰離子總毫克當(dāng)量值為3.112 mEq/L。對陰陽離子平衡進(jìn)行檢驗，誤差為0.66%，數(shù)據(jù)可靠有效。

陽離子以Na+為主，毫克當(dāng)量值為2.571 mEq/L，占總陽離子含量83.7%。陰離子以HCO3-、SO42-和F-為主，毫克當(dāng)量值各為1.542 mEq/L，0.779 mEq/L，0.45 mEq/L，分別占總陰離子含量49.6%、25%和14.5%。根據(jù)舒卡列夫分類以及Piper三線圖(圖2)，將水中陰、陽離子含量大于或等于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的離子參與分類命名，按照陽離子在后，陰離子在前，根據(jù)含量大小排序，中間采用短線相連，最終確定汝城熱水溫泉類型為：HCO3-SO4-Na。

圖2 汝城熱水溫泉Piper三線圖

標(biāo)準(zhǔn)海水中γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)平均值為0.85。若地下水成因為含巖鹽地層溶濾，則γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)應(yīng)接近1。根據(jù)分析結(jié)果，汝城熱水溫泉的γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)為15，近乎含巖鹽地下水的15倍，表明溫泉水與圍巖的水巖相互作用非常強(qiáng)烈，該過程中溶濾作用使長石類等礦物發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生大量的Na+[2]。

汝城熱水溫泉中氟含量高達(dá)8.55 mg/L，巖漿巖中黑云母及角閃石等富氟礦物是其主要來源。結(jié)合我國部分地下熱水中氟的分布及特點，在pH呈弱堿性、水化學(xué)類型以HCO3-居多時，均有利于氟的富集[3]。

溫泉水中陽離子以Na+含量最高，Ca2+含量次之。易于被植物吸收的K+和Mg2+含量偏低。陰離子以HCO3-和SO42-為主。值得注意的是，汝城熱水溫泉的SO42-含量高于25%。原因可能為溫泉受熱儲巖層和圍巖中含有硫化物(黃鐵礦)，發(fā)生如下氧化作用，產(chǎn)生了大量的SO42-。

FeS2+3.5O2+H2O=Fe2++2SO42-+2H+

(1)

在變質(zhì)沉積巖中，硫元素可能以硫化物形式呈現(xiàn)，例如硫酸鐵的水解作用如下：

2Fe2(SO4)3+12H2O=4Fe(OH)3+6H2SO4

(2)

上述兩個反應(yīng)將導(dǎo)致溶液pH值下降。但汝城熱水溫泉pH值為8.5，呈弱堿性。這是因為溫泉實際上的pH值取決于溶液中兩個過程，一個是如反應(yīng)(1)、(2)硫化物的氧化反應(yīng)和鐵或者其他金屬的硫酸鹽的水解反應(yīng)。另一個過程是鋁硅酸鹽的水解反應(yīng)。如花崗巖和花崗片麻巖中常見礦物鈉長石的水解作用，通過如下反應(yīng)(3)以及其他化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了大量的氫氧根離子，導(dǎo)致地下熱水的pH值升高。此過程產(chǎn)生的大量氫氧根離子也是造成溫泉水中鐵離子的濃度偏低的主要原因。

2NaAlSi3O8+11H2O=Al2Si2O5(OH)4+2Na++2OH-+4H4SiO4

(3)

4 氫氧同位素特征

為進(jìn)行溫泉地下水的補(bǔ)給徑排條件研究，對在高程341 m處的溫泉水進(jìn)行了同位素取樣測試。樣品分析測試工作由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點實驗室分析，測試方法采用MAT-253測試，標(biāo)準(zhǔn)采用國際標(biāo)準(zhǔn)SMOW標(biāo)準(zhǔn)。測定結(jié)果δD為-59.6‰，δ18O為-6.5‰。

根據(jù)臨近地區(qū)贛南橫逕溫泉的δD和δ18O資料[3]，當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程為δD=7.23δ18O+4.38(r=0.98)。

根據(jù)贛南地區(qū)大氣降水線繪制了δD-δ18O關(guān)系圖(圖3)。圖上汝城熱水溫泉的δD、δ18O數(shù)據(jù)點偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，說明了汝城熱水溫泉補(bǔ)給來源是大氣降水，但是存在氧漂移現(xiàn)象，這是由于溫泉水與硅酸鹽或碳酸鹽圍巖發(fā)生了水巖反應(yīng)，水中氧同位素同巖石中的氧進(jìn)行交換而造成的地?zé)崴懈患?8O，巖石中δ18O貧化。

圖3 汝城熱水溫泉δD-δ18O關(guān)系圖

溫泉補(bǔ)給區(qū)的海拔高程是確定溫泉補(bǔ)給范圍的必要依據(jù)。大氣降水的同位素組成一般具有高程效應(yīng)，大氣降水中氫同位素δD和氧同位素δ18O隨著地面高度的增加而逐漸降低的現(xiàn)象[4-5]。但是由于氧同位素δ18O存在明顯的氧漂移現(xiàn)象，因此選取氫同位素δD進(jìn)行補(bǔ)給高程計算。

根據(jù)高程效應(yīng)補(bǔ)給高程計算公式：

式中，Z為地下熱水的補(bǔ)給高程，m；Z0為參照點地面高程，m；D為地?zé)崴摩腄‰(SMOW)；D0為當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩腄‰(SMOW)；gradD為δD的高程遞減梯度。

中國西南區(qū)域δD的高程遞減梯度值為-2.5‰/100 m，西南地區(qū)地勢較東南地區(qū)高，其δD的高程梯度值應(yīng)偏高，故汝城地區(qū)選擇δD的高程梯度值為-2‰/100 m。

經(jīng)計算，熱水溫泉補(bǔ)給高程約為850 m。但熱水在運移過程中易與淺表地下水混合，致使計算結(jié)果較實際高程偏低，考慮當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)及地質(zhì)條件，認(rèn)為溫泉區(qū)域33 km良洞以南，海拔1 000 m左右的震旦系砂巖、板巖和燕山早期花崗巖區(qū)一帶是熱水溫泉的主要補(bǔ)給區(qū)。分析數(shù)據(jù)顯示溫泉水中硝酸鹽類含量極低，這與淺地表水混入不符，認(rèn)為溫泉水中可能存在較強(qiáng)烈的去硝化作用，需進(jìn)一步研究證實[6]。

5 熱儲溫度估算

常用的地?zé)釡貥?biāo)有SiO2溫標(biāo)、陽離子溫標(biāo)和同位素溫標(biāo)等。目前估算熱儲溫度的最廣泛的方法是地球化學(xué)溫標(biāo)法。Giggenbach1988年首次通過Na-K-Mg三角圖法計算地?zé)釡貥?biāo)，并利用該圖(圖4)判斷熱水是否適合Na-K-Mg離子溫標(biāo)。

圖4 汝城熱水溫泉Na-K-Mg三角圖

圖4表明，汝城熱水溫泉處于完全平衡線下的未成熟區(qū)，所以不能用陽離子估算熱儲溫度，故根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘察規(guī)范(GB11615-2010)》采用無蒸汽損失SiO2溫標(biāo)估算溫泉熱儲溫度。計算公式如下：

SiO2地?zé)釡貥?biāo)，T∈(0，250℃)，

根據(jù)Fournier的研究，玉髓溫標(biāo)亦適合，計算公式如下：

玉髓地?zé)釡貥?biāo)，T∈(0，250℃)

汝城熱水溫泉采用SiO2溫標(biāo)法計算得出熱儲溫度為148℃，采用玉髓溫標(biāo)法計算得出的熱儲溫度為123℃。同時，采用水文地球化學(xué)模擬軟件Phreeq2.15和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫wateq4f.dat對不同溫度下汝城熱水溫泉礦物飽和指數(shù)進(jìn)行模擬，選取其中接近飽和狀態(tài)的4種礦物，得到如圖5所示的log(Q/K)-T圖解。由圖可知，20～130℃時方解石和玉髓飽和指數(shù)均接近于飽和，130～140℃之間海泡石礦物近于收斂?？芍?，汝城熱水溫泉熱儲溫度大概在120～150℃之間。

圖5 汝城熱水溫泉 —T圖解

熱水循環(huán)深度計算公式如下:

式中，H為熱儲深度，m；TZ為熱儲溫度；T0為恒溫帶溫度，℃；G為地溫梯度；H0為恒溫帶深度。

TZ熱儲溫度取148℃，根據(jù)胡圣標(biāo)等[7]人的研究，地溫梯度G選取平均地?zé)嵩鰷芈嗜?℃/100 m，T0選取補(bǔ)給區(qū)年平均地溫22℃，H0常溫帶深度取20 m，推算得出溫泉的熱儲深度為3 170 m左右。

6 結(jié) 論

1)汝城熱水溫泉由大氣降水補(bǔ)給，地下水流經(jīng)的巖性部分是碳酸鹽巖層，流經(jīng)過程中和圍巖發(fā)生了強(qiáng)烈的水巖相互作用。

2)水化學(xué)類型為HCO3-SO4-Na，溫泉的pH值受到硫化物的氧化反應(yīng)和鋁硅酸鹽的水解反應(yīng)共同影響，例如長石類礦物發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生大量的Na+，而硫鐵礦的氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的SO42-。

3)根據(jù)δD-δ18O同位素、地球化學(xué)溫標(biāo)法以及Phreeqc軟件模擬不同溫度下礦物飽和指數(shù)等計算得知，汝城熱水溫泉主要接受南部海拔1 000 m左右的高山區(qū)域大氣降水補(bǔ)給，熱儲溫度范圍為123～148℃，熱儲深度約為3 170 m。汝城熱水溫泉的低礦化度情況，深部循環(huán)和徑流過程中與圍巖礦物發(fā)生的強(qiáng)烈水巖相互作用，以及礦物溶解動態(tài)平衡等問題有待進(jìn)一步研究。