羅溪溫泉水文地球化學(xué)特征及熱水來源

李 鷺，孫占學(xué)，陳功新,張智超

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013；2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

0 引 言

地?zé)崾乔鍧嵞茉?，也是一種良好的旅游資源[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)水溫25 ℃以上的溫泉總數(shù)為2 796處[2]，地?zé)豳Y源較豐富。江西省共96處溫泉[3]，具較大開發(fā)利用潛力。李學(xué)禮等[4-6]、孫占學(xué)等[3,7]、孫文潔[8]運(yùn)用水文地質(zhì)、地球化學(xué)和同位素等方法對(duì)江西省的廬山、馬鞍坪、橫逕等地區(qū)的溫泉進(jìn)行了水化學(xué)、熱水來源、熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)等方向的研究，奠定了該省地?zé)嵫芯抗ぷ鞯幕A(chǔ)。

羅溪溫泉位于江西省武寧縣羅溪鄉(xiāng)斜港村南200 m處，天然出露于花崗巖裂隙中。1964年3月江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì)曾赴當(dāng)?shù)剡M(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查及水化學(xué)分析工作。近年來，因當(dāng)?shù)匕l(fā)展需要開展了地?zé)峥碧焦ぷ?，先后施工?口地?zé)峋咨?60～380 m，旅游公司對(duì)溫泉區(qū)進(jìn)行了初步的開發(fā)。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，我們對(duì)該溫泉進(jìn)行野外調(diào)查及相關(guān)分析測(cè)試工作，系統(tǒng)研究了其水化學(xué)成分、同位素特征，對(duì)其熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，初步探討了熱水來源，這將為該溫泉地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于銅鼓-羅溪大斷裂和靖安-九江大斷裂之間。該區(qū)斷裂發(fā)育，規(guī)模較大。區(qū)內(nèi)東有花崖尖，海拔1 600 m左右；北東有楊峰尖，海拔200 m左右；西有太平腦和盤山，海拔700 m以上。其間為一狹長(zhǎng)的溝谷，巖石為單一的印支期黑云母粗?；◢弾r，礦物主要為斜長(zhǎng)石、石英、黑云母。由于該區(qū)風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化深度2～10 m左右，風(fēng)化后呈黃褐色松散砂石。

本區(qū)基巖裂隙水較發(fā)育，礦泉地附近地表無斷裂，巖體中發(fā)育有3組張開節(jié)理，其中以一組、二組最為發(fā)育，第一組裂隙在溪谷旁造成危縫斗崖，第二組是礦泉出露的裂隙，除裂隙外尚有石英脈穿插，具體見表1。在礦泉NW向山坡上，可見幾條大致平行的石英脈，成NE-SW向延伸，石英脈極度破碎，脈寬約0.5 m。

表1 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistical table of joint and fracture

羅溪溫泉天然出露于花崖尖北坡下，高出坡腳約20 m的基巖裂隙中，微具承壓性質(zhì)，其水清澈見底，并伴有氣泡及蒸汽冒出，在流水流經(jīng)處可見淡黃色沉淀物。

2 采樣與分析方法

羅溪溫泉出露于花崗巖裂隙中，當(dāng)?shù)卮迕裨诔雎兜氖p中取水，用于洗浴等。考慮到天然露頭受人類活動(dòng)影響較大，本次研究于2017年3月于距天然露頭約10 m、深度為380 m的羅溪溫泉鉆孔口取樣。因鉆孔熱水一直為抽出狀態(tài)，遂直接取樣，采集水樣時(shí)盡量裝滿采樣瓶。水樣先經(jīng)微孔濾膜過濾，然后將其裝入預(yù)先用10%優(yōu)級(jí)純硝酸浸泡24 h并用蒸餾水清洗干凈后烘干處理的聚乙烯采樣瓶中。用于測(cè)試陽離子和微量元素的水樣，現(xiàn)場(chǎng)加入優(yōu)級(jí)純硝酸使水樣pH值小于2；用于測(cè)試陰離子的水樣無需酸化。取樣后用3M密封條封口，以防止水樣受到外部污染。用于分析D和18O、87Sr/86Sr、14C及13C的水樣直接裝滿聚乙烯瓶中用密封條密封，無需特殊處理。

采樣現(xiàn)場(chǎng)分別用便攜式溫度計(jì)、溶氧儀、多功能參數(shù)測(cè)試儀、哈希水質(zhì)分析儀測(cè)定溫度、水中溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、氧化還原電位、SiO2含量和堿度等易變的水化學(xué)參數(shù)。陰陽離子、微量元素等穩(wěn)定性水化學(xué)指標(biāo)由東華理工大學(xué)分析測(cè)試研究中心應(yīng)用離子色譜(ICS-1100)、原子吸收光譜儀(iCE3500)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Element 2)等儀器進(jìn)行分析測(cè)試。水樣中的δD和δ18O由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(MAT-253)測(cè)定。87Sr/86Sr由澳實(shí)分析檢測(cè)有限公司應(yīng)用堿熔消解-多接受等離子質(zhì)譜(MC-ICP-MS)測(cè)定。14C、13C的含量由美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用加速器質(zhì)譜(AMS)放射性碳測(cè)年法測(cè)定。

3 溫泉水文地球化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)特征

熱水水化學(xué)特征是水-巖相互作用的結(jié)果，它決定于熱水運(yùn)動(dòng)時(shí)的水文地質(zhì)條件及接觸的圍巖成分等。本次研究于羅溪溫泉鉆孔口取樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫為65.3 ℃，pH值為8.85，Eh為-460 mV，電導(dǎo)率為363 μs/cm左右。溫泉水無顏色，水質(zhì)清澈透明，無懸浮物和膠粒，有濃烈的H2S氣味。如前所述，在流水流經(jīng)處可見淡黃色沉淀物，這應(yīng)是熱水中所含有的H2S與O2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的S沉淀。溫泉的礦化度為222 mg/L，屬于淡水。溫泉水樣由東華理工大學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行全分析檢測(cè)，分析結(jié)果見表2。

表2 羅溪溫泉水質(zhì)分析結(jié)果Table 2 The chemical analysis test results of Luoxi hot spring water

圖1 羅溪溫泉Piper三線圖Fig.1 Piper diagram of Luoxi hot spring

地?zé)崴泻胸S富的具一定的醫(yī)療和保健價(jià)值的微量元素[9]，羅溪溫泉水中含有H2S、F、Si、B等微量組分。依照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范(GBT11615—2010)》，羅溪溫泉的H2S含量為6.3 mg/L，超過命名為H2S水所要求達(dá)到的濃度2 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)；其F含量為14.2 mg/L，超過命名為F水所要求達(dá)到的濃度2 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。因此，羅溪溫泉屬于含F(xiàn)和H2S的醫(yī)療熱礦水。

羅溪溫泉地處農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，利用Aquachem軟件繪制威爾考克斯圖，可快速確定其作為灌溉用水的可行性。如圖2所示，羅溪溫泉位于威爾考克斯圖的C2區(qū)和S2區(qū)，即其用于灌溉具中度鈉(堿)危害、中度鹽危害，該熱水不宜作為灌溉水使用。

3.2 溫泉水化學(xué)成分動(dòng)態(tài)變化

將本次(2016年3月)水質(zhì)分析結(jié)果與1964年3月江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì)所取水樣的水質(zhì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表3。羅溪溫泉主要離子含量變化不大，水溫、pH值和TDS變化幅度都很小，溫泉水質(zhì)較穩(wěn)定。

據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展較緩，無工業(yè)污染，附近居民以留守老人居多，生活污染及農(nóng)業(yè)污染相對(duì)較小，這可能是溫泉水質(zhì)穩(wěn)定的主要原因。

圖2 羅溪溫泉威爾考克斯圖Fig.2 The Wilcox diagram of Luoxi hot spring

表3 羅溪溫泉1964年、2017年水質(zhì)對(duì)比結(jié)果分析Table 3 Analysis of water quality comparison results of Luoxi hot spring in 1964 and 2017

4 熱水來源探討

同位素水文地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容為地下水中的同位素化學(xué)組分及其演化規(guī)律，可利用穩(wěn)定同位素分析地下水的起源以及地球化學(xué)演化、水-巖相互作用等，利用放射性同位素的衰變規(guī)律可用來估算地下熱水的年齡[10-11]。

4.1 補(bǔ)給來源

為了研究羅溪溫泉的補(bǔ)給來源，對(duì)熱水進(jìn)行了氫氧同位素的取樣及分析測(cè)試工作，取樣高程為315 m，測(cè)試采用SMOW國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)定結(jié)果為δD-61.5‰，δ18O-9.1‰。查閱資料得廬山地區(qū)天然水氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)[6]，將其列于表4。

參照全球大氣降水δD=8δ18O+10，廬山地區(qū)大氣降水δD=7.16δ18O+8.88[6]，繪制δD-δ18O關(guān)系圖，據(jù)圖3顯示，羅溪溫泉的補(bǔ)給來源為大氣降水。

表4 廬山地區(qū)天然水D、18O同位素組成Table 4 The hydrogen and oxygen isotopic composition of natural water in Lushan district

圖3 羅溪溫泉δD-δ18O關(guān)系圖Fig.3 The relationship diagram of δD-δ18O of Luoxi hot spring

應(yīng)用Sr同位素及其比值(87Sr/86Sr)可判斷地下熱水來源、水-巖作用強(qiáng)度、計(jì)算混合比例等[12]。應(yīng)用堿熔消解-多接受器等離子質(zhì)譜測(cè)得熱水87Sr/86Sr為0.73211，高于殼源硅鋁質(zhì)巖Sr同位素平均值0.72000，遠(yuǎn)高于幔源Sr同位素平均值0.70350[13]，說明熱水幔源物質(zhì)少，地?zé)崃黧w系大氣降水深循環(huán)過程中與地殼含Sr巖石相互作用形成。

4.2 補(bǔ)給高程

羅溪溫泉補(bǔ)給來源為大氣降水，可利用δD和δ18O的高程效應(yīng)確定補(bǔ)給區(qū)的高度。δD、δ18O含量與當(dāng)?shù)睾０胃叨汝P(guān)系的高程計(jì)算見式(1)[14]。

(1)

式中：H為溫泉的補(bǔ)給高程，m；δS為水樣的δD或δ18O值；δP為大氣降水的δD或δ18O值；h為取樣點(diǎn)標(biāo)高，m；k為大氣降水氫或氧同位素梯度值，n‰/100 m。

由于同位素交換反應(yīng)對(duì)δD影響甚微，一般利用δD計(jì)算補(bǔ)給區(qū)高程。該溫泉取樣點(diǎn)標(biāo)高h(yuǎn)為315 m，大氣降水的δD為-50‰(SMOW)，取δD的高程梯度值k為-2‰/100 m。將上述數(shù)值代入公式計(jì)算，可得溫泉的補(bǔ)給高程為890 m。熱水在上升過程中難免與淺表的地下水混合，上述計(jì)算所得的補(bǔ)給高程較實(shí)際情況偏低，由地質(zhì)和水文地質(zhì)條件推算，羅溪溫泉的補(bǔ)給高程在950 m左右，補(bǔ)給區(qū)在溫泉東西方向的山區(qū)。

4.3 熱水年齡

根據(jù)放射性同位素的衰變?cè)?，可?yīng)用放射性同位素測(cè)定地下水年齡。放射性14C被廣泛應(yīng)用于地下水年齡的估算[15]。羅溪溫泉鉆井深度為380 m，處于承壓含水層，系統(tǒng)封閉，無其他放射性碳補(bǔ)充，該系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)刻的放射性比度與同期大氣圈層的CO2的放射性比度相同，可應(yīng)用14C確定該熱水年齡。

水樣的14C、13C的含量由美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用加速器質(zhì)譜儀按照加速器質(zhì)譜(AMS)放射性碳測(cè)年法測(cè)定。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得水樣中14C放射性比度為5%mod，13C的千分偏差值為-14.8‰。

可利用式(2)計(jì)算溫泉的14C表觀年齡[14]。

(2)

式中：A0為處于交換循環(huán)中的14C放射性比度；A樣為停止交換t年后水樣中的放射性比度；t為被測(cè)水樣的年齡。

Beta放射性碳測(cè)年實(shí)驗(yàn)室采用的現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)是草酸-1(Oxalic Acid I)，草酸-1中約95%的放射性碳活性等于絕對(duì)放射性碳標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的放射性碳活性，即A0為95%mod，A樣為5%mod，計(jì)算得羅溪溫泉的表觀年齡為24 341年。

利用Person法修正14C年齡[14]，見式(3)。

(3)

式中：δ13C樣為水樣中13C的千分偏差值‰；A樣為水樣中14C放射性活度；t為被測(cè)樣品的年齡。

δ13C樣為-14.8‰，A樣為5%mod，計(jì)算得羅溪溫泉的Person法修正14C年齡為19 857年。

5 熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)

5.1 熱儲(chǔ)溫度

地球化學(xué)溫標(biāo)是估算熱儲(chǔ)溫度的有效方法，常用的地?zé)釡貥?biāo)有陽離子溫標(biāo)、SiO2溫標(biāo)和同位素溫標(biāo)。由圖4 Na-K-Mg三角圖可知，羅溪溫泉位于部分平衡區(qū)，不宜應(yīng)用陽離子溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度[16]，選擇SiO2溫標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。SiO2礦物廣泛存在，溫度降低時(shí)，其沉淀速度較慢，溫度低于300 ℃，水中溶解的SiO2一般不受絡(luò)合物及其他離子的影響，壓力附加鹽度對(duì)石英和無定形SiO2的溶解度幾乎無影響[11]，可利用熱水中的SiO2溶解度與溫度的關(guān)系估算熱儲(chǔ)溫度。

圖4 Na-K-Mg三角圖Fig.4 The triangle diagram of Na-K-Mg

圖5 SiO2溶解度曲線Fig.5 The SiO2 solubility curve of hot spring

應(yīng)用Aquachem軟件繪制SiO2溶解度曲線(圖5)，羅溪溫泉SiO2數(shù)據(jù)點(diǎn)落于α-方晶石與石英-無蒸汽損失溶解線之間，α-方晶石溶解線下方，說明α-方晶石尚未溶解，石英可能是控制SiO2平衡作用的礦物。因此，羅溪溫泉適用石英溫標(biāo)。羅溪溫泉SiO2數(shù)據(jù)點(diǎn)處于石英-無蒸汽損失溶解線以上，說明其處于過飽和狀態(tài)，熱儲(chǔ)溫度計(jì)算存在一定誤差。

研究區(qū)的沸點(diǎn)溫度為100 ℃，取樣溫度為65.3 ℃。因此，采用石英-無蒸汽損失(0～250 ℃)溫標(biāo)計(jì)算羅溪溫泉熱儲(chǔ)溫度[14]，計(jì)算見式(4)。

(4)

采用式(4)計(jì)算，得羅溪溫泉熱儲(chǔ)溫度為82 ℃。

5.2 熱水循環(huán)深度

大氣降水經(jīng)入滲補(bǔ)給后，在地下深部循環(huán)加熱上升至地表形成熱水，熱水溫度主要來源于深循環(huán)過程中的地?zé)嵩鰷豙11]。因此，可采用熱水循環(huán)深度公式進(jìn)行計(jì)算[17]，見式(5)。

H=(TZ-T0)/G+H0

(5)

式中：H為熱儲(chǔ)深度，m；TZ為熱儲(chǔ)溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，℃；G為地溫梯度，℃/100 m；H0為恒溫帶深度，m。

恒溫帶溫度取補(bǔ)給區(qū)年平均氣溫14.6 ℃，地溫梯度取地?zé)嵩鰷芈?.5 ℃/100 m，恒溫帶深度取20 m，推算得羅溪溫泉的循環(huán)深度為1 900 m左右。

6 結(jié) 論

1) 羅溪溫泉屬斷裂深循環(huán)型地下熱水，水化學(xué)類型為HCO3·CO3-Na型，不宜作為灌溉水使用，其F和H2S含量較高，有一定醫(yī)療價(jià)值。

2) 羅溪溫泉來源于大氣降水，屬降水與地殼中含Sr巖石相互作用形成，為花崗巖中的地下水獲大氣降水入滲補(bǔ)給，經(jīng)深循環(huán)加熱后上升出露而成，循環(huán)深度1 900 m左右。

3) 羅溪溫泉補(bǔ)給區(qū)高程海拔為950 m左右，熱水年齡約為19 800年，地下熱儲(chǔ)溫度約為82 ℃。

地?zé)崾钦滟F資源，地?zé)岘h(huán)境的破壞具有不可逆性，建議加強(qiáng)羅溪溫泉的環(huán)境保護(hù)和開展其可開采量的科學(xué)評(píng)價(jià)，保障其可持續(xù)開發(fā)利用。