沉積型和火山型地?zé)崃黧w的同位素水文地球化學(xué)對比研究

馬致遠(yuǎn)，李嘉祺，翟美靜，吳 敏，2，許 勇，2

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西，西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實驗室，陜西，西安 710054)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展、能源供需關(guān)系日益緊張以及生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的持續(xù)深入推進(jìn)，探索新型、可持續(xù)、綠色能源尤為重要。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、可再生、安全且具有高利用率的能源，其獨(dú)特優(yōu)勢日益受到關(guān)注。利用地?zé)崮馨l(fā)電，其利用率是風(fēng)能及太陽能發(fā)電的4～5倍，平均利用率高達(dá)70%以上。地球的地?zé)峥偰芰侩m然巨大，但其分布很不均勻且類型各異，因此需要對沉積型和火山型兩種不同的地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的對比研究，才能實現(xiàn)有針對性且有效的利用。一般而言，在地質(zhì)歷史時期，火山型地?zé)釒Щ鹕交顒虞^為頻繁，具有較大規(guī)模的巖漿侵入活動，區(qū)內(nèi)有大面積的火山巖覆蓋，地表熱顯示特征較多。而沉積盆地型一般指地殼沉降區(qū)，沿基底或蓋層內(nèi)構(gòu)造斷裂帶展布的地?zé)釒1]。國內(nèi)外學(xué)者分別對兩種地?zé)嵯到y(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造、地?zé)崴鹪醇俺梢蚰Ｊ阶隽艘欢ǖ难芯縖2-7]，但缺乏對沉積型和火山型地?zé)崃黧w的同位素水文地球化學(xué)系統(tǒng)性的分析及對比研究，尤其我國典型的火山型地?zé)嵯到y(tǒng)騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)和典型沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)關(guān)中盆地腹部地?zé)嵯到y(tǒng)兩種不同成因類型地?zé)崃黧w的同位素水文地球化學(xué)的同異性及可持續(xù)開發(fā)利用的特點(diǎn)未做研究。前人的研究成果一般認(rèn)為火山型地?zé)崃黧w主要來源于現(xiàn)代水的補(bǔ)給，熱儲環(huán)境較為開放。然而，此次研究發(fā)現(xiàn)，實際情況并非如此，火山型熱儲流體在一定程度上具有與沉積盆地型相類似的同位素水文地球化學(xué)特征。鑒于此，本文針對沉積型和火山型兩種不同的地?zé)犷愋?，分別以關(guān)中盆地及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)為典型代表，在對比分析兩區(qū)域自然地理、地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，應(yīng)用水文地球化學(xué)結(jié)合環(huán)境同位素的方法[8-9]，系統(tǒng)地對兩個典型地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲流體的同位素水文地球化學(xué)特征進(jìn)行對比研究，揭示其地?zé)崃黧w起源及成因、熱儲開放程度等方面的異同之處，為我國不同類型地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)中盆地為三面環(huán)山，東面敞開的盆地(圖1)，位于陜西省中部。盆地從東到西總長約340 km，東西寬度不均一，東部最寬達(dá)70 km，總占地面積約為3.4×104km2。

圖1 關(guān)中盆地自然地理圖

在關(guān)中盆地研究區(qū)內(nèi)，新構(gòu)造運(yùn)動頻繁，具有較強(qiáng)的運(yùn)動性及明顯的繼承性。第四系伊始，相對于其北部鄂爾多斯地塊及南部秦嶺山區(qū)，盆地內(nèi)部呈強(qiáng)烈的下降態(tài)勢。通過不同的斷裂規(guī)模及其活動程度與方向、基底及沉積相特征等方面的差異性，可以將關(guān)中盆地劃分為六個構(gòu)造單元(圖4)。由于西安凹陷與咸禮斷階處于關(guān)中盆地腹部，對于沉積型地?zé)嵯到y(tǒng)代表性更強(qiáng)，因此本次對關(guān)中盆地的研究主要集中在兩個構(gòu)造單元。關(guān)中盆地腹部地層發(fā)育不完全，缺失古生界、中生界地層，發(fā)育有新生界古進(jìn)系、新近系及第四系(圖2)。

圖2 關(guān)中盆地典型地段剖面圖

騰沖縣位于云南省西南部，地處保山市西部，俯視呈倒三角狀。東西寬約70 km，南至龍陵縣、梁河縣，南北跨度較大，約為140 km，占地總面積約5 800 km2。熱海熱田位于西南轉(zhuǎn)角處，介于荷花傣族佤族鄉(xiāng)與清水鎮(zhèn)之間。

圖4 關(guān)中盆地區(qū)域構(gòu)造及取樣點(diǎn)位置圖

騰沖屬于板緣地?zé)釒?，位于歐亞板塊與印度板塊碰撞帶的東側(cè)，自古近紀(jì)以來，經(jīng)歷了多期次火山構(gòu)造活動，形成了發(fā)育的斷裂構(gòu)造，為該區(qū)域地?zé)峄顒犹峁┝肆己玫牡刭|(zhì)構(gòu)造條件。其巖漿活動、變質(zhì)作用均存在明顯的沿著區(qū)內(nèi)大斷裂帶頻繁侵入的特征，并產(chǎn)生多期次變質(zhì)作用，尤其是燕山—喜山期，印度板塊與歐亞板塊發(fā)生劇烈碰撞，使其產(chǎn)生破碎帶及剪切帶，受板塊俯沖重熔而貯藏在地殼深部的高熔物質(zhì)和高熱流沿斷裂帶不斷上涌，形成區(qū)內(nèi)大面積巖漿侵入活動[10]。這一過程的不間斷進(jìn)行，使得本區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，尤其在熱海地?zé)崽飻嗔衙懿迹嬖趦山M近南北及東西向斷裂帶(圖3)。騰沖熱海地?zé)崽锏貙佑胁糠秩笔В饕l(fā)育的地層自下而上分別為元古界高黎貢山群(Ptgl)，上古生界石炭系(C)、二疊系(P)，新生界新近系(N)與第四系(Q)，不發(fā)育地層為下古生界、中生界以及新生界古近系。

圖3 騰沖熱海地?zé)崽飻嗔褬?gòu)造圖

2 樣品的采集與測試

本次研究所用水樣主要取自關(guān)中盆地腹部的西安凹陷、咸禮斷階的深層地下熱水和騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)出露的泉水，且均嚴(yán)格按照取樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣，取樣點(diǎn)位置見圖4、圖5。

本次研究水樣共計23組，包括關(guān)中盆地腹部水樣14組，騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)水樣9組，其中收集水樣點(diǎn)5組[11-12](見表1)。采集的水樣裝于用蒸餾水及原水潤洗過至少3次的500 mL聚乙烯瓶內(nèi)，并經(jīng)密封處理后，送往陜西省工程勘察研究院水土檢測中心進(jìn)行水樣的水化學(xué)組分測試，測試儀器為AA-100原子吸收儀，測試前不需要進(jìn)行特殊的預(yù)處理。

表1 研究區(qū)各水樣點(diǎn)水化學(xué)組分

注：(*)為收集樣點(diǎn)

圖5 騰沖熱海地?zé)崽锶狱c(diǎn)位置圖

本次研究水樣共計32組，包括關(guān)中盆地腹部水樣17組，騰沖熱海地?zé)崽锼畼?5組，其中收集水樣點(diǎn)12組(見表2)。采集的水樣均裝于用蒸餾水及原水潤洗三次以上的500 mL聚乙烯瓶內(nèi)，并經(jīng)密封處理后，送往中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院同位素液閃儀實驗室，通過穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀MAT-253與超低本底液體閃爍能譜儀Quantulus 1220儀器分別對氘(D)、氧-18(18O)及氚(3H)同位素進(jìn)行定量測定。測試前不需要特殊的預(yù)處理。所有測試結(jié)果均采用VSMOW國家標(biāo)準(zhǔn)。

表2 研究區(qū)各水樣點(diǎn)氫氧同位素

注：(*)為收集樣點(diǎn)

3 水文地球化學(xué)特征對比研究

不同成因類型的地?zé)崃黧w其熱儲環(huán)境存在一定的差異，因此地?zé)崃黧w在與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用的過程中，會形成不同的水化學(xué)特征、元素組成及其分布規(guī)律。

3.1 水化學(xué)類型對比分析

關(guān)中盆地與騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)均具有良好的地?zé)醿洵h(huán)境。前者熱儲層為沉積巖，以松散的砂巖、砂礫巖為主；后者熱儲巖性以富含鋁硅酸鹽礦物的巖漿巖為主，如安山巖、英安巖及殼源花崗巖等。組成沉積巖的常見礦物有石英、白云母、黏土礦物、鉀長石、酸性斜長石，方解石、白云石、石膏、硬石膏、赤鐵礦、褐鐵礦、玉髓、蛋白石、鋁土礦、磷礦物、錳礦物等。其中石英、鉀長石、酸性斜長石、白云母也是巖漿巖的常見礦物，其是巖漿巖與沉積巖共有的礦物。此外，巖漿巖中常見的橄欖石、輝石、角閃石、黑云母、中性及基性斜長石在沉積巖中很少見，而巖漿巖中一般難以出現(xiàn)或不存在的礦物，如方解石、白云石、黏土礦物、石膏、硬石膏等，在沉積巖中相當(dāng)普遍[13]。

圖6 騰沖熱海熱田及關(guān)中盆地腹部水樣Piper對比圖

圖7 騰沖熱海熱田及關(guān)中盆地腹部水樣指紋對比圖

由圖8可以看出，關(guān)中盆地腹部熱水樣點(diǎn)均落在部分平衡區(qū)，且接近完全平衡，而騰沖熱海地?zé)崽餆崴畼狱c(diǎn)大部分落在部分平衡區(qū)，由此可以推斷，與關(guān)中盆地腹部地?zé)崴啾龋v沖熱海地?zé)崽餆醿﹂_啟性較關(guān)中盆地好，且其地?zé)崃黧w熱儲年齡較小，水巖反應(yīng)處于初—中級演化階段。

圖8 騰沖熱海熱田及關(guān)中盆地腹部水樣Na-K-Mg對比圖

3.2 離子比例系數(shù)對比分析

圖9 騰沖熱海熱田及關(guān)中盆地腹部水樣關(guān)系對比圖

3.3 熱儲溫度及冷水混入比的估算

熱儲溫度及地?zé)崃黧w的冷水混入量是一個區(qū)域地?zé)豳Y源評估的重要指標(biāo)[15]。通過對比關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w多礦物平衡法得出其熱儲溫度。不同溫度下，礦物在水中的溶解沉淀規(guī)律不同。當(dāng)?shù)V物飽和指數(shù)SI=0時，流體與礦物達(dá)到平衡狀態(tài)。多礦物平衡法模擬熱儲溫度是利用了流體中多種礦物的溶解沉淀規(guī)律與其熱儲環(huán)境溫度之間的關(guān)系。當(dāng)溶液中一組礦物同時接近平衡時，可判斷地?zé)崃黧w與熱儲環(huán)境中的這組礦物達(dá)到了化學(xué)平衡，此時的溫度即為該處的熱儲溫度[16]。利用PHREEQC軟件計算不同溫度下的飽和指數(shù)SI，并構(gòu)建SI-T函數(shù)關(guān)系圖，利用多礦物平衡法模擬出的熱儲溫度見表3。

由表3可知關(guān)中盆地腹部平均熱儲溫度為98.2℃，平均冷水混入比為22.1%；騰沖熱海地?zé)崽餆醿囟染禐?98.4℃，明顯高于關(guān)中盆地，平均冷水混入比為53.5%，亦明顯高于關(guān)中盆地，說明火山型地?zé)嵯到y(tǒng)熱源足且補(bǔ)給好，其開發(fā)利用更為高效。

表3 多礦物平衡法模擬熱儲溫度及冷水混入比

3.4 地?zé)崃黧w循環(huán)深度的計算

根據(jù)關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)各樣點(diǎn)的熱儲溫度可計算出兩區(qū)域各樣點(diǎn)地?zé)崃黧w的循環(huán)深度。關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w循環(huán)深度見表4。

關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)崽锏叵聼崴骄鶡醿ρh(huán)深度分別為2 727 m、1 156 m，即在關(guān)中盆地腹部，大氣降水循環(huán)到2 727 m時才能達(dá)到熱儲的溫度。在騰沖熱海地?zé)崽飿?gòu)造背景下，地?zé)崃黧w熱儲埋藏較淺，地?zé)崴蛳逻\(yùn)移到約1 156 m就能被加熱，進(jìn)而返回地表，說明火山型地?zé)嵯到y(tǒng)更易于開發(fā)利用。

表4 研究區(qū)地下熱水熱儲循環(huán)深度

4 環(huán)境同位素特征對比研究

4.1 氫氧同位素特征對比分析

由圖10可知，關(guān)中盆地腹部地?zé)崴?8O 值為-11.3‰～-3.75‰，δD值為-85‰～-66.02‰，氘剩余d值為-40‰～0，揭示了關(guān)中盆地腹部熱水樣點(diǎn)較大程度的偏離了當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。且熱水混合年齡偏大，最大36Cl年齡達(dá)1 051.09 ka[17]，足見其在較封閉的熱儲環(huán)境下的滯留狀態(tài)，說明關(guān)中盆地腹部地?zé)崃黧w在接受補(bǔ)給時，鮮有現(xiàn)代大氣降水補(bǔ)給，以古大氣降水的補(bǔ)給為主。騰沖熱海地?zé)崽锏責(zé)崴?8O 值為-9.69‰～-5.38‰，δD值為-70.7‰～-60.52‰，剩余d值為-20‰～-10‰。令人感興趣的是騰沖熱海地?zé)崃黧w存在比較顯著的“氧漂移”現(xiàn)象，這與認(rèn)為騰沖熱海地?zé)崽餆醿α黧wδ18O-δD值可能落在大氣降水線附近的假設(shè)相悖。表明其地?zé)崃黧w賦存期間發(fā)生了較為明顯的水巖反應(yīng)，具有相對較長的滯留時間，最大14C年齡為12.43ka，接受部分古大氣降水補(bǔ)給。此外，較大的氚值(3.6～21.8TU)顯示其亦存在部分現(xiàn)代大氣降水的補(bǔ)給。而騰沖熱海地?zé)崽餆醿α鳝h(huán)境具有一定的封閉性，且其熱儲巖性為花崗巖、變質(zhì)巖，其巖性δD的背景值小于沉積層，在一定程度上影響了地?zé)崴?8O富集，但較大的熱儲溫度(198.4℃)是其發(fā)生“氧漂移”的主控因素。

圖10 研究區(qū)地?zé)崴畾溲跬凰仃P(guān)系對比圖

4.2 放射性同位素特征對比分析

氚(T或3H)具有較短的半衰期，T1/2為12.43a。在地下水體中，氚含量一般僅受控于其衰變規(guī)律，因此被視為受現(xiàn)代大氣降水補(bǔ)給的地下水的理想示蹤劑[18-19]，被廣泛的應(yīng)用到對地下水年齡小于50a的淺層年輕水體的測年中。

根據(jù)關(guān)中盆地14C年齡與3H值進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖11。將騰沖熱海地?zé)崽餆崴畼狱c(diǎn)3H值代入式(1)可得其14C估算年齡(表5)。關(guān)中盆地腹部地?zé)崃黧w14C年齡為12.27～23.65ka，平均年齡為17.44ka，騰沖熱海地?zé)崽锏責(zé)崃黧w14C估算年齡為0.08～12.43ka，平均年齡為5.41ka。

y=33850·e-0.27884xR2=0.69

(1)

式中：y——14C年齡；

x——3H值。

圖11 3H與14C年齡關(guān)系圖

4.3 鍶同位素特征對比分析

鍶同位素其組成不受蒸發(fā)作用、化學(xué)交換、生物作用等過程影響，因而不失為一種研究地?zé)崃黧w的有效手段。不同的礦物具有不同的87Sr/86Sr比值，當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)不同的礦物體時，在礦物溶解的過程中，部分Sr由礦物轉(zhuǎn)入水體，從而使水體具有與巖石相似的87Sr/86Sr比值。因此，可將穩(wěn)定的87Sr/86Sr比值作為地?zé)崃黧w水源及其水流路徑的理想示蹤劑[20]。不同水體的87Sr/86Sr比值背景值為：鋁硅酸鹽溶濾水87Sr/86Sr比值大于0.720；新、古近系油田水的87Sr/86Sr比值介于0.7112～0.7119之間；河水為0.7110；雨水為0.709；海相沉積水為0.708。

表5 研究區(qū)3H(TU)與14C/ka、36Cl/ka匯總表

注：(*)為收集樣點(diǎn)

由圖12可以看出，大多數(shù)關(guān)中盆地?zé)崴?7Sr/86Sr比值落在0.709和0.711之間，揭示其源于古代大氣降水及河水的混合水；低于0.709的87Sr/86Sr比值結(jié)合構(gòu)造特征說明該區(qū)域部分地?zé)崴畠嵛恢镁嗟蒯］^近，存在一定比例深部過渡性花崗巖類水的混入。騰沖熱海地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的87Sr/86Sr比值均大于0.711，且大多接近硅鋁酸鹽背景值，結(jié)合殼源火成巖高硅鋁酸鹽的特征及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造環(huán)境，推測其來源不完全為大氣降水，而是與高黎貢山群火成巖中賦存的流體相關(guān)。此外，熱水87Sr/86Sr比值存在明顯差異，推測其具有不同的水流路徑。

圖12 研究區(qū)地下熱水87Sr/86Sr-Na關(guān)系對比圖

4.4 硫同位素特征對比分析

在不同水文地質(zhì)背景下，地?zé)崃黧w含硫組分與熱儲環(huán)境中的其他硫化物發(fā)生硫同位素的交換反應(yīng)，尤其在還原環(huán)境中，硫同位素的強(qiáng)烈分餾會導(dǎo)致熱儲流體中34S的富集，因此可以根據(jù)地?zé)崃黧w中34S的含量揭示其熱儲環(huán)境的封閉程度。結(jié)合其他同位素及離子組分，還可以定性的說明水中硫酸根的來源。此外，將流體34S含量與地質(zhì)歷史時期34S含量對比，可辨識硫酸鹽的其他來源[2, 21]。

由圖13可以看出，關(guān)中盆地腹部地?zé)崴?4S值為8‰～15‰，且與δ18O呈正相關(guān)關(guān)系；騰沖熱海地?zé)崽锏責(zé)崴?4S值為1‰～6‰。前者δ34S值較后者更大，且在關(guān)中盆地腹部咸陽城區(qū)的δ34S值略大于西安城區(qū)，揭示其封閉性較西安城區(qū)更好。與關(guān)中盆地腹部相比，騰沖熱海地?zé)崽餆醿α黧w的δ34S值較低，且未與δ18O呈正相關(guān)關(guān)系，揭示其熱儲封閉程度較關(guān)中盆地腹部略差，脫硫酸作用較弱。

圖13 研究區(qū)地下熱水δ18O與δ34S關(guān)系對比圖

5 結(jié)論

(1)關(guān)中盆地與騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)均具有良好的地?zé)醿洵h(huán)境。前者熱儲環(huán)境更為封閉，熱儲層更厚；后者熱儲巖性以破碎的變質(zhì)巖及花崗巖為主，裂隙、節(jié)理發(fā)育良好。兩個區(qū)域均受控于大型斷裂構(gòu)造，前者自新生代以來構(gòu)造活動頻繁，后者多為新近系以來多期次火山構(gòu)造活動所致，熱源通道更為暢通。較淺的莫霍面埋深，導(dǎo)致關(guān)中盆地出現(xiàn)地?zé)岙惓＃瑸樵搮^(qū)良好熱源；后者在地下7 km左右存在厚度約為20 km的巖漿囊，構(gòu)成該區(qū)可持續(xù)利用的地?zé)崃黧w熱源。

(2)騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w部分來源于現(xiàn)代大氣降水，補(bǔ)給條件較關(guān)中盆地好。此次研究發(fā)現(xiàn)，火山型熱儲流體在一定程度上具有與沉積盆地型相類似的水文地球化學(xué)特征。因此，可以推測，不論熱儲巖性是沉積巖還是巖漿巖，在漫長的地質(zhì)歷史時期，水巖反應(yīng)的程度是決定熱儲流體水化學(xué)類型的主控因素。

(3)關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w均存在比較明顯的δ18O富集現(xiàn)象。前者表現(xiàn)更為顯著，更為封閉的熱儲環(huán)境及更長的地?zé)崃黧w滯留時間是其δ18O富集的主控因素。后者的熱儲環(huán)境亦具有一定的封閉性，較高的熱儲溫度(198.4℃)是發(fā)生δ18O富集的主控因素。

(4)騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w水化學(xué)類型與關(guān)中盆地西安城區(qū)具有一定的相似性。可將關(guān)中盆地腹部及騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崃黧w分別分為兩大類型：關(guān)中盆地腹部為沉積—半封閉型、封閉型，騰沖熱海地?zé)嵯到y(tǒng)為火山—半封閉型。建議在騰沖熱海開發(fā)利用中實施梯級利用并開展地下熱水的回灌工作，以確保地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用?；鹕叫偷?zé)嵯到y(tǒng)熱儲溫度高，埋藏更淺，熱水循環(huán)更快，更易于開發(fā)利用。建議嘗試性的開展地?zé)岚l(fā)電工作，實施“西電東送、南電北送”工程，緩解我國燃煤發(fā)電壓力，為綠色發(fā)電、治污減霾提供新能源。