南京湯泉地下熱水化學(xué)特征及其指示意義

徐成華， 于丹丹， 駱祖江

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)， 南京 210041； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098)

地?zé)豳Y源作為環(huán)保型的可再生能源，對(duì)其成因機(jī)制、賦存環(huán)境、運(yùn)移規(guī)律的充分認(rèn)識(shí)，是指導(dǎo)地?zé)豳Y源合理、有效、可持續(xù)開發(fā)利用的必要前提。地?zé)崃黧w中水化學(xué)組分及其同位素特征分析，是展開相關(guān)研究的有效手段[1-2]，劉明亮等[3]、高宗軍等[4]利用主要陰陽(yáng)離子特征，探討了地?zé)崃黧w中主要組分的地球化學(xué)起源及深部熱儲(chǔ)賦存特征；鄭西來(lái)等[5]、龐忠和等[6]、王治祥等[7]利用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法、SiO2地?zé)釡貥?biāo)法計(jì)算了漳州、渝東南部等地?zé)釁^(qū)熱儲(chǔ)溫度；張衛(wèi)民[8]、楊峰田等[9]利用氘氧同位素與大氣降水中氘氧同位素之間的線性關(guān)系對(duì)比分析，確定了地下熱水的補(bǔ)給高程及補(bǔ)給來(lái)源；徐國(guó)芳等[10]、吳敏[11]利用Sr離子含量及鍶同位素比值87Sr/86Sr的關(guān)系，揭示了深部地?zé)崃黧w賦存環(huán)境等。前人對(duì)南京市地?zé)豳Y源的開發(fā)研究做了很多有意義的工作，較為系統(tǒng)的研究集中在南京湯山地區(qū)，鄒鵬飛[12]、Lu等[13]利用水文地球化學(xué)、氘氧同位素、14C同位素特征確定了湯山地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源、形成歷史、運(yùn)移機(jī)制及冷熱水混合效應(yīng)，而關(guān)于南京湯泉地?zé)崴畞?lái)源的相關(guān)研究未見。

鑒于此，本文以南京湯泉地區(qū)地下熱水為研究對(duì)象，首次通過水化學(xué)及同位素地球化學(xué)方法對(duì)比分析不同水樣，結(jié)合地下熱水δD-δ18O同位素及87Sr/86Sr的特征，對(duì)地下熱水的來(lái)源、熱儲(chǔ)溫度、熱儲(chǔ)環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)分析論述，深化對(duì)研究區(qū)地下熱水的認(rèn)識(shí)，以期能為研究區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)綜合研究提供借鑒，并為其可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湯泉位于南京主城區(qū)西部，地下熱水蘊(yùn)藏豐富、開發(fā)利用歷史悠久，有“中國(guó)溫泉之鄉(xiāng)”“十里溫泉帶”的美稱，日流量達(dá)4 590 t，最高水溫達(dá)47 ℃，含有三十多種對(duì)人體有益的微量元素。湯泉鎮(zhèn)地理位置為118°27′03″～118°31′48″E，32°04′07″～32°06′04″N，大地構(gòu)造單元屬低山丘陵地貌，隸屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)褶帶，溫泉點(diǎn)及地?zé)峋c(diǎn)均位于老山凸起與六合-全椒凹陷的交接部位(如圖1所示)，地勢(shì)東南高、西北低，斷層及裂隙構(gòu)造發(fā)育。南側(cè)老山復(fù)背斜，呈北東東向展布，主峰龍洞山(亦名大剌山)海拔442 m，震旦系上統(tǒng)白云巖、灰質(zhì)白云巖在核部出露，在山前崗地平原傾沒，該套碳酸鹽巖地層巖溶裂隙發(fā)育，地層厚度較大，是研究區(qū)開發(fā)利用的主要熱儲(chǔ)層，上部覆蓋寒武系上統(tǒng)薄層白云巖、白堊系上統(tǒng)粉細(xì)砂巖及新近系、第四系松散沉積地層，如圖2所示。

圖1 區(qū)域構(gòu)造及采樣位置Fig.1 Regional structure and locations of sampling point

圖2 老山地區(qū)水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Hydrogeological profile in the Laoshan Field

2 水化學(xué)特征

2.1 不同水體水化學(xué)特征

本次研究采集南京湯泉地區(qū)地表水、地下冷水和地下熱水樣品共計(jì)20件。地表水主要采自研究區(qū)水庫(kù)，地下熱水采自熱水開采井，地下冷水采自民用淺井，取樣點(diǎn)基本情況如圖1所示。

采樣過程中，對(duì)于有抽水條件的地下水采樣點(diǎn)，預(yù)排水0.5 h左右，確保采集到原位地下水。樣品均在現(xiàn)場(chǎng)過濾0.45 μm濾膜，收集于經(jīng)過待取水樣潤(rùn)洗三次的耐高溫聚四氟乙烯瓶。對(duì)于陽(yáng)離子和微量元素樣品，現(xiàn)場(chǎng)滴入1 mL濃硝酸進(jìn)行保護(hù)；對(duì)于不穩(wěn)定的水化學(xué)參數(shù)，如pH、電導(dǎo)率(EC)、溶解性總固體(TDS)用經(jīng)校正后的Hach水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。陰、陽(yáng)離子采用等離子體質(zhì)譜儀(X2 ICP-MS)、全譜直讀光譜儀(iCAP6300)測(cè)定，測(cè)試工作在自然資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成；D、18O 同位素采用液態(tài)水同位素分析儀(LGR, DLT-100)測(cè)定，鍶同位素比值87Sr/86Sr采用熱表面電離質(zhì)譜儀(Phoenix)測(cè)定，測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所完成，部分水化學(xué)及同位素測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。地下熱水開采井井口溫度為32～46 ℃(TQ-H-3號(hào)井排水時(shí)間不足，溫度較低)，礦化度為776～2 794 mg/L，均值2 070 mg/L，水化學(xué)類型主要為SO4-Ca型；地下冷水礦化度較低，為312～1 610 mg/L，均值733 mg/L，水化學(xué)類型以SO4-HCO3-Ca/HCO3-SO4-Ca-Na型為主，其中TQ-C-1采樣點(diǎn)靠近TQ-H-1熱水井，井深達(dá)到了碳酸鹽巖分布深度，受到碳酸鹽巖溶解影響，水化學(xué)類型為SO4-Ca-Mg型；地表水礦化度最低，為130～224 mg/L，均值171 mg/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主。水化學(xué)piper三線圖如圖3所示，顯示地表水樣點(diǎn)相對(duì)集中，地下冷水樣點(diǎn)分散，并且與地下熱水分

布區(qū)域不同，這些水化學(xué)組成特征的差異，表明地下熱水與淺層地下冷水經(jīng)歷的水巖作用過程不同，深層地?zé)崴纬蛇^程中與淺層冷水水力聯(lián)系不密切。

圖3 湯泉地區(qū)不同水樣piper三線圖Fig.3 Piper diagram of different water samples from Tangquan

2.2 主要水巖作用

(2)

(3)

表1 水化學(xué)及同位素測(cè)試數(shù)據(jù)

續(xù)表1

圖4 地下熱水濃度關(guān)系圖Fig.4 Content relation diagram of for geothermal water

表2 礦物飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果

此外，還可能存在陽(yáng)離子交換過程造成熱水中 Ca2+、Mg2+含量升高，化學(xué)反應(yīng)如下：

(4)

(5)

即地下熱水中溶解的Na+與巖土礦物中的一部分Ca2+、Mg2+交換，使水中 Ca2+、Mg2+含量升高而Na+減少。然而，由于地下熱水中Na+含量相對(duì)較低，不利于置換吸附能力更強(qiáng)的Ca2+、Mg2+，因此，陽(yáng)離子交換作用對(duì)Ca2++Mg2+含量升高貢獻(xiàn)甚微。

2.3 地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度

熱儲(chǔ)溫度是控制地下熱水中主要元素濃度的重要因素，其變化對(duì)熱水中的陽(yáng)離子比值和水溶態(tài)SiO2的濃度有重大影響。目前廣泛應(yīng)用的地?zé)釡貥?biāo)主要有兩類：一類是陽(yáng)離子溫標(biāo)，依據(jù)K-Ca-Na-Mg濃度比值與溫度之間的關(guān)系而獲取，如Na-K溫標(biāo)、Na-K-Ca溫標(biāo)等[14-16]；另一類是二氧化硅溫標(biāo)[17]，取決于控制水溶態(tài)SiO2礦物的溶解度，如石英、玉髓等。如圖5所示，研究區(qū)地下熱水樣品均位于 Na-K-Mg三角圖未成熟水區(qū)，因此地下熱水相對(duì)于Na、 K、Mg等長(zhǎng)石類硅酸鹽礦物均未達(dá)到水-巖平衡狀態(tài)，說明 Na-K、K-Mg和Na-K-Ca等一般陽(yáng)離子溫標(biāo)并不適用于研究區(qū)地下熱水熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算。

圖5 地下熱水Giggenbach Na-K-Mg三角圖Fig.5 Na-K-Mg triangular diagram for geothermal water

礦物飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示湯泉地區(qū)地下熱水石英、玉髓均達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，本次應(yīng)用石英溫標(biāo)計(jì)算其熱儲(chǔ)溫度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從結(jié)果中可以看出，無(wú)定形硅溫標(biāo)、α-方石英溫標(biāo)、β-方石英溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)溫度低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際不符。玉髓溫標(biāo)略高于井口溫度，與實(shí)際情況相吻合，計(jì)算結(jié)果最可靠。

表3 二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算結(jié)果

南京湯泉地區(qū)熱儲(chǔ)溫度63～75 ℃，屬正常地?zé)岜尘皸l件下的中低溫地?zé)豳Y源，其中TQ-H-3號(hào)井在本次采樣之前處于靜置狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)采樣條件不允許長(zhǎng)時(shí)間抽水，采取的水樣是與淺部達(dá)到溫度平衡的溫度較低(大約20 ℃)的熱水，而不是原位地下熱水，故本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試溫度以及玉髓溫標(biāo)的計(jì)算溫度都較低。

3 地下熱水補(bǔ)給源分析

圖6 湯泉地區(qū)水樣δD-δ18O關(guān)系圖Fig.6 δD-δ18O plot of water samples from Tangquan

本次獲取研究區(qū)氘氧同位素水樣20組，將δD、δ18O投點(diǎn)至δD-δ18O關(guān)系圖上，可以掌握不同樣品的氫氧同位素組成特征，如圖6所示，地表水最為富集，數(shù)據(jù)分布在南京大氣降水線(local meteoric water line，LMWL)[13]的右下方，表現(xiàn)出受到蒸發(fā)作用的影響；地下冷水其次，地下熱水最為貧化，二者數(shù)據(jù)均落在全球大氣降水線(global meteoric water line，GMWL)及南京大氣降水線附近，說明區(qū)內(nèi)地下熱水、冷水的補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水入滲補(bǔ)給，并且與地表水聯(lián)系不緊密。

地下熱水的δ18O主要集中在d=15%～20%(d=δD-8δ18O，d為D剩余參數(shù))，沒有發(fā)生明顯的正向漂移，說明水巖作用環(huán)境不是很封閉，還原作用相對(duì)較弱[18]。這與區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及熱儲(chǔ)層巖性有著密切的關(guān)系，取樣點(diǎn)位于老山西北側(cè)斷裂帶，使得原本封閉的碳酸鹽巖地?zé)醿?chǔ)層多發(fā)育空隙、裂隙而相對(duì)開放，熱水流動(dòng)性較好，所以在水巖作用中，18O與熱水中溶解的含氧組分交換較少，水-巖作用沒有達(dá)到水巖平衡狀態(tài)。

地下熱水δD=-42.89‰～-53.21‰，δ18O=-7.11‰～-8.40‰，投值點(diǎn)位于圖6中左下方，氘氧同位素組成較地下冷水貧化，表明地下熱水是來(lái)自高程較高、δD-δ18O 值更貧化的大氣降水補(bǔ)給，并且與淺部地下冷水聯(lián)系微弱。

利用δ18O降水同位素高程效應(yīng)計(jì)算地下水補(bǔ)給高程的公式為

(6)

式(6)中：h補(bǔ)給為地下水補(bǔ)給高程，m；δ地下水為地下水樣品同位素組成；δ降水為參考點(diǎn)水樣的降水同位素組成；k取中國(guó)南部低緯度地帶的梯度平均值-0.3‰/100 m[19]；h地下水為地下水參考點(diǎn)地面高程，參考點(diǎn)取全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)(global network for isotopes in precipitation,GNIP)南京觀測(cè)站(高程26 m)。地下熱水補(bǔ)給高程計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 湯泉地區(qū)地下熱水補(bǔ)給高程計(jì)算結(jié)果

TQ-H-3由于受到冷水的混合作用，計(jì)算出的結(jié)果偏低，不能真實(shí)反映其補(bǔ)給高程；其余樣品計(jì)算得出的補(bǔ)給高程范圍為321～539 m，與老山主體高程接近。

4 87Sr/86Sr確定熱儲(chǔ)地層

鍶同位素在地質(zhì)過程中不發(fā)生分餾，而主要是受到 Sr 來(lái)源的控制[20]，不同的礦物具有不同的87Sr/86Sr。地下水流經(jīng)不同的礦物體，在礦物溶解的過程中，部分 Sr 會(huì)由礦物轉(zhuǎn)入水體，從而使水體具有與巖石相似的87Sr/86Sr[21-22]，因此水中的87Sr/86Sr可以用來(lái)判定地下水來(lái)源。不同水體的87Sr/86Sr 背景值為：鋁硅酸鹽溶濾水大于0.720，碳酸鹽巖溶濾水為0.708～0.710，河水為 0.711，雨水為 0.709；地幔巖漿水0.705[23]。本次南京湯泉地區(qū)研究測(cè)試的6組巖溶地下熱水鍶同位素比值比較接近，變化范圍比較小，分布范圍為0.708 876～0.709 299，均值為0.709 005，完全落在碳酸鹽來(lái)源的鍶同位素比值87Sr/86Sr范圍內(nèi)，如圖7所示，表征該區(qū)域熱儲(chǔ)流體以碳酸鹽溶解為主。結(jié)合該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件，推測(cè)地下熱水流經(jīng)震旦系上統(tǒng)燈影組，其巖性為富含碳酸鹽礦物的白云巖，地下水在流經(jīng)過程中與碳酸鹽礦物發(fā)生水巖反應(yīng)，87Sr/86Sr呈現(xiàn)為低比值，表明地下熱水具有在碳酸鹽巖地層中長(zhǎng)時(shí)間深循環(huán)特征。由圖7可以看出，地下熱水分布在高Sr含量、低87Sr/86Sr區(qū)，地下冷水分布在低Sr含量、高Sr同位素比值87Sr/86Sr區(qū)，二者差異明顯，說明兩者之間的聯(lián)系非常微弱，與前文分析一致。

圖7 地下水87Sr/86Sr-Sr含量關(guān)系圖Fig.7 Content relation diagram of 87Sr/86Sr-Sr for groundwater

5 結(jié)論

(2)δD-δ18O關(guān)系圖中水樣點(diǎn)與大氣降水線的關(guān)系表明，研究區(qū)地下熱水、冷水均起源于大氣降水。地下熱水氘氧同位素組成較地下冷水貧化，是來(lái)自高程較高、δD-δ18O 值更貧化的大氣降水，計(jì)算結(jié)果表明，其補(bǔ)給高程為321～539 m。

(3)地下熱水87Sr/86Sr呈現(xiàn)為典型的碳酸鹽巖中水-巖作用的特性，表明地下熱水具有在碳酸鹽巖地層中長(zhǎng)時(shí)間深循環(huán)特征，與淺層地下冷水聯(lián)系不緊密，結(jié)合其補(bǔ)給高程范圍值，認(rèn)為地下熱水的補(bǔ)給區(qū)為老山復(fù)背斜構(gòu)造內(nèi)的碳酸鹽巖裸露區(qū)。