南陽城區地下熱水同位素特征及其水文地質意義

王朝平，龔巍崢，許衛國

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院，河南 南陽473056)

南陽市城區地下熱水主要賦存于新生界蓋層之下的下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖熱儲層中，但已有地熱井井口熱水溫度較低(水溫40℃～46℃)的，影響了對地熱資源的勘查和開發。為此我們在開展《河南省南陽市(城區)地熱資源綜合研究》中，采用氫氧穩定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)對地下熱水起源、地下熱水的形成年齡、補給運移條件、熱水和地下冷水混合作用對熱水溫度的影響等進行了探討。

1 地下熱水同位素特征

同位素樣品按大氣降水、地表水、地下冷水、熱儲層地熱水分別采取，測定氫氧穩定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)。氫氧同位素采樣點及分析成果數據如表1。

表1 同位素采樣點及測試結果

2 地下熱水成因

據表1中代表本區大氣降水樣品、河水樣品、代表地大氣降水平均值的地下冷水樣品，平均值的地下水樣品＜溫水、溫熱水點除外)，求得本區大氣降水線方程(相關系數達0.90)為:

(1)式與中國大氣降水線方程(δD=7.98δ18O+8.2)、鄭州市大氣降水線方程(δD=8.013δ18O+8.275)基本相似。

將表1的δD和δ18O實測值點繪于圖1上，可看出，熱水、地下冷水、巖溶溫(冷)泉水δD和δ18O均落于降水線下方，δD和δ18O組成與本區降水線基本符合，反映了熱水、巖溶溫(冷)泉水、地下冷水均起源于大氣降水。

據前人對世界典型地下熱流系統中熱水與大氣降水的δD和δ18O同位素關系研究結果;熱水與大氣降水中的δD值大致相近，但高溫或過熱水的δ18O高于當地大氣降水中的δ18O，中溫或低溫熱水中的δ18O則接近大氣降水中的δ18O，這種現象稱為“氧漂移”現象。一般而言，熱儲溫度越高，“氧漂移”越顯著。

在圖1上，可看出本區地熱水沒有顯著的“氧漂移”現象，說明本區地下熱儲溫度屬中低溫范圍，即熱儲溫度＜150℃，這與采用鉀、鎂溫標計算的深部熱儲層源溫度為85℃～98℃基本一致，也說明了本區地下熱水屬深循環增溫型的低焙地熱資源。

圖1

3 熱水年齡

放射性同位素不受溫度、壓力或化學組分等外界條件的影響，而以一定的速率衰變。每種放射性元素的半衰期是一個常數，利用這一特性，可以測定地下水的年齡，即水在含水層中的平均貯留時間。

氚(3H或T)是氫的放射性同位素，半衰期12.26年，其計量單位是T.U。

據法國J.ch.Fontes分析研究，水中的氚(T)在0～5 T.U之間，說明1953年年熱核爆炸產生以前形成的“古水”成份占優勢;5～40 T.U表示水由新近入滲水和“古水”混合組成;大于40 T.U的水以新近水滲水為主組成。實踐表明這種經驗估算法有一定實用價值。

本次實測的地下熱水的氚濃度為12.20～24.73 T.U之間，表明熱水為1953年以后入滲補給的水，水交替條件較好、補給距離不遠，補給量相對充分。

氚法測齡是在測定地熱水中氚含量(濃度)的基礎上，以下式來估計地下熱水的年齡。

式中:t為地下熱水的年齡，年;T為放射性同位素的半衰期，年;A0為放射性同位素初始濃度，T.U(氚);A為實測的地下熱水放射性同位素濃度，T.U(T);

氚法測齡最大測齡年限為60年。本區地下熱水氚濃度為12.40～24.73 T.U，說明地下熱水形成于1950年以后，故可用上式利用氚法計算地下熱水年齡。

依表1中實測氚值，計算的地下熱水年齡列于表2中。其中氚的初始濃度A0為100%，半衰期T為12.26年。

表2 氚法估算地下熱水年齡一覽表

4 大理巖熱儲層補給運移條件分析

研究區內隱伏于新生界蓋層之下的下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖熱儲在北西西20 km左右鎮平杏花山一帶出露，并呈200 km長的條帶狀向西入陜西境內，自東向西地貌類型由巖溶低山丘陵過渡為中低山、中高山。鎮平柳泉鋪溫泉及柳泉兩個巖溶水泉點距本區20 km，其中柳泉鋪溫泉出露于朱陽關—夏館—大河斷裂旁側，水溫21.5℃。

分析表1、表2可知，區域上，自西向東，巖溶水 δD值大致相近，δ18O和氚值則明顯降低，熱水年齡由24.7年增至37.2年，年均運移速度1 600m，反映了下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖中賦存的熱水的主要補給區為鎮平杏花山以西的巖溶山區。

在南陽城區內，自北向南，巖溶熱水的δ18O值和氚值由市中級法院地熱井的－8.6‰和15.44 T.U降低至德昌地熱井的－9.4‰和12.20 T.U，熱水年齡由33.05年增至37.2年，熱水運移速度433m/a;而自西向東，巖溶熱水的氚值由能源公司地熱井的18.96 T.U降低至德昌地熱井的12.20 T.U，熱水年齡由29.42年增至37.2年，運移速度167.1m/a，說明了南陽城區內大理巖熱儲層中的熱水除接受西部山區巖溶水深循環運移補給外，尚接受來自研究區北部地下冷水的側向逕流混入補給，即研究區基底熱儲層中熱水是深源運移的熱水和淺層地下冷水的混合水，這可能是已有地熱井揭露深度內的基底熱儲層溫度不高的原因。

其次，自西向東，由補給區至本區巖溶熱水運移速度較快，而研究區內基底熱儲中熱水運移速度較慢，反映了研究區內基底熱儲層熱水的水交替條件相對滯緩，這與現有地熱井中熱水系深源運移熱水和淺層地下冷水的混合水，這也與相應的熱水化學成份不同于高溫地熱流體化學成份的分析結論基本一致。

5 結語

(1)南陽城區地下熱水起源于大氣降水，氫氧同位素測試分析表明本區地下熱儲溫度屬中低溫范圍，這與采用鉀、鎂溫標計算的深部熱儲層源溫度為85℃～98℃、源深度1400～1 750m基本一致，說明了本區地下熱水屬深循環增溫型的低焙地熱資源，即熱儲溫度 ＜150℃，屬溫熱水——熱水。

(2)實測的地下熱水的氚濃度為12.20～24.73T.U之間，熱水為1950年以后入滲補給的水，熱水年齡29.42～37.2年。熱水的主要補給區為鎮平杏花山以西的巖溶山區，其次尚接受研究區北部地下冷水的側向逕流混入補給，現有地熱井中熱水系深源運移的熱水和淺層地下冷水的混合水，這也與相應的熱水化學成份不同于高溫地熱流體化學成份的分析結論基本一致。

(3)通過對南陽城區地下熱水同位素水文地球化學研究表明，利用同位素方法可有效地了解地下熱水的起源、測定地下熱水的形成年齡、了解補給運移條件、以及熱水和地下冷水混合作用對熱水溫度的影響等問題，為地熱勘查與開發利用提供了較好的指導作用。

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