西安凹陷中南部地下熱水補給的環境同位素證據

張雪蓮，馬致遠，徐國芳

(長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

地下熱水是大自然饋贈給人類珍貴的低碳能源。西安凹陷地下熱水的補給起源對地下熱水的可持續開發利用提供參考，一直是學術界、政府管理部門以及開發部門關注和爭論的熱點，也是合理開發利用熱水資源的關鍵問題[1-4]。

目前國內有關地下熱水起源及成因的研究，以降水滲入成因為多，其他成因類型較少[1]。傳統地下水理論是建立在對水圈表層或淺層認識的基礎上，滲入成為地下熱水主導成因[1]。然而，近幾十年來，我國已開采的地下熱水深達上千米，關中盆地地壓型地下熱水開采深度已經上升到4 000余米。其研究對象已從低溫環境下呈現的起源較明確，成因較單一，化學反應較穩定的水巖體系改變為較高溫度、較大壓力環境下起源復雜，成因多樣化，水文地球化學過程活躍的水巖體系[13]。

西安凹陷中南部地下熱水補給起源復雜，既有與大氣降水聯系密切的淺層泉井地下熱水，又有處于封閉、半封閉狀態，可更新性較差的地壓型深層地下熱水。水同位素技術是一種有效研究地下熱水補給起源的方法，應用同位素示蹤方法可獲取研究區地熱水接受補給時的補給高程、補給溫度及補給來源等相關信息,可認識熱儲環境變化后 “現代大氣降水-古大氣降水-淺層地下熱水-深層地下熱水”之間的相互關系[5-10]。西安凹陷中南部地熱開發利用已有相當程度，然而，西安凹陷中南部不同深度地下熱水補給環境系統研究的較少。本研究擬對西安凹陷中南部不同深度地下熱水補給環境進行研究。為合理利用熱水資源提供參考。

1 研究區域

研究區位于西安凹陷中南部，北靠渭河，南倚秦嶺，東西兩側分別為臨潼-長安斷裂和岐山-啞柏斷裂，平面形態呈不規則多邊形，如圖1所示。

西安凹陷為地塹式構造，其斷裂構造發育，是關中盆地新生界厚度最大的地帶。西安凹陷中南部熱儲層段主要有藍田灞河組熱儲。藍田灞河組頂板埋深1 406～2 147 m；底板2 283～3 002 m, 巖性為河湖相和河流相沉積，1/2固結成巖。平均地溫89.2 ℃[13]。構造圖如圖2所示。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 The geographical position of study area

圖2 西安凹陷斷裂構造圖Fig.2 The fracture diagram of Xi’An depression

2 同位素測定分析方法

本研究區共采集126個水樣，分別為西安凹陷深層和淺層地熱水樣δD采集25個，δ18O采集31個，14C采集11個，87Sr/86Sr(87Sr與86Sr元素含量比)采集7個，Na+采集7個，3H采集7個，Sr采集8個；地表水δD采集5個，δ18O采集5個，87Sr/86Sr采集6個，Na+采集4個,3H采集5個，Sr采集5個。用于分析的水樣分別裝在低密度聚乙烯瓶內，不需經過特殊的預處理。其中3H、18O、87Sr/86Sr及14C測試均由MAT253質譜儀測定，由中國地質科學院水文地質環境地質研究所完成。水化學水樣均裝滿整個取樣瓶，并嚴格防止瓶中產生氣泡。分析水樣全部送中南冶金地質測試中心檢測，所用主要儀器為AA-100原子吸收儀。測試結果列于表1。

表1 西安凹陷中南部水樣同位素及水化學分析結果

續表

3 結果與分析

3.1 淺層地下熱水的補給環境

3.1.1地下水的補給高程

研究區淺層地下熱水以秦嶺北麓山前斷裂附近長安縣，東大鎮300～500 m埋深的井為代表，其穩定氫氧同位素值列于表2，在秦嶺北麓采樣大氣降水δD、δ18O結果列于表3。采集時間為2011年4月。

表2 西安凹陷中南部淺層地下熱水氫氧穩定同位素分析結果Table 2 Stable hydrogen and oxygen isotopes of shallow geothermal waters in Xi’an Southern Sag

表3 盆地南部大氣降水氫氧穩定同位素分析結果

圖3 盆地南部大氣降水δD與高程關系 Fig.3 Relationship between δD and elevation of meteoric waters in southern of basin

由表2可知，西安凹陷中南部地下熱水的δD 均值為-83.567‰，由表2數據可知，水樣點的平均地面標高為5.15 m。由表3數據繪制圖3，進行曲線擬合，公式斜率即為δD的高度梯度K=-0.010 7‰/m，根據同位素高程公式[14]得西安凹陷中南部地下熱水的平均補給高程為1 153 m，補給高程范圍為839～1 746 m。補給區示于圖4和圖5。

3.1.2淺層地下水補給方向

研究區淺層地下熱水來水方向可通過δD和δ18O等值線圖來確定。

西安凹陷中南部熱儲流體的δ18O變化范圍為-12.04‰～-7.769‰，根據表1數據，繪制西安凹陷中南部地下熱水δ18O等值線圖，示于圖4。由圖4顯示，熱水點δ18O從西南方向北東方逐漸增大，在研究區北東方向形成半閉合，展示了西安熱儲流體δ18O漂移的分布狀況，提示西南方向是水巖反應速度最小方向，也是淺層熱水接受補給時的來水方向。由西南到東北方向地下熱水水巖反應逐漸加劇，熱儲環境逐漸封閉，導致18O的富集趨勢。

根據表1數據，繪制西安凹陷中南部地下熱水δD等值線圖，示于圖5。由圖5顯示，在研究區形成一個開口向北的半閉合區，提示西安凹陷中心與半閉合的中點一致，來水方向以西南部為主，該結論與傳統的野外地質、水文地質方法研究成果吻合[13]。

3.1.3淺層地下熱水補給來源

目前，對西安凹陷中南部地下熱水補給來源，眾多專家說法不一[3,7,13,15]，這里提供了環境同位素的研究成果。

根據表1數據，繪制圖6。圖6a同位素數據分布特征可見，隨著距秦嶺北麓的距離增加地表水、淺層地下熱水和深層地下熱水δ18O逐漸增加，圖6b顯示，隨著距秦嶺北麓的距離增加，地表水、淺層地下熱水和深層地下熱水的δD基本保持一致，揭示熱儲環境雖然逐漸封閉，但深、淺層地下熱水具有同源性。

注：陰影區為研究區地下熱水補給區圖4 西安凹陷中南部地下熱水δ18O等值線圖Fig.4 Isoline of δ18O of geothermal waters in Xi’an southern sag

圖5 西安凹陷中南部地下熱水δD等值線圖注：陰影區為研究區地下熱水補給區Fig.5 Isoline of δD of geothermal waters in Xi’an southern sag

圖6 西安凹陷中南部地下熱水δ18O、δD流動途徑變化趨勢圖 Fig.6 δ18O-δD flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

圖7 不同起源地下水的δ值分布Fig.7 Different origins water distribution of δ values

圖8 西安凹陷中南部地下熱水δD-δ18O關系圖Fig.8 The relationship between δD and δ18O of geothermal water in Xi’an southern sag

不同起源地下水的δ值分布示于圖7，由圖7可知，西安凹陷中南部淺層地下熱水樣點同位素δ值遠離變質水、原生巖漿水及地幔水δ值范圍，揭示西安凹陷中南部淺層地下熱水與變質水、原生巖漿水及地幔水補給無關。

西安凹陷中南部地下熱水δD-δ18O關系圖示于圖8。圖8中沿大氣降水線展開的淺層熱水點，其同位素的組成與地表水和大氣降水基本一致，未顯示δ18O漂移的現象，說明淺層地下熱水在一定程度上為現代大氣降水補給或在淺層地下熱水運移中混入了現代循環水，地質調查顯示，其熱儲層中混有第四系沖積含水層的來自斷裂深部的地下熱水。發生了δ18O偏移的2個淺層樣點的熱水為前震旦基巖裂隙水，其熱儲條件較為封閉，熱儲流體滯留時間較長，水巖反應強烈，推斷混有少量現代降水的古大氣降水補給。由此可推斷西安凹陷中南部淺層地下熱水由現代及古代大氣降水的混合補給。另外，圖中深層和淺層地下水有相交重疊之處, 顯示淺層地下水和深層地下水有較強的水力聯系。根據同位素的補給高程計算得出，西安凹陷中南部地熱流體補給高程為1 153 m，進一步證實了淺層地下熱水補給來源于現代大氣降水古降水補給。

3.1.4淺層地下熱水接受補給時的溫度

運用因子分析法中SPSS軟件可以求出研究區淺層地下熱水樣品點的溫度與δ值數據的相關系數為0.958，指示研究區大氣降水的同位素組成與當地的氣溫關系密切，且呈強正相關變化，然而，這種強正相關變化在不同的地區變化程度差別巨大。根據西安氣象站的大氣降水所測氫氧同位素組成與平均溫度值，研究區大氣降水氫同位素組成與當年平均溫度的相關關系式為[6]:δD= 3.5T-82.90，此關系式表明，年平均溫度每下降1 ℃，大氣年降水平均δD分別降低 3.5‰。對此關系式進行變換，得△T=(δD1-δD2)/3.5，式中△T為溫度差，δD1-δD2值是熱儲流體-現代大氣降水中的δD值。根據現有的西安凹陷中南部地區大氣降水數據求得研究區δD平均值為-81.16‰，可以計算出西安凹陷中南部地區地下熱水補給環境下的平均溫度為0.69 ℃，地下熱水形成時的年平均溫度與目前年平均溫度的差值為-6.6 ℃。

研究區的地下熱水偏堿性, 而中性到堿性的地下熱水, 其δ18O值都變化不定, 一般都隨著溫度升高而增加, 而δD 值基本保持不變并和當地大氣降水的δD 值相同, 這是因為熱儲圍巖石比地熱水含氫少。因而δD 值估算溫度更為可靠, 即西安凹陷中南部地下熱水接受補給時的年均溫度為0.69 ℃，比現今低6.6 ℃ 。

3.2 深層地下熱水補給環境

研究區的深層地下熱水和淺層地下熱水關系密切，大氣降水沿斷裂向下運移、補給，流入淺、深層地下熱水儲層，在其運移深部受熱膨脹，在上升途中間接補給淺層地下熱水，因而深層地下熱水接受補給時的高程、方向、溫度與淺層地下熱水基本一致，補給高程亦為839～1 746 m，補給方向亦為西南方向，平均補給溫度亦為0.69 ℃，本文中補給環境重點闡述深層地下水補給年代、頻率、來源及通道。

3.2.1深層地下熱水補給年代及補給頻率

由表4可以看出，西安凹陷中南部地下熱水14C測年證實地熱水年齡為1.2～2.7萬年，可以推測西安凹陷中南部地下熱水接受補給時的年代為全新世前古降水補給，然而，地下熱水接受補給時非連續補給過程，其間有補給間斷，其補給頻率示于圖9。

表4 西安凹陷中南部14C校正年齡表

圖9 西安凹陷中南部14C校正年齡和δ18O的關系Fig.9 The relationship between 14C dating and δ18O in Xi’an southern sag

從圖9可見，西安凹陷中南部地下熱水補給年代12 270～27 966年，其中臨潼空療院內東南、臨潼區縣醫院西地熱公司2號井補給年代分別為26 868年、27 966年，幾乎達到14C的測年上限。說明西安凹陷腹部深層地下水滯留時間的上限應大于3萬年。深層地下熱水補給年代在13 585～17 678年、18 513～20 704年及24 025～26 868年有明顯間斷，補給間斷時間分別為4 093年、2 191年及2 843年，揭示深層地下熱水的補給并非持續存在而是間斷性發生，主要集中在全新世前寒濕環境。

3.2.2深層地下熱水補給來源

西安凹陷中南部地下熱水3H、14C流動途徑變化趨勢示于圖10。圖10a顯示，深層地下熱水的氚含量都小于1TU，含氚深層地下熱水(埋深在1 000～4 000 m之間的地熱水)分布在28 km以內(長安縣南部)，沿剖面向北30 km之外深層地下熱水沒有氚，地表水氚值在山前臺塬前呈下降趨勢，但其值變化范圍不大。

圖10b顯示，隨著距秦嶺北麓的距離增加深層地下熱水的14C值逐漸增大，說明距秦嶺北麓距離遠，熱儲環境越封閉，深層地下熱水滯留時間越長。

圖10 西安凹陷中南部地下熱水3H、14C流動途徑變化趨勢圖Fig.10 The 3H-14C flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

圖8顯示，深層地下熱水接受補給時δD比常溫水點低10%，反映西安凹陷中南部接受補給時的溫度與現代溫度有較大差別。根據大氣降水δ值與溫度的相關關系，計算得出西安凹陷中南部地下熱水接受補給時的溫度與現今溫度相差6.1～6.8 ℃，與我國北方末次冰期與現今溫度差4～7 ℃、歐美末次冰期與現今溫度差5～9 ℃大致相符[6]。結合圖10a、b可知，西安凹陷中南部深層地下熱水中氚含量小于1TU，14C測年在兩萬年以上，熱儲流體接受補給時的年平均溫度為0.49 ℃，揭示西安凹陷中南部的深層地下熱水補給水源為秦嶺全新世前古大氣降水在寒濕環境下的集中補給。

為了進一步證實深層地下熱水的補給，對研究區地下熱水87Sr進行初步研究。

西安凹陷中南部87Sr/86Sr與Na+關系圖示于圖11。不同水體87Sr/86Sr背景值為鋁硅酸鹽> 0.720；新、古近系油田水0.711 2～0.711 9；河水0.711 0；雨水0.709；海相沉積水0.708。圖11顯示，不同水體水樣點的87Sr/86Sr落在不同的背景值區域附近。

圖11 西安凹陷中南部87Sr/86Sr與Na+關系圖 Fig.11 Relationship between 87Sr/86Sr and Na+ in Xi’an southern sag

西安凹陷南靠近市區的水樣點、太平峪地表水樣點均落在新、古近系油田鹵水及河水附近，而太平峪附近的祥峪森林公園地表水的87Sr/86Sr卻落在雨水線上。靠近秦嶺北麓山前的深井熱水以及淺井則都落在海相沉積水附近。全部水樣點均落在地幔物質范圍較遠的地方，故可基本排除補給來源于地幔的可能性。

祥峪森林公園山前的熱水井(西工大長安校區、西北大學現代學院等)87Sr/86Sr值與祥峪森林公園的地表水十分接近，且熱水井的鍶含量、TDS也都相對其他接近市區的井低得多，故推斷其水巖反應較為微弱，水力條件較好，由于補給區的特征為：TDS值較小，環境較開放，水巖反應較弱，水力條件較好，水的更新能力較強，因此推斷祥峪森林公園可能對秦嶺水進行補給。西安市區深層的熱水樣點都分布在長安-臨潼大斷裂附近，走向為北東，其86Sr/87Sr值接近西南方向太平峪地表水，推斷其接受補給的水源方向是自秦嶺北麓的西南方向。

圖12 西安凹陷中南部87Sr/86Sr與Sr關系圖Fig.12 Relationship between 87Sr/86Sr and Sr of Xi’an southern sag

圖13 西安凹陷中南部地下熱水87Sr/86Sr流動途徑變化趨勢圖 Fig.13 87Sr/86Sr Flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

西安凹陷中南部87Sr/86Sr與Sr關系圖示于圖12。圖12顯示，無論是深井、溫泉還是地表水都呈現出鍶含量變化范圍不大，水巖反應不強而87Sr/86Sr比值跨度較大的現象。可以分成兩大區域，一是西安凹陷南，二是靠近盆地南緣的水樣點。靠近盆地南緣祥峪的熱水井與溫泉的87Sr/86Sr比值非常接近，且鍶含量很低，說明水巖反應不強烈，而南部的鍶含量相對較高，87Sr/86Sr比值接近盆地南緣的太平峪。推測中南部和靠近山前的地下熱水具有不同的水流路徑，路徑上熱儲圍巖的成分差異較大。推斷西安凹陷不同的87Sr/86Sr比值是由不同熱儲圍巖成分所致，并未體現出明顯的時間累積效應。

西安凹陷中南部地下熱水87Sr/86Sr流動途徑變化趨勢圖示于圖13。由圖13顯示，深層地下熱水的87Sr/86Sr比值隨秦嶺北麓距離增加逐漸增大，在距秦嶺北麓距離為11 km之外，其值變化不大呈穩定狀態，淺層地下熱水呈減小趨勢，祥峪森林公園山前的熱水井(西工大長安校區、現代學院等)87Sr/86Sr值十分接近祥峪森林公園的地表水的87Sr/86Sr值，西安市區深層的熱水樣點的86Sr/87Sr值接近西南方向太平峪地表水，推斷其水力條件較好，進一步證實由秦嶺北麓水進行補給。

3.2.3深層地下熱水補給通道

西安凹陷中南部是基巖裂隙和孔隙型地下熱水系統。研究區深層地下熱水在秦嶺北麓接受全新世前古大氣降水及低壓水補給，一部分降水、地表水沿秦嶺山前大斷裂向南運移，秦嶺北麓山前深斷裂帶和渭河斷裂帶既是地下熱水輸送主要通道，又是地下熱水的賦存帶。沿山前斷裂一線，有天然溢出和人工揭露的地下熱水點多處，其氫氧同位素組成相近。另一部分地下熱水在眉縣一帶形成后，沿東西向深斷裂續向東運移，沿長安-臨潼斷裂分布有多處人工揭露的地下熱水點，由于輸送距離加大和沿程地下熱水的側向補給，地下熱水的溫度有所降低，同位素組成呈貧化趨勢。結合同位素與地質構造的研究成因，可以認為長安-臨潼斷裂中的地下熱水與秦嶺北麓山前斷裂中的地下熱水，有明顯的繼承性，輸送補給關系清晰。與東西向深斷裂相交的西安凹陷中南部次一級斷裂系統，仍是深層地下熱水的運移主要通道及賦存帶。

4 小結

(1)西安凹陷腹部深、淺層地下熱水補給高程都為839～1 746 m (補給方向為西南方向。

(2)西安凹陷腹部孔隙型淺層地下水接受現代大氣降水和古大氣降水混合補給， 而深層地下水接受秦嶺全新世古大氣降水補給。

(3)研究區淺、深層地下熱水接受補給時的平均溫度為0.69 ℃。

(4)深層地下水補給年代平均在2萬年以上，中間在13 585～17 678年有補給中斷。

(5)補給環境為孔隙裂隙型地下熱水系統，與秦嶺北麓山前深斷裂相交的西安凹陷次一級斷裂系統是深、淺層地下熱水的輸送通道及賦存帶。

參考文獻:

[1] 王焰新，文冬光，沈照理.深部地下水的起源及其成礦作用[J].地學前緣，1996(3)：274-281.

Wang Yanxin, Wen Dongguang, Shen Zhaoli. Origin of deep groundwater and its ore forming processes [J]. Earth Science Frontiers, 1996(3)：274-281(in Chinese).

[2] 沈照理，王焰新.水巖相互作用的回顧與展望[J].地球科學：中國地質大學學報，2002，27(2):127-133.

Shen Zhaoli, Wang Yanxin. Review and outlook of water-rock interaction studies [J]. Earth Science, 2002，3, 27(2):127-133(in Chinese).

[3] 馬致遠，王心剛.陜西關中盆地中部地下熱水H、O同位素交換及其影響因素[J].地質通報，2008，27(6):888-894.

Ma Zhiyuan, Wang Xingang. Oxygen and hydrogen isotope exchange and its controlling factors in subsurface geothermal waters in the central Guanzhong basin, Shaanxi, China [J]. Geological Bulletin of China, 2008, 27(6):888- 894(in Chinese).

[4] Zhiyuan Ma, Yinkang Zhou, Matthias Hinderer.Environmental Isotope Study on Recharge and groundwater residence time in a Covered Ordovician Carbonate Rock[C]//The proceedings of Tenth Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental impacts of Karst, 2005,9.

[5] 章光新,何巖, 鄧偉.同位素δD與δ18O 在水環境中的應用研究進展[J].干旱區研究,2004,21 (3):225-229.

Zhang Guangxin, He Yan, DengWei. Progresses of the applied study on the isotopic D and18O in aqueous environment [J]. Arid Zone Research, 2004，9, 21(3):225-229(in Chinese).

[6] 段磊, 王文科. 水同位素技術示蹤地下水活動[J].地下水, 2006, 4，28(2):888-894.

Duan Lei, Wang Wenke. Water isotope technology for tracing groundwater movement [J]. Ground water, 2006，4, 28(2):888-894 (in Chinese).

[7] 胡揚,西安凹陷熱儲流體環境同位素水文地球化學演化特征[D].西安：長安大學，2009.

[8] 胡 揚,馬致遠,余娟.關中盆地地下熱水接受補給時溫度及熱儲層溫度的估算[J].地球科學與環境學報, 2009, 31(2)：113-118.

Hu Yang, Ma Zhiyuan, Yu Juan. Estimation of the making-up temperature of geothermy water and the thermal reservoir temperature in Guanzhong Basin [J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2009，31(2)：113-118 (in Chinese).

[9] 田華.關中盆地環境同位素分布特征及水文地質意義[D].西安：長安大學 ，2003.

[10] 馬致遠,牛光亮. 鄂爾多斯盆地渭北東部奧陶系巖溶地下水的補給環境[J]. 地球科學進展,2004,6(19)：161-165.

Ma Zhiyuan, Niu Guangliang. The recharge environment of Ordovician karst groundwater in the east of Weibei in Ordos Basin [J]. Advance in Earth Sciences, 2004，6(19):161-165(in Chinese).

[11] Fou ad Souissi, Radhia Souissi.The Mississippi Valley-type fluorite ore at Jebel Stah (Zaghouan district, north-eastern Tunisia): Contribution of REE and Sr isotope geochemistries to the genetic model[J].Science Direct,2010(7):15-30.

[12] Arjmandzadeh R, Radhia Souissi.Sr-Nd isotope geochemistry and petrogenesis of the Chah-Shaljami granitoids(Lut Block, Eastern Iran)[J].Science Direct，2011,(31):283-296.

[13] 李國敏. 陜西關中盆地地下熱水循環規律研究報告[R]. 西安：陜西省地質調查中心, 2008.

[14] 馬致遠, 錢會. 環境同位素地下水文學[M]. 西安: 陜西科技出版社, 2004.

[15] 馬致遠, 余娟, 李清，等. 關中盆地地下熱水環境同位素分布及其水文地質意義 [J]. 地球科學與環境學報 , 2008, 30(4):396-401.

Ma Zhiyuan, Yu Juan, Li Qing， et al. Environmental isotope distribution and hydrologic geologic sense of Guanzhong Basin geothermal water [J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2008， 30(4):396-401(in Chinese).