桃源縣礦區地下水同位素特征分析

歐陽波羅，劉聲凱，趙 凱

（湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南 長沙 410000）

1 研究區概況

研究區在地熱構造上位于花垣—張家界—慈利區域性深大控熱斷裂的北東端南東延伸帶上，屬斷裂控制的帶狀熱儲。自老到新出露的地層巖性為寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls）白云巖；奧陶系下統南津關組（O1n）、分鄉組（O1f）、紅花園組（O1h）灰巖、白云質灰巖等，奧陶系下統大灣組（O1d）灰巖、泥灰巖及硅質灰巖；奧陶系中上統（O2+3）泥裂狀灰巖、瘤狀泥灰巖；志留系（S）頁巖、砂質頁巖、泥質粉砂巖、砂巖等；泥盆系云觀臺組（D2yn）石英砂巖、夾砂質頁巖；白堊系（K）泥質粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖夾礫狀砂巖。

研究區區域上屬于武陵山隆起帶的東端，主體構造為熱市背斜、北邊為七姑山壓性斷裂（F1）、東邊為周家溶扭性斷裂（F2）、南邊為熱市張性斷裂（F3）、仙西邊娘廟張扭性斷裂（F5）。前人研究指出，研究區內七姑山壓扭性斷裂構成了區域內的北西部隔水邊界，對地下水的補給、徑流起著控制作用，周家溶扭性斷裂是地熱田北東側的隔水邊界，熱市斷裂為區內地下熱水的導熱、導水、儲水、儲熱構造，其上盤為南東側隔水邊界，從平面上而言，上述斷裂在熱市、菖蒲一帶構成一個北西-北東-南東三面封閉的空間。

2 取樣結果及分析

為了查明研究區地下熱水來源，針對研究區的地下水，筆者分別取了氘氧同位素、14C同位素、硫同位素和鍶同位素進行分析。取樣的情況包括11組氘氧同位素樣品、3組14C樣品、8組鍶同位素樣品。

2.1 氘氧同位素

氘氧同位素的取樣結果如表1所示。

長沙降水線方程為δD=8.4δ18O+15。如圖1所示，研究區的大氣降水數據與長沙的降水線能夠比較好的吻合，表明長沙降水線當作本地的大氣降水線有較好的參考作用。

研究區普通地下水及大氣降水基本上落在長沙降水線上，表明區內普通地下水的來源即為大氣降水。研究區溫熱水，亦落在長沙降水線附近，其中枯水期的ZK2、B033、B036幾乎挨著長沙降水線，與大氣降水線有比較好的吻合，表明研究區溫熱水的來源亦為大氣降水。

其中B032點豐水期數據為（-6.03，-48.07），而其枯水期數據為（-9.7，-57.2）。分析認為主要是區內溫熱水在豐水期時混入了部分普通地下水或河水的直接補給，使得其測試結果落點呈現由枯水期位于長沙降水左側向右偏移直至長沙降水線右側下方。

B032、B036及ZK2等溫泉位于同一個斷裂帶上，其溫泉水有著相同的理化性質，有著同一種來源，為深部斷裂地下水。受氧-18漂移影響，各個點的18O值存在不同程度的漂移，在δD—δ18O關系圖上呈現一定的相對位移。

2.2 鍶同位素

地下水中的鍶同位素組成主要與補給區水的化學成分、圍巖的地球化學性及地下水系統中的水—巖相互作用，及地下水在含水層中的滯留時間和不同地下水的混合有關。

表2 鍶同位素（87Sr/86Sr）的測試成果表

如表2所示，本次研究共采取了8組樣品。鍶同位素的值大小不一，其中最大的值為RD01（熱市河：地表水），其值為0.741，超出了常規范圍。

據調查，RD01位于一方解石礦加工廠旁邊的河流之中，然本次未針對工廠污水進行同步取樣分析，但位于工廠下游約1.1km的RD02（熱市河：地表水）的鍶同位素值趨于正常。分析認為RD01樣品中鍶同位素異常增大主要原因是：鍶的類質同像替代原礦物中的鈣，形成了少量的碳酸鍶礦，在方解石礦加工成方解石粉過程中部分碳酸鍶粉末隨著加工過程中形成的污水一起排入和熱市河谷中。而本次取樣的RD01位于排污口附近，使得RD01樣品中的鍶同位素值較一般水樣要高。

除此，B017的值也偏離均值較多，據調查B017點為志留系頁巖。頁巖為粘土巖，含有高嶺石、蒙脫石等含硅質粘土礦物和云母等礦物碎屑，這些礦物中的K元素可以與87Rb互相替換，再通過β衰變產生87Sr。隨著87Rb的衰變，在含87Rb高的礦物中，其87Sr會逐漸增多。

A028泉水含水巖組為白堊系下統泥質粉砂巖、泥巖等，但據水質分析報告顯示，其中K的含量并不高，所以A028的鍶同位素值達不到B017值的大小。

據目前大量的研究資料，普遍認為全球范圍內硅酸鹽的風化來源的鍶同位素比值為0.716～0.720；碳酸鹽來源的鍶同位素比值為0.708。

A007與B013-1的值均為0.715，非常接近，兩者的化學性質和其余同位素值也相當接近，主要是其含水巖組大致相當所致，均為碳酸鹽巖巖溶水，其含水巖組其間有部分泥質，使得二者的鍶同位素比值較碳酸鹽來源的鍶同位素比值要大。

巖溶水流動途徑的增長，鍶含量的增加，鍶同位素比值（87Sr/86Sr）減少，是典型的碳酸鹽中水—巖作用的結果，碳酸鹽的溶解是控制87Sr/86Sr的主要過程。

B032、B034為溫泉，其鍶同位素值較為接近，溫熱水的含水層為奧陶系巖層，其理化性質和同位素值也較為接近，表明兩點有相同的地下熱水來源，進一步驗證了氘(D)與氧(18O）、δ34S同位素關于區內地下水的補給來源為大氣降水的推斷。如前所述，碳酸鹽來源的鍶同位素比值為0.708，而本次研究中B032與B034值略高于此，筆者認為原因在于含水巖組夾有泥質灰巖、泥質頁巖等，這與預可行性勘查階段2個鉆孔均揭露到泥質灰巖、泥質頁巖是相吻合的，泥質灰巖、泥質頁巖中所含有的87Rb衰變而導致鍶同位素比值高于0.708，再經由地下熱水的深循環，鍶同位素值變成了0.711。相對普通巖溶水而言，研究區溫熱水中鍶同位素比值要小，表明研究區溫熱水流動途徑比普通巖溶水要遠的多。

3 結論

根據對δD—δ18O關系圖中水樣點與現代大氣降水線的關系研究分析，研究區溫熱水的來源為大氣降水，受氧-18漂移影響，各個點的18O值存在不同程度的漂移。

鍶同位素對水的來源有較好的指示作用，巖溶水流動途徑的增長，鍶含量的增加，鍶同位素比值（87Sr/86Sr）則會降低。研究區內溫熱水中鍶同位素比值（87Sr/86Sr）約為0.711，說明其主要來源為巖溶水且徑流途徑較普通巖溶水要長的多。研究區內溫熱水的14C年齡為22.96 ka，對比其它地下水而言，14C年齡值要大的多，進一步表明研究區內溫熱水具有較長的徑流途徑。