南京湯泉地下熱水化學特征及其指示意義

徐成華， 于丹丹， 駱祖江

(1.江蘇省地質礦產局第一地質大隊， 南京 210041； 2.河海大學地球科學與工程學院， 南京 210098)

地熱資源作為環保型的可再生能源，對其成因機制、賦存環境、運移規律的充分認識，是指導地熱資源合理、有效、可持續開發利用的必要前提。地熱流體中水化學組分及其同位素特征分析，是展開相關研究的有效手段[1-2]，劉明亮等[3]、高宗軍等[4]利用主要陰陽離子特征，探討了地熱流體中主要組分的地球化學起源及深部熱儲賦存特征；鄭西來等[5]、龐忠和等[6]、王治祥等[7]利用陽離子地熱溫標法、SiO2地熱溫標法計算了漳州、渝東南部等地熱區熱儲溫度；張衛民[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系對比分析，確定了地下熱水的補給高程及補給來源；徐國芳等[10]、吳敏[11]利用Sr離子含量及鍶同位素比值87Sr/86Sr的關系，揭示了深部地熱流體賦存環境等。前人對南京市地熱資源的開發研究做了很多有意義的工作，較為系統的研究集中在南京湯山地區，鄒鵬飛[12]、Lu等[13]利用水文地球化學、氘氧同位素、14C同位素特征確定了湯山地熱水補給來源、形成歷史、運移機制及冷熱水混合效應，而關于南京湯泉地熱水來源的相關研究未見。

鑒于此，本文以南京湯泉地區地下熱水為研究對象，首次通過水化學及同位素地球化學方法對比分析不同水樣，結合地下熱水δD-δ18O同位素及87Sr/86Sr的特征，對地下熱水的來源、熱儲溫度、熱儲環境等進行詳細分析論述，深化對研究區地下熱水的認識，以期能為研究區地熱系統綜合研究提供借鑒，并為其可持續開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

湯泉位于南京主城區西部，地下熱水蘊藏豐富、開發利用歷史悠久，有“中國溫泉之鄉”“十里溫泉帶”的美稱，日流量達4 590 t，最高水溫達47 ℃，含有三十多種對人體有益的微量元素。湯泉鎮地理位置為118°27′03″～118°31′48″E，32°04′07″～32°06′04″N，大地構造單元屬低山丘陵地貌，隸屬揚子準地臺下揚子臺褶帶，溫泉點及地熱井點均位于老山凸起與六合-全椒凹陷的交接部位(如圖1所示)，地勢東南高、西北低，斷層及裂隙構造發育。南側老山復背斜，呈北東東向展布，主峰龍洞山(亦名大剌山)海拔442 m，震旦系上統白云巖、灰質白云巖在核部出露，在山前崗地平原傾沒，該套碳酸鹽巖地層巖溶裂隙發育，地層厚度較大，是研究區開發利用的主要熱儲層，上部覆蓋寒武系上統薄層白云巖、白堊系上統粉細砂巖及新近系、第四系松散沉積地層，如圖2所示。

圖1 區域構造及采樣位置Fig.1 Regional structure and locations of sampling point

圖2 老山地區水文地質剖面示意圖Fig.2 Hydrogeological profile in the Laoshan Field

2 水化學特征

2.1 不同水體水化學特征

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

采樣過程中，對于有抽水條件的地下水采樣點，預排水0.5 h左右，確保采集到原位地下水。樣品均在現場過濾0.45 μm濾膜，收集于經過待取水樣潤洗三次的耐高溫聚四氟乙烯瓶。對于陽離子和微量元素樣品，現場滴入1 mL濃硝酸進行保護；對于不穩定的水化學參數，如pH、電導率(EC)、溶解性總固體(TDS)用經校正后的Hach水質分析儀現場測定。陰、陽離子采用等離子體質譜儀(X2 ICP-MS)、全譜直讀光譜儀(iCAP6300)測定，測試工作在自然資源部南京礦產資源監督檢測中心完成；D、18O 同位素采用液態水同位素分析儀(LGR, DLT-100)測定，鍶同位素比值87Sr/86Sr采用熱表面電離質譜儀(Phoenix)測定，測試工作在中國科學院地理科學與資源研究所完成，部分水化學及同位素測試數據如表1所示。地下熱水開采井井口溫度為32～46 ℃(TQ-H-3號井排水時間不足，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，水化學類型以SO4-HCO3-Ca/HCO3-SO4-Ca-Na型為主，其中TQ-C-1采樣點靠近TQ-H-1熱水井，井深達到了碳酸鹽巖分布深度，受到碳酸鹽巖溶解影響，水化學類型為SO4-Ca-Mg型；地表水礦化度最低，為130～224 mg/L，均值171 mg/L，水化學類型以HCO3-Ca型為主。水化學piper三線圖如圖3所示，顯示地表水樣點相對集中，地下冷水樣點分散，并且與地下熱水分

布區域不同，這些水化學組成特征的差異，表明地下熱水與淺層地下冷水經歷的水巖作用過程不同，深層地熱水形成過程中與淺層冷水水力聯系不密切。

圖3 湯泉地區不同水樣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 水化學及同位素測試數據

續表1

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

表2 礦物飽和指數計算結果

此外，還可能存在陽離子交換過程造成熱水中 Ca2+、Mg2+含量升高，化學反應如下：

(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+含量相對較低，不利于置換吸附能力更強的Ca2+、Mg2+，因此，陽離子交換作用對Ca2++Mg2+含量升高貢獻甚微。

2.3 地熱溫標估算熱儲溫度

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

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

礦物飽和指數計算結果顯示湯泉地區地下熱水石英、玉髓均達到平衡狀態，因此，本次應用石英溫標計算其熱儲溫度，計算結果如表3所示。從結果中可以看出，無定形硅溫標、α-方石英溫標、β-方石英溫標的計算結果比現場溫度低，甚至出現負值，與實際不符。玉髓溫標略高于井口溫度，與實際情況相吻合，計算結果最可靠。

表3 二氧化硅地熱溫標計算結果

南京湯泉地區熱儲溫度63～75 ℃，屬正常地熱背景條件下的中低溫地熱資源，其中TQ-H-3號井在本次采樣之前處于靜置狀態，現場采樣條件不允許長時間抽水，采取的水樣是與淺部達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，故本次現場測試溫度以及玉髓溫標的計算溫度都較低。

3 地下熱水補給源分析

圖6 湯泉地區水樣δD-δ18O關系圖Fig.6 δD-δ18O plot of water samples from Tangquan

本次獲取研究區氘氧同位素水樣20組，將δD、δ18O投點至δD-δ18O關系圖上，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，數據分布在南京大氣降水線(local meteoric water line，LMWL)[13]的右下方，表現出受到蒸發作用的影響；地下冷水其次，地下熱水最為貧化，二者數據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，說明區內地下熱水、冷水的補給主要來源于大氣降水入滲補給，并且與地表水聯系不緊密。

地下熱水的δ18O主要集中在d=15%～20%(d=δD-8δ18O，d為D剩余參數)，沒有發生明顯的正向漂移，說明水巖作用環境不是很封閉，還原作用相對較弱[18]。這與區內地質構造及熱儲層巖性有著密切的關系，取樣點位于老山西北側斷裂帶，使得原本封閉的碳酸鹽巖地熱儲層多發育空隙、裂隙而相對開放，熱水流動性較好，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-巖作用沒有達到水巖平衡狀態。

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

利用δ18O降水同位素高程效應計算地下水補給高程的公式為

(6)

式(6)中：h補給為地下水補給高程，m；δ地下水為地下水樣品同位素組成；δ降水為參考點水樣的降水同位素組成；k取中國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地面高程，參考點取全球降水同位素監測網(global network for isotopes in precipitation,GNIP)南京觀測站(高程26 m)。地下熱水補給高程計算結果如表4所示。

表4 湯泉地區地下熱水補給高程計算結果

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

4 87Sr/86Sr確定熱儲地層

鍶同位素在地質過程中不發生分餾，而主要是受到 Sr 來源的控制[20]，不同的礦物具有不同的87Sr/86Sr。地下水流經不同的礦物體，在礦物溶解的過程中，部分 Sr 會由礦物轉入水體，從而使水體具有與巖石相似的87Sr/86Sr[21-22]，因此水中的87Sr/86Sr可以用來判定地下水來源。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]。本次南京湯泉地區研究測試的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，完全落在碳酸鹽來源的鍶同位素比值87Sr/86Sr范圍內，如圖7所示，表征該區域熱儲流體以碳酸鹽溶解為主。結合該區地質構造條件，推測地下熱水流經震旦系上統燈影組，其巖性為富含碳酸鹽礦物的白云巖，地下水在流經過程中與碳酸鹽礦物發生水巖反應，87Sr/86Sr呈現為低比值，表明地下熱水具有在碳酸鹽巖地層中長時間深循環特征。由圖7可以看出，地下熱水分布在高Sr含量、低87Sr/86Sr區，地下冷水分布在低Sr含量、高Sr同位素比值87Sr/86Sr區，二者差異明顯，說明兩者之間的聯系非常微弱，與前文分析一致。

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

5 結論

(2)δD-δ18O關系圖中水樣點與大氣降水線的關系表明，研究區地下熱水、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，是來自高程較高、δD-δ18O 值更貧化的大氣降水，計算結果表明，其補給高程為321～539 m。

(3)地下熱水87Sr/86Sr呈現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時間深循環特征，與淺層地下冷水聯系不緊密，結合其補給高程范圍值，認為地下熱水的補給區為老山復背斜構造內的碳酸鹽巖裸露區。