花崗巖帶狀熱儲水化學與鍶同位素地球化學特征

高 勝 強，劉 凱，孫 文 潔，郭 朝 斌

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083； 2.中國地質科學院，北京 100037)

0 引 言

江西省明月山地區位于華南加里東褶皺帶中段北緣，新元古代華南與揚子兩大陸板塊的碰撞縫合帶。該區內地熱資源豐富，熱水出露點較多，其中以溫湯鎮溫泉較為聞名，在地熱能利用上有巨大潛力，地熱水資源具有良好的經濟價值，揭示其水化學特征有利于地熱資源保護和合理開發利用。地熱水資源作為一種新型清潔能源，近幾年受到密切關注，得到了廣泛的應用[1-3]。近半個世紀來，水文地球化學研究在地熱資源的勘查與開發利用中發揮了重要作用[4]，國內外大量學者對不同地區的地熱水水化學特征及成因做了分析[5-8]。Giggenbach在1988～1992年間建立了一系列水化學組分三角圖用于研究地熱流體[9]。Frengstad等研究討論了Norway地區地下水中各個元素含量與pH之間的相關關系[10]。李學禮、李鷺等運用水文地球化學方法和同位素、水文地質等法，對江西省部分溫泉的起源、熱水年齡、水化學特征等方面進行了研究[11-14]。本文通過樣品采集分析，根據水化學常量組分、微量組分測試結果，分析研究區不同水體的化學組分和水化學指標，查明當地水文地球化學特征、水質類型，有助于研究當地地熱水的水化學成因，評價地熱水水-巖平衡狀態，了解不同水體的混合作用、分布規律，綜合分析地熱水流體特征。

1 研究區概況

研究區地處湘贛邊界的羅霄山脈北段，萬龍山-溫湯北東向斷裂構造帶兩側，位于114.13°E～114.43°E、27.58°N～27.77°N之間的狹長地帶，北東走向，屬中亞熱帶季風氣候類型，兼具山地氣候特征，四季分明，年平均氣溫為15 ℃，年降雨量為1 624.3～1 832.6 mm，年平均蒸發量為1 319 mm，相對濕度為82%。水資源以大氣降水為主，地表水為沖溝水系，流向以北西、南東為主，溪流多流入袁水，地下水主要源出花崗巖體斷裂帶內及基巖裂隙含水層，研究區內溫湯富硒溫泉即來自于花崗巖斷裂帶。萬龍山-溫湯斷裂呈北東(東)向展布，傾向100°～120°，傾角50°～70°，自宜春溫湯向西南延至蘆溪張家坊，延伸長52 km，斷裂帶寬45～150 m不等。可分為碎裂巖帶、硅化巖帶和片理化帶。本斷裂形成時期為印支期-喜山期，且具有多期次活動的特點。印支期為韌脆性的逆斷層，形成片理化帶；喜山期為脆性正斷層，形成硅化巖帶和碎裂巖帶。

2 樣品采集與檢測

本次研究的采樣工作時間主要集中在2020年4月29日至2020年5月17日，主要從研究區內地熱井及其周圍地表水系取樣，盡可能包含較大水系，同時考慮不同水系之間的距離。共采集地熱水5組，地表水22組，地下冷水2組，泉水10組。取樣位置見圖1。將本次樣品送圭瑞測試科技(北京)進行全分析檢測，送中科院進行同位素檢測。采用Origin 2017分析處理數據，利用AquaChem 2014和MapGIS 67軟件繪制圖件。

3 水化學特征

3.1 水化學組分特征

研究區內水體的陽離子主要由K+、Na+、Ca2+、Mg2+組成，見表1，其中Na+濃度較高，其變化范圍為0.40～46.80 mg/L，平均值為10.73 mg/L。陰離子主要由HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-組成，其中HCO3-整體來說濃度較高，其變化范圍為8.90～124.00 mg/L，平均值為38.86 mg/L。研究區內所有水樣均為淡水，弱酸或弱堿性，TDS值在16～156 mg/L之間，平均值為52.05 mg/L；pH的范圍為6.53～8.76，平均值為7.36。

圖1 研究區水文地質圖Fig.1 The hydrogeological map of the study area

表1 研究區水化學組分統計特征值Tab.1 Statistical characteristic values of hydrochemical components in the study area

3.2 特征組分相關分析

圖2 研究區水樣schoeller圖Fig.2 Schoeller of water samples in the study area

表2 研究區水化學組分相關關系Tab.2 Correlation of hydrochemical components in the study area

3.3 水化學類型特征

圖3 研究區水化學Piper圖Fig.3 Piper diagram of hydrochemistry in the study area

根據Piper三線圖可以很明顯地看出研究區不同水體樣品的水化學類型(見圖3)，三端元圖可以更加直觀地看出不同類型水樣主要陽離子類型(見圖4～5)。地表水主要為Ca(HCO3)2和NaHCO3型水，其中Ca(HCO3)2型水又占很大比重；地熱水以NaHCO3型水為主；泉水以Ca(HCO3)2為主；地下冷水2個樣品均為NaHCO3型水。可以看出：不管哪種水體陰離子均以HCO3-為主，地表水陽離子以Na+、Ca2+為主；地熱水和地下冷水陽離子以Na+為主；泉水的主要陽離子為Ca2+。

為進一步探討研究區內水化學形成機制，將研究區內樣品水化學數據導入Gibbs模型[17]繪制Gibbs圖(見圖6)，該圖可以直觀地反映“大氣降水”“巖石風化”“蒸發結晶”對水的主要成分的控制作用。從圖6中可以看出，研究區內水樣Na+/(Na++Ca2+)、Cl-/(Cl-+HCO3-)均落在Gibbs圖中部，遠離大氣降水與蒸發結晶控制端。由此可知，研究區內水體水化學特征主要受到水-巖作用的影響，研究區內水體主要受大氣降水補給，在水-巖交互作用下對水化學類型的形成有較大的影響。

圖4 研究區Na-K-Mg三端元圖Fig.4 The ternary of Na-K-Mg in the study area

圖5 研究區Na-Ca-Mg三端元圖Fig.5 The ternary of Na-Ca-Mg in the study area

1988年Giggenbach提出Na-K-Mg三角圖[18]，用來評價地下熱水的水-巖平衡狀態，將地下熱水分為完全成熟水、部分成熟水和未成熟的水。圖7為本研究區的Na-K-Mg三角圖。由圖7可知：研究區水樣均落在未成熟水區域，說明地下水為淺循環水體，熱水在運移過程中受到不同程度的淺層地下水的混合作用影響，其水巖反應程度不高。

圖6 研究區水化學Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram of hydrochemistry in the study area

圖7 研究區Na-K-Mg三角圖Fig.7 The Triangle diagram of Na-K-Mg in the study area

3.4 水化學特征系數

在水化學成分中，許多化學組分含量之間存在著某種關系，依據水化學特征系數可以對地下水的成因、所處環境和水-巖作用強度等作出分析[19]。研究區水化學特征系數見表3。

鈉氯系數(γNa/γCl)反映了地下水中Na+的富集程度，可以用來分析地下水的變質程度以及地層的封閉性能。標準海水中γNa/γCl的比例系數平均為0.85，巖鹽層溶濾形成的地下水γNa/γCl約為1，受大氣降水淋濾作用影響的地下水γNa/γCl一般大于1，經過陽離子交替吸附和強烈的水-巖相互作用的沉積水的γNa/γCl小于0.85[20]。從表3可以看出：研究區內地熱水、地下冷水和泉水γNa/γCl的值均大于1，說明研究區內的地下水不是海相沉積水，受到大氣降水淋濾作用影響。

由于海水中的Mg總比Ca大的多，其γMg/γCa約等于5.5，一般地下水不可能達到如此高值[21]。研究區內地下水γMg/γCa值遠小于海水比值，結合鈉氯系數說明研究區內地下水成因主要受大陸溶濾水演化的影響。

表3 水化學特征系數Tab.3 Characteristic coefficients of water chemistry

脫硫系數(100×γSO4/γCl)是指示地下水環境氧化還原程度的重要指標，脫硫系數越小說明還原環境越強，同時地下水封閉性越好，脫硫系數小于1的地下水一般認為還原徹底，埋藏環境封閉性良好；反之，還原作用不徹底，可能受淺表層氧化作用的影響[22]。研究區地下水脫硫系數遠大于1，說明地下水含水層封閉性較差，可能與溫湯鎮地表回灌井回灌有關。

3.5 鍶同位素

大氣降水中Sr2+濃度通常很低，相比于地下水可以忽略，所以地下水中Sr濃度很大程度上取決于地下水與含水介質的水-巖交互作用[23]。從圖8中可以看出：地表水、泉水中Ca2+濃度與Sr2+濃度有較好的正相關關系，一方面是鍶、鈣在元素周期表處于同一主族，具有相同的性質；另一方面說明兩者經歷了相似的水-巖作用而地熱水中Sr2+/Ca2+值略高，偏離擬合曲線，結合離子之間的相關性分析，主要原因是溫度升高，水-巖作用增強，水中Ca2+與巖石中K+、Na+發生置換。

目前的研究普遍認為全球范圍內硅酸巖風化來源Sr的87Sr/86Sr比值應為0.716～0.720，而碳酸鹽巖風化來源Sr的87Sr/86Sr比值通常為0.708～0.709[24]。本次研究區內樣品87Sr/86Sr比值平均為0.7247，全部樣品87Sr/86Sr比值均大于0.716，同時Sr2+濃度小于0.05 mg/L，表明研究區內Sr同位素來源符合硅酸巖風化特征。研究區內水樣按照Sr2+濃度可以分為3組(低濃度0.001～0.018 mg/L，中濃度0.023～0.031 mg/L，高濃度0.039～0.049 mg/L)(見圖9)，低濃度組出現兩個87Sr/86Sr比值異常點。低Sr2+濃度主要以地表水和泉水為主，其循環時間較短，水-巖交互作用弱，高87Sr/86Sr比值的異常點為地下冷水，可能由于其埋深較大，循環時間久導致更多的87Sr同位素溶入水中。低87Sr/86Sr比值的異常點為泉水，處于87Sr/86Sr比值海水均值線上，造成這一原因更多是由于沒有經過過多水巖作用，直接來自大氣降水。中濃度組和高濃度組多為地熱水，Sr2+含量高可能與非放射性成因的Sr含量高有關，也可能是與溫度升高提高了Sr2+的溶解度有關，其形成機理需要進一步研究[25]。

圖8 Ca2+和Sr2+濃度關系Fig.8 Relationship between Ca2+ and Sr2+ concentrations

圖9 87Sr/86Sr比值和Sr2+濃度關系Fig.9 Relationship between87Sr/86Sr and Sr2+ concentrations

4 結 論

(1) 通過對研究區39個水樣品水化學組分測試數據的分析得出：地表水主要為Ca(HCO3)2和NaHCO3型水，其中Ca(HCO3)2型水占比較大，地熱水以NaHCO3型水為主，泉水以Ca(HCO3)2為主，地下冷水2個樣品均為NaHCO3型水。研究區水體水化學類型主要受到水巖作用的影響，其中地熱水的TDS、pH高于其他水體，且隨著溫度的升高，Ca2+、Mg2+對TDS的影響減弱，K+、Na+的影響增強。地熱水的水溫受SO42-的影響最為強烈，可作為熱水的指示性離子。對于地表水和泉水，Ca2+、Mg2+、HCO3-兩兩之間相關性較強，說明物質來源比較相似。

(2) 水化學特征系數研究表明：研究區內地熱水、地下冷水和泉水γNa/γCl的值均大于1，結合γMg/γCa系數，說明研究區內地下水成因上主要受大陸溶濾水演化的影響。由脫硫系數可以得出研究區內地下水含水層封閉性較差，可能與溫湯鎮地表回灌井回灌有關。

(3) 通過對鍶同位素的分析，發現所采水樣Sr2+、Ca2+表現出很強的正相關關系，地熱水及地下冷水出現向Sr2+偏移，說明溫度、循環時間對Sr2+產生較大影響。根據Sr2+的濃度，所采水樣可明顯地分為三組，在87Sr/86Sr比值上沒有出現很大的差異，表明Sr2+含量升高可能與非放射性成因的Sr含量高有關，也可能是與溫度升高從而提高Sr2+的溶解度有關。

(4) 通過對研究區內不同類型水樣水化學組分的研究，分析不同類型水樣之間的特征聯系規律，可以為明月山地區地熱水持續開發利用提供基礎資料，為整個環武功山地區地熱資源的研究提供樣本資料。