重慶市溫塘峽背斜地下熱水資源特征研究

楊雷，肖瓊，沈立成

（西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國重慶 400715）

重慶市溫塘峽背斜地下熱水資源特征研究

楊雷*，肖瓊，沈立成

（西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國重慶 400715）

選取重慶市溫塘峽背斜作為研究區(qū)域，采用水化學(xué)方法，探討了該區(qū)內(nèi)地下熱水資源特征．研究發(fā)現(xiàn)，由于地質(zhì)背景條件基本相同，溫塘峽背斜地下熱水水文地球化學(xué)特征比較接近，水化學(xué)類型為SO4-Ca（Mg）型，且熱水中含有較多鍶、氟、鋰、硼以及硫化氫、氡氣等對(duì)人體健康有醫(yī)療保健作用的微量元素和氣體成分，是較優(yōu)的醫(yī)療熱礦水．大氣降水是本區(qū)地下熱水的主要補(bǔ)給源，補(bǔ)給高程約960 m，主要熱儲(chǔ)含水層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組地層（T1j）．Na-K-Mg圖解模型顯示，5個(gè)泉點(diǎn)樣品投點(diǎn)均落在Mg1/2角，屬于未成熟水，表明該區(qū)水巖反應(yīng)平衡溫度不高，可能有冷水混入．多礦物平衡圖解顯示，5種礦物中，只有石英的lg（Q/K）-T曲線最接近飽和線，根據(jù)此曲線估測的該區(qū)熱儲(chǔ)溫度為65～82℃，與運(yùn)用石英溫標(biāo)計(jì)算所得熱儲(chǔ)溫度基本一致．

地下熱水;資源特征;溫塘峽背斜;重慶市

地下熱水作為一種特殊的水資源，由于其能源價(jià)值、療養(yǎng)價(jià)值、休閑娛樂帶來的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一直以來受到人們的廣泛關(guān)注，尤其在水資源短缺、能源危機(jī)四伏的21世紀(jì)，合理地開發(fā)利用好地下熱水資源尤顯重要．重慶屬于地?zé)豳Y源的相對(duì)集中區(qū)［1］，但因缺乏對(duì)熱水資源的基本特征以及水文地質(zhì)方面的研究，從而無法對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)利用作出合理的規(guī)劃布局，資源環(huán)境得不到科學(xué)保護(hù)［2］．為此，作者對(duì)重慶市溫塘峽背斜溫泉群選取了5個(gè)泉點(diǎn)進(jìn)行了長達(dá)一年的詳細(xì)監(jiān)測，對(duì)該區(qū)溫泉水的來源有了初步的結(jié)論，同時(shí)對(duì)該區(qū)溫泉水的地球化學(xué)特征進(jìn)行了深入探討，希望能為重慶市打造“溫泉之都”，合理開發(fā)利用地下熱水資源提供幫助．

1 研究區(qū)概況

溫塘峽背斜屬于二級(jí)大地構(gòu)造單元四川臺(tái)坳的川東平行排列的隔擋式褶皺束中華鎣山構(gòu)造帶向西南的梳狀分支［3］．區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，同時(shí)發(fā)育有青木關(guān)壓扭性逆沖斷層，位于溫塘峽背斜核部，北東向延伸長30 km，傾向北西，傾角35°～80°，切穿須家河組和嘉陵江組地層［4］．區(qū)內(nèi)出露地層主要有下三疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和石膏互層，中三疊系雷口坡組（T2l）白云質(zhì)灰?guī)r、泥頁巖，上三疊統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、碳質(zhì)頁巖（圖1）．區(qū)內(nèi)溫泉水溫主要來自地?zé)嵩鰷兀缓笱財(cái)嗔选⒘严渡仙恋孛妫|(zhì)與嘉陵江組和雷口坡組的石膏層及碳酸鹽巖有關(guān)，本區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量為1 087 mm，年均氣溫18℃［4-5］．

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)背景條件

2 樣品采集及分析方法

2．1 野外測定

在重慶市溫塘峽背斜一共選取5個(gè)溫泉泉點(diǎn)（BWQ、SWZ、QMG、LGQ、QMH）進(jìn)行水化學(xué)分析．現(xiàn)場測量各泉點(diǎn)水溫（T）、pH、電導(dǎo)率（Ec）、HCO3－和Ca2+．溫度、pH值和電導(dǎo)率用美國Hach公司便攜式水質(zhì)分析儀測定，其精度分別為0．1℃、0．01和0．1 mS·m－1;HCO3－和Ca2+采用德國Merck公司便攜式試劑盒，精度分別為0．1 mmol·L－1和2 mg·L－1．

2．2 樣品采集和實(shí)驗(yàn)室分析

采樣前，用水樣潤洗取樣瓶3～4次，現(xiàn)場用直徑50 mm，0．45 μm的醋酸纖維脂膜過濾水樣后，存儲(chǔ)于500 mL聚乙烯樣品瓶中，立即放入便攜式冰袋保存，12 h內(nèi)運(yùn)至室內(nèi)4℃冷藏，用于水中陰離子檢測;另取過濾后水樣裝于事先用體積比1∶1的HNO3溶液清洗過的50 mL聚乙烯取樣瓶中，立即加體積比1∶1優(yōu)級(jí)純硝酸溶液5～8滴，調(diào)節(jié)pH值＜2，12 h內(nèi)運(yùn)至室內(nèi)4℃冷藏，用于水中陽離子檢測．采樣結(jié)束立即返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品測試．Cl－使用AgNO3滴定法（0．1 mg·L－1），測定采用紫外分光光度計(jì)（0．01 mg· L－1）;陽離子用ICP-OES Optima 2100 DV測定（0．001 mg·L－1）．實(shí)驗(yàn)均在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院水化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室和同位素實(shí)驗(yàn)室完成．

3 結(jié)果與討論

3．1 水化學(xué)分析

3．1．1 水化學(xué)類型表1中顯示，研究區(qū)地下熱水溫度為28℃～36℃，pH值呈中性（6．8～7．5之間），電導(dǎo)率普遍較高，均超過150 mS·m－1，Ca2+、Mg2+、HCO3－含量均非常高，占到陰陽離子總量的近97%，其中尤以和Ca2+為主，分別占到陰、陽離子總量的67%和76%以上，屬于硫酸鹽型中溫微堿熱水．此外，泉水中含有多種微量元素，其中含量稍大的有氟、鍶、鐵、錳、鋇等，另外還含有鈷、鎳、鉻、鎢等，同時(shí)有些熱水中還存在較多的硫化氫氣體和少量放射性元素［6］，其中鍶、氟、鋰、硼以及硫化氫、氡氣等微量元素和氣體成分對(duì)人體健康有醫(yī)療作用，所以是較優(yōu)的醫(yī)療熱礦水．表1中數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)內(nèi)溫泉水的各種水化學(xué)指標(biāo)相差不大，水化學(xué)特征比較接近．圖2是根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)作出的矩形水化學(xué)圖［6］，可以清楚看出，該區(qū)溫泉水化學(xué)類型為SO4-Ca（Mg）型．

表1 溫塘峽背斜溫泉水水樣分析數(shù)據(jù)

3．1．2 離子來源地下熱水水化學(xué)成份受地下熱水儲(chǔ)存和運(yùn)移的地球化學(xué)環(huán)境控制，通過它們可以反映熱水儲(chǔ)存運(yùn)移過程中的介質(zhì)條件以及循環(huán)交替過程［7-8］．溫塘峽背斜溫泉水化學(xué)性質(zhì)基本一致，各離子濃度相差不大，表明該區(qū)溫泉水儲(chǔ)存運(yùn)移過程中的介質(zhì)條件和循環(huán)交替條件大體相似．圖3顯示的是溫塘峽背斜各泉點(diǎn)主要離子的變化情況，很明顯和Ca2+、Mg2+濃度之間存在很好的正相關(guān)性，而HCO3－濃度卻表現(xiàn)出與這3種離子濃度存在反相關(guān)關(guān)系．羅云菊等［7］對(duì)重慶市溫泉水氫、氧同位素研究表明，δD和δ18O值都落在大氣降水線附近，表明重慶市周邊溫泉水主要補(bǔ)給途徑是大氣降水．另據(jù)林耀庭等［9］研究，四川盆地三疊系嘉陵江組和雷口坡組地層為海相碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖（硬石膏）間隔分布．故此，可以推斷高含量的Ca2+、Mg2+和可能是由于大氣降水補(bǔ)給進(jìn)入三疊系嘉陵江組和雷口坡組灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r（含硬石膏層）地層，在充分發(fā)生水-巖作用后再沿?cái)嗔选⒘严哆\(yùn)移至地表的結(jié)果［10］．

圖2 溫塘峽背斜溫泉矩形水化學(xué)圖（孫亞喬，2007）

四川盆地三疊系δ34S有極強(qiáng)的分布規(guī)律，同層段硬石膏中的δ34S值基本相近，而不同層段硬石膏中的δ34S值有所不同［11］．本區(qū)熱水SO24－中的δ34S值范圍為32．14‰～33．62‰，這與三疊系嘉陵江組二段（T1j2）硬石膏中δ34S值（32．5‰～35．4‰）十分接近［7］．因此，進(jìn)一步證實(shí)了本區(qū)熱水中濃度異常高的Ca2+、是主要來自于嘉陵江組地層的硬石膏溶解，同時(shí)也可以基本確定嘉陵江組地層為本區(qū)的熱儲(chǔ)含水層．

圖3中表現(xiàn)出的HCO－3和Ca2+、Mg2+濃度呈現(xiàn)出明顯的反相關(guān)性，可能是熱水在運(yùn)移過程中發(fā)生水-巖作用，溶解硬石膏，產(chǎn)生大量的，在一定程度上抑制了CaCO3的溶解所導(dǎo)致的．

圖3 溫塘峽背斜各泉點(diǎn)水樣主要離子濃度的變化

3．2 熱水補(bǔ)給高程估算

羅云菊等［8］研究已經(jīng)表明大氣降水是重慶市周邊地下熱水的主要補(bǔ)給源，而大氣降水的氧同位素具有高程效應(yīng)，根據(jù)于津生等［12］川西藏東地區(qū)δ18O高程效應(yīng)的研究，其δ18O梯度值為－0．26‰/100 m．重慶青木關(guān)部隊(duì)駐地的暗河出口水是由其南側(cè)青木關(guān)天池（高程465 m）補(bǔ)給，因此可以以暗河出口處水的δ18O（－6．63‰）值代表該區(qū)465 m高程降雨中的氧同位素組成．由此可以得到計(jì)算該區(qū)熱水補(bǔ)給高程的公式:

公式中:R為地下熱水的δ18O值，H為補(bǔ)給高程．本區(qū)地下熱水δ18O平均值為－7．92‰，計(jì)算的本區(qū)地下熱水補(bǔ)給高程為960 m左右，因此判斷熱水可能來源于溫塘峽背斜北端的巖溶露頭區(qū)．

3．3 水-巖平衡狀態(tài)分析

3．3．1 Na-K-Mg圖解圖4顯示的是研究區(qū)溫泉水樣品在Giggenbach（1988）提出的Na-K-Mg圖解模型［13］中的分布情況．圖中顯示所有樣品投點(diǎn)均落在Mg1/2角附近，屬于未成熟水，表明該區(qū)溫泉水樣中Mg2+的含量很高，水-巖反應(yīng)平衡溫度不高．因此，推斷該區(qū)熱儲(chǔ)溫度比較低，也可能是在熱水運(yùn)移至地表過程中混入了淺層冷水所致．因此在計(jì)算熱儲(chǔ)溫度時(shí)，不適合用陽離子地球化學(xué)溫標(biāo)進(jìn)行計(jì)算．

3．3．2 多礦物平衡圖解多礦物平衡圖解廣泛用以判斷地?zé)嵯到y(tǒng)中熱液與礦物之間總體的化學(xué)平衡狀態(tài)［14-15］，飽和指數(shù)（SI）是此圖解中的重要指標(biāo)，可以定義為:

圖4 溫塘峽背斜溫泉水水樣的Na-K-Mg圖解

其中，Q是計(jì)算的離子活度;K是平衡常數(shù)．SI可以判斷每種礦物的平衡狀況，即SI＞0，表示過飽和;SI=0，表示平衡狀態(tài);SI＜0，表示不飽和．采用美國地質(zhì)調(diào)查局的FHREEQC模型［16］，對(duì)水樣進(jìn)行了熱力學(xué)反應(yīng)過程模擬，計(jì)算出了5種常見的礦物（無水石膏、玉髓、石英、無定形硅、滑石）在不同溫度下的SI值，得到每個(gè)樣點(diǎn)熱水的lg（Q/K）-T曲線（圖5）．

圖5顯示，所有樣點(diǎn)的lg（Q/K）-T圖解中無定形硅在參考溫度下均處于未飽和狀態(tài)，而滑石均遠(yuǎn)離飽和線．a(chǎn)、b樣點(diǎn)5種礦物的lg（Q/K）-T曲線比較類似，玉髓、硬石膏和石英均比較接近飽和線，且硬石膏和石英的lg（Q/K）-T曲線交點(diǎn)正好落在飽和線lg（Q/K）=0，所對(duì)應(yīng)的溫度為77℃左右，表明a、b點(diǎn)的熱儲(chǔ)溫度可能都在77℃左右．c、d、e樣點(diǎn)中滑石未達(dá)到飽和，且石英較玉髓更接近飽和線，說明石英可能是起平衡作用的礦物，因此，石英的平衡溫度更能代表這3個(gè)點(diǎn)的熱儲(chǔ)溫度，故c、e點(diǎn)的熱儲(chǔ)溫度在70℃左右，d點(diǎn)的熱儲(chǔ)溫度在65℃．

圖5 溫塘峽背斜溫泉溫泉水樣的多礦物平衡圖解

3．3．3 熱儲(chǔ)溫度估算據(jù)Na-K-Mg圖解和多礦物平衡圖解綜合判斷石英溫標(biāo)比較適合該區(qū)的熱儲(chǔ)溫度估算．表2是3種石英溫標(biāo)［17-18］估算的各點(diǎn)熱儲(chǔ)溫度范圍，與圖5中得出的各點(diǎn)熱儲(chǔ)溫度比較一致．因此用石英溫標(biāo)估算出來的熱儲(chǔ)溫度范圍是比較可信的，所以該區(qū)熱儲(chǔ)溫度范圍在65～82℃（表2）．

表2 溫塘峽背斜各泉點(diǎn)熱儲(chǔ)溫度估算值（單位:℃）

4 結(jié)論

（1）溫塘峽背斜地下熱水屬于硫酸鹽型中低溫微堿地?zé)崴瘜W(xué)類型為SO4-Ca（Mg），泉水中含有多種對(duì)人體有益的微量元素和氣體成分，具有很好的保健療養(yǎng)功能．

（2）大氣降水是本區(qū)地下熱水的主要補(bǔ)給源，補(bǔ)給區(qū)可能是溫塘峽背斜北端的巖溶露頭區(qū)，熱儲(chǔ)含水層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組地層，高含量的Ca2+和SO2－4是由于大氣降水補(bǔ)給進(jìn)入該地層（含硬石膏層），充分發(fā)生水-巖作用溶解石膏后再沿裂隙運(yùn)移至地表的結(jié)果．

（3）Na-K-Mg圖解顯示，該區(qū)地?zé)崴疅醿?chǔ)平衡溫度較低，屬于未成熟水，熱水在向上運(yùn)移過程中可能混入了淺層冷水．

（4）多礦物平衡圖解顯示該區(qū)熱儲(chǔ)溫度在65～77℃，與石英溫標(biāo)計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度范圍（65～82℃）基本一致，因此可以判斷該區(qū)熱儲(chǔ)溫度范圍大概在65～82℃．

致謝:感謝西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室和水化學(xué)分析室的老師和同學(xué)們的幫助，尤其感謝孫玉川老師在實(shí)驗(yàn)中給予的悉心指導(dǎo)．

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Characteristics of Geothermal Water Resources in Wentang Valley Anticline in Chongqing

YANG Lei*，XIAO Qiong，SHEN Li-cheng
（Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region，Ministry of Education，School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Wentang Valley Anticline is selected as study area，and thermal water resources in this area will be discussed in this paper．Because of the same geological backgrounds，the hydrogeochemical features of the thermal water are similar in this study area，and the hydrochemical type is SO4-Ca（Mg）．In addition，the thermal water contains multiplicate and sanative microelements and gases，such as Sr，F(xiàn)，Li，B，H2S and Rn，so it is superior medical thermal water．The thermal water source is atmosphere precipitation．And its aquifer may be the stratum of Jialingjiang formation in Lower Trias（T1j）．The recharge area of the thermal water may be the karst outcrops area on the north of the anticline，which elevation is 960 m．Na-K-Mg diagram shows that five water samples fall in the region of immature water．Therefore it can be said that it has low temperture in the fluid-rock processes and the thermal water may be mixed．Mineral equilibrium diagram（lg（Q/K）-T diagram）indicates that the lg（Q/K）-T curve of quartz is closest to saturation line，and the equilibrium temperature is 65～77℃．This temperature is within the reservoir temperature（65～82℃）calculated by quartz geothermometer．

thermal water;reservoir temperature;wentang valley anticline;Chongqing

X142;X143

A

1000-2537（2011）05-0086-06

2011-05-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41072192）;重慶市科委院士專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（CSTC2010BC7004）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（XDJK2010B006）;西南大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（ky2010002）

*通訊作者，E-mail:yanglei112@126．com

（編輯王健）