南陽城區(qū)地下熱水同位素特征及其水文地質(zhì)意義

王朝平，龔巍崢，許衛(wèi)國

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 南陽473056)

南陽市城區(qū)地下熱水主要賦存于新生界蓋層之下的下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖熱儲(chǔ)層中，但已有地?zé)峋跓崴疁囟容^低(水溫40℃～46℃)的，影響了對地?zé)豳Y源的勘查和開發(fā)。為此我們在開展《河南省南陽市(城區(qū))地?zé)豳Y源綜合研究》中，采用氫氧穩(wěn)定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)對地下熱水起源、地下熱水的形成年齡、補(bǔ)給運(yùn)移條件、熱水和地下冷水混合作用對熱水溫度的影響等進(jìn)行了探討。

1 地下熱水同位素特征

同位素樣品按大氣降水、地表水、地下冷水、熱儲(chǔ)層地?zé)崴謩e采取，測定氫氧穩(wěn)定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)。氫氧同位素采樣點(diǎn)及分析成果數(shù)據(jù)如表1。

表1 同位素采樣點(diǎn)及測試結(jié)果

2 地下熱水成因

據(jù)表1中代表本區(qū)大氣降水樣品、河水樣品、代表地大氣降水平均值的地下冷水樣品，平均值的地下水樣品＜溫水、溫?zé)崴c(diǎn)除外)，求得本區(qū)大氣降水線方程(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90)為:

(1)式與中國大氣降水線方程(δD=7.98δ18O+8.2)、鄭州市大氣降水線方程(δD=8.013δ18O+8.275)基本相似。

將表1的δD和δ18O實(shí)測值點(diǎn)繪于圖1上，可看出，熱水、地下冷水、巖溶溫(冷)泉水δD和δ18O均落于降水線下方，δD和δ18O組成與本區(qū)降水線基本符合，反映了熱水、巖溶溫(冷)泉水、地下冷水均起源于大氣降水。

據(jù)前人對世界典型地下熱流系統(tǒng)中熱水與大氣降水的δD和δ18O同位素關(guān)系研究結(jié)果;熱水與大氣降水中的δD值大致相近，但高溫或過熱水的δ18O高于當(dāng)?shù)卮髿饨邓械摩?8O，中溫或低溫?zé)崴械摩?8O則接近大氣降水中的δ18O，這種現(xiàn)象稱為“氧漂移”現(xiàn)象。一般而言，熱儲(chǔ)溫度越高，“氧漂移”越顯著。

在圖1上，可看出本區(qū)地?zé)崴疀]有顯著的“氧漂移”現(xiàn)象，說明本區(qū)地下熱儲(chǔ)溫度屬中低溫范圍，即熱儲(chǔ)溫度＜150℃，這與采用鉀、鎂溫標(biāo)計(jì)算的深部熱儲(chǔ)層源溫度為85℃～98℃基本一致，也說明了本區(qū)地下熱水屬深循環(huán)增溫型的低焙地?zé)豳Y源。

圖1

3 熱水年齡

放射性同位素不受溫度、壓力或化學(xué)組分等外界條件的影響，而以一定的速率衰變。每種放射性元素的半衰期是一個(gè)常數(shù)，利用這一特性，可以測定地下水的年齡，即水在含水層中的平均貯留時(shí)間。

氚(3H或T)是氫的放射性同位素，半衰期12.26年，其計(jì)量單位是T.U。

據(jù)法國J.ch.Fontes分析研究，水中的氚(T)在0～5 T.U之間，說明1953年年熱核爆炸產(chǎn)生以前形成的“古水”成份占優(yōu)勢;5～40 T.U表示水由新近入滲水和“古水”混合組成;大于40 T.U的水以新近水滲水為主組成。實(shí)踐表明這種經(jīng)驗(yàn)估算法有一定實(shí)用價(jià)值。

本次實(shí)測的地下熱水的氚濃度為12.20～24.73 T.U之間，表明熱水為1953年以后入滲補(bǔ)給的水，水交替條件較好、補(bǔ)給距離不遠(yuǎn)，補(bǔ)給量相對充分。

氚法測齡是在測定地?zé)崴须昂?濃度)的基礎(chǔ)上，以下式來估計(jì)地下熱水的年齡。

式中:t為地下熱水的年齡，年;T為放射性同位素的半衰期，年;A0為放射性同位素初始濃度，T.U(氚);A為實(shí)測的地下熱水放射性同位素濃度，T.U(T);

氚法測齡最大測齡年限為60年。本區(qū)地下熱水氚濃度為12.40～24.73 T.U，說明地下熱水形成于1950年以后，故可用上式利用氚法計(jì)算地下熱水年齡。

依表1中實(shí)測氚值，計(jì)算的地下熱水年齡列于表2中。其中氚的初始濃度A0為100%，半衰期T為12.26年。

表2 氚法估算地下熱水年齡一覽表

4 大理巖熱儲(chǔ)層補(bǔ)給運(yùn)移條件分析

研究區(qū)內(nèi)隱伏于新生界蓋層之下的下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖熱儲(chǔ)在北西西20 km左右鎮(zhèn)平杏花山一帶出露，并呈200 km長的條帶狀向西入陜西境內(nèi)，自東向西地貌類型由巖溶低山丘陵過渡為中低山、中高山。鎮(zhèn)平柳泉鋪溫泉及柳泉兩個(gè)巖溶水泉點(diǎn)距本區(qū)20 km，其中柳泉鋪溫泉出露于朱陽關(guān)—夏館—大河斷裂旁側(cè)，水溫21.5℃。

分析表1、表2可知，區(qū)域上，自西向東，巖溶水 δD值大致相近，δ18O和氚值則明顯降低，熱水年齡由24.7年增至37.2年，年均運(yùn)移速度1 600m，反映了下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖中賦存的熱水的主要補(bǔ)給區(qū)為鎮(zhèn)平杏花山以西的巖溶山區(qū)。

在南陽城區(qū)內(nèi)，自北向南，巖溶熱水的δ18O值和氚值由市中級法院地?zé)峋模?.6‰和15.44 T.U降低至德昌地?zé)峋模?.4‰和12.20 T.U，熱水年齡由33.05年增至37.2年，熱水運(yùn)移速度433m/a;而自西向東，巖溶熱水的氚值由能源公司地?zé)峋?8.96 T.U降低至德昌地?zé)峋?2.20 T.U，熱水年齡由29.42年增至37.2年，運(yùn)移速度167.1m/a，說明了南陽城區(qū)內(nèi)大理巖熱儲(chǔ)層中的熱水除接受西部山區(qū)巖溶水深循環(huán)運(yùn)移補(bǔ)給外，尚接受來自研究區(qū)北部地下冷水的側(cè)向逕流混入補(bǔ)給，即研究區(qū)基底熱儲(chǔ)層中熱水是深源運(yùn)移的熱水和淺層地下冷水的混合水，這可能是已有地?zé)峋衣渡疃葍?nèi)的基底熱儲(chǔ)層溫度不高的原因。

其次，自西向東，由補(bǔ)給區(qū)至本區(qū)巖溶熱水運(yùn)移速度較快，而研究區(qū)內(nèi)基底熱儲(chǔ)中熱水運(yùn)移速度較慢，反映了研究區(qū)內(nèi)基底熱儲(chǔ)層熱水的水交替條件相對滯緩，這與現(xiàn)有地?zé)峋袩崴瞪钤催\(yùn)移熱水和淺層地下冷水的混合水，這也與相應(yīng)的熱水化學(xué)成份不同于高溫地?zé)崃黧w化學(xué)成份的分析結(jié)論基本一致。

5 結(jié)語

(1)南陽城區(qū)地下熱水起源于大氣降水，氫氧同位素測試分析表明本區(qū)地下熱儲(chǔ)溫度屬中低溫范圍，這與采用鉀、鎂溫標(biāo)計(jì)算的深部熱儲(chǔ)層源溫度為85℃～98℃、源深度1400～1 750m基本一致，說明了本區(qū)地下熱水屬深循環(huán)增溫型的低焙地?zé)豳Y源，即熱儲(chǔ)溫度 ＜150℃，屬溫?zé)崴獰崴?/p>

(2)實(shí)測的地下熱水的氚濃度為12.20～24.73T.U之間，熱水為1950年以后入滲補(bǔ)給的水，熱水年齡29.42～37.2年。熱水的主要補(bǔ)給區(qū)為鎮(zhèn)平杏花山以西的巖溶山區(qū)，其次尚接受研究區(qū)北部地下冷水的側(cè)向逕流混入補(bǔ)給，現(xiàn)有地?zé)峋袩崴瞪钤催\(yùn)移的熱水和淺層地下冷水的混合水，這也與相應(yīng)的熱水化學(xué)成份不同于高溫地?zé)崃黧w化學(xué)成份的分析結(jié)論基本一致。

(3)通過對南陽城區(qū)地下熱水同位素水文地球化學(xué)研究表明，利用同位素方法可有效地了解地下熱水的起源、測定地下熱水的形成年齡、了解補(bǔ)給運(yùn)移條件、以及熱水和地下冷水混合作用對熱水溫度的影響等問題，為地?zé)峥辈榕c開發(fā)利用提供了較好的指導(dǎo)作用。

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