攀西裂谷紅格溫泉水文地球化學(xué)特征及地?zé)岢梢?/h1>
2023-12-16 08:03:50肖志才黃學(xué)蓮
環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊 2023年6期
肖志才，黃學(xué)蓮，李 丹，寇 燦
（1.麗江師范高等?？茖W(xué)校應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，云南 麗江 674199；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430079）
0 引言
地?zé)豳Y源是指能夠經(jīng)濟(jì)地被人類所利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分。相比太陽能、風(fēng)能和水能等清潔能源，地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量巨大、資源密集、可梯級(jí)利用、供給穩(wěn)定等特性，越來越受到世界各國的青睞[1,2]。為更好地服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)，黨的十九大召開以來提出了“雙碳戰(zhàn)略”，促使能源革命向縱深發(fā)展，我國政府發(fā)布《中國地?zé)崮馨l(fā)展報(bào)告（2018）》白皮書，指出我國地?zé)崮苜Y源豐富，開發(fā)利用潛力巨大，地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)體系初步形成，但目前地?zé)豳Y源探明率和利用程度較低[3]。
攀西裂谷位于康滇地軸與上揚(yáng)子臺(tái)坳兩個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元的過渡部位，構(gòu)造復(fù)雜、地震頻繁，具有多期巖漿活動(dòng)，其構(gòu)造格架明顯受區(qū)內(nèi)南北向深大斷裂制約[4]。該裂谷內(nèi)水熱型地?zé)豳Y源非常豐富，如螺髻山溫泉、黑竹溫泉、凱地里拉溫泉、喜德溫泉、米易觀音溫泉、紅格溫泉、魚鲊熱水塘溫泉等。前人利用攀西裂谷溫泉分布、地球物理場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造特征，探討過地殼熱狀態(tài)、區(qū)域成礦規(guī)律、地?zé)岬刭|(zhì)條件、地震成因及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)間的內(nèi)在聯(lián)系。然而，攀西裂谷地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)方面的研究基礎(chǔ)比較薄弱，地?zé)岢梢蜓芯坎粔蛏钊?。本文通過開展地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)研究，有效約束地下水循環(huán)過程，分析水熱型地?zé)豳Y源潛力，為該區(qū)域在雙碳戰(zhàn)略下，充分發(fā)揮資源稟賦優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。
1 地質(zhì)概況
紅格溫泉位于攀西裂谷南緣，距離四川省攀枝花市區(qū)不足30 km。紅格溫泉在區(qū)域構(gòu)造上主要為南北向斷裂分布，其次為褶皺和斷陷。南北向昔格達(dá)斷裂和炳山箐斷層并列，東西向箐門口斷裂夾在其中，促成紅格坳陷形成。其中，昔格達(dá)斷裂是一條區(qū)域性深斷裂帶，北至西昌磨盤山，向南穿米易普威，沿金沙江向南，與云南綠汁江深斷裂帶相接。該斷裂在紅格地區(qū)切割了前震旦紀(jì)至中生代地層。區(qū)內(nèi)前震旦系結(jié)晶基底密集裸露，巖漿巖廣布，構(gòu)造形變強(qiáng)烈[5,6]。
研究區(qū)內(nèi)出露地層巖性分布由老至新為：前震旦系會(huì)理群石英巖、千枚巖、板巖及硅質(zhì)巖等；震旦系觀音崖組上部頁巖、灰?guī)r、白云巖，下部石英砂巖；震旦系燈影組灰?guī)r、白云巖組成，局部夾少量頁巖，地表溶溝、溶槽、溶蝕洞發(fā)育；新近系昔格達(dá)組頁巖、泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖互層，不整合于老地層或侵入巖之上。區(qū)內(nèi)顯示多期巖漿活動(dòng)，主要分布華力西期-印支期花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，巖體總體呈南北向展布。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，巖溶水豐富[7]。
2 采樣分析
2.1 樣品采集
課題組于2022年4月23日深入攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)一帶調(diào)研并采取地下水樣品。紅格溫泉賓館所在處采取地?zé)崴畼悠?件，分別記為R1、R2、R3；在昔格達(dá)村大龍?zhí)僚c小龍?zhí)羶商幉杉淙畼悠?件，分別記為Q1、Q2；在昔格達(dá)村岔河采取井水樣品2件，第一口井在98 m深處取樣，記為J1，第二口井在30 m深處取樣，記為J2；在昔格達(dá)村坪子上采取井水樣品1件，為123 m深處取樣，記為J3。為保證所取水樣的性質(zhì)及其化學(xué)成分的不改變，對(duì)裝有水樣的容器瓶均都進(jìn)行了密封處理。具體采樣點(diǎn)見圖1。
圖1 紅格地質(zhì)概況及采樣點(diǎn)位
2.2 樣品前處理
本次所采取的地下水樣品包含熱泉水、冷泉水和井水。采取井水時(shí)，先用水泵抽取10 min，再進(jìn)行采樣。所有水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，均用0.45 μm微孔濾膜過濾，裝入干凈的50 mL聚乙烯瓶里，并盡量保證水樣裝滿瓶?jī)?nèi)。在測(cè)試陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Si4+等）的樣品中加入優(yōu)級(jí)純硝酸數(shù)滴進(jìn)行酸化處理，保證水樣pH值＜2；測(cè)試陰離子的水樣則不進(jìn)行酸化處理。
2.3 樣品測(cè)試
現(xiàn)場(chǎng)用溫度計(jì)測(cè)定了溫泉熱水溫度，約為41℃。水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，24 h內(nèi)對(duì)容易改變的水化學(xué)組分參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。如pH，使用pH S-25計(jì)測(cè)出；離子濃度采用滴定法測(cè)得。其余水化學(xué)指標(biāo)則寄往中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）進(jìn)行測(cè)試。其中，陰離子使用離子色譜（ICS-1100）進(jìn)行測(cè)定；陽離子用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES 5100）測(cè)定；氫氧同位素用液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀（IWA-35-EP）測(cè)定。
3 結(jié)果
3.1 水化學(xué)測(cè)試結(jié)果
對(duì)本研究所采取地下水樣測(cè)定陰陽離子，檢測(cè)結(jié)果見表1。
表1 紅格地區(qū)水樣主要離子含量 （mg/L）
3.2 水化學(xué)類型
通過對(duì)兩種類型的地下水水化學(xué)分別進(jìn)行組分相關(guān)性分析，其結(jié)果見表2和表3。
表2 地?zé)崴瘜W(xué)組分Pearson相關(guān)性分析
表3 冷泉井水化學(xué)組分Pearson相關(guān)性分析
由表2可以看出，地?zé)崴蠯+與Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關(guān)，與F-和Cl-有明顯的負(fù)相關(guān)；Ca2+與Mg2+、Si4+和有良好的正相關(guān)，與F-和Cl-有明顯的負(fù)相關(guān)；Mg2+與有良好的正相關(guān)，與有明顯的負(fù)相關(guān)；Cl-與有明顯的正相關(guān)相關(guān)。
由表3可以看出，冷泉井水中K+與Si4+和Cl-有良好的正相關(guān)，與F-有明顯的負(fù)相關(guān)；Na+與Si4+、Cl-和有良好的正相關(guān)；Mg2+與有良好的正相關(guān)，與有明顯的負(fù)相關(guān)；Si4+與Cl-和有良好的正相關(guān)；Cl-與有明顯的正相關(guān)。
3.3 地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算
地?zé)釡貥?biāo)是估算熱交換溫度簡(jiǎn)單有效的方法。其原理是當(dāng)深部基巖的某些礦物與熱水達(dá)到平衡狀態(tài)后，熱水上升至地表而水溫下降時(shí)，其中某些化學(xué)組分含量幾乎保持不變。這樣可以利用地下熱水的某些化學(xué)組分濃度或濃度比計(jì)算地下熱儲(chǔ)的溫度[8]。常見的方法包括陽離子溫標(biāo)、二氧化硅溫標(biāo)、同位素溫標(biāo)和氣體溫標(biāo)等[9,10]。本文選取三種地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算公式分別進(jìn)行計(jì)算。
（1）Na-K地?zé)釡貥?biāo)
多數(shù)地?zé)崴械拟c和鉀受基巖中鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石溶解的制約。由于共生堿性長(zhǎng)石之間的鈉和鉀的交換反應(yīng)達(dá)到平衡耗時(shí)較長(zhǎng)，因此該溫標(biāo)一般適用于循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)的高溫地?zé)嵯到y(tǒng)、約200℃的地?zé)崴挠?jì)算結(jié)果較為理想[11,12]。該溫標(biāo)計(jì)算公式為：
利用Na-K溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為208.5~ 212.5℃。
（2）K-Mg地?zé)釡貥?biāo)
地下水經(jīng)深部熱儲(chǔ)加熱后沿深大斷裂上升的過程中逐漸冷卻，化學(xué)組分可與圍巖反應(yīng)發(fā)生再平衡。這種情況下，鉀鎂礦物的再平衡程度比較高。因此可以利用K-Mg溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地下熱水上升過程中最后達(dá)到平衡時(shí)的溫度。該溫度一般低于深部熱儲(chǔ)的溫度[13]。其計(jì)算公式為：
利用K-Mg溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為70.6~72.6℃。
（3）SiO2地?zé)釡貥?biāo)
經(jīng)修正的二氧化硅溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式適用于SiO2溶解濃度＜300 mg/L的中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)[14]。SiO2地?zé)釡貥?biāo)公式為：
式中：S—溶液中溶解SiO2的含量。利用SiO2溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為112.8~115.3℃。
3.4 氫氧同位素測(cè)試結(jié)果
天然水中有多種氫氧同位素水分子，這些水分子在質(zhì)量和能級(jí)上有明顯差異，導(dǎo)致在一系列物理-化學(xué)過程中發(fā)生同位素分餾[15]。常見的引起氫氧同位素分餾的因素有溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)、降雨量效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和大陸效應(yīng)等。因此，可以通過測(cè)試不同水的同位素組成，來反推其經(jīng)歷的地質(zhì)和地球化學(xué)作用。
對(duì)研究區(qū)地下水樣品做氫氧同位素測(cè)試，結(jié)果如表5所示。其中，地?zé)崴摩?H值為-104.99‰~-103.11‰，δ18O值為-13.14‰~-13.02‰；冷泉水的δ2H值為-89.10‰~-87.87‰，δ18O值為-11.70‰~-11.56‰；冷井水的δ2H值為-86.01‰~-84.76‰，δ18O值為-11.39‰~-10.96‰。
Craig通過統(tǒng)計(jì)全球各地區(qū)大氣降水中的δ2H與δ18O值，指出大氣降水中的δ2H與δ18O含量呈線性關(guān)系，并擬合出一條全球大氣降水線[16]，其方程式為δ2H=8δ18O+10。本研究測(cè)出的δ2H和δ18O值如圖3所示。地下水樣品均落在全球大氣降水附近，說明研究區(qū)地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，地?zé)崴邮艽髿饨邓a(bǔ)給。
圖3 紅格地區(qū)地下水δ18O-δ2H關(guān)系圖
氘盈余（d-excess）被用來計(jì)算某樣品的氫氧同位素組成偏離全球降水線的程度[17]，其公式為：
氘盈余可以作為衡量水-巖反應(yīng)中氧同位素交換程度的指標(biāo)。d-excess值越小，表明地下熱水徑流時(shí)間、補(bǔ)給路徑越長(zhǎng)，地質(zhì)環(huán)境越封閉，水-巖反應(yīng)越強(qiáng)烈。氘盈余計(jì)算結(jié)果如表4所示。地?zé)崴嘀禐?.13~1.22，冷泉水為4.50~4.61，冷井水為2.92~5.36。
表4 紅格地下水氫氧同位素測(cè)試結(jié)果
4 水化學(xué)特征及成因分析
4.1 熱儲(chǔ)溫度
熱儲(chǔ)溫度是地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)和地?zé)嵯到y(tǒng)研究的基礎(chǔ)。從以上三種地?zé)釡貥?biāo)的計(jì)算結(jié)果看，數(shù)據(jù)差異較大。Giggenbach提出Na-K-Mg三角圖解，認(rèn)為地?zé)崴趶搅鬟^程中，水中的鈉鉀礦物達(dá)到溶解平衡的速度緩慢，而鉀鎂礦物更易達(dá)到溶解平衡[18]。因此，可以根據(jù)地?zé)崴畼悠吩谌菆D解中的分布情況，將地?zé)崴譃椴黄胶馑?、平衡水和完全平衡水三種類型，從而判斷Na-K和K-Mg陽離子溫標(biāo)的可信度。將研究區(qū)地下水中Na、K、Mg含量值通過計(jì)算后投影到三角圖解中，如圖4所示。
圖4 紅格地區(qū)地下水Na-K-Mg三角圖解
由Na-K-Mg三角圖顯示紅格地區(qū)地下水樣均靠近右下角Mg端元，而冷泉井水落在Mg端元邊界。地?zé)崴疄镹a-Cl·SO4·HCO3型水，在深部熱儲(chǔ)內(nèi)，含鈉、鉀、鎂礦物應(yīng)是達(dá)到溶解平衡的[9]。地?zé)崴谙蛏狭鲃?dòng)過程中，與圍巖發(fā)生溶濾作用，其碳酸鹽巖和碎屑巖類圍巖提供充分的、Ca2+、Mg2+離子，且在淺層與冷水混合后，熱水中原有的礦物溶解平衡被打破，在涌出熱泉口前來不及達(dá)到溶解平衡。由此推測(cè)，紅格溫泉的熱儲(chǔ)溫度可能比Na-K溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果還要高。選取TNa-K的計(jì)算值，則紅格溫泉地?zé)釡貥?biāo)的平均值為211℃。地表平均溫度取20℃，以常規(guī)地溫梯度30℃/km計(jì)算，推算出紅格溫泉地?zé)崴h(huán)深度約達(dá)6.4 km。
4.2 水文地球化學(xué)過程
從水化學(xué)元素相關(guān)性分析可以看出，總體上地?zé)崴屠淙诘貧?nèi)部經(jīng)歷了明顯差異的水文地質(zhì)過程。冷泉井水中K+、Si4+、Cl-、Na+和有良好的正相關(guān)性，推測(cè)紅格地區(qū)廣泛出露的碳酸鹽巖層中的鉀硝石，古老地層中的石英砂巖，中酸性侵入巖中的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和云母等礦物，共同控制了地下水中主要化學(xué)組分特征。地?zé)崴械腒+、Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關(guān)性，說明有共同的補(bǔ)給來源，或者經(jīng)歷了相似的水-巖相互作用。Na+與其他離子之間的相關(guān)性不明顯，可能與經(jīng)歷冷熱水相互混合的復(fù)雜水文地球化學(xué)過程有關(guān)。兩組地下水種均顯示Mg2+與具有良好的正相關(guān)，暗示沉積地層中含有的石膏礦物主要控制了該組分的地球化學(xué)行為[5,13]?？傊芯繀^(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學(xué)組分的主要特征。
4.3 地?zé)岢梢?/h3>
紅格溫泉處在磨盤山-綠汁江區(qū)域深大斷裂帶上，區(qū)內(nèi)次級(jí)斷裂廣泛分布。從研究區(qū)水文地質(zhì)條件看，昔格達(dá)斷裂為紅格溫泉的控?zé)?、控水、?dǎo)水構(gòu)造[6]。熱源來自于現(xiàn)今仍處于強(qiáng)烈活動(dòng)階段的昔格達(dá)斷裂帶深部，活動(dòng)斷裂不斷產(chǎn)生摩擦熱，與地殼巖石尤其是中酸性巖漿巖的放射性生熱、地幔來源的熱能一道被6.4 km深度的地下水吸收，在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，沿?cái)嗔哑扑閹仙責(zé)崴c碳酸鹽巖地層中地下水運(yùn)移進(jìn)入斷層帶的豐富的巖溶水進(jìn)行混合、熱交換，同時(shí)發(fā)生離子交換、吸附等化學(xué)反應(yīng)，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地?zé)崴?/p>
氫氧同位素測(cè)試結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水落在整體近似平行于全球降水線的附近，說明地?zé)崴a(bǔ)給方式主要來源于大氣降水。而地下水的δ18O值有向右“漂移”現(xiàn)象，這可能是攀西干熱河谷大氣降水的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用導(dǎo)致的。其中，地?zé)崴摹把跗啤背潭雀黠@，可能是地?zé)崴h(huán)深度大，與圍巖接觸發(fā)生氧同位素交換使得δ18O值更偏右。同樣地，氘盈余計(jì)算的結(jié)果也反映地?zé)崴?jīng)歷了較長(zhǎng)的補(bǔ)給路徑，水-巖相互作用比較強(qiáng)烈。
5 地?zé)豳Y源開發(fā)利用
目前，紅格溫泉賓館在使用的地?zé)崴畞碜?003年下鉆100 m深、水溫56℃、涌水量可達(dá)727 m3/d的地?zé)峋?。其抽水試?yàn)水量為70 m3/d、水溫50℃。該含水層為20 m以深至87 m以淺的斷層破碎帶，見強(qiáng)烈風(fēng)化花崗巖，巖石蝕變程度較強(qiáng)，其上部隔水層為黏土層，下部隔水底板為花崗巖體[6]。本次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紅格溫泉出水口溫度有所下降，昔格達(dá)村泉水出現(xiàn)干涸，井中地下水位下降明顯，有一定的地下水超采現(xiàn)象。經(jīng)了解，紅格溫泉資源開發(fā)利用過程中曾出現(xiàn)運(yùn)營管理不善、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)單一等問題[19]。這些問題無疑制約著紅格地區(qū)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。
從地?zé)岬刭|(zhì)條件看，研究區(qū)處在深斷裂帶，巖溶分布較廣，地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，可供較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)科學(xué)合理開發(fā)利用，從而帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展。基于目前紅格地區(qū)開發(fā)利用地?zé)豳Y源中存在的問題和調(diào)研結(jié)果，建議在后期地?zé)豳Y源開發(fā)利用中遵循地?zé)豳Y源開發(fā)潛力，注重科學(xué)管理，構(gòu)建地?zé)崴菁?jí)利用模式，加強(qiáng)地?zé)崴|(zhì)和水文監(jiān)測(cè)，將區(qū)域地下水資源安全保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)融入地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的過程中。
6 結(jié)論
（1）紅格溫泉地?zé)崴疄镹a-Cl·SO4·HCO3型水，冷泉井水為Ca·Mg-HCO3型水。表明區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學(xué)組分。
（2）地?zé)釡貥?biāo)結(jié)果顯示，Na-K溫標(biāo)計(jì)算得熱儲(chǔ)溫度為211℃，K-Mg溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度為72℃，而SiO2溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度為114℃。氫氧同位素組成表明，大氣降水為紅格溫泉最主要的補(bǔ)給來源，其地?zé)崴h(huán)深度可達(dá)6.4 km。地下水的δ18O值有向右“漂移”現(xiàn)象，可能與攀西河谷大氣降水的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用有關(guān)。其中，地?zé)崴摹把跗啤背潭雀黠@，可能是地?zé)崴h(huán)深度大，與圍巖接觸發(fā)生氧同位素交換。
（3）本文基于地?zé)岬刭|(zhì)和水文地球化學(xué)分析，認(rèn)為昔格達(dá)斷裂為紅格溫泉的控?zé)峥厮畼?gòu)造。熱水沿?cái)嗔哑扑閹仙?，與碳酸鹽巖地層豐富的巖溶水混合、熱交換、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地下水。
（4）研究區(qū)地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，建議深入開展地?zé)豳Y源系統(tǒng)調(diào)查，保障地下水資源安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。此外，由于缺乏針對(duì)地?zé)岙惓^(qū)的地球物理勘探數(shù)據(jù)和大地?zé)崃髦档挠行y(cè)量，本文對(duì)攀西裂谷地?zé)岙惓Ｐ纬蓹C(jī)制認(rèn)識(shí)的支撐作用還比較薄弱，建議在后期深入開展地球物理結(jié)構(gòu)、大地?zé)崃?、巖石地球化學(xué)和氣體地球化學(xué)的系統(tǒng)研究。
- 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊的其它文章
- 某醫(yī)用放射源核素種類鑒定及活度監(jiān)測(cè)
- 5G 移動(dòng)通信基站電磁輻射監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
- 云南會(huì)澤產(chǎn)業(yè)園區(qū)寶云片區(qū)土壤重金屬現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)分析
- 金沙江（云南段）流域水質(zhì)現(xiàn)狀及分析
- “十三五”期間陽宗海富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)及其變化特征分析
- 工業(yè)園區(qū)污水處理廠的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐—以云南某工業(yè)園區(qū)污水處理廠為例
肖志才，黃學(xué)蓮，李 丹，寇 燦
（1.麗江師范高等?？茖W(xué)校應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，云南 麗江 674199；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430079）
0 引言
地?zé)豳Y源是指能夠經(jīng)濟(jì)地被人類所利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分。相比太陽能、風(fēng)能和水能等清潔能源，地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量巨大、資源密集、可梯級(jí)利用、供給穩(wěn)定等特性，越來越受到世界各國的青睞[1,2]。為更好地服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)，黨的十九大召開以來提出了“雙碳戰(zhàn)略”，促使能源革命向縱深發(fā)展，我國政府發(fā)布《中國地?zé)崮馨l(fā)展報(bào)告（2018）》白皮書，指出我國地?zé)崮苜Y源豐富，開發(fā)利用潛力巨大，地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)體系初步形成，但目前地?zé)豳Y源探明率和利用程度較低[3]。
攀西裂谷位于康滇地軸與上揚(yáng)子臺(tái)坳兩個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元的過渡部位，構(gòu)造復(fù)雜、地震頻繁，具有多期巖漿活動(dòng)，其構(gòu)造格架明顯受區(qū)內(nèi)南北向深大斷裂制約[4]。該裂谷內(nèi)水熱型地?zé)豳Y源非常豐富，如螺髻山溫泉、黑竹溫泉、凱地里拉溫泉、喜德溫泉、米易觀音溫泉、紅格溫泉、魚鲊熱水塘溫泉等。前人利用攀西裂谷溫泉分布、地球物理場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造特征，探討過地殼熱狀態(tài)、區(qū)域成礦規(guī)律、地?zé)岬刭|(zhì)條件、地震成因及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)間的內(nèi)在聯(lián)系。然而，攀西裂谷地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)方面的研究基礎(chǔ)比較薄弱，地?zé)岢梢蜓芯坎粔蛏钊?。本文通過開展地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)研究，有效約束地下水循環(huán)過程，分析水熱型地?zé)豳Y源潛力，為該區(qū)域在雙碳戰(zhàn)略下，充分發(fā)揮資源稟賦優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。
1 地質(zhì)概況
紅格溫泉位于攀西裂谷南緣，距離四川省攀枝花市區(qū)不足30 km。紅格溫泉在區(qū)域構(gòu)造上主要為南北向斷裂分布，其次為褶皺和斷陷。南北向昔格達(dá)斷裂和炳山箐斷層并列，東西向箐門口斷裂夾在其中，促成紅格坳陷形成。其中，昔格達(dá)斷裂是一條區(qū)域性深斷裂帶，北至西昌磨盤山，向南穿米易普威，沿金沙江向南，與云南綠汁江深斷裂帶相接。該斷裂在紅格地區(qū)切割了前震旦紀(jì)至中生代地層。區(qū)內(nèi)前震旦系結(jié)晶基底密集裸露，巖漿巖廣布，構(gòu)造形變強(qiáng)烈[5,6]。
研究區(qū)內(nèi)出露地層巖性分布由老至新為：前震旦系會(huì)理群石英巖、千枚巖、板巖及硅質(zhì)巖等；震旦系觀音崖組上部頁巖、灰?guī)r、白云巖，下部石英砂巖；震旦系燈影組灰?guī)r、白云巖組成，局部夾少量頁巖，地表溶溝、溶槽、溶蝕洞發(fā)育；新近系昔格達(dá)組頁巖、泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖互層，不整合于老地層或侵入巖之上。區(qū)內(nèi)顯示多期巖漿活動(dòng)，主要分布華力西期-印支期花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，巖體總體呈南北向展布。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，巖溶水豐富[7]。
2 采樣分析
2.1 樣品采集
課題組于2022年4月23日深入攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)一帶調(diào)研并采取地下水樣品。紅格溫泉賓館所在處采取地?zé)崴畼悠?件，分別記為R1、R2、R3；在昔格達(dá)村大龍?zhí)僚c小龍?zhí)羶商幉杉淙畼悠?件，分別記為Q1、Q2；在昔格達(dá)村岔河采取井水樣品2件，第一口井在98 m深處取樣，記為J1，第二口井在30 m深處取樣，記為J2；在昔格達(dá)村坪子上采取井水樣品1件，為123 m深處取樣，記為J3。為保證所取水樣的性質(zhì)及其化學(xué)成分的不改變，對(duì)裝有水樣的容器瓶均都進(jìn)行了密封處理。具體采樣點(diǎn)見圖1。
圖1 紅格地質(zhì)概況及采樣點(diǎn)位
2.2 樣品前處理
本次所采取的地下水樣品包含熱泉水、冷泉水和井水。采取井水時(shí)，先用水泵抽取10 min，再進(jìn)行采樣。所有水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，均用0.45 μm微孔濾膜過濾，裝入干凈的50 mL聚乙烯瓶里，并盡量保證水樣裝滿瓶?jī)?nèi)。在測(cè)試陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Si4+等）的樣品中加入優(yōu)級(jí)純硝酸數(shù)滴進(jìn)行酸化處理，保證水樣pH值＜2；測(cè)試陰離子的水樣則不進(jìn)行酸化處理。
2.3 樣品測(cè)試
現(xiàn)場(chǎng)用溫度計(jì)測(cè)定了溫泉熱水溫度，約為41℃。水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，24 h內(nèi)對(duì)容易改變的水化學(xué)組分參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。如pH，使用pH S-25計(jì)測(cè)出；離子濃度采用滴定法測(cè)得。其余水化學(xué)指標(biāo)則寄往中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）進(jìn)行測(cè)試。其中，陰離子使用離子色譜（ICS-1100）進(jìn)行測(cè)定；陽離子用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES 5100）測(cè)定；氫氧同位素用液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀（IWA-35-EP）測(cè)定。
3 結(jié)果
3.1 水化學(xué)測(cè)試結(jié)果
對(duì)本研究所采取地下水樣測(cè)定陰陽離子，檢測(cè)結(jié)果見表1。
表1 紅格地區(qū)水樣主要離子含量 （mg/L）
3.2 水化學(xué)類型
通過對(duì)兩種類型的地下水水化學(xué)分別進(jìn)行組分相關(guān)性分析，其結(jié)果見表2和表3。
表2 地?zé)崴瘜W(xué)組分Pearson相關(guān)性分析
表3 冷泉井水化學(xué)組分Pearson相關(guān)性分析
由表2可以看出，地?zé)崴蠯+與Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關(guān)，與F-和Cl-有明顯的負(fù)相關(guān)；Ca2+與Mg2+、Si4+和有良好的正相關(guān)，與F-和Cl-有明顯的負(fù)相關(guān)；Mg2+與有良好的正相關(guān)，與有明顯的負(fù)相關(guān)；Cl-與有明顯的正相關(guān)相關(guān)。
由表3可以看出，冷泉井水中K+與Si4+和Cl-有良好的正相關(guān)，與F-有明顯的負(fù)相關(guān)；Na+與Si4+、Cl-和有良好的正相關(guān)；Mg2+與有良好的正相關(guān)，與有明顯的負(fù)相關(guān)；Si4+與Cl-和有良好的正相關(guān)；Cl-與有明顯的正相關(guān)。
3.3 地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算
地?zé)釡貥?biāo)是估算熱交換溫度簡(jiǎn)單有效的方法。其原理是當(dāng)深部基巖的某些礦物與熱水達(dá)到平衡狀態(tài)后，熱水上升至地表而水溫下降時(shí)，其中某些化學(xué)組分含量幾乎保持不變。這樣可以利用地下熱水的某些化學(xué)組分濃度或濃度比計(jì)算地下熱儲(chǔ)的溫度[8]。常見的方法包括陽離子溫標(biāo)、二氧化硅溫標(biāo)、同位素溫標(biāo)和氣體溫標(biāo)等[9,10]。本文選取三種地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算公式分別進(jìn)行計(jì)算。
（1）Na-K地?zé)釡貥?biāo)
多數(shù)地?zé)崴械拟c和鉀受基巖中鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石溶解的制約。由于共生堿性長(zhǎng)石之間的鈉和鉀的交換反應(yīng)達(dá)到平衡耗時(shí)較長(zhǎng)，因此該溫標(biāo)一般適用于循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)的高溫地?zé)嵯到y(tǒng)、約200℃的地?zé)崴挠?jì)算結(jié)果較為理想[11,12]。該溫標(biāo)計(jì)算公式為：
利用Na-K溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為208.5~ 212.5℃。
（2）K-Mg地?zé)釡貥?biāo)
地下水經(jīng)深部熱儲(chǔ)加熱后沿深大斷裂上升的過程中逐漸冷卻，化學(xué)組分可與圍巖反應(yīng)發(fā)生再平衡。這種情況下，鉀鎂礦物的再平衡程度比較高。因此可以利用K-Mg溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地下熱水上升過程中最后達(dá)到平衡時(shí)的溫度。該溫度一般低于深部熱儲(chǔ)的溫度[13]。其計(jì)算公式為：
利用K-Mg溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為70.6~72.6℃。
（3）SiO2地?zé)釡貥?biāo)
經(jīng)修正的二氧化硅溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式適用于SiO2溶解濃度＜300 mg/L的中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)[14]。SiO2地?zé)釡貥?biāo)公式為：
式中：S—溶液中溶解SiO2的含量。利用SiO2溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得熱交換溫度為112.8~115.3℃。
3.4 氫氧同位素測(cè)試結(jié)果
天然水中有多種氫氧同位素水分子，這些水分子在質(zhì)量和能級(jí)上有明顯差異，導(dǎo)致在一系列物理-化學(xué)過程中發(fā)生同位素分餾[15]。常見的引起氫氧同位素分餾的因素有溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)、降雨量效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和大陸效應(yīng)等。因此，可以通過測(cè)試不同水的同位素組成，來反推其經(jīng)歷的地質(zhì)和地球化學(xué)作用。
對(duì)研究區(qū)地下水樣品做氫氧同位素測(cè)試，結(jié)果如表5所示。其中，地?zé)崴摩?H值為-104.99‰~-103.11‰，δ18O值為-13.14‰~-13.02‰；冷泉水的δ2H值為-89.10‰~-87.87‰，δ18O值為-11.70‰~-11.56‰；冷井水的δ2H值為-86.01‰~-84.76‰，δ18O值為-11.39‰~-10.96‰。
Craig通過統(tǒng)計(jì)全球各地區(qū)大氣降水中的δ2H與δ18O值，指出大氣降水中的δ2H與δ18O含量呈線性關(guān)系，并擬合出一條全球大氣降水線[16]，其方程式為δ2H=8δ18O+10。本研究測(cè)出的δ2H和δ18O值如圖3所示。地下水樣品均落在全球大氣降水附近，說明研究區(qū)地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，地?zé)崴邮艽髿饨邓a(bǔ)給。
圖3 紅格地區(qū)地下水δ18O-δ2H關(guān)系圖
氘盈余（d-excess）被用來計(jì)算某樣品的氫氧同位素組成偏離全球降水線的程度[17]，其公式為：
氘盈余可以作為衡量水-巖反應(yīng)中氧同位素交換程度的指標(biāo)。d-excess值越小，表明地下熱水徑流時(shí)間、補(bǔ)給路徑越長(zhǎng)，地質(zhì)環(huán)境越封閉，水-巖反應(yīng)越強(qiáng)烈。氘盈余計(jì)算結(jié)果如表4所示。地?zé)崴嘀禐?.13~1.22，冷泉水為4.50~4.61，冷井水為2.92~5.36。
表4 紅格地下水氫氧同位素測(cè)試結(jié)果
4 水化學(xué)特征及成因分析
4.1 熱儲(chǔ)溫度
熱儲(chǔ)溫度是地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)和地?zé)嵯到y(tǒng)研究的基礎(chǔ)。從以上三種地?zé)釡貥?biāo)的計(jì)算結(jié)果看，數(shù)據(jù)差異較大。Giggenbach提出Na-K-Mg三角圖解，認(rèn)為地?zé)崴趶搅鬟^程中，水中的鈉鉀礦物達(dá)到溶解平衡的速度緩慢，而鉀鎂礦物更易達(dá)到溶解平衡[18]。因此，可以根據(jù)地?zé)崴畼悠吩谌菆D解中的分布情況，將地?zé)崴譃椴黄胶馑?、平衡水和完全平衡水三種類型，從而判斷Na-K和K-Mg陽離子溫標(biāo)的可信度。將研究區(qū)地下水中Na、K、Mg含量值通過計(jì)算后投影到三角圖解中，如圖4所示。
圖4 紅格地區(qū)地下水Na-K-Mg三角圖解
由Na-K-Mg三角圖顯示紅格地區(qū)地下水樣均靠近右下角Mg端元，而冷泉井水落在Mg端元邊界。地?zé)崴疄镹a-Cl·SO4·HCO3型水，在深部熱儲(chǔ)內(nèi)，含鈉、鉀、鎂礦物應(yīng)是達(dá)到溶解平衡的[9]。地?zé)崴谙蛏狭鲃?dòng)過程中，與圍巖發(fā)生溶濾作用，其碳酸鹽巖和碎屑巖類圍巖提供充分的、Ca2+、Mg2+離子，且在淺層與冷水混合后，熱水中原有的礦物溶解平衡被打破，在涌出熱泉口前來不及達(dá)到溶解平衡。由此推測(cè)，紅格溫泉的熱儲(chǔ)溫度可能比Na-K溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果還要高。選取TNa-K的計(jì)算值，則紅格溫泉地?zé)釡貥?biāo)的平均值為211℃。地表平均溫度取20℃，以常規(guī)地溫梯度30℃/km計(jì)算，推算出紅格溫泉地?zé)崴h(huán)深度約達(dá)6.4 km。
4.2 水文地球化學(xué)過程
從水化學(xué)元素相關(guān)性分析可以看出，總體上地?zé)崴屠淙诘貧?nèi)部經(jīng)歷了明顯差異的水文地質(zhì)過程。冷泉井水中K+、Si4+、Cl-、Na+和有良好的正相關(guān)性，推測(cè)紅格地區(qū)廣泛出露的碳酸鹽巖層中的鉀硝石，古老地層中的石英砂巖，中酸性侵入巖中的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和云母等礦物，共同控制了地下水中主要化學(xué)組分特征。地?zé)崴械腒+、Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關(guān)性，說明有共同的補(bǔ)給來源，或者經(jīng)歷了相似的水-巖相互作用。Na+與其他離子之間的相關(guān)性不明顯，可能與經(jīng)歷冷熱水相互混合的復(fù)雜水文地球化學(xué)過程有關(guān)。兩組地下水種均顯示Mg2+與具有良好的正相關(guān)，暗示沉積地層中含有的石膏礦物主要控制了該組分的地球化學(xué)行為[5,13]?？傊芯繀^(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學(xué)組分的主要特征。
4.3 地?zé)岢梢?/h3>
紅格溫泉處在磨盤山-綠汁江區(qū)域深大斷裂帶上，區(qū)內(nèi)次級(jí)斷裂廣泛分布。從研究區(qū)水文地質(zhì)條件看，昔格達(dá)斷裂為紅格溫泉的控?zé)?、控水、?dǎo)水構(gòu)造[6]。熱源來自于現(xiàn)今仍處于強(qiáng)烈活動(dòng)階段的昔格達(dá)斷裂帶深部，活動(dòng)斷裂不斷產(chǎn)生摩擦熱，與地殼巖石尤其是中酸性巖漿巖的放射性生熱、地幔來源的熱能一道被6.4 km深度的地下水吸收，在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，沿?cái)嗔哑扑閹仙責(zé)崴c碳酸鹽巖地層中地下水運(yùn)移進(jìn)入斷層帶的豐富的巖溶水進(jìn)行混合、熱交換，同時(shí)發(fā)生離子交換、吸附等化學(xué)反應(yīng)，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地?zé)崴?/p>
氫氧同位素測(cè)試結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水落在整體近似平行于全球降水線的附近，說明地?zé)崴a(bǔ)給方式主要來源于大氣降水。而地下水的δ18O值有向右“漂移”現(xiàn)象，這可能是攀西干熱河谷大氣降水的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用導(dǎo)致的。其中，地?zé)崴摹把跗啤背潭雀黠@，可能是地?zé)崴h(huán)深度大，與圍巖接觸發(fā)生氧同位素交換使得δ18O值更偏右。同樣地，氘盈余計(jì)算的結(jié)果也反映地?zé)崴?jīng)歷了較長(zhǎng)的補(bǔ)給路徑，水-巖相互作用比較強(qiáng)烈。
5 地?zé)豳Y源開發(fā)利用
目前，紅格溫泉賓館在使用的地?zé)崴畞碜?003年下鉆100 m深、水溫56℃、涌水量可達(dá)727 m3/d的地?zé)峋?。其抽水試?yàn)水量為70 m3/d、水溫50℃。該含水層為20 m以深至87 m以淺的斷層破碎帶，見強(qiáng)烈風(fēng)化花崗巖，巖石蝕變程度較強(qiáng)，其上部隔水層為黏土層，下部隔水底板為花崗巖體[6]。本次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紅格溫泉出水口溫度有所下降，昔格達(dá)村泉水出現(xiàn)干涸，井中地下水位下降明顯，有一定的地下水超采現(xiàn)象。經(jīng)了解，紅格溫泉資源開發(fā)利用過程中曾出現(xiàn)運(yùn)營管理不善、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)單一等問題[19]。這些問題無疑制約著紅格地區(qū)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。
從地?zé)岬刭|(zhì)條件看，研究區(qū)處在深斷裂帶，巖溶分布較廣，地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，可供較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)科學(xué)合理開發(fā)利用，從而帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展。基于目前紅格地區(qū)開發(fā)利用地?zé)豳Y源中存在的問題和調(diào)研結(jié)果，建議在后期地?zé)豳Y源開發(fā)利用中遵循地?zé)豳Y源開發(fā)潛力，注重科學(xué)管理，構(gòu)建地?zé)崴菁?jí)利用模式，加強(qiáng)地?zé)崴|(zhì)和水文監(jiān)測(cè)，將區(qū)域地下水資源安全保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)融入地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的過程中。
6 結(jié)論
（1）紅格溫泉地?zé)崴疄镹a-Cl·SO4·HCO3型水，冷泉井水為Ca·Mg-HCO3型水。表明區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學(xué)組分。
（2）地?zé)釡貥?biāo)結(jié)果顯示，Na-K溫標(biāo)計(jì)算得熱儲(chǔ)溫度為211℃，K-Mg溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度為72℃，而SiO2溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度為114℃。氫氧同位素組成表明，大氣降水為紅格溫泉最主要的補(bǔ)給來源，其地?zé)崴h(huán)深度可達(dá)6.4 km。地下水的δ18O值有向右“漂移”現(xiàn)象，可能與攀西河谷大氣降水的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用有關(guān)。其中，地?zé)崴摹把跗啤背潭雀黠@，可能是地?zé)崴h(huán)深度大，與圍巖接觸發(fā)生氧同位素交換。
（3）本文基于地?zé)岬刭|(zhì)和水文地球化學(xué)分析，認(rèn)為昔格達(dá)斷裂為紅格溫泉的控?zé)峥厮畼?gòu)造。熱水沿?cái)嗔哑扑閹仙?，與碳酸鹽巖地層豐富的巖溶水混合、熱交換、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地下水。
（4）研究區(qū)地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，建議深入開展地?zé)豳Y源系統(tǒng)調(diào)查，保障地下水資源安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。此外，由于缺乏針對(duì)地?zé)岙惓^(qū)的地球物理勘探數(shù)據(jù)和大地?zé)崃髦档挠行y(cè)量，本文對(duì)攀西裂谷地?zé)岙惓Ｐ纬蓹C(jī)制認(rèn)識(shí)的支撐作用還比較薄弱，建議在后期深入開展地球物理結(jié)構(gòu)、大地?zé)崃?、巖石地球化學(xué)和氣體地球化學(xué)的系統(tǒng)研究。
- 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊的其它文章
- 某醫(yī)用放射源核素種類鑒定及活度監(jiān)測(cè)
- 5G 移動(dòng)通信基站電磁輻射監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
- 云南會(huì)澤產(chǎn)業(yè)園區(qū)寶云片區(qū)土壤重金屬現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)分析
- 金沙江（云南段）流域水質(zhì)現(xiàn)狀及分析
- “十三五”期間陽宗海富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)及其變化特征分析
- 工業(yè)園區(qū)污水處理廠的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐—以云南某工業(yè)園區(qū)污水處理廠為例