湖南省地?zé)崴畾溲跬凰靥卣鞣治?/h1>
2021-04-30 00:31:16常海賓
水資源開發(fā)與管理 2021年4期
常海賓 肖 江 皮 景
(1.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411100； 2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇二隊，湖南 長沙 410004)
湖南省的地?zé)豳Y源豐富。截至2013年底，湖南省境內(nèi)已經(jīng)利用的地下熱水資源有50處，涉及長沙、常德、郴州、衡陽、邵陽、湘西、永州、岳陽、張家界和株洲10個地區(qū)，全省總地下熱水資源平均日開采利用量(Qk)為50342m3(約1837.48萬m3/a)，Qk≥1000m3/d的地?zé)釂卧?0處，300m3/d≤Qk<1000m3/d的地?zé)釂卧?5處，100m3/d≤Qk<300m3/d的地?zé)釂卧?0處，Qk<100m3/d的地?zé)釂卧?5處(來自《湖南省地下熱水資源調(diào)查評價報告》)?？傮w來講，研究區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度較低，有良好的開發(fā)利用前景。
同位素技術(shù)是自20世紀(jì)50年代以來新興發(fā)展起來的一門學(xué)科，近年來我國大量學(xué)者對地下水穩(wěn)定同位素進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，解決了一些水文地質(zhì)學(xué)中的研究問題[1-4]。隨著質(zhì)譜儀技術(shù)的不斷完善，精確測定水樣中穩(wěn)定同位素含量成為可能，從而使穩(wěn)定同位素技術(shù)能廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代水文學(xué)中，同位素技術(shù)在水文學(xué)方面的應(yīng)用主要有天然降水同位素分布，水體蒸發(fā)過程中同位素的變化，地下水年齡、補給來源的測定等[5-6]。D、18O等穩(wěn)定同位素在水中所占比例雖然很小，但是它們對環(huán)境變化的響應(yīng)十分迅速，是天然的示蹤劑，因而在水循環(huán)及各類水文過程研究中具有重要意義，并且D、18O不同于溶于水中的其他同位素，其本身就是水分子的構(gòu)成部分[7-8]。大氣降水是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，降水中穩(wěn)定同位素豐度的漲落與產(chǎn)生降水的氣象過程、水汽源區(qū)的初始狀態(tài)以及大尺度環(huán)流形勢存在密切的聯(lián)系[9-10]。多數(shù)地?zé)崴畞碓从诖髿饨邓?，在分析地?zé)崴鹪磿r，應(yīng)首先考慮其和大氣降水之間的關(guān)系，在地下水循環(huán)的每一階段，水中的氫氧穩(wěn)定同位素受分餾、蒸發(fā)以及混合作用的影響，有著不同的演化規(guī)律和成分特征[11]。自1961年起，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和國際氣象組織(WMO)合作，組織了全球雨水的氫氧同位素組成的監(jiān)測，為確定全球或區(qū)域的水循環(huán)機(jī)制提供了基礎(chǔ)資料。地?zé)崴闹饕a給來源是大氣降水和地表水，故其氫氧同位素組成主要受兩方面因素控制：一是大氣降水和地表水的同位素特征；二是水體進(jìn)入地下之后發(fā)生的變化，即不同種水的混合、停留時間和水-巖相互作用等。通過測定地下熱水中的氫氧同位素指標(biāo)，并與大氣降水全球分餾線或地方分餾線進(jìn)行對比分析，可定性推斷地下熱水的成因及補給來源。
本文通過對湖南省地?zé)崴畾溲跬凰剡M(jìn)行分析，分析結(jié)果對于判斷湖南省地?zé)崴难a給來源，揭示其形成環(huán)境和水-巖相互作用，有一定的現(xiàn)實意義。
1 研究區(qū)概況
湖南省屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，光熱充足，降水豐沛，雨熱同期，氣候條件比較優(yōu)越。年平均氣溫16～18℃，冬季寒冷，春季溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，四季變化較為明顯；無霜期一般為253～311天；年平均降雨量在1200～1700mm之間。湖南省有湘、資、沅、澧四大水系及洞庭湖，省境內(nèi)河網(wǎng)密布，水系發(fā)育，呈不對稱狀分布。
根據(jù)湖南省地質(zhì)志(2012年)，研究區(qū)為湖南省內(nèi)的6個三級構(gòu)造單元，除去洞庭盆地暫未發(fā)現(xiàn)地?zé)崴?，其余均有發(fā)現(xiàn)地?zé)崴謩e為湘北斷褶帶、雪峰構(gòu)造帶、桂湘早古生代陸緣沉降帶、粵湘贛早古生代沉陷帶、云開晚古生代沉陷帶。省內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，大型斷裂構(gòu)造多以北東向、北西向為主。根據(jù)重磁異常特征資料，湖南省由湘西北至湘東南共有13條控?zé)釘嗔褞?，一級斷裂?條、二級斷裂構(gòu)造7條、三級斷裂構(gòu)造1條。溫泉大多數(shù)出露于隆起帶或褶皺帶內(nèi)背斜的核部或翼部，少數(shù)出露于凹陷帶內(nèi)。地?zé)崴饕x存于上古生界碳酸鹽巖和花崗巖構(gòu)造破碎帶中，其分布受活動構(gòu)造體系特別是活動斷裂帶控制，在斷裂截切花崗巖體地帶、構(gòu)造體系復(fù)合等特殊部位，是溫泉出露較多的有利地段。
2 水樣采集及樣品分布
本次共全面采集72組水樣，采樣位置見圖1。湖南省地?zé)崴酁闇厝雎?，其次為鉆孔揭露，其中溫泉水于泉水出露處進(jìn)行取樣，鉆孔熱水取樣位置在井口以下1m左右進(jìn)行取樣。湘北斷褶帶包含17個地?zé)釂卧?XB1～XB17)，取樣位置屬于湘西北構(gòu)造侵蝕溶蝕山地區(qū)，屬云貴高原東北部邊緣地帶，山體高大，山勢宏偉，并呈丘陵起伏臺地，具有明顯的山原地貌特征，該區(qū)域碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌非常顯著，河谷多呈V字形。雪峰構(gòu)造帶包含18個地?zé)釂卧?XF1～XF18)；桂湘早古生代陸緣沉降帶包含8個地?zé)釂卧?XG1～XG8)，該兩個構(gòu)造單元一部分取樣點位于湘西構(gòu)造侵蝕山地區(qū)，由沅陵—麻陽—芷江拗陷帶和雪峰山斷褶帶組成，地貌形態(tài)除中、低山外，還有山間盆地和丘陵谷地，總體地勢南高北低；另一部分取樣點位于湘東構(gòu)造侵蝕山丘區(qū)，山體谷地多呈北東向雁行排列的嶺谷相間地貌特征，區(qū)內(nèi)由淺變質(zhì)巖和巖漿巖構(gòu)成的中、低山，有山坡陡、河谷深切等特征。云開晚古生代沉陷帶包含11個地?zé)釂卧?YK1～YK11)；粵湘贛早古生代沉陷帶包含18個地?zé)釂卧?YXG1～YXG18)，兩個構(gòu)造單元大部分取樣點位于湘南構(gòu)造侵蝕溶蝕山丘區(qū)(是由巖漿巖及淺變質(zhì)巖為主構(gòu)成的中、低山侵蝕構(gòu)造)，以及嶺間溶蝕侵蝕丘陵谷地。山嶺高峻、切割強(qiáng)烈、坡陡溝深，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈?？偟膩碚f，湖南省地形復(fù)雜多變，巖溶發(fā)育，地下水及地?zé)崴饕苑稚B流的方式進(jìn)行補給，在巖溶極發(fā)育的地方以集中管流的方式補給地下水。樣品的氫氧同位素分析單位為核工業(yè)二三〇研究所分析測試中心。
圖1 地?zé)釂卧植?/p>
3 結(jié)果分析
3.1 δD和δ18O測試結(jié)果
研究區(qū)地下熱水以低溫(25～40℃)和溫水(40～60℃)為主，占總地?zé)釂卧倲?shù)的97%，地?zé)崴衣稁r性大部分為灰?guī)r，共46處，占總地?zé)釂卧?4%；其次為花崗巖，占22%。湘北斷褶帶的δD和δ18O均值分別為-48.53‰和-4.12‰，δD和δ18O最小值都位于常德市澧縣火連坡鎮(zhèn)澧松村，最大值都位于湘西土家族苗族自治州龍山縣洗車河鎮(zhèn)，且都是以泉的形式出露；雪峰構(gòu)造帶的δD和δ18O均值分別為-51.26‰和-5.58‰，δD最小值位于長沙縣路口鎮(zhèn)麻林橋村，最大值位于瀏陽市沿溪鎮(zhèn)大光湖村，δ18O最小值位于懷化市麻陽縣石羊哨鎮(zhèn)新建村，以鉆孔形式揭露，最大值位于寧鄉(xiāng)縣灰湯鎮(zhèn)灰湯溫泉；桂湘早古生代陸緣沉降帶的δD和δ18O均值分別為-40.95‰和-4.10‰，δD和δ18O最小值都位于邵陽市新邵縣龍溪鋪鎮(zhèn)田心村的出露泉點，δD最大值位于韶山市如意鎮(zhèn)球山村，為人工揭露鉆孔，δ18O最大值位于衡陽市衡東縣楊家橋鎮(zhèn)金盆村；粵湘贛早古生代沉陷帶的δD和δ18O均值分別為-41.13‰和-3.62‰，δD和δ18O最小值位于炎陵縣平樂鄉(xiāng)樂福村泉點，最大值位于蘇仙區(qū)許家洞鎮(zhèn)天堂村鉆孔點；云開晚古生代沉陷帶的δD和δ18O均值分別為-42.65‰和-4.91‰，δD最小值位于永州市江永縣千家洞鄉(xiāng)上木源村的泉點，最大值位于耒陽市東湖圩鄉(xiāng)湯泉村，δ18O最小值位于郴州市嘉禾縣珠泉鎮(zhèn)爻山村泉點，最大值位于株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村泉點?？傮w數(shù)據(jù)顯示δD的變化范圍為-64.40‰～-25.20‰，δ18O的變化范圍為-9.60‰～0.60‰，鄭淑蕙等[12]計算出了中國大氣降水中δD的范圍為20‰～-190‰，δ18O的范圍為2‰～-24‰?？梢?，湖南省地?zé)崴臍溲跬凰睾烤挥谥袊邓兓秶鷥?nèi)。
箱線圖的箱體為該組50%的數(shù)據(jù)，中位線表示該組數(shù)據(jù)的中間位置，由各構(gòu)造單元的δD和δ18O箱線圖(見圖2)可知，箱體、中位線和均值近乎都在同一水平上，僅有雪峰構(gòu)造帶稍呈現(xiàn)出左偏態(tài)，由此看來各個構(gòu)造單元的δD和δ18O值波動不大較為接近，反映了湖南省地?zé)崴难a給來源、形成環(huán)境和水-巖相互作用的程度基本相同。
圖2 各構(gòu)造單元δD和δ18O分布箱線
3.2 地?zé)崴植继卣骱脱a給來源
1961年H.Craig通過分析全球降水400個左右樣品的同位素，首先提出了大氣降水δD和δ18O值之間存在如下的線性關(guān)系：δD=8δ18O+10，即全球大氣降水線(GMWL)。被應(yīng)用于區(qū)別大氣降水與地表水地下水之間的相互聯(lián)系，如果計算結(jié)果與本地大氣降水線相一致，則表明水的來源主要受大氣降水控制，另外根據(jù)GNIP(Globe Network of Isotope in Precipitation)提供的長沙多年觀測大氣降水?dāng)?shù)據(jù)得到的長沙大氣降水線(LMWL)為δD=8.4δ18O+15.1，與GMWL相比，其斜率和截距稍有偏大，反映了湖南省大氣降水與降水云團(tuán)來源和性質(zhì)以及受季風(fēng)影響等方面存在較大的非一致性。
根據(jù)72組地?zé)崴畾溲跬凰氐臏y試結(jié)果，以及上述大氣降水線資料，對各個構(gòu)造單元分別繪制δD-δ18O關(guān)系圖(見圖3)。從圖3中可以看出，接近大半的地?zé)崴c落在大氣降水線附近，說明地下熱水的來源既有大氣降水的補給，也有少量地下冷水混入，導(dǎo)致部分熱水點偏離大氣降水線。
圖3 湖南省各構(gòu)造單元地?zé)崴腄-δ18O關(guān)系
對偏離數(shù)據(jù)分A、B兩組，利用最小二乘法計算兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性并擬合出直線方程，A組包含13個熱水單元，結(jié)果為
y=7.79x-18.38(N=13，R2=0.8152)
B組包含8個熱水單元，結(jié)果為
y=8.08x-29.71(N=8，R2=0.9647)
式中：N為樣品數(shù)；R2為線性相關(guān)系數(shù)。
可知兩組方程的斜率與大氣降水線差別不大，僅僅是截距偏小，即使偏離了大氣降水線，但其氫氧同位素的相關(guān)性和大氣降水方程還是一致的，故而這些地?zé)崴m然有冷水的混入，其主要補給來源還是來自大氣降水。
進(jìn)一步分析造成上述部分樣品偏離大氣降水線較遠(yuǎn)的原因：一是這些地?zé)崴a給來源可能為沉積水，沉積水又叫埋藏水，原因是其中含量比較多的H2S、CH4與地?zé)崴蠨發(fā)生同位素交換，δD值發(fā)生變化[13-14]，但這種情況導(dǎo)致的δD值變化是比較微小的。二是發(fā)生了強(qiáng)烈的水-巖相互作用。水-巖相互作用是引起地下水中18O漂移的關(guān)鍵因素，由于地下巖石中含氫的組分比較少，所以D的漂移可以忽略不計，而含氧礦物的18O含量遠(yuǎn)大于熱礦水中18O，水-巖相互作用發(fā)生同位素交換的結(jié)果必然使得水中的18O富集明顯，即發(fā)生18O漂移，這也解釋了圖中樣品為何基本都落在大氣降水線的右側(cè)，即18O含量高的一側(cè)。而且偏離大氣降水線較遠(yuǎn)的樣品主要位于奧陶系沉積巖灰?guī)r中，18O漂移的主要交換方式有：
與方解石之間的18O交換：
CaCO218O+H2O→CaCO2+H218O
與石膏之間的18O交換：
CaSO318O+H2O→CaSO4+H218O
與石英或玉髓之間的18O交換：
SiO18O+H2O→SiO2+H218O
與長石之間的18O交換：
CaAl2Si2O718O+H2O→CaAl2Si2O8+H218O
在沒有外來TDS來源溶液混入的情況下，溶解性總固體TDS的大小通常可綜合反映水-巖相互作用的強(qiáng)弱。因此，TDS越大，18O交換程度越高，漂移幅度越大。對樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，取TDS<1000mg/L的34組淡水[13]水樣進(jìn)行分析(見圖4)，計算得出相關(guān)系數(shù)R2=0.41，間接證明水-巖相互作用對18O漂移是有影響的，且為正相關(guān)關(guān)系。
圖4 δ18O與TDS相關(guān)關(guān)系
3.3 D過量參數(shù)特征
為了進(jìn)一步證明是由于強(qiáng)烈的水-巖相互作用導(dǎo)致地?zé)崴?8O增加富集，在此引入D過量參數(shù)d，D過量是W.Dansgaard在1984年提出的一個新概念，最初是便于比較當(dāng)?shù)卮髿饨邓腿虼髿饨邓g的差異，公式為d=δD-8δ18O。地下水氘過量參數(shù)實際上是某一區(qū)域范圍內(nèi)水-巖氧同位素交換程度的總體反映，也是衡量其程度變化的一個指標(biāo)，只有采用氘過量參數(shù)，才可以避開季節(jié)性或不同源區(qū)補給所帶來的影響，準(zhǔn)確地反映地下水含水層內(nèi)水-巖氧同位素交換的程度[15]。根據(jù)樣品數(shù)據(jù)計算出各個構(gòu)造單元的d值：湘北斷褶帶氘過量范圍為-30.0～19.3，均值為-15.59；雪峰構(gòu)造帶氘過量范圍為-23.3～17.7，均值為-6.59；桂湘早古生代陸緣沉降帶氘過量范圍為-18.4～7.8，均值為-8.15；粵湘贛早古生代沉陷帶氘過量范圍為-32.3～8.7，均值為-12.19；云開晚古生代沉陷帶氘過量范圍為-19.1～10.7，均值為-4.54。可以看出，在相同的斜率下，樣品截距的均值都小于本地大氣降水截距，計算結(jié)果顯示湖南省各個構(gòu)造單元的絕大部分地?zé)崴^量參數(shù)都落在d<15.1的一側(cè)，只有兩個熱水單元的氘過量參數(shù)d>15.1，由此可以判斷湖南省整體地?zé)崴乃?巖相互作用是比較強(qiáng)烈的，結(jié)合不同巖性中氘過量參數(shù)分布圖(見圖5)可知，灰?guī)r中d<15.1的地?zé)釂卧獢?shù)為45個，占總數(shù)的62.5%；花崗巖為16個，占總數(shù)的22.2%；砂巖占9.7%?？傊殡S著水-巖相互作用的愈發(fā)強(qiáng)烈，即氧同位素的交換程度增高，δ18O增大，導(dǎo)致本地大氣降水d值有所減小，并且湖南省地?zé)崴饕雎对诨規(guī)r，巖溶比較發(fā)育，這與尹觀等[16]得出的結(jié)論，即巖溶區(qū)內(nèi)水-巖作用所導(dǎo)致的氧同位素交換較非巖溶區(qū)容易進(jìn)行，交換的程度高相一致。此外，d值的大小與地?zé)崴谧陨砗畬又械臏魰r間也是相關(guān)的，隨著時間推移，δ18O含量不斷增大，d值也相應(yīng)不斷減小。
圖5 不同巖性氘過量d箱線
4 結(jié) 論
a.湖南省整體地?zé)崴臍溲跬凰胤植妓讲▌硬淮?，可以認(rèn)為地?zé)崴难a給來源、形成環(huán)境和水-巖相互作用的程度基本是相似的。
b.結(jié)合δD-δ18O關(guān)系圖，湖南省大部分δD和δ18O值都落在大氣降水線附近，說明湖南省地?zé)崴闹饕a給來源為大氣降水，較少部分值偏離大氣降水線，說明地?zé)崴杏胁糠掷渌幕烊?。對偏離大氣降水線的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)得到的擬合方程和大氣降水方程在斜率上基本相似，僅在截距上偏小，說明雖然有冷水的混入，但其主要的補給來源還是大氣降水。對于TDS<1000mg/L的地?zé)崴?8O含量和TDS是呈正相關(guān)的關(guān)系。
c.湖南省地?zé)崴饕雎对诨規(guī)r中，即巖溶發(fā)育的地區(qū)，整體地?zé)崴须^量d值相對于本地區(qū)域大氣降水線截距偏小，說明湖南省整體地?zé)崴乃?巖相互作用是比較強(qiáng)烈的。
d.本文研究結(jié)論對于今后在湖南省內(nèi)尋找地?zé)豳Y源有一定的指導(dǎo)意義，在一定程度上豐富了同位素研究在地?zé)豳Y源領(lǐng)域的成果。
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同位素技術(shù)是自20世紀(jì)50年代以來新興發(fā)展起來的一門學(xué)科，近年來我國大量學(xué)者對地下水穩(wěn)定同位素進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，解決了一些水文地質(zhì)學(xué)中的研究問題[1-4]。隨著質(zhì)譜儀技術(shù)的不斷完善，精確測定水樣中穩(wěn)定同位素含量成為可能，從而使穩(wěn)定同位素技術(shù)能廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代水文學(xué)中，同位素技術(shù)在水文學(xué)方面的應(yīng)用主要有天然降水同位素分布，水體蒸發(fā)過程中同位素的變化，地下水年齡、補給來源的測定等[5-6]。D、18O等穩(wěn)定同位素在水中所占比例雖然很小，但是它們對環(huán)境變化的響應(yīng)十分迅速，是天然的示蹤劑，因而在水循環(huán)及各類水文過程研究中具有重要意義，并且D、18O不同于溶于水中的其他同位素，其本身就是水分子的構(gòu)成部分[7-8]。大氣降水是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，降水中穩(wěn)定同位素豐度的漲落與產(chǎn)生降水的氣象過程、水汽源區(qū)的初始狀態(tài)以及大尺度環(huán)流形勢存在密切的聯(lián)系[9-10]。多數(shù)地?zé)崴畞碓从诖髿饨邓?，在分析地?zé)崴鹪磿r，應(yīng)首先考慮其和大氣降水之間的關(guān)系，在地下水循環(huán)的每一階段，水中的氫氧穩(wěn)定同位素受分餾、蒸發(fā)以及混合作用的影響，有著不同的演化規(guī)律和成分特征[11]。自1961年起，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和國際氣象組織(WMO)合作，組織了全球雨水的氫氧同位素組成的監(jiān)測，為確定全球或區(qū)域的水循環(huán)機(jī)制提供了基礎(chǔ)資料。地?zé)崴闹饕a給來源是大氣降水和地表水，故其氫氧同位素組成主要受兩方面因素控制：一是大氣降水和地表水的同位素特征；二是水體進(jìn)入地下之后發(fā)生的變化，即不同種水的混合、停留時間和水-巖相互作用等。通過測定地下熱水中的氫氧同位素指標(biāo)，并與大氣降水全球分餾線或地方分餾線進(jìn)行對比分析，可定性推斷地下熱水的成因及補給來源。
本文通過對湖南省地?zé)崴畾溲跬凰剡M(jìn)行分析，分析結(jié)果對于判斷湖南省地?zé)崴难a給來源，揭示其形成環(huán)境和水-巖相互作用，有一定的現(xiàn)實意義。
1 研究區(qū)概況
湖南省屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，光熱充足，降水豐沛，雨熱同期，氣候條件比較優(yōu)越。年平均氣溫16～18℃，冬季寒冷，春季溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，四季變化較為明顯；無霜期一般為253～311天；年平均降雨量在1200～1700mm之間。湖南省有湘、資、沅、澧四大水系及洞庭湖，省境內(nèi)河網(wǎng)密布，水系發(fā)育，呈不對稱狀分布。
根據(jù)湖南省地質(zhì)志(2012年)，研究區(qū)為湖南省內(nèi)的6個三級構(gòu)造單元，除去洞庭盆地暫未發(fā)現(xiàn)地?zé)崴?，其余均有發(fā)現(xiàn)地?zé)崴謩e為湘北斷褶帶、雪峰構(gòu)造帶、桂湘早古生代陸緣沉降帶、粵湘贛早古生代沉陷帶、云開晚古生代沉陷帶。省內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，大型斷裂構(gòu)造多以北東向、北西向為主。根據(jù)重磁異常特征資料，湖南省由湘西北至湘東南共有13條控?zé)釘嗔褞?，一級斷裂?條、二級斷裂構(gòu)造7條、三級斷裂構(gòu)造1條。溫泉大多數(shù)出露于隆起帶或褶皺帶內(nèi)背斜的核部或翼部，少數(shù)出露于凹陷帶內(nèi)。地?zé)崴饕x存于上古生界碳酸鹽巖和花崗巖構(gòu)造破碎帶中，其分布受活動構(gòu)造體系特別是活動斷裂帶控制，在斷裂截切花崗巖體地帶、構(gòu)造體系復(fù)合等特殊部位，是溫泉出露較多的有利地段。
2 水樣采集及樣品分布
本次共全面采集72組水樣，采樣位置見圖1。湖南省地?zé)崴酁闇厝雎?，其次為鉆孔揭露，其中溫泉水于泉水出露處進(jìn)行取樣，鉆孔熱水取樣位置在井口以下1m左右進(jìn)行取樣。湘北斷褶帶包含17個地?zé)釂卧?XB1～XB17)，取樣位置屬于湘西北構(gòu)造侵蝕溶蝕山地區(qū)，屬云貴高原東北部邊緣地帶，山體高大，山勢宏偉，并呈丘陵起伏臺地，具有明顯的山原地貌特征，該區(qū)域碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌非常顯著，河谷多呈V字形。雪峰構(gòu)造帶包含18個地?zé)釂卧?XF1～XF18)；桂湘早古生代陸緣沉降帶包含8個地?zé)釂卧?XG1～XG8)，該兩個構(gòu)造單元一部分取樣點位于湘西構(gòu)造侵蝕山地區(qū)，由沅陵—麻陽—芷江拗陷帶和雪峰山斷褶帶組成，地貌形態(tài)除中、低山外，還有山間盆地和丘陵谷地，總體地勢南高北低；另一部分取樣點位于湘東構(gòu)造侵蝕山丘區(qū)，山體谷地多呈北東向雁行排列的嶺谷相間地貌特征，區(qū)內(nèi)由淺變質(zhì)巖和巖漿巖構(gòu)成的中、低山，有山坡陡、河谷深切等特征。云開晚古生代沉陷帶包含11個地?zé)釂卧?YK1～YK11)；粵湘贛早古生代沉陷帶包含18個地?zé)釂卧?YXG1～YXG18)，兩個構(gòu)造單元大部分取樣點位于湘南構(gòu)造侵蝕溶蝕山丘區(qū)(是由巖漿巖及淺變質(zhì)巖為主構(gòu)成的中、低山侵蝕構(gòu)造)，以及嶺間溶蝕侵蝕丘陵谷地。山嶺高峻、切割強(qiáng)烈、坡陡溝深，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈?？偟膩碚f，湖南省地形復(fù)雜多變，巖溶發(fā)育，地下水及地?zé)崴饕苑稚B流的方式進(jìn)行補給，在巖溶極發(fā)育的地方以集中管流的方式補給地下水。樣品的氫氧同位素分析單位為核工業(yè)二三〇研究所分析測試中心。
圖1 地?zé)釂卧植?/p>
3 結(jié)果分析
3.1 δD和δ18O測試結(jié)果
研究區(qū)地下熱水以低溫(25～40℃)和溫水(40～60℃)為主，占總地?zé)釂卧倲?shù)的97%，地?zé)崴衣稁r性大部分為灰?guī)r，共46處，占總地?zé)釂卧?4%；其次為花崗巖，占22%。湘北斷褶帶的δD和δ18O均值分別為-48.53‰和-4.12‰，δD和δ18O最小值都位于常德市澧縣火連坡鎮(zhèn)澧松村，最大值都位于湘西土家族苗族自治州龍山縣洗車河鎮(zhèn)，且都是以泉的形式出露；雪峰構(gòu)造帶的δD和δ18O均值分別為-51.26‰和-5.58‰，δD最小值位于長沙縣路口鎮(zhèn)麻林橋村，最大值位于瀏陽市沿溪鎮(zhèn)大光湖村，δ18O最小值位于懷化市麻陽縣石羊哨鎮(zhèn)新建村，以鉆孔形式揭露，最大值位于寧鄉(xiāng)縣灰湯鎮(zhèn)灰湯溫泉；桂湘早古生代陸緣沉降帶的δD和δ18O均值分別為-40.95‰和-4.10‰，δD和δ18O最小值都位于邵陽市新邵縣龍溪鋪鎮(zhèn)田心村的出露泉點，δD最大值位于韶山市如意鎮(zhèn)球山村，為人工揭露鉆孔，δ18O最大值位于衡陽市衡東縣楊家橋鎮(zhèn)金盆村；粵湘贛早古生代沉陷帶的δD和δ18O均值分別為-41.13‰和-3.62‰，δD和δ18O最小值位于炎陵縣平樂鄉(xiāng)樂福村泉點，最大值位于蘇仙區(qū)許家洞鎮(zhèn)天堂村鉆孔點；云開晚古生代沉陷帶的δD和δ18O均值分別為-42.65‰和-4.91‰，δD最小值位于永州市江永縣千家洞鄉(xiāng)上木源村的泉點，最大值位于耒陽市東湖圩鄉(xiāng)湯泉村，δ18O最小值位于郴州市嘉禾縣珠泉鎮(zhèn)爻山村泉點，最大值位于株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村泉點?？傮w數(shù)據(jù)顯示δD的變化范圍為-64.40‰～-25.20‰，δ18O的變化范圍為-9.60‰～0.60‰，鄭淑蕙等[12]計算出了中國大氣降水中δD的范圍為20‰～-190‰，δ18O的范圍為2‰～-24‰?？梢?，湖南省地?zé)崴臍溲跬凰睾烤挥谥袊邓兓秶鷥?nèi)。
箱線圖的箱體為該組50%的數(shù)據(jù)，中位線表示該組數(shù)據(jù)的中間位置，由各構(gòu)造單元的δD和δ18O箱線圖(見圖2)可知，箱體、中位線和均值近乎都在同一水平上，僅有雪峰構(gòu)造帶稍呈現(xiàn)出左偏態(tài)，由此看來各個構(gòu)造單元的δD和δ18O值波動不大較為接近，反映了湖南省地?zé)崴难a給來源、形成環(huán)境和水-巖相互作用的程度基本相同。
圖2 各構(gòu)造單元δD和δ18O分布箱線
3.2 地?zé)崴植继卣骱脱a給來源
1961年H.Craig通過分析全球降水400個左右樣品的同位素，首先提出了大氣降水δD和δ18O值之間存在如下的線性關(guān)系：δD=8δ18O+10，即全球大氣降水線(GMWL)。被應(yīng)用于區(qū)別大氣降水與地表水地下水之間的相互聯(lián)系，如果計算結(jié)果與本地大氣降水線相一致，則表明水的來源主要受大氣降水控制，另外根據(jù)GNIP(Globe Network of Isotope in Precipitation)提供的長沙多年觀測大氣降水?dāng)?shù)據(jù)得到的長沙大氣降水線(LMWL)為δD=8.4δ18O+15.1，與GMWL相比，其斜率和截距稍有偏大，反映了湖南省大氣降水與降水云團(tuán)來源和性質(zhì)以及受季風(fēng)影響等方面存在較大的非一致性。
根據(jù)72組地?zé)崴畾溲跬凰氐臏y試結(jié)果，以及上述大氣降水線資料，對各個構(gòu)造單元分別繪制δD-δ18O關(guān)系圖(見圖3)。從圖3中可以看出，接近大半的地?zé)崴c落在大氣降水線附近，說明地下熱水的來源既有大氣降水的補給，也有少量地下冷水混入，導(dǎo)致部分熱水點偏離大氣降水線。
圖3 湖南省各構(gòu)造單元地?zé)崴腄-δ18O關(guān)系
對偏離數(shù)據(jù)分A、B兩組，利用最小二乘法計算兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性并擬合出直線方程，A組包含13個熱水單元，結(jié)果為
y=7.79x-18.38(N=13，R2=0.8152)
B組包含8個熱水單元，結(jié)果為
y=8.08x-29.71(N=8，R2=0.9647)
式中：N為樣品數(shù)；R2為線性相關(guān)系數(shù)。
可知兩組方程的斜率與大氣降水線差別不大，僅僅是截距偏小，即使偏離了大氣降水線，但其氫氧同位素的相關(guān)性和大氣降水方程還是一致的，故而這些地?zé)崴m然有冷水的混入，其主要補給來源還是來自大氣降水。
進(jìn)一步分析造成上述部分樣品偏離大氣降水線較遠(yuǎn)的原因：一是這些地?zé)崴a給來源可能為沉積水，沉積水又叫埋藏水，原因是其中含量比較多的H2S、CH4與地?zé)崴蠨發(fā)生同位素交換，δD值發(fā)生變化[13-14]，但這種情況導(dǎo)致的δD值變化是比較微小的。二是發(fā)生了強(qiáng)烈的水-巖相互作用。水-巖相互作用是引起地下水中18O漂移的關(guān)鍵因素，由于地下巖石中含氫的組分比較少，所以D的漂移可以忽略不計，而含氧礦物的18O含量遠(yuǎn)大于熱礦水中18O，水-巖相互作用發(fā)生同位素交換的結(jié)果必然使得水中的18O富集明顯，即發(fā)生18O漂移，這也解釋了圖中樣品為何基本都落在大氣降水線的右側(cè)，即18O含量高的一側(cè)。而且偏離大氣降水線較遠(yuǎn)的樣品主要位于奧陶系沉積巖灰?guī)r中，18O漂移的主要交換方式有：
與方解石之間的18O交換：
CaCO218O+H2O→CaCO2+H218O
與石膏之間的18O交換：
CaSO318O+H2O→CaSO4+H218O
與石英或玉髓之間的18O交換：
SiO18O+H2O→SiO2+H218O
與長石之間的18O交換：
CaAl2Si2O718O+H2O→CaAl2Si2O8+H218O
在沒有外來TDS來源溶液混入的情況下，溶解性總固體TDS的大小通常可綜合反映水-巖相互作用的強(qiáng)弱。因此，TDS越大，18O交換程度越高，漂移幅度越大。對樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，取TDS<1000mg/L的34組淡水[13]水樣進(jìn)行分析(見圖4)，計算得出相關(guān)系數(shù)R2=0.41，間接證明水-巖相互作用對18O漂移是有影響的，且為正相關(guān)關(guān)系。
圖4 δ18O與TDS相關(guān)關(guān)系
3.3 D過量參數(shù)特征
為了進(jìn)一步證明是由于強(qiáng)烈的水-巖相互作用導(dǎo)致地?zé)崴?8O增加富集，在此引入D過量參數(shù)d，D過量是W.Dansgaard在1984年提出的一個新概念，最初是便于比較當(dāng)?shù)卮髿饨邓腿虼髿饨邓g的差異，公式為d=δD-8δ18O。地下水氘過量參數(shù)實際上是某一區(qū)域范圍內(nèi)水-巖氧同位素交換程度的總體反映，也是衡量其程度變化的一個指標(biāo)，只有采用氘過量參數(shù)，才可以避開季節(jié)性或不同源區(qū)補給所帶來的影響，準(zhǔn)確地反映地下水含水層內(nèi)水-巖氧同位素交換的程度[15]。根據(jù)樣品數(shù)據(jù)計算出各個構(gòu)造單元的d值：湘北斷褶帶氘過量范圍為-30.0～19.3，均值為-15.59；雪峰構(gòu)造帶氘過量范圍為-23.3～17.7，均值為-6.59；桂湘早古生代陸緣沉降帶氘過量范圍為-18.4～7.8，均值為-8.15；粵湘贛早古生代沉陷帶氘過量范圍為-32.3～8.7，均值為-12.19；云開晚古生代沉陷帶氘過量范圍為-19.1～10.7，均值為-4.54。可以看出，在相同的斜率下，樣品截距的均值都小于本地大氣降水截距，計算結(jié)果顯示湖南省各個構(gòu)造單元的絕大部分地?zé)崴^量參數(shù)都落在d<15.1的一側(cè)，只有兩個熱水單元的氘過量參數(shù)d>15.1，由此可以判斷湖南省整體地?zé)崴乃?巖相互作用是比較強(qiáng)烈的，結(jié)合不同巖性中氘過量參數(shù)分布圖(見圖5)可知，灰?guī)r中d<15.1的地?zé)釂卧獢?shù)為45個，占總數(shù)的62.5%；花崗巖為16個，占總數(shù)的22.2%；砂巖占9.7%?？傊殡S著水-巖相互作用的愈發(fā)強(qiáng)烈，即氧同位素的交換程度增高，δ18O增大，導(dǎo)致本地大氣降水d值有所減小，并且湖南省地?zé)崴饕雎对诨規(guī)r，巖溶比較發(fā)育，這與尹觀等[16]得出的結(jié)論，即巖溶區(qū)內(nèi)水-巖作用所導(dǎo)致的氧同位素交換較非巖溶區(qū)容易進(jìn)行，交換的程度高相一致。此外，d值的大小與地?zé)崴谧陨砗畬又械臏魰r間也是相關(guān)的，隨著時間推移，δ18O含量不斷增大，d值也相應(yīng)不斷減小。
圖5 不同巖性氘過量d箱線
4 結(jié) 論
a.湖南省整體地?zé)崴臍溲跬凰胤植妓讲▌硬淮?，可以認(rèn)為地?zé)崴难a給來源、形成環(huán)境和水-巖相互作用的程度基本是相似的。
b.結(jié)合δD-δ18O關(guān)系圖，湖南省大部分δD和δ18O值都落在大氣降水線附近，說明湖南省地?zé)崴闹饕a給來源為大氣降水，較少部分值偏離大氣降水線，說明地?zé)崴杏胁糠掷渌幕烊?。對偏離大氣降水線的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)得到的擬合方程和大氣降水方程在斜率上基本相似，僅在截距上偏小，說明雖然有冷水的混入，但其主要的補給來源還是大氣降水。對于TDS<1000mg/L的地?zé)崴?8O含量和TDS是呈正相關(guān)的關(guān)系。
c.湖南省地?zé)崴饕雎对诨規(guī)r中，即巖溶發(fā)育的地區(qū)，整體地?zé)崴须^量d值相對于本地區(qū)域大氣降水線截距偏小，說明湖南省整體地?zé)崴乃?巖相互作用是比較強(qiáng)烈的。
d.本文研究結(jié)論對于今后在湖南省內(nèi)尋找地?zé)豳Y源有一定的指導(dǎo)意義，在一定程度上豐富了同位素研究在地?zé)豳Y源領(lǐng)域的成果。
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