東莞市地?zé)崃黧w的地球化學(xué)成因模式研究

邱向榮

(廣東省地質(zhì)技術(shù)工程咨詢公司，廣東 廣州 510080)

地?zé)嵯到y(tǒng)的成因機(jī)制研究包括地質(zhì)成因模式和水文地球化學(xué)成因模式兩方面，其中地質(zhì)成因模式的研究已比較深入(汪集旸 等，1993；葉建，2018；楊榮康 等，2014；張紅紅 等，2019；張磊，2020；曾一芳 等，2021)，但系統(tǒng)的水文地球化學(xué)成因模式研究目前仍處于探索階段(季國松，2014；羅來鈁，2019；楊元麗 等，2014)。本文試圖以東莞塘廈大鐘嶺地?zé)崽餅檠芯繉ο?，對地?zé)崽镩_展地球化學(xué)研究，以研究清楚地?zé)崽锏牡厍蚧瘜W(xué)成因模式。在分析地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過對比分析地?zé)崃黧w和不同水體(地表水、泉水和井水等)的水化學(xué)特征，查明水化學(xué)主要組分來源，并進(jìn)一步確定水—巖反應(yīng)中的反應(yīng)相，之后利用反向模擬來獲得地?zé)崃黧w形成過程所發(fā)生的地球化學(xué)作用和反應(yīng)相的摩爾轉(zhuǎn)移。

廣東地處我國東南沿海地?zé)釒е?，地?zé)豳Y源豐富，已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崽镉腥俣嗵?程文漢，2013；王鈞，1985；王雙，2013；廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，2015；吳玉婷 等，2019)。全省21個地級市(計劃單列市)唯獨(dú)東莞沒有溫泉出露，而東莞市民卻非常喜歡溫泉休閑養(yǎng)生，因此自改革開放以來，在東莞轄區(qū)內(nèi)投入不少經(jīng)費(fèi)開展隱地?zé)峥辈椋Ｍ軌蛘业娇晒╅_發(fā)利用的地?zé)豳Y源，但結(jié)果均不理想。直至2020年底，東莞塘廈大鐘嶺地?zé)崽锏陌l(fā)現(xiàn)，才結(jié)束了東莞沒有溫泉的歷史。東莞酒店業(yè)非常發(fā)達(dá)，地?zé)豳Y源開發(fā)利用對酒店業(yè)的轉(zhuǎn)型升級以及旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要促進(jìn)作用，因此深入研究大鐘嶺地?zé)崽锏男纬蓹C(jī)制，對東莞乃至華南地區(qū)尋找隱伏地?zé)豳Y源有重要借鑒意義。

1 地?zé)崽锔艣r

圖1 地?zé)崽锏刭|(zhì)圖

2 地?zé)崃黧w水文地球化學(xué)過程分析

2.1 主要水化學(xué)組分的來源分析

同一地區(qū)不同水體化學(xué)成分的形成往往具有某些內(nèi)在聯(lián)系，故可將地?zé)崃黧w和其他水體的化學(xué)特征進(jìn)行對比分析，從而評估水化學(xué)組分的來源，為進(jìn)一步研究地?zé)崃黧w形成過程提供宏觀判斷依據(jù)。本項研究選擇4組地?zé)崃黧w(3個開采井和1個勘探孔，圖1)枯水期全分析樣品，另代表性選擇研究區(qū)內(nèi)主要水體(泉水、水庫水、魚塘水、機(jī)井和民井水)的化學(xué)樣品作為對比樣品。

由圖2(a)可見，地?zé)崃黧w的樣品在Na-Cl坐標(biāo)中明顯偏離了1∶1比例線并集中在Na軸，提示地?zé)崃黧w中的鈉除了來自巖鹽外還有其他來源。通常地下水中非巖鹽來源的Na+主要是來自硅酸鹽礦物(如長石類)或離子交換的結(jié)果。除了地?zé)崃黧w以外的其他水體，樣品點(diǎn)均落在1∶1比例線上，表示這些水體中的Cl-和Na+主要是來自巖鹽的溶解。

圖2(b)顯示了地?zé)崃黧w的[Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-]偏離1∶1比例線并趨近于(HCO3+SO4)軸，提示地?zé)崃黧w中除了存在碳酸鹽、硫酸鹽礦物溶解外，陰離子還有其他來源。地?zé)崃黧w以外的水體樣品點(diǎn)均落在1∶1比例線上，表示這些水體的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-基本上都是來自碳酸鹽和硫酸鹽的溶解。

圖2(c)顯示了地?zé)崃黧w偏離1∶1比例線并趨向于HCO3軸，提示HCO3-除了來自碳酸鹽的溶解外還有其他來源。其他水體的樣品基本落在1∶1比例線附近，表示方解石、文石是水中HCO3-和Ca2+的重要來源。

當(dāng)水中的硫酸鈣主要是來自石膏、硬石膏溶解時，SO42-和Ca2+的當(dāng)量濃度比也是1∶1。圖2(d)中主要水樣點(diǎn)全部偏離1∶1比例線并集中于Ca軸，說明石膏、硬石膏溶解的占比小，鈣有更多來源。

圖2(e)、(f)可用于進(jìn)一步判斷水中的HCO3-、Ca2+、Mg2+是否與白云石溶解密切相關(guān)，如果這些組分主要來自白云石溶解，則水中HCO3-和Mg2+的當(dāng)量濃度比接近2∶1，而HCO3-和(Ca2++Mg2+)的當(dāng)量濃度比接近1∶1。由圖示可見，地?zé)崃黧w偏離了比例線并趨向于HCO3軸，表示HCO3-有更多來源(和圖2(c)具同樣提示意義)。地?zé)崃黧w以外的水樣則基本落在比例線上，即白云石的溶解是相關(guān)組分的重要來源。

圖2 主要水體化學(xué)組分關(guān)系圖Fig.2 Relation of chemical constituents in major water bodies

2.2 水文地球化學(xué)過程的反向模擬

反向模擬中下游水樣選擇開采區(qū)的地?zé)崃黧w樣(RJ3井枯水期樣品)。上游水樣的選取具有一些不確定性，因?yàn)榭陀^上要獲得與開采區(qū)完全同屬一個循環(huán)路徑的水樣有困難。考慮到沿F1斷層走向向西地形高處的泉點(diǎn)(圖1中的S4水樣點(diǎn))出露基巖是早侏羅世塘廈組亞公山巖楔，其巖性并非F1斷層經(jīng)過的主體地層，代表性有所欠缺，故選取開采區(qū)北邊的ZK2孔水樣。雖然該孔地理位置并不適宜，但這個孔的巖性與F1斷層通過地段巖性相同，同時該孔地下水來自于淺部基巖裂隙，可以代表沿斷裂帶走向廣大地區(qū)淺部基巖裂隙水的化學(xué)特征，故從水化學(xué)角度考慮則符合上游水的要求。有關(guān)反向模擬所采用的上、下游水質(zhì)見表1。

表1 反向模擬所采用的上下游水質(zhì)特征Table 1 Characteristics of upstream and downstream water quality used in reverse simulation 單位：mg/L

根據(jù)前文有關(guān)水中主要組分來源的分析可知，地?zé)崃黧w在循環(huán)過程中溶解了碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽等礦物，參與反應(yīng)的礦物可能包括巖鹽、硬石膏、方解石和白云石，這些礦物在本區(qū)碎屑巖中廣泛存在。分析結(jié)果也表明地?zé)崃黧w化學(xué)組分形成過程有二氧化碳和氧氣積極參與，因此反應(yīng)相可能包括二氧化碳和氧氣。另外，分析認(rèn)為鈉的來源既可能是長石類礦物的水解、也可能是離子交換的結(jié)果，考慮到3個開采井下部均揭露到震旦紀(jì)混合巖，斜長石和石英是其主要礦物成分，因此將斜長石、石英和陽離子吸附綜合體也列為可能的反應(yīng)相。

由于碎屑巖地區(qū)或多或少存在鐵質(zhì)膠結(jié)物，因此基巖裂隙水往往含鐵(如ZK2孔的水樣)，但鐵元素是以什么形態(tài)出現(xiàn)并不清楚。為了進(jìn)一步確定水中未知的礦物成分，以便更合理確定反應(yīng)相，故對ZK2水樣進(jìn)行礦物相分析，有關(guān)該水樣的主要礦物的飽和指數(shù)見圖3。圖示表明鐵元素呈針鐵礦的形式出現(xiàn)，同時也可以看出前文所列的反應(yīng)礦物基本都處于不飽和狀態(tài)，這種水具備溶解相關(guān)礦物的可能。根據(jù)以上相關(guān)信息，通過比選最終確定反應(yīng)相為：巖鹽、硬石膏、方解石、螢石、天青石、針鐵礦、白云石、CO2(g)、O2(g)、水鋁礦、斜長石、石英和離子吸附綜合體。

圖3 ZK2水中部分礦物的飽和指數(shù)圖Fig.3 Saturation index of some mineral in ZK2 water

模擬采用PHREEQC軟件，計算過程中兩種溶液及相關(guān)組分的不確定度均取0.05(pH取0.1)，并設(shè)置斜長石、石英為溶解，水鋁礦為沉淀，其他反應(yīng)相不做限制。通過求解獲得唯一符合的反應(yīng)模型，有關(guān)反應(yīng)相及其摩爾轉(zhuǎn)移見表2。根據(jù)模擬結(jié)果可見，地?zé)崃黧w的化學(xué)演化主要包括以下水文地球化學(xué)作用：

表2 反向模擬計算結(jié)果Table 2 Calculated results of reverse simulation 單位：mmol/L

(1)溶濾作用：發(fā)生溶濾(溶解)礦物有巖鹽、硬石膏、方解石、螢石、天青石和白云石，這個過程中有多量的CO2(g)參與，溶濾的結(jié)果出現(xiàn)了水鋁石等粘土礦物的沉淀。值得注意的是斜長石和石英并沒有參加反應(yīng)。

(2)陽離子交替吸附作用：這個作用主要是鉀、鈉和鈣離子的交換。被圍巖所吸附的鉀、鈉離子與水中的鈣離子發(fā)生了交換，鉀、鈉離子出現(xiàn)解吸進(jìn)入水中，水中的鈣離子被圍巖所吸附。從摩爾轉(zhuǎn)移量來看，陽離子交替吸附作用發(fā)生得比較強(qiáng)烈。

(3)氧化還原作用：入滲水所攜帶的O2(g)氧化了水中的亞鐵離子，并形成針鐵礦沉淀。

以上述水文地球化學(xué)作用為基礎(chǔ)可以做出進(jìn)一步的推斷：由于碳酸鹽、硫酸鹽等鹽類的溶解是地?zé)崃黧w化學(xué)組分的重要來源，而這些反應(yīng)需要CO2(g)的參與，表明地?zé)崃黧w的循環(huán)環(huán)境是相對開放的，否則難以維持反應(yīng)所需的CO2(g)分壓，即流體是循環(huán)在深度偏淺、偏氧化的環(huán)境中。陽離子交替吸附作用往往出現(xiàn)在含有粘土的吸附綜合體中，地?zé)崃黧w在滲流過程中出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的交替吸附作用，提示導(dǎo)水的基巖裂隙系統(tǒng)中存在粘土礦物，這種情況比較符合碎屑巖的裂隙特征，這提示了地?zé)崃黧w主要是在碎屑巖蓋層中循環(huán)。另外，見于開采井深部的混合巖富含斜長石和石英，但這些礦物并沒有參與水-巖反應(yīng)(或水—巖作用很弱)，這同樣提示地?zé)崃黧w主要是在沉積蓋層中循環(huán)。

3 地?zé)崃黧w的水文地球化學(xué)成因模式

根據(jù)水文地球化學(xué)分析的結(jié)果，結(jié)合地?zé)崽锏牡刭|(zhì)條件，可建立地?zé)崃黧w的的地球化學(xué)成因模式如圖4。

圖4 地?zé)崃黧w地球化學(xué)成因模式圖

在控?zé)釘嗔袴1所經(jīng)過的丘陵地區(qū)，大氣降水進(jìn)入淺部巖土層并形成低溫、低礦化度的重碳酸鈣、重碳酸鈣鎂型水，在重力勢的作用下向低水頭區(qū)滲流，其中部分水進(jìn)入F1斷裂所形成的裂隙系統(tǒng)。在沿斷裂裂隙帶逐漸向下滲流的過程中，因水中攜帶有大量的二氧化碳?xì)怏w和氧氣，故逐漸溶解圍巖中的碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽等礦物，并引起水鋁石的沉淀，這些溶濾作用使水中的鈉、鈣、鎂、重碳酸根和硫酸根離子濃度逐漸增加，鋁離子則減少；水中的氧氣則將亞鐵離子氧化為針鐵礦沉淀。同時，被巖石裂隙面吸附綜合體所吸附的鉀、鈉離子與水中的鈣離子發(fā)生了交替吸附作用，將鉀、鈉離子釋放于水中并吸附水中的鈣離子，從而引起水中鉀、鈉離子濃度升高并抑制鈣離子的增長。在這些地球化學(xué)作用的共同影響下，地下水的礦化度逐漸提高，氧化電位則有所減弱，水化學(xué)類型演變?yōu)橹靥妓徕}型。隨著地下水繼續(xù)向低水頭區(qū)滲流，上述溶濾、離子交替吸附和氧化還原等地球化學(xué)作用仍持續(xù)發(fā)生，因此地下水的礦化度不斷升高，水化學(xué)類型演變?yōu)橹靥妓徕c鈣或重碳酸鈣鈉型，氧化電位進(jìn)一步降低，但仍處于相對偏氧化的環(huán)境中。由于滲流過程中受到大地?zé)崃鞯某掷m(xù)供熱，因此地下水的溫度也逐步升高，在經(jīng)過最大循環(huán)深度近千米的緩慢滲流后，來自丘陵山區(qū)的大氣降水最終形成了低溫地?zé)豳Y源。

4 結(jié)論與討論

東莞市大鐘嶺地?zé)崽锏牡責(zé)崃黧w沿控?zé)釘嗔褲B流的過程中，出現(xiàn)了碳酸鹽、硫酸鹽等鹽類的溶解，圍巖所吸附的鉀、鈉離子與水中的鈣離子出現(xiàn)交替吸附，同時水中的亞鐵離子被氧化成為針鐵礦沉淀，在這些地球化學(xué)作用共同控制下，入滲區(qū)低礦化度重碳酸鈣、鈣鎂型水便逐漸演變?yōu)榈V化度較高的重碳酸鈣鈉、鈉鈣型水。地?zé)崃黧w在演化過程中有較充足的二氧化碳和氧氣參與，反映地?zé)崃黧w循環(huán)深度不太大、且處于偏氧化的環(huán)境。由于地?zé)崃黧w在循環(huán)過程中一直接受大地?zé)崃鞯某掷m(xù)供熱，故最終形成具有開發(fā)利用價值的地?zé)豳Y源。

地球化學(xué)演化模式研究在地?zé)峥辈閷?shí)踐中應(yīng)用得比較少，原因可能是認(rèn)為這種研究主要用于后期分析，對勘查過程的指導(dǎo)作用較小。實(shí)際上地球化學(xué)演化模式研究除了可以掌握地?zé)崃黧w化學(xué)特征形成的內(nèi)在機(jī)制外，對超前指導(dǎo)生產(chǎn)也有意義。比如本文在分析的過程中出現(xiàn)多個證據(jù)表明水循環(huán)的深度主要是發(fā)生在早侏羅世碎屑巖蓋層，進(jìn)入結(jié)晶基底的深度有限，這就可以超前指導(dǎo)勘查深度問題，對解決勘探深度這個勘查難點(diǎn)顯然有良好指導(dǎo)意義。深部地?zé)峥辈椴⒎窃缴钤胶?，如果明顯超過流體的循環(huán)深度，實(shí)際上就是無效工作。