貴州省浪洞溫泉水化學(xué)特征及成因

孟凡濤，楊元麗

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550008；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550004)

貴州東南部有大面積變質(zhì)巖分布，地?zé)犷愋蜑棰?隙(帶)狀熱儲，該區(qū)域天然溫泉較少(僅出露3處溫泉)，目前在變質(zhì)巖區(qū)開展地?zé)峥辈榧把芯抗ぷ鞑蛔?，地?zé)豳Y源勘探風(fēng)險較大，與貴州省提出的打造“溫泉省”的要求有差距。因此，本文通過研究變質(zhì)巖區(qū)浪洞溫泉水化學(xué)測試數(shù)據(jù)、同位素特征，結(jié)合研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征，揭示溫泉地?zé)崴钠鹪?，為該區(qū)地?zé)豳Y源的勘查開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)概況

1.1 溫泉基本特征

黃平浪洞溫泉位于黃平縣浪洞鄉(xiāng)溫水塘，地理坐標(biāo)N27°06′，E107°41′。屬天然出露溫泉，水溫47℃，涌水量585.44 m3/d，水溫較高、流量大，從收集到的監(jiān)測資料，該溫泉動態(tài)變化比較穩(wěn)定。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況

浪洞溫泉區(qū)域上位于南江復(fù)合造山帶右江裂谷-前陸盆地區(qū)望謨北西向褶斷帶。區(qū)內(nèi)有上塘-歸龍斷層，上塘復(fù)背斜，斑鳩井帚帚狀構(gòu)造等構(gòu)造，均為北東向近似平行展布，其間發(fā)育有次級斷層及褶皺，此外，沿?cái)鄬觾蓚?cè)發(fā)育有成組、成群、有規(guī)律的構(gòu)造節(jié)理。區(qū)內(nèi)主要斷裂為上塘-歸龍斷層，該斷裂為區(qū)域性斷裂，具挽近期活動特征，區(qū)域上，該斷層北東斜交于松桃至碧痕營走滑斷層與紙房東西斷裂帶反接，控制第三系地層的沉積分布，喜山期以來斷層?xùn)|盤處于下降，西盤以抬升為主要特征。主要褶皺為上塘復(fù)背斜，核部出露板溪群，東西兩翼為寒武系地層(見圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖

1.3 地?zé)岬刭|(zhì)條件

浪洞溫泉位于北東向區(qū)域性大斷層上塘-規(guī)龍斷層西側(cè)，位于南北向上塘復(fù)背斜的北部傾伏端與斑鳩井掃狀構(gòu)造的交匯地帶。上塘復(fù)背斜總體封閉好，巖性硬、脆的板溪群存在覆、隔熱地層，由于多期構(gòu)造運(yùn)動影響及規(guī)模深度地層靜壓力作用，硬、脆性質(zhì)巖體完整性破壞，深部構(gòu)造裂隙及隱伏斷層為熱流體運(yùn)移、儲集提供了前提條件，為地?zé)豳Y源儲存，運(yùn)移提供了有利空間和通道。浪洞溫泉發(fā)育受斷層及背斜構(gòu)造軸部裂隙帶控制，呈帶狀發(fā)育特征，具斷裂型地?zé)崽卣鱗3]。

2 地?zé)崴瘜W(xué)特征

浪洞溫泉水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫泉水化學(xué)成分分析表

2.1 水化學(xué)組分

2.1.1 主要陽離子

(1)Na+離子

浪洞溫泉水主要陽離子為Na+離子，占陽離子總量的90%以上，其浪洞溫泉Na+離子含量為90～95 mg/L，Na+離子是地殼中含量較高的元素，且易遷移，Na+離子主要來源為板溪群變質(zhì)巖含鈉礦物的溶解。

浪洞溫泉Na+/Cl-分別為27.2～33.5，說明溫泉熱水經(jīng)過了長時間的溶濾，發(fā)生過較劇烈的水巖反應(yīng)后增加了Na+的濃度。

(2)K+離子

浪洞溫泉中K+離子的含量為1.75 ～3.50 mg/L，在溫泉水中K+比Na+較活躍，部分Na+會被K+置換出來，從而顯示溫泉水Na+含量遠(yuǎn)大于K+。

(3)Ca+離子與Mg+離子

浪洞溫泉中的Ca+含量為4.31～5.56 mg/L、3.16 mg/L，Mg+含量為0～0.12 mg/L。上述例離子主要來源于地?zé)崴谏钛h(huán)過程中經(jīng)過碳酸鹽巖地層溶解，研究區(qū)地層主要為變質(zhì)巖地層，且水中偏硅酸含量高并硅酸情況下，一部分Mg2+與基巖中礦物發(fā)生相互作用，地下水循環(huán)過程中消耗Mg2+[7]；Ca+與Mg+在水巖作用過程中與Na+發(fā)生置換反應(yīng)，其中一部分被圍巖吸附，造成了Ca+離子與Mg+離子含量低。

2.1.2 主要陰離子

(1)HCO3-離子

浪洞溫泉HCO3-含量為235.20～250.01 mg/L、HCO3-離子質(zhì)量濃度高的主要原因?yàn)樯畈康責(zé)崴蠧O2參與了的碳酸鹽巖的溶解。浪洞溫泉周邊分布有碳酸鹽巖地層，為溫泉中HCO3-離子提供了較豐富的溶解源。

(2)Cl-離子

浪洞溫泉Cl-離子含量為2.84～3.35 mg/L，地?zé)崴蠧l-離子的來源主要為鉀鹽礦床、巖漿巖及被氯化鈉鹽化的巖層。溫泉中Cl-離子含量偏低的原因，一種是地?zé)崴鹘?jīng)途徑可能過短，造成圍巖中的Cl-無法及時溶解，另一種可能是地?zé)崴谶\(yùn)移過程中無巖漿巖地層分布。

(3)SO42-離子

浪洞溫泉中的含量為1.7～2.3 mg/L，含量極低，因在深部缺氧條件下SO4-離子不穩(wěn)定，并在除硫菌的作用下被還原為H2S，在浪洞溫泉可聞到硫磺味，說明含有H2S氣體。

浪洞溫泉的SiO2/K+為9.1～10.7、Na+/K+為50～62.1呈高值而Cl-/F-為2.0～3.5、Cl-/ SiO2為0.17～0.21呈低值，說明浪洞溫泉在循環(huán)過程中有淺部冷水混和的跡象。

綜上分析，區(qū)內(nèi)溫泉水Na+、K+、Cl-、F-、偏硅酸、TDS較碳酸巖區(qū)高，Ca2+、Mg2+、SO42-較碳酸巖區(qū)低。此一較為特殊的水質(zhì)特征可以成為變質(zhì)巖區(qū)熱礦水地球化學(xué)標(biāo)志。

2.2 水化學(xué)類型

圖2為浪洞溫泉piper三線圖，可以看出浪洞溫泉的水化學(xué)類型為HCO3-Na。

圖2 地?zé)崴甈iper三線圖

圖3 地?zé)崴瓺與18O關(guān)系圖(西南地區(qū)降雨線圖)

3 研究區(qū)地?zé)崴鹪?/h2>

3.1 地?zé)崴凰靥卣?/h3>

3.1.1 地?zé)崴畞碓?/p>

浪洞溫泉?dú)溲跬凰刂禐棣腄值為-62.7‰、δ18O值為-8.82‰，均分布在西南地區(qū)大氣降雨線(劉進(jìn)達(dá)等，1997)附近，未表現(xiàn)出明顯的“氧飄移”，說明地?zé)崴难a(bǔ)給主要來源于大氣降水入滲補(bǔ)給。

3.1.2 地?zé)崴a(bǔ)給高程

降水δ值和高程一般呈線性關(guān)系，根據(jù)我國川黔藏一帶大氣降雨與海拔高程之間的關(guān)系(于津生等，1984)。

δ18O=-0.0031H(m)-6.19

(1)

δD=-0.026H(m)-30.2

(2)

將浪洞溫泉的δ18O與δD分別帶入式(1)與式(2)，得出該溫泉的補(bǔ)給區(qū)的海拔高程，結(jié)果見表2。

表2 浪洞溫泉補(bǔ)給區(qū)海拔高程 m

根據(jù)表2可知，根據(jù)δ18O得出地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程與實(shí)際明顯不符，故本文采用δD計(jì)算結(jié)果作為地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)的高程。經(jīng)分析認(rèn)為浪洞溫泉補(bǔ)給區(qū)位于研究區(qū)北西部高程在1 200～1 300 m之間的山區(qū)。

3.1.3 地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)溫度估算

大氣降水的δ18O和δD值與溫度存在正相關(guān)關(guān)系 ，根據(jù)全球平均年降水中δD和δ18O值與溫度間的線性關(guān)系(Dansgaard，1964)：

δ18O=0.695T-13.6

(3)

δD=5.61T-100

(4)

將浪洞溫泉的δ18O與δD分別帶入式(3)與式(4)，得出該溫泉的補(bǔ)給區(qū)水溫，結(jié)果見表3。

表3 浪洞溫泉補(bǔ)給區(qū)水溫 ℃

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，補(bǔ)給區(qū)水溫在 6.64℃～6.87℃之間，平均溫度為 6.76 ℃。

3.2 熱儲溫度估算

3.2.1 地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲溫度

地?zé)釡貥?biāo)包括陽離子溫標(biāo)、二氧化硅溫標(biāo)等，但在運(yùn)用地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算時因未考慮溶液-礦物間的平衡條件經(jīng)常會產(chǎn)生偏差，使用地?zé)釡貥?biāo)法估算地?zé)崴疅醿囟惹埃仨氁芯咳芤?礦物的平衡狀態(tài)，檢驗(yàn)選用地?zé)釡貥?biāo)的可靠性(鄭西來和劉鴻俊，1996)。

本文采用陽離子溫標(biāo)、二氧化硅溫標(biāo)估算熱儲溫度。

(1)陽離子溫標(biāo)

Giggenbach(1988)提出Na-K-Mg三角圖解法用于判斷水-巖平衡狀態(tài)，Na-K-Mg三角圖解法將地?zé)崴譃橥耆胶?、部分平衡和未成熟水三種類型。

根據(jù)圖4可知，數(shù)據(jù)位于Mg角區(qū)域，屬未成熟水，地?zé)崴赡苁艿綔\表地下水混合造成元素含量偏低。故不能采用陽離子溫標(biāo)來估算熱儲溫度。

圖4 地?zé)崴甆a-K-Mg三角圖

(2)二氧化硅溫標(biāo)

本文采用SiO2溶解度曲線法判斷地?zé)崴蠸iO2含量是由何種礦物控制的。由圖5可知，溫泉水樣數(shù)據(jù)位于玉髓曲線附近，說明玉髓有可能是控制地?zé)崴蠸iO2平衡的主要礦物[14]。

圖5 地?zé)崴甋iO2溶解度曲線

鑒于地?zé)崴蠸iO2含量主要受玉髓控制，故采用用Potter和Fournier在1982年提出的玉髓溫標(biāo)公式對熱儲溫度進(jìn)行估算，該式適用溫度范圍在20℃～330℃內(nèi)：

T(℃)=C1+C2S+C3S2+C4S3+C5logS

(5)

式中：S為SiO2濃度，單位為mg/L，C1～C5為常數(shù)：C1=-4.219 8×10、C2=2.883 1×10-1、C3=-3.668 6×10-4、C4=3.166 5×10-7、C5=7.703 4×10

浪洞溫泉地?zé)崴畼又蠸iO2含量平均為16.0 mg/L，由(5)式估算出溫泉地?zé)崴疅醿囟确謩e為約為56℃。地?zé)崴谶\(yùn)移過程中受淺部冷水混合的影響，其實(shí)際熱儲溫度應(yīng)更高，因此地?zé)崴浪銣囟刃∮趯?shí)際熱儲溫度。

1.地層代號；2.地?zé)崴飨颍?.斷層；4.裂隙；5.溫泉；6.含水層；7.隔水層圖6 浪洞溫泉形成機(jī)制示意圖

3.2.2 地?zé)崴h(huán)深度

地?zé)崴h(huán)深度公式為：

H=(t1-t2)/G+h

(6)

式中：H為熱儲深度(m)；t1為熱儲溫度(℃)；t2為常溫點(diǎn)溫度(℃)，研究區(qū)為15.1℃；G為地?zé)嵩鰷芈?℃/100m)，研究區(qū)為1.6℃/100m；h為常溫點(diǎn)深度(m)，研究區(qū)為30 m。

由式(6)可故算出浪洞溫泉地?zé)崴h(huán)深度約為2 590 m。

4 地?zé)崴梢蚰Ｊ?/h2>

研究區(qū)屬中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)，補(bǔ)給來源主要為大氣降水，補(bǔ)給區(qū)為南部海拔1 200～1 300 m的寒武系、震旦系碳酸鹽巖地層分布區(qū)，補(bǔ)給時年平均氣溫為6.64℃～6.87℃。大氣降水通過巖石中構(gòu)造裂隙及區(qū)域性斷裂入滲補(bǔ)給形成深部地下水，地下水在由北西向南東方向在運(yùn)移的過程中不斷被圍巖加熱，溫度不斷升高，形成了溫度較高的地?zé)崴?，?dāng)?shù)責(zé)崴h(huán)至區(qū)域性斷層或受變質(zhì)巖等隔水層的阻擋，在靜水壓力的作用下，地?zé)崴貥?gòu)造線上升，運(yùn)移并與淺表冷水混合形成溫泉(見圖6)。

5 結(jié)語

研究區(qū)屬由區(qū)域大地?zé)崃魈峁嵩吹陌鍍?nèi)中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)，主要受地質(zhì)構(gòu)造的控制。地?zé)崴瘜W(xué)類型由HCO3-Na。根據(jù)地?zé)崴瘜W(xué)特征及溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果表明研究區(qū)地?zé)崴谘h(huán)過程中受淺表冷水混合。大氣降水為區(qū)內(nèi)地?zé)崴闹饕獊碓矗a(bǔ)給區(qū)為海拔1 200～1 300 m的武系、震旦系碳酸鹽巖分布區(qū)，利用二氧化硅溫標(biāo)估算熱儲溫度為大于56 ℃，地?zé)崴h(huán)深度約為2 590 m。