荊慧，左麗瓊，王彩會(huì)

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院， 江蘇南京 210018）

江蘇碳酸鹽巖地?zé)崴墟J元素水化學(xué)特征

荊慧，左麗瓊，王彩會(huì)

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院， 江蘇南京 210018）

通過(guò)分析江蘇省15眼地?zé)峋乃畼踊瘜W(xué)組分資料，得到碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)特征以及Sr的分布規(guī)律，總結(jié)了江蘇地區(qū)碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r水文地球化學(xué)特征，為碳酸鹽巖中Sr的富集研究提供有益的啟示。

碳酸鹽巖； 地?zé)崴?鍶；水化學(xué)特征

0 引言

地?zé)崴泻胸S富的微量元素或化學(xué)組分，這些都是人體所必需的，它們被人體吸收后補(bǔ)充人體所缺的微量元素，從而達(dá)到理療健身的功效。隨著人民生活水平的日益提高，利用洗浴地?zé)崴畞?lái)提高身體素質(zhì)的需求也越來(lái)越多。因此尋找富含微量元素的地?zé)崴殉蔀橹匾芯空n題之一。

Sr是人體必需的微量元素之一，它活動(dòng)性很強(qiáng)，在地殼上分布廣泛，多數(shù)賦存在閃長(zhǎng)巖、花崗巖、黏土以及碳酸鹽巖石中（劉慶宣等，2004）。研究表明Sr在海相沉積碳酸鹽巖中的豐度最高（海相沉積碳酸鹽巖＞陸相沉積碳酸鹽巖），正是這些巖石中的Sr成為地下（熱）水中Sr的來(lái)源（張娟等，2010）。

目前對(duì)于Sr及其同位素（趙平等，2003）的研究很多，主要在地球化學(xué)、古環(huán)境以及地下水等方面（葉萍等，2008），而對(duì)于富含Sr的碳酸鹽巖地?zé)崴难芯勘容^少。本文通過(guò)對(duì)江蘇省15眼地?zé)崴M(jìn)行水樣采集與分析，研究Sr的水化學(xué)特征以及分布規(guī)律，為尋找富Sr的碳酸鹽巖地?zé)崴峁┯幸娴膯⑹尽?/p>

1 碳酸鹽巖熱儲(chǔ)特征

1.1 分布特征

圖1 地?zé)峋植紙D（★為地?zé)峋恢茫〧ig.1 Distribution of geothermal wells (★location of geothermal well)

蘇南地區(qū)震旦-三疊系碳酸鹽巖地層主要出露于寧鎮(zhèn)山脈、茅山山脈、宜溧山區(qū)和蘇錫等地（徐學(xué)思等，1997），在蘇北平原區(qū)有鉆孔揭露的震旦-奧陶紀(jì)地層（圖1），地層巖性見(jiàn)表1。據(jù)地?zé)徙@孔揭露，蘇南地區(qū)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)類型較多，如震旦系白云巖、寒武—奧陶系、石炭—二疊系、三疊系的灰?guī)r,主要分布在鎮(zhèn)江、南京、常州、蘇州、無(wú)錫等地區(qū)；蘇北地區(qū)以寒武—奧陶系、震旦系熱儲(chǔ)較多，如揚(yáng)州、洪澤、徐州等地區(qū)。

表1 碳酸鹽巖地層表Table1 Carbonate rock stratigraphic table

1.2 巖性特征

江蘇省震旦系（胡明毅等，1999）碳酸鹽巖以白云巖為主。寒武-奧陶系碳酸鹽巖以灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主。石炭-二疊系碳酸鹽巖以灰?guī)r為主。三疊系碳酸鹽巖以瘤狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞?；?guī)r等含生物碎屑灰?guī)r為主。

碳酸鹽巖的沉積環(huán)境雖同屬于碳酸鹽臺(tái)地，但不同地質(zhì)時(shí)期其沉積環(huán)境略有不同。震旦紀(jì)燈影組為潮坪-局限碳酸鹽臺(tái)地。寒武系為瀉湖，奧陶系為局限臺(tái)地和淺海臺(tái)地邊緣淺灘。石炭系為局限臺(tái)地-蒸發(fā)巖臺(tái)地、碳酸鹽臺(tái)地沉積。二疊系為碳酸鹽臺(tái)地。三疊系為開(kāi)闊碳酸鹽臺(tái)地-局限碳酸鹽臺(tái)地。

1.3 水化學(xué)基本特征

目前，省內(nèi)碳酸鹽巖地層的地?zé)崴畼庸?5個(gè)：其中三疊系3個(gè)、石炭-二疊系3個(gè)、寒武-奧陶系4個(gè)、震旦系5個(gè)。水化學(xué)分析成果來(lái)自國(guó)土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，見(jiàn)表2。

表2 碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)特征一覽表Table2 Water chemical features of carbonate rock geothermal water

三疊系碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)類型多以HCO3.SO4.Cl-Na、SO4-Ca、CL·SO4-Ca·Mg為主；石炭-二疊系地?zé)崴瘜W(xué)類型Cl·HCO3-Na、HCO3-Na為主。寒武-奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)類型以SO4-Ca、Cl-Na為主。震旦系地?zé)崴瘜W(xué)類型多以HCO3-Ca·Mg、Cl·HCO3-Na型為主，其中HCO3-Ca·Mg多分布在寧鎮(zhèn)山脈地區(qū)，Cl·HCO3-Na型地?zé)崴畠H在徐州邳州地區(qū)有分布。

碳酸鹽巖地?zé)崴畃H為6.83～8.7，除石炭-二疊系熱水的pH值均大于8外，其他碳酸鹽巖熱水的pH值均在6.5～8之間。碳酸鹽巖地?zé)崴V化度在638～10410mg/l之間。大多在2000mg/l以下，僅揚(yáng)州江都、洪澤蔣壩地區(qū)礦化度高達(dá)10g/l，而震旦系碳酸巖地?zé)崴V化度相對(duì)較低，基本在1000mg/l以下。另外，地?zé)崴泻胸S富的如鍶、偏硅酸、氟化物、偏硼酸等微量元素和其它化學(xué)組分，具有一定的醫(yī)療和保健作用。

2 地?zé)崴蠸r的水化學(xué)特征

2.1 Sr的水化學(xué)特征

據(jù)15眼碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)組分統(tǒng)計(jì)，鍶含量在0.18～22.5mg/ l之間，見(jiàn)表3。根據(jù)理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)三疊系、寒武-奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴械逆J達(dá)到命名礦水濃度（10mg/l）。

表3 碳酸鹽巖地?zé)崴杏欣懑熜Ч幕瘜W(xué)組分含量一覽表Table3 Contents of chemical compositions with physical therapy effect in the carbonate rock geothermal water

從圖2可以看出石炭-二疊系及震旦系中鍶含量總體變化幅度不大，而三疊系、寒武-奧陶系中鍶含量的變化幅度較大?？赡芘c不同地區(qū)及沉積環(huán)境有較大的關(guān)系。

2.2 Sr的分布規(guī)律

本次研究選取省內(nèi)15份碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層地?zé)崴畼樱渲邪自茙r地?zé)崴?份，灰?guī)r地?zé)?份；蘇北地區(qū)2份，蘇南地區(qū)13份；各地層時(shí)代3～5份不等。通過(guò)選取不同地層巖性、時(shí)代以及分布與沉積環(huán)境下的地?zé)崴畼舆M(jìn)行綜合考慮，能夠較全面地分析全省碳酸巖地?zé)崴蠸r的分布規(guī)律，為下一步深入研究提供依據(jù)。

目前，通過(guò)整理分析，全省碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r的分布特點(diǎn)主要從地層巖性、時(shí)間、空間三個(gè)方面進(jìn)行闡述：

（1）Sr隨著碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層巖性的變而變化。但總的來(lái)說(shuō)，灰?guī)r地?zé)崴蠸r含量高于白云巖，其中生物碎屑較多的灰?guī)r地?zé)崴腟r含量一般高于純灰?guī)r熱儲(chǔ)，白云巖化作用不完全的白云巖熱儲(chǔ)的Sr含量一般高于白云巖熱儲(chǔ)，

（2）碳酸鹽巖地?zé)崴械腟r并未隨著時(shí)代變遷而呈現(xiàn)出變化趨勢(shì)，但在不同時(shí)代下各有其特點(diǎn)。三疊系、寒武-奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量基本大于10mg/l，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石炭-二疊系、震旦系，其中三疊系碳酸鹽巖地?zé)崴械腟r含量又基本大于寒武-奧陶系(圖2)。

（3）蘇南、蘇北地區(qū)受空間分布與沉積環(huán)境的影響，碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r的分布規(guī)律不同。蘇南地區(qū)，常州、無(wú)錫、南京 及鎮(zhèn)江個(gè)別地區(qū)的鍶含量明顯高于蘇州，另外，鎮(zhèn)江大部分地區(qū)的鍶含量偏低；蘇北地區(qū)，揚(yáng)州、洪澤地區(qū)的鍶含量高于徐州地區(qū)。

3 原因分析

通過(guò)分析研究本文認(rèn)為Sr富集能力與其巖性、地?zé)崴瘜W(xué)類型、Ca、Mg離子、pH值、礦化度等方面有關(guān)，具體分析如下：

圖2 鍶元素含量與地層時(shí)代及巖性的關(guān)系Fig.2 Sr content vs stratigraphic age and lithology

3.1 Sr與地層巖性的關(guān)系

為更好地進(jìn)行說(shuō)明，引用同一個(gè)沉積區(qū)的安徽巢縣地區(qū)碳酸鹽巖中Sr元素的含量進(jìn)行分析（表4），可以發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖中灰?guī)r中Sr的含量普遍比白云巖高，與之對(duì)應(yīng)，賦存于灰?guī)r地?zé)崴械腟r也高于白云巖。因此，Sr的富集能力與其所處碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的巖性有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4 Sr元素在碳酸鹽巖中的含量統(tǒng)計(jì)表Table4 Statistics of Sr content in carbonate rock

根據(jù)以上數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)三疊-二疊系灰?guī)r中的Sr含量高于石炭系，分析原因可能是由于三疊系、二疊系在沉積過(guò)程中有機(jī)質(zhì)和生物較多，盡管他們同處于一個(gè)沉積環(huán)境；寒武系白云巖中的Sr含量高于震旦系，可能與其白云巖化程度有關(guān)。

綜上所述，含生物碎屑較多的灰?guī)r富集Sr的能力要大于純灰?guī)r；而灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等白云化不徹底的白云巖富集Sr的能力又要大于純白云巖。這與前人研究結(jié)果基本一致，碳酸鹽巖中富集Sr的能力大體上為灰?guī)r＞白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖＞白云巖（倪善芹，2010）。這些巖石中的Sr隨著水巖作用進(jìn)入地?zé)崃黧w中使其流體中的Sr也隨之增加。因此，碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量與其巖性成分和沉積環(huán)境的不同密切相關(guān)。

3.2 Sr與主要陰離子的關(guān)系

資料顯示，氯化物型與硫酸鹽型地?zé)崴蠸r的平均含量均較高，分別為16.8mg/l、13.9mg/l，均大于平均值，且氯化型地?zé)崴械腟r含量要高于硫酸型地?zé)崴?，而重碳酸型地?zé)崴蠸r的含量相對(duì)較低(圖3)。

圖3 Sr與水化學(xué)類型的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram for Sr and water chemical type

Kramer(1969)曾對(duì)Sr 和SO4一做過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，表明二者呈正相關(guān)關(guān)系。從圖上可以看出Sr與Cl也呈正相關(guān)關(guān)系，因此在水巖作用時(shí)，Sr 與Cl或SO4被溶入水中，使得氯化型與硫酸型的碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量較高。而Sr與HCO3呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，以HCO3型為主的碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r的含量普遍相對(duì)較低（圖4、圖5），大多數(shù)小于2mg/ l。因此，深部碳酸鹽巖地?zé)崴械腟r主要賦存于氯化型或硫酸型水中。

圖4 Sr與Cl的關(guān)系Fig.4 Sr vs Cl relationship

圖5 Sr與HCO3的關(guān)系Fig.5 Sr vs HCO3relationship

圖6 Sr與Ca的關(guān)系Fig.6 Sr vs Ca relationship

3.3 Sr與Ca、mg離子的關(guān)系

碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量隨著Ca離子含量增大而增大（圖6），這主要是因?yàn)殒J、鈣在元素周期表中處于同一個(gè)主族，具有共同性質(zhì)，CO2與巖石中的CaCO3、SrCO3作用，使得巖溶水中的Sr、Ca 同步增加（范偉等，2010）。

一般情況下，碳酸鹽巖中高鎂方解石中的Sr含量高于低鎂方解石，且Sr含量隨著Mg含量的增大而減?。êM(jìn)武等，2004）。因此灰?guī)r地?zé)崴蠸r含量普遍高于白云巖地?zé)崴脑颉＿M(jìn)一步表明碳酸鹽巖地?zé)崴蠧a、Mg離子含量分布影響著Sr含量的變化。

本文中碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量亦隨著Mg離子含量增大而增大（圖7），據(jù)前人研究認(rèn)為地下熱水的形成路徑復(fù)雜，可能不僅僅受天然溶濾作用影響（王增銀等，2003）。

圖7 Sr與Mg的關(guān)系Fig.7 Sr vs Mg relationship

3.4 Sr與PH值的關(guān)系

碳酸鹽巖地?zé)崴畃 H值在6.83～8.7之間，Sr含量高的三疊系、寒武-奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴畃H值在7～8之間，Sr含量低的石炭-二疊系碳酸鹽巖地?zé)崴甈H值均大于8，也說(shuō)明pH值的大小能夠影響Sr的富集與遷移能力。

3.5 Sr與礦化度的關(guān)系

礦化度大于10g/l的地?zé)崴蠸r的含量均較高，分別達(dá)到13.8mg/ l，20.9mg/l，雖然樣點(diǎn)較少，但是也能看出Sr含量受礦化度的影響較大。為便于看出Sr與礦化度的關(guān)系，取礦化度小于4g/l的水樣點(diǎn)進(jìn)行比較，同樣發(fā)現(xiàn)Sr與礦化度大體呈正相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖8。

4 結(jié)論

通過(guò)江蘇省碳酸鹽巖熱儲(chǔ)15組地下熱水水樣化學(xué)組分分析及資料整理，分析發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)類型因不同時(shí)代地層、不同巖性、不同沉積環(huán)境而不同。地?zé)崴蠸r元素有如下規(guī)律：

圖8 Sr與礦化度的關(guān)系Fig.8 Sr vs mineralization degree relationship

（1）三疊系、寒武-奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴腟r含量遠(yuǎn)高于石炭-二疊系、震旦系碳酸鹽巖地?zé)崴?/p>

（2）灰?guī)r地?zé)崴蠸r含量高于白云巖，其中生物碎屑較多的灰?guī)r地?zé)崴腟r含量一般高于純灰?guī)r熱儲(chǔ)，白云巖化作用不完全的白云巖熱儲(chǔ)的Sr含量一般高于白云巖熱儲(chǔ)；

（3）硫酸鹽型、氯化物型碳酸鹽巖地?zé)崴蠸r含量遠(yuǎn)高于重碳酸型碳酸鹽巖地?zé)崴?/p>

目前，全省碳酸鹽巖地?zé)崴畼尤暂^少，本文僅針對(duì)已有水樣資料進(jìn)行Sr在碳酸鹽巖地?zé)崴蟹植家?guī)律的淺析，而地下熱水的循環(huán)途徑非常復(fù)雜，通過(guò)少數(shù)地?zé)崴蠸r含量特征來(lái)分析Sr的富集與碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的關(guān)系略顯不足，還需對(duì)其進(jìn)行深入分析研究后才能確定。

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THE WATER ‘S GEOCHEMISTRY CHARACTERISTIC OF SR ELEMENT IN CARBONATE GEOTHERMAL OF JIANGSU PROVINCE

JING Hui,ZUO Li-qiong, WANG Cai-hui （Institute of Geology Survey of Jiangsu Province，Nanjing,Jiangsu 210018,China）

This paper analyzed water sample chemical composition data from 15 geothermal wells, obtained water chemical features of carbonate rock geothermal water and distribution law of Sr, summarized hydro-geochemical features of Sr in the water, and provided an enlightenment helpful to research of Sr enrichment in carbonate rock.

carbonate rock; geothermal water; Sr water chemical feature

P641.12

：A

1005－6157(2015)04－0313－5

2015-03-10

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“江蘇省地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)與區(qū)劃”（水（2013）01-029-006）

荊慧（1967-)，女，安徽馬鞍山人，工程師，現(xiàn)主要從事地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)工作。