蘇 呈, 李 嶸, 王 辛, 楊 威

((1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心,湖北 武漢 430034; 3.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,湖北 武漢 430034)

武漢市某地?zé)崽锏責(zé)崃黧w化學(xué)特征分析

蘇 呈1, 李 嶸2, 王 辛1, 楊 威3

((1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心,湖北 武漢 430034; 3.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,湖北 武漢 430034)

在武漢市某地?zé)崽锏刭|(zhì)和地?zé)岜尘皸l件的基礎(chǔ)上,根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試成果,分析地?zé)崃黧w的主要化學(xué)成分特征,探討其形成機(jī)制。研究表明,地?zé)崃黧w屬于中性偏堿性中硬水,水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水,與相鄰地段一般地下水水化學(xué)成分無(wú)明顯的差異,地?zé)崃黧w同位素特征與大氣降水類似。地?zé)崃黧w主要是由大氣降水入滲后經(jīng)深部循環(huán),然后與淺部一般地下水混合而形成。

地?zé)崃黧w;水化學(xué)特征;氫氧同位素

地?zé)崾且环N清潔無(wú)污染、綠色的資源,具有清潔、價(jià)廉、易開采、用途廣等特點(diǎn),湖北省地?zé)豳Y源蘊(yùn)藏較為豐富,目前開發(fā)利用程度相對(duì)較高,但武漢市地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)工作程度低。該地?zé)崽镂挥谖錆h市西南,距武漢中心城區(qū)約24 km。2012—2014年先后在該地區(qū)開展了勘查評(píng)價(jià)工作,2個(gè)孔的孔口出水溫度最高26～28℃,采集水樣進(jìn)行了測(cè)試分析。根據(jù)所獲取的熱水化學(xué)常規(guī)分析及同位素測(cè)試資料,分析地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的水化學(xué)特征,進(jìn)而探討地?zé)崃黧w的成因。

1 地?zé)崽锏刭|(zhì)、地?zé)岜尘?/h2>

1.1 地質(zhì)背景條件

研究區(qū)位于武漢市西南,地貌為剝蝕殘丘、低丘與崗地的過(guò)渡地帶,低丘與崗地相間分布,低丘、崗地總體呈近東西向展布,崗地寬緩,多呈箱狀。地層屬下?lián)P子地層區(qū),區(qū)內(nèi)志留紀(jì)—第四紀(jì)地層均有分布,基巖多隱伏于第四系松散堆積層之下,僅在低山丘陵地帶可見(jiàn)基巖出露。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡有淮陽(yáng)山字型前弧西翼、新華夏系構(gòu)造體系和緯向構(gòu)造體系。其中以淮陽(yáng)山字型前弧西翼為主要構(gòu)造,它幾乎控制了全區(qū)構(gòu)造輪廓。該地?zé)崽餆岙惓７植寂c出露明顯受淮陽(yáng)山字型構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造控制,主要與北東向五通口—湯遜湖斷裂帶和北西向斷裂帶F4有關(guān)(圖1)。

1.2 熱儲(chǔ)層特征

該地?zé)崽锏臒醿?chǔ)層主要為石炭系—二疊系下統(tǒng)棲霞組的含生物碎屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、含碳質(zhì)灰?guī)r等,石炭系—二疊系下統(tǒng)的地層分布于貓耳洞背斜—官家畈向斜的翼部,地?zé)崽锓秶鷥?nèi)該地層隱伏于第四系地層之下,未見(jiàn)露頭,在地?zé)崽锏谋蔽骱蜄|部可見(jiàn)該地層露頭出露,在地?zé)崽锉睎|,該地層沿著貓耳洞背斜的北東翼逐漸隱伏于二疊系茅口組—三疊系下統(tǒng)的硅質(zhì)巖、碎屑巖之下,埋深逐漸增大。熱儲(chǔ)層底板埋深為330～412 m,由南西往北東逐漸增厚,符合貓耳洞背斜南翼的構(gòu)造形態(tài)。

圖1 武漢市某地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)圖Fig.1 Geothermal geological map of geothermal field in Wuhan City

1.3 熱儲(chǔ)蓋層

該地?zé)崽锏臒醿?chǔ)蓋層,主要為第四系松散堆積層以及二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖以上的基巖。二疊系棲霞組的炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖具有一定的隔水性,一定程度上隔絕了上部冷水對(duì)地?zé)崃黧w的影響,其分布受到褶皺形態(tài)的控制,由南往北埋深逐漸增大,深度為140～266 m,在官家畈向斜的核部埋深可能超過(guò)500 m。

1.4 導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造

地?zé)崽锏男纬膳c褶皺、斷層構(gòu)造關(guān)系密切,區(qū)內(nèi)北東向斷裂發(fā)育,即五通口—湯遜湖斷裂為張扭性斷裂,屬新華夏構(gòu)造體系,成生時(shí)間較晚,斷裂帶膠結(jié)程度較差,斷裂影響深度較大,在研究區(qū)一帶影響深度達(dá)600多米,且斷裂帶具有一定的透水性,溝通深部熱源,淺部地下水在靜水壓力作用下由北向南沿北東向斷裂進(jìn)行深循環(huán),吸取圍巖熱量,逐漸加熱形成地?zé)崃黧w。因此五通口—湯遜湖斷裂是區(qū)內(nèi)的導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造。

鉆孔揭露的北東向斷裂破碎帶附近溫度變化明顯,斷裂帶上部地?zé)嵩鰷芈室话銥?℃/100 m,下部地?zé)嵩鰷芈式抵?～2℃/100 m,表明斷裂破碎帶是地?zé)崽飪?nèi)的導(dǎo)熱構(gòu)造。

1.5 補(bǔ)給、徑流及排泄條件

從區(qū)域地質(zhì)環(huán)境分析,地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)位于向斜的北翼,出露地層為石炭系—二疊系碳酸鹽巖,補(bǔ)給區(qū)受淮陽(yáng)山字型構(gòu)造及新華夏構(gòu)造體系影響,碳酸鹽巖地層中發(fā)育一系列NE向斷裂及NW向的褶皺,大氣降水通過(guò)這些斷裂及碳酸鹽巖裂隙巖溶入滲形成地下水。同時(shí)地?zé)崃黧w同位素測(cè)試分析表明,區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。

區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w是由北部的深部地?zé)崃黧w與南部的淺層一般地下水混合而成,兩者共同的補(bǔ)給源都是大氣降水。區(qū)內(nèi)受地形高差及地層控制,深部地?zé)崃黧w由向斜北翼的淺層地下水徑流至地?zé)崽锉辈哭D(zhuǎn)向南東沿五通口—湯遜湖斷裂進(jìn)行深部循環(huán)形成深部地?zé)崽?南部的淺層地下水沿淺部巖溶系統(tǒng)徑流至地?zé)崽飪?nèi)與深部地?zé)崃黧w混合,二者受北西向的F4斷裂及北東展布的隔水巖層控制出露形成溫泉。

1.6 動(dòng)態(tài)特征

地?zé)崽锏責(zé)崃黧w水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料表明:豐枯水期水位差異較大,6—10月為豐水期,水位相對(duì)較高,埋深4.02～4.25 m,最高水位在10月,約為4.02 m;11月—次年2月為枯水期,埋深4.85～4.96 m;年水位波動(dòng)幅度在1 m左右,豐枯水期水位變化周期與該地區(qū)降雨周期基本一致。

地?zé)崽锏責(zé)崃黧w溫度變化不大,變化幅度一般在1～2℃,ZK1水溫一般為25.5～26.5℃,10月—次年12月,水溫相對(duì)略高,原因可能是冬季枯水期,降水量小,地表冷水混入量較小,淺層地下冷水補(bǔ)給量減小,即地?zé)崃黧w中混入的地下冷水減少,避免了溫度降低。

2 地?zé)崽锏責(zé)崃黧w化學(xué)特征

2.1 水化學(xué)特征

通過(guò)對(duì)該地?zé)崽?個(gè)孔采集的水樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,地?zé)崃黧w的主要離子含量結(jié)果如表1。由表可見(jiàn),地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的水化學(xué)類型為HCO3-Ca型,溫度為26.5～28℃,無(wú)色無(wú)味,pH值7.67～8.05呈中性偏堿性,溶解性總固體295.92～318.42 mg/L,總硬度273.82～280.95 mg/L,屬中性偏堿性中硬水。此外,地?zé)崃黧w中還含有多種對(duì)人體有益的微量元素,如鍶、硒、鋅等[1]。

表1 地?zé)崽锏責(zé)崃黧w主要離子含量一覽表

2.2 同位素地球化學(xué)特征

根據(jù)D、18O穩(wěn)定同位素檢測(cè)結(jié)果,該地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的D、18O含量較穩(wěn)定,變化幅度較小,D含量-41.48‰～-41.09‰,18O含量為-6.75‰～-6.34‰;當(dāng)?shù)卮髿饨邓械腄含量為-34.8‰,18O含量為-5.83‰。D、18O的坐標(biāo)點(diǎn)與全球降水線的關(guān)系[2]見(jiàn)圖1。從中可以看出地?zé)崃黧w的同位素組成十分接近全球降水線δD=8δ18O+10,表明地?zé)崽锏牡責(zé)崃黧w來(lái)源于大氣降水補(bǔ)給。

氚的半衰期為12.623年,此值的高低可以提供關(guān)于大氣降水向地?zé)嵯到y(tǒng)補(bǔ)給時(shí)間的信息。

根據(jù)法國(guó)J.Ch.豐特的經(jīng)驗(yàn)[3]估算結(jié)果:氚T=0～5 TU,表明40年以前的“古水”占優(yōu)勢(shì);T=5～40 TU,表明新近入滲水和古水之間有混合作用;T>40 TU,表明新近入滲水占優(yōu)勢(shì)。地?zé)崃黧w氚含量在2.9～3.2 TU,推測(cè)地?zé)崃黧w為40年以前的“古水”占優(yōu)勢(shì)。

圖2 地?zé)崽锏責(zé)崃黧w和雨水δD-δ18O分布圖Fig.2 Distribution sketch of δD-δ18O between geothermal

3 地?zé)崃黧w形成條件

3.1 成生環(huán)境分析

通過(guò)圖2可以看出,地?zé)崃黧w(地?zé)徙@孔采樣)陽(yáng)離子落在1區(qū),表征的化學(xué)特征為堿土金屬離子大于堿金屬離子;陰離子落在3區(qū),表征的化學(xué)特征為弱酸根大于強(qiáng)酸根;在菱形區(qū)落在5區(qū),表征的化學(xué)特征為碳酸鹽硬度>50%。

圖3 地?zé)崽锏叵滤瘜W(xué)類型皮帕爾圖Fig.3 Piper diagram of the hydrochemical type of groundwater

3.2 水質(zhì)對(duì)比分析

3.3 形成條件

該地?zé)崽锏責(zé)崃黧w主要來(lái)源于兩個(gè)方面:即深循環(huán)、溫度相對(duì)較高的地?zé)崃黧w和淺部一般地下水。

表2 地?zé)崃黧w與一般地下水主要離子含量一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)地?zé)崃黧w的形成及其水化學(xué)成分進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:

(2) 地?zé)崃黧w同位素測(cè)試分析表明,該地?zé)崽锏闹饕a(bǔ)給水源是大氣降水,地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為豐期高、枯期低,與大氣降水周期基本一致。

(3) 根據(jù)上述分析,淺部一般地下水沿東西向淺層巖溶系統(tǒng)運(yùn)移,深部地?zé)崃黧w沿北東向深部巖溶系統(tǒng)運(yùn)移,二者在地?zé)崽飬^(qū)域混合,若要獲取更高溫度的地?zé)崃黧w應(yīng)避開混合區(qū),向北東方向進(jìn)行深部地?zé)崃黧w的勘查。

[1] 陳軍鋒,鄭秀清,侯燕軍,等.玄中寺地?zé)崴瘜W(xué)特征分析 [J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,37(3):369-371.

[2] 任加國(guó),武倩倩.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社,2014.

[3] 張保健,沈照理,喬增寶,等.聊城市東部巖溶地?zé)崽锏叵聼崴瘜W(xué)特征及成因分析 [J].中國(guó)巖溶,2009,28(3):263-268.

[4] 張人權(quán),梁杏,靳孟貴,等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].第六版.北京:地質(zhì)出版社,2011.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Analysis on the Chemical Characteristics of Geothermal Fluidsin the Geothermal Field in Wuhan City

SU Cheng1， LI Rong2， WANG Xin1, YANG Wei3

(1.GeologicalEnvironmentalCenterofHubeiProvince，Wuhan，Hubei430034； 2.GeologicalHazardPreventionandManagementCenterofHubeiProvince，Wuhan，Hubei430034;3.HubeiProvinceGeologicalExperimentalTestingGenter,Wuhan,Hubei430034)

On the basis of summarizing the geological and geothermal background conditions of the geothermal field in Wuhan city，combining the laboratory test results，the authors analyzed the characteristics of the main chemical composition of the geothermal fluids，and discussed its formation mechanism.Research results show that the geothermal fluid belongs to the kind of neutral-alkaline hard water，the hydrogenchemical types is HCO3-Ca，and the hydrochemical composition has no obvious difference between it and the groundwater in adjacent areas；and the isotopic characteristics of geothermal fluids are similar to that of atmospheric precipitation. This geothermal fluids is mainly formed by the deep circulation of meteoric water，and then mixed with the shallow groundwater.

geothermal fluids； hydrochemical characteristics； hydrogen-oxygen isotopes

2016-06-14;改回日期:2016-08-02

蘇呈(1988-),女,助理工程師,水工環(huán)專業(yè),從事地?zé)嵴{(diào)查工作。E-mail:1652976693@qq.com

P314

A

1671-1211(2016)05-0738-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.016

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1454.016.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 14:54