徐國芳，馬致遠(yuǎn)

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

近幾十年來，由于氣候變化和人為因素的干擾，水循環(huán)條件發(fā)生了明顯的變化，大規(guī)模超采地下水已造成區(qū)域地下水位持續(xù)下降，并衍生如地面沉降、水質(zhì)惡化等諸多環(huán)境地質(zhì)問題，其嚴(yán)重程度已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。為保障地下熱水資源的可持續(xù)開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，回答與區(qū)域地下熱水更新和可持續(xù)性相關(guān)的科學(xué)問題。同位素技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究水的起源、年齡和流動途徑等，是近些年來研究水文循環(huán)較為先進(jìn)而有效的方法［1］。鍶同位素及其比值(87Sr/86Sr)可以研究地下熱水中水 －巖作用強(qiáng)度、含水巖組的巖石類型;判斷地下熱水的來源 ，分析地下熱水水力聯(lián)系與滲流途徑，計(jì)算混合比列等等［2－3］。本文應(yīng)用鍶同位素及其比值(87Sr/86Sr)研究關(guān)中盆地深層地下熱水類型和來源以及水－巖作用強(qiáng)度。

1 地質(zhì)背景

關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北抵北山，總體似半個彎月橫亙于陜西省中部，區(qū)內(nèi)三面環(huán)山，南面秦嶺高山，海拔1 000～3 880 m;北面是低山丘陵，統(tǒng)稱“北山”，海拔700～1 250 m;自南到北依次為山前洪積平原、黃土臺塬、沖積平原，構(gòu)成階梯狀下降的地貌。

關(guān)中盆地基底，以近東西向渭河深大斷裂為界，北側(cè)基巖為下古生界碎屑巖和碳酸巖地層，南側(cè)以北東向長安—臨潼斷裂為界，東部為太古界變質(zhì)巖系地層，西部為上元古界變質(zhì)巖系地層，其中有燕山期花崗巖體侵入，如圖1所示。

圖1 關(guān)中盆地基底結(jié)構(gòu)圖(據(jù)三普修改)

關(guān)中盆地新生界地層廣泛發(fā)育，全區(qū)分布。

據(jù)石油普查井和地?zé)嵘罹Y料和區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析，將盆地內(nèi)新生界地層自上而下劃分為第四系、上第三系和下第三系。

1.1 第四系

1.1.1 中—全新統(tǒng)秦川群(Q2－49c)

主要為河流相、沖洪積相、風(fēng)積相、黃灰色、灰白色粉質(zhì)粘土、粗砂礫石，頂部為黃土，總厚度126 752 m。

1.1.2 下更新統(tǒng)三門組(Q1s)主要為河、湖相交替沉積、淺綠灰、灰黃、棕黃色粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、含礫中粗砂互層，總厚度為0～945 m。

1.2 上第三系

1.2.1 張家坡組(N2z)

由凹陷中心向邊緣為深、淺湖相至河湖相，淺灰黃、綠灰、灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與黃灰色、灰白色砂巖互層，厚度為0～1 980 m。

1.2.2 藍(lán)田霸河組(N21+b)由凹陷中心向邊緣為河湖相至淺湖相、河流相、沖洪積相棕色、紫色含礫泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色礫狀長石粗砂巖互層，厚度為111～2 920 m。

1.2.3 高陵群(N1g)

主要為河湖相棕褐、褐色粉砂質(zhì)泥巖與淺棕紅色細(xì)砂巖，夾灰白色細(xì)砂巖和含礫中粗砂巖。

1.3 下第三系

1.3.1 甘河組(E3g)

河湖相灰白色中砂巖、含礫中砂巖，礫巖與棕褐、褐色泥質(zhì)砂巖、泥巖互層，中部夾河湖相，湖沼相灰綠色粉砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖夾煤線。

1.3.2 白鹿源組(E3b)

河流相灰白色塊狀粗中砂巖，中上部夾湖相黃棕色褐色泥質(zhì)巖。

1.3.3 紅河組(E2h)

下部為坡積、洪積相紅色礫巖、砂巖;中部變細(xì)夾河湖相沉積，褐色含礫粉砂質(zhì)泥巖，含石膏;上部為河流相棕黃色礫狀砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層。

2 樣品采集儀測試

本次研究所采用的水化學(xué)和同位素樣品在關(guān)中盆地南部和北部采集了23余個地?zé)崴畼佑糜谕凰?2H、18O、87Sr/86Sr、87Sr)及水化學(xué)(Na+、Cl－、Ca2+、SO42－、K+)分析。西安深層地?zé)崴畼拥摩?8O和δD、87Sr/86Sr數(shù)據(jù)由原地質(zhì)礦產(chǎn)部西安綜合巖砂測試中心測試，固市凹陷和咸陽水樣的 δ18O、δD、87Sr/86Sr、Sr數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境研究室測試，水化學(xué)數(shù)據(jù)測試由湖北完成。

表1 研究區(qū)的水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)

3 結(jié)語

3.1 對深層地下熱水類型進(jìn)行分類

圖2中水樣點(diǎn)的分布大致可分為2個區(qū)域:咸禮斷階西北、東南為A區(qū)，西安凹陷北、南及盆地南緣秦嶺地表水為 B區(qū)。

A區(qū)熱水樣點(diǎn)的87Sr/86Sr比值變化甚微，基本處于同一水平線上，但鍶含量變化較大大，表明咸禮斷階西北部分區(qū)域與東南處于同一水流路徑上，且水流路徑上熱儲圍巖種類相同。隨著水巖反應(yīng)程度及時間累積，鍶含量逐漸增大。雖咸禮斷階東南具有大量的含鈣礦物，受類質(zhì)同象影響較大，但是仍表現(xiàn)出一定的隨著鍶含量的增加87Sr/86Sr比值增大的趨勢，由此說明A區(qū)時間累積效應(yīng)影響大于類質(zhì)同象影響，且水巖反應(yīng)強(qiáng)烈，地下熱水所處環(huán)境封閉;B區(qū)的特征是無論是深井、溫泉還是地表水都呈現(xiàn)出鍶含量變化范圍不大而87Sr/86Sr比值跨度較大的現(xiàn)象，可以分成兩大區(qū)域，一是西安市區(qū)，二是靠近盆地南緣的水樣點(diǎn)?？拷璧啬暇壪橛臒崴c溫泉的87Sr/86Sr比值非常接近，且鍶含量很低，說明水巖反應(yīng)不強(qiáng)烈，所處環(huán)境開放，而市區(qū)的鍶含量相對較高，87Sr/86Sr比值接近盆地南緣的太平峪。推測市區(qū)和靠近山前的地下熱水具有不同的水流路徑，路徑上熱儲圍巖的成分差異較大，水巖反應(yīng)較弱，地下熱水所處環(huán)境較開放。

圖2 關(guān)中盆地87Sr/86Sr－Sr關(guān)系圖

圖3 關(guān)中盆地地下熱水綜合分類圖

圖4 關(guān)中盆地地下熱水混合三角圖

圖3顯示秦嶺地表水和咸禮斷階西北的水樣點(diǎn)落在大氣降水線附近，表明其所處環(huán)境開放地下熱水類型為循環(huán)型地?zé)崴?西安凹陷南的水樣點(diǎn)發(fā)生明顯氧漂移，揭示其水巖反應(yīng)較強(qiáng)烈，地下熱水所處環(huán)境較封閉，地下熱水類型為半循環(huán)半封存性地?zé)崴?而西安凹陷北和咸禮斷階東南的水樣點(diǎn)不僅發(fā)生了明顯的氧漂移，而且氘也有輕微的飄移，充分說明其水巖反應(yīng)更加強(qiáng)烈，地下熱水類型為相對封存型地?zé)崴?。根?jù)δ18O漂移程度與Cl－含量，可將盆地地下熱水分類(圖4)。這里以 Cl－的對數(shù)為 y軸，以 δ18O含量為 x軸，A點(diǎn)代表淺部較為活躍的現(xiàn)代循環(huán)水，B點(diǎn)表示盆地周邊地區(qū)的循環(huán)型熱水，C點(diǎn)表示盆地腹部西安、咸陽的地壓地?zé)崃黧w(封存型熱水)，AB線表征循環(huán)型熱水類型，從A→B，現(xiàn)代水所占比例減小，溫度增高;BC線表征高溫高壓的封存型熱水類型，從B→C，水巖作用加強(qiáng)，與現(xiàn)代水連通程度減弱，封閉程度增大。而處于混合三者內(nèi)部的水點(diǎn)，是 A、B、C 3點(diǎn)作用的結(jié)果，表征兩種類型熱水的混合［4－5］。由圖5可知，咸禮斷階東南、西安凹陷北的熱水所處的地質(zhì)環(huán)境明顯比點(diǎn)西安凹陷南封閉。地質(zhì)環(huán)境越封閉，熱水流動性越差，Cl－含量就越高，δ18O與熱水中溶解的含氧組分交換就越多，δ18O漂移程度就越大，這也為圖3中關(guān)中盆地地下熱水分類提供了又一個有力的證據(jù)。

3.2 指示地下熱水的來源

圖5 關(guān)中盆地87Sr/86Sr－Na+關(guān)系圖

不同水體的87Sr/86Sr背景值為鋁硅酸鹽 ＞0.720;新、古近系油田水 0.711 2 ～ 0.711 9;河水 0.711 0;雨水 0.709;海相沉積水0.708。圖5顯示不同水體水樣點(diǎn)的87Sr/86Sr落在不同的背景值區(qū)域附近。咸禮斷階西北的部分水樣點(diǎn)落在鋁硅酸鹽范圍內(nèi);咸禮斷階西北部分點(diǎn)、東南所有熱水樣點(diǎn)以及西安凹陷南靠近市區(qū)的水樣點(diǎn)、太平峪地表水樣點(diǎn)均落在新、古近系油田鹵水及河水附近，而太平峪附近的祥峪森林公園地表水的87Sr/86Sr卻落在雨水線上，眉縣的山前溫泉落在古、近系油田水的范圍內(nèi)?？拷貛X北麓山前的深井熱水以及淺井則都落在海相沉積水附近。全部水樣點(diǎn)均落在地幔物質(zhì)范圍較遠(yuǎn)的地方，故可基本排除補(bǔ)給來源于地幔的可能性。祥峪森林公園山前的熱水井(西工大長安校區(qū)、現(xiàn)代學(xué)院等)87Sr/86Sr值十分接近祥峪森林公園的地表水的87Sr/86Sr值，且熱水井的鍶含量、TDS也都相對其他接近市區(qū)的井低得多，故推斷其水巖反應(yīng)較為微弱，水力條件較好，由祥峪森林公園秦嶺水進(jìn)行補(bǔ)給。西安市區(qū)深層的熱水樣點(diǎn)都分布在長安—臨潼大斷裂附近，走向?yàn)楸睎|，其86Sr/87Sr值接近西南方向太平峪地表水，推斷其接受補(bǔ)給是的水源方向來自秦嶺北麓的西南方向。結(jié)果顯示，長安及西安地下熱水接受補(bǔ)給時分屬不同補(bǔ)給方向。

為了進(jìn)一步證實(shí)深層地下熱水的補(bǔ)給，我們進(jìn)行了研究區(qū)地下熱水 δD、δ18O的研究。

圖6 為不同起源地下水的δ值分布圖

關(guān)中盆地地下熱水樣點(diǎn)同位素δ值遠(yuǎn)離變質(zhì)水、原生巖漿水及地幔水δ值范圍(圖6)進(jìn)一步揭示關(guān)中盆地地下熱水與變質(zhì)水、原生巖漿水及地幔水補(bǔ)給無關(guān)。圖7顯示，關(guān)中盆地北部(咸禮斷階)、咸陽(咸禮斷階東南、西安凹陷北)、西安(西安凹陷南部)和固市凹陷偏離了大氣降水線，18O飄逸現(xiàn)象顯著，但漂移前其同位素組成也與地表水和大氣降水一致，是由現(xiàn)代及古代大氣降水補(bǔ)給。根據(jù)同位素補(bǔ)給高程計(jì)算，咸陽地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程為700～897 m，主要源自渭北北山大氣降水補(bǔ)給;西安地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程為909～1 650 m，主要源自秦嶺全新世前古大氣降水補(bǔ)給［4］。

圖7 研究區(qū)地下熱水δD－δ18O關(guān)系圖

3.3 研究關(guān)中盆地地下熱水中水 －巖作用強(qiáng)度

3.3.1 碳酸鹽礦物的溶解

碳酸鹽、硫酸鹽礦物和鋁硅酸鹽礦物中的同位素組成和鍶質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異明顯，碳酸鹽、硫酸鹽風(fēng)化來源鍶的87Sr/86Sr值約為0.708 000，鋁硅酸鹽風(fēng)化來源鍶的87Sr/86Sr值一般為0.716 000 ～ 0.720 000［6－8］;而后者比前者的鍶質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低但同位素比值(87Sr/86 Sr)較高。研究區(qū)地下熱水中87Sr/86Sr的值為 0.706 42 ～0.719 43，介于碳酸鹽、硫酸鹽風(fēng)化來源和鋁硅酸鹽風(fēng)化來源的87Sr/86Sr值之間，說明地下熱水化學(xué)成分的演化受碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和硅酸鹽巖溶濾作用的影響。

圖8 地下水 Sr與 Ca、87Sr/86Sr比值與Sr/Ca比值以及Sr/Cl比值關(guān)系圖

在 Sr－Ca濃度關(guān)系圖中(圖8－A)，咸禮斷階東南、咸禮斷階西北和西安凹陷北地下熱水中 Sr與 Ca的相關(guān)性較好，說明可能發(fā)生了含Ca礦物的溶解。在(87Sr/86Sr)－(Sr/Ca)關(guān)系圖(圖8－B)中，咸禮斷階東南、咸禮斷階西北和西安凹陷北地下熱水均表現(xiàn)為隨著Sr/Ca比值的增加，87Sr/86Sr比值減小的特點(diǎn)，并最終趨近碳酸鹽礦物87Sr/86Sr比值，證明水－巖作用中的碳酸鹽礦物溶解反應(yīng)。西安凹陷南地下熱水在 Sr/Ca比值為0.007附近時87Sr/86Sr比值已接近碳酸鹽礦物87Sr/86Sr比值，咸禮斷階東南和西安凹陷南地下熱水中87Sr/86Sr比值隨Sr/Cl比值增加而減小(圖8－C)，說明碳酸鹽礦物溶解作用占據(jù)主要地位。而固市凹陷地下熱水87Sr/86Sr比值隨Sr/Cl比值增加而增加(圖8－C)，說明固市凹陷地下熱水中碳酸鹽礦物溶解作用并不顯著。

3.3.2 硫酸鹽礦物的溶解

研究區(qū)關(guān)中盆地含水介質(zhì)中硫酸鹽礦物主要以石膏為主。咸禮斷階東南地?zé)嵯滤?、咸禮斷階西北地下熱水和西安凹陷南地下熱水 Sr2+與 Ca2+、SO2+4以及 Ca2+與 Sr2+均表現(xiàn)為正相關(guān)性，咸禮斷階東南、咸禮斷階西北和西安凹陷南地下水87Sr/86Sr比值總體上均表現(xiàn)為隨著 SO42－濃度增加而減小(圖9)，且87Sr/86Sr比值逐漸接近于0.710 000，與硫酸鹽礦物的典型值(0.708 000)接近，進(jìn)一步證明了關(guān)中盆地地下熱水發(fā)生了硫酸鹽礦物的溶解。

2－濃度與87Sr/86Sr比值關(guān)系圖圖9 地下熱水SO4

3.3.3 硅酸鹽礦物的溶解

研究區(qū)關(guān)中盆地含水層地下熱水87Sr/86Sr比值與Sr/Cl摩爾比值關(guān)系圖(圖3)顯示，在 Sr/Cl摩爾比值較小時，87Sr/86Sr比值較高，說明研究區(qū)可能發(fā)生了硅酸鹽礦物的溶解。咸禮斷階東南、咸禮斷階西北和固市凹陷地下熱水在87Sr/86Sr比值不變的情況下 Sr/(Na－Cl)比值變大(圖 10－A)，而西安凹陷北隨著87Sr/86Sr比值增大 Sr/(Na－Cl)比值不變，西安凹陷南和咸禮斷階西北地下熱水Sr/K比值隨著87Sr/86Sr比值的增加而減小(圖10－B)，說明鉀長石的溶解作用明顯，斜長石的溶解作用微乎其微。

圖10 地下熱水87Sr/86Sr比值與Sr/(Na－Cl)摩爾比值(A)、Sr/K摩爾比值關(guān)系圖(B)

［1］馬致遠(yuǎn).環(huán)境同位素地下水文學(xué)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.2004.

［2］Yongsen Wang，Jiansheng Chen，Liang Chen. Tr acing groundwater with strontium compositions in the Hex i Corridor Northwestern China［C］//Proceedings o f 16thIAH R－APD Congress and 3rd Symposium of IAH RISHS. Hohai University，Nanjing ，China. Beijing:Qinghua University Press，2009:184－ 187.

［3］Janina S Klaus，Bent T Hansen，Somkid Buapeng .87Sr/86Sr ratio:a natural tracer to monitor groundwater flow paths during artificial recharge in the Bangkok area，Thailand［J］. Hydrogeology Journal，2007，15:745－ 758.

［4］馬致遠(yuǎn)，王心剛等.陜西關(guān)中盆地中部地下熱水 H、O同位素交換及其影響因素［J］.地質(zhì)通報(bào).2008，6(28):888－893.

［5］蘇艷.關(guān)中盆地中部地壓型地?zé)崃黧w環(huán)境同位素水文地球化學(xué)特征研究［D］.長安大學(xué).2008.

［6］Philippe N grel. Water－ granite interaction:clues from strontium，neodymium and rare earth elements in soil and waters［J］. Applied Geochemistry，2006，21:1432 － 1454.

［7］Mao zhong M in，Xinjian Peng ，Xianlin Zhou，et al. Hydro chemistry and isotope compositions of groundwater from the Shihong tansandstone － hosteduranium deposit，Xinjiang ，NW China［J］. Journal of Geochemical Exploration，2007，93(2):91－ 108.

［8］Gaillar det J，Dupr B，Lou vat P，et al. Global silicate－ weathering and CO2consumption rates deduced from the chemistry of large river s［J］.Chemical Geology，1999，159(1):3－ 30.