古气候变化与地下热水中氢氧稳定同位的关系

李 婷,胡伟伟,马致远,豆惠萍

(长安大学 环境科学与工程学院,陕西西安 710054)

古气候变化与地下热水中氢氧稳定同位的关系

李 婷,胡伟伟,马致远,豆惠萍

(长安大学 环境科学与工程学院,陕西西安 710054)

关中盆地地下热水中氢氧稳定同位素的研究表明:研究区地下热水中氢氧稳定同位素组成变化与当地古气候变化具有良好的对应关系,古气候变化直接影响了地下热水接受补给时的氢氧稳定同位素组成。研究区地下热水的补给为更新世前古代大气降水。大约在 8.2～10.2 kaB.P.和 18.1～19.2 kaB.P.这两个时间段,可能是由于当时温度较低导致关中盆地地下热水补给偏少;关中盆地地下热水的补给过程受古气候的变化影响呈现非等速补给特征,可能存在一定的古地下水形成期。

关中盆地;地下热水;氢氧稳定同位素;古气候变化

0 引言

用同位素的组成变化来研究地下水的补、径、排的方法在国内外经常看到,这种方法具有其他同类方法无可比拟的优越性。国外通常研究同位素的高程效应[1～2]。而在国内通常作法是研究地下水中氢氧同位素的组成变化与当地古气候变化的联系[3],而地下热水中氢氧同位素与古气候的对应关系方法尚不多见。本文以关中盆地地下热水为研究对象,研究关中盆地地下热水补给时的温度及气候变化情况,对认识关中盆地水文循环及气候变化具有重要的参考意义。在关中盆地地下热水中,水的温度大大高于大气温度而氢氧同位素值却又低于大气降水。那这是怎样产生的?是否由于补给时期温度与现代大气降水有差异?如果是古温度的影响,那么补给时的古温度与现代温度有多大的差距?

1 研究区概况

1.1 水文地质及地热地质

关中盆地位于陕西省中部,西起宝鸡,东至潼关,南依秦岭,北抵北山,位于东经 107°30′～ 35°50′,北纬 33°39′～ 35°50′之间,总体似半个弯月横亘于陕西省中部,是陕西省政治、经济、文化中心。

关中盆地的含水层可分为两大类:第四系和第三系含水层。第四系含水层厚约 800 m,包括多孔的,风积的,冲积的和洪积的第四纪沉积物,上面覆盖有弱透水层的沙质和粉质粘土,主要岩性为淡灰黄色黄土及砂、砾石层,其主要富水段为砂、砾石孔隙含水层,富水性强。第三系含水层由棕红色泥岩夹杂粉砂质泥岩的中粒长石砂岩组成,厚度从几十米到几百米不等,砂岩胶结疏松,孔隙、裂隙发育,富水性中等。

关中盆地地处不同构造单元的交接过渡部位,构造格局十分复杂[4]。盆地南北边缘以发育强烈的挤压构造为显著特征。受热源和构造影响,盆地温泉和地温异常分为三个带:盆地北部边缘断裂地热带;盆地南部边缘断裂地热带 ;咸阳 -西安地热带。作为主断层的盆地南北缘断裂带,控制着盆地现今的伸展扩展,活动性更强一些,但是由于热水循环过程中混入大量冷水,大大降低了热水温度。盆地中部渭河断裂带由巨厚的新生界沉积物覆盖,因为盖层巨厚,所以咸阳-西安地热带的热水温度目前最高。但是深大断裂附近热水的地温梯度较其它地方高,是地下热水开采的最佳部位。

1.2 古气候背景

据相关资料[5],研究区末次冰期始于 75 kaB.P.,终止于11 kaB.P.,一般划分为两寒夹一暖 3个阶段。早冰阶气候寒冷但非最严寒阶段,年均温比现代低 5℃～6℃。中期是相对温暖的寒冷气候阶段。晚期(尤其是 18 kaB.P.)是末次冰期气候严寒干冷的盛冰期,年均温比现代均温低 8℃～9℃左右,也是 130 kaB.P.来海平面下降幅度最大和沙漠显著发展的干旱期。由于气候干冷,故末次冰期冰川规模不大。

研究区全新世以来气候的变迁与全球气候变化的总规律是一致的。全新世早期,因刚脱离开大理冰期而跨入冰后期,所以气候比较寒冷,10 000～8 000a B.P.的全新世早期年平均温度较今低 5℃～6℃。全新世中期,全球气候进一步回暖,被称为“气候适宜期”,说明当时气候较今温暖湿润,应为亚热带气候。全新世晚期,气候向温凉干旱方向发展。

2 氢氧稳定同位素组成特征

关中盆地的大气降水和地热水的同位素组成见图 1。关中盆地中部的西安、咸阳地下热水中的 δ180发生了明显的漂移,西安及咸阳 δ180漂移端元水样还发生了 δD的漂移,这在中低温地热田较为少见,在我国盆地型地下热水中也不多见,可能存在滞留型、非现代循环降水形成的地下热水。关中地区的 δD-δ180在地下热水中的含量明显比现代大气降水中 δ值低;然而氢氧同位素在水中的含量是与温度正相关的,即当温度降低时水中的 δD和δ180值亦随之降低。

关中盆地氢氧同位素组成变化较大,根据其特征可分为西安、咸阳、山前、渭北四类,西安凹陷浅部热水点及沿山前主控断裂参与现代水循环的井泉多分布于大气降水线上,凹陷深部参与深层径流的热水多发生 δ180漂移;而西安凹陷外部如宝鸡、渭南、华阴则与西安凹陷内的热水 值有较大的差异,咸阳的热水除发生 δ180漂移外,还发生了 δD的漂移。关中盆地地下热水中氢氧稳定同位素以图 1表示。

图1 研究区大气降水,地表水及地下热水中的同位素组成

图1表明,关中盆地的大气降水线为:δD=7.49δ180+6.12。结果表明所有的热水来源于大气降水,受蒸发影响较小。西安热水中的 δ180因水岩反应偏离大气降水线,其漂移线与大气降水线交于 A点,其 δ值分别为(-83.23‰,-11.70‰),与山前地下热水平均值一致,A点即为关中盆地山前及西安地下热水接受补给时的 δ值,该值与现代降水平均值(-45.02‰,-7.37‰)及山前现代常温水平均值(-68‰,-10‰)相差较大,故可推断其补给源非现代大气降水。

3 地下热水接受补给时气温条件

3.1 地下热水的补给年代与古气候特征

氘剩余等值线图,图 2能清楚的判断出地下热水的补给区 -径流区。在同一含水层中,由于制约地下水 δ值变化的主要因素大致相同,在含水层的不同部位,地下热水 δ值的相对变化仅与滞留时间的长短有关。假定地下热水的径流方式为活塞流模型,从宝鸡和秦岭山前及蒲城到咸阳和西安及渭南地区地下热水 δ值的变化是从接近大气降水线到远离大气降水线的过程,这也就是关中地区地下热水的径流方向。其中秦岭为西安地区地下热水的主要补给源。

图3关中盆地地下热水14C年龄分布的总体特征是:在盆地周边出现最小值,并向盆地中部地热水分布区域逐渐增大,在咸阳、渭南形成两处圈闭,圈闭中心分别达到14C年龄的最大值。由图 4地热水的14C年龄与埋深成正比,14C年龄在西安、咸阳一带偏大,推测此区域地下热水进行了深部循环,地下热水滞留时间较长,所处的地质环境相对封闭,水岩反应强烈,从而改变了热水的同位素组成。

图2 关中盆地地下热水 δD剩余等值线图

图3 关中盆地地下热水14 C年等值线图

根据现有同位素资料,关中地下热水的补给既有现代大气降水的补给,又有古代大气降水的补给。图 1沿大气降水线展布、d＜0‰的诸热水点基本沿横贯盆地的东西向秦岭山前断裂、渭河断裂及北西西向、北西向、北东向断裂带及断裂交汇部位展布,为现代降水和古代大气降水的混合补给,而关中盆地深部如西安、咸阳、渭南、华阴等处热水井点因水岩同位素交换作用产生180漂移,分别将西安、咸阳两处氧漂移趋势线交于大气降水线,咸阳热水的 δ180值为 -10.41‰～-9.63‰,根据前人研究得出[6～12],咸阳热水补给源来自渭北北山,取渭北大气降水 δ180平均值为 -7.37‰,这样,咸阳热水与当地大气降水 δ180的差值为 2.26‰ ～3.04‰,根据关中盆地温度效应,关中盆地 δ180的温度梯度为 0.47‰/℃。因此,古代与现代大气降水的温度差△T=2.26/0.47～3.04/0.47=4.80℃～6.47℃。同理,得出西安热水180的漂移趋势线与大气降水线交点处的 δ180范围在 -13.19‰ ～-11.83‰之间,秦岭大气降水平均值为 -9.45‰,这样,古代与现代大气降水 δ180差值在 2.38‰ ～3.74‰之间,古代与现代大气降水的温度差△T=5.06℃～7.96℃,也即关中盆地古、现代大气降水温差为4.80℃～7.96℃,这一温度差范围与全球末次冰期与现代地表温度差 4℃ ～9℃相吻合[14],与中国北方孢粉研究记录末次冰期至今地表温度变化为12℃接近[15],说明关中盆地内地下热水补给时的温度与现今相差约 5℃～8℃,为距今 10 000～60 000 a的末次冰期降水的补给,14C测试证实,咸阳深部(1 500～3 500 m)地下热水的滞留年龄为 15 492±343～28 139±1 303a。西安深部(1 500～3 500m)地下热水的滞留时间为 13 323±76～26 868 ±414a。

图4 关中盆地地下热水埋深与14 C年龄关系图

表1 秦岭山前δD-18C对比表

3.2 δD组成与古气候变化

研究区古气候变化主要表现为古降水中温度的变化,这种气候的变化由降水中稳定同位素含量改变尤其是氘含量所证实。由于关中盆地地下热水中 δ180发生了漂移,下面我们用 δD值来研究关中盆地的气候变化情况。

由于其它地区地下热水中的 δD也有不同程度漂移,所以选用接受秦岭北麓补给的地下热水中的δD对该地区的古气候进行研究(图 5),而在分析关中地区地下热水接受补给的时期时则用关中盆地所有资料(图 6),由于图 6中包括有δD漂移的所有点。

图5 接受秦岭北麓补给的地下热水中δD含量与14C年龄的关系图

表2 关中盆地δD-14C对比表

26 2004.03.04 澄城寺前西吴坡供水井 -66 13 710 27 2004.03.04 合阳合家庄刘彦村 -67 4 060 28 2004.03.04 合阳合家庄合家庄村 -67 16 700 29 2004.03.05 合阳合家庄贺俭村 -66 14 630 30 2004.03.05 合阳王村井溢村 -67 13 510 31 2004.03.05 合阳马家庄富礼坊村 -63 14 450 32 2004.03.06 合阳新池西王庄 -65 17 715 33 2004.03.07 合阳恰川渔业指挥部 -68 18 080 34 2004.03.08 澄城城郊乡镇基村 -64 17 100 35 2004.03.09 浦城县永丰镇东堡村 -66 16 880 36 2005.11.29城建集团公司地热井(秦都 3#)-71.607 20 219 37 2005.11.29 185煤田地质队地热井 -69.299 20 251 38 2005.11.30 绿浪有限公司地热井 -68.38 28 512 39 2005.11.30 咸阳世纪大道旁帝都花园 -73.487 30 142 40 2005.12.01 505大学地热井 -67.484 27 015 41 2005.12.01咸阳步长集团国际商贸学院 -70.966 26 290 42 2005.12.22蓝田县汤峪镇省第三疗养院 -69.102 6 295 43 2005.12.23 临潼空疗院内东南 -86.32 26 868 44 2005.12.23临潼区县医院西地热公司 2号井 -86.2 27 966 45 2005.12.24 陕西省宝鸡市宝鸡饭店 -70.358 1 383 46 2005.12.25宝鸡市马营镇七十一温水沟 -69.035 3 824 47 2005.12.27周至县哑柏镇西天河温泉宾馆-76.604 17 678 48 2005.12.28蓝田县西关二组新民路峪后温泉 -76.169 20 704 49 2005.12.28 202研究所地热井 -66.297 23 652 50 2005.12.28咸阳三普大队 2号(康普集团 2号)-70.644 15788 51 2005.12.28 咸阳工业职业技术学院 -66.022 22 263 52 2005.12.29兴平市华兴公司金浪温泉公司 -70.78 25 911 53 2006.01.05 户县灵感寺灵山温泉 -88.4 21 363 54 2006.01.20 咸阳周陵 -68.079 22 717

图6 关中盆地地下热水中 δD含量与14C年龄的关系图

根据关中盆地 δD-14C年龄关系图可以看出,大约在8.2-10.2 kaB.P.和 18.1-19.2 kaB.P.这两个年龄段无样品,这与盛冰期的降温期基本相对应[5],它们可能表明由于当时气温较低导致地下水补给偏少。从接受秦岭北麓补给的地下热水中δD-14C年龄关系图(图 5)还可以看出,年龄大于 10 ka的地下热水的 δD值有变小的趋势,这与晚更新世以来 10-25 kaB.P.气候相对变暖有关这种 δ值与古气候对应关系与图 7、图 8中的鄂尔多斯盆地南部地下水中 δ180含量与14C年龄的关系及加拿大冰核中的 δ180值对应关系一致。其次,根据图 5和图 6散点分布的不均匀性以及不连续性还可以得到关中盆地古地下水的补给过程受古气候的变化影响呈非等速补给特征,可能存在一定的古地下水形成期。以上这些分析结论表明关中盆地地下热水中同位素 δD含量的变化与当地古气候的变化是相对应的。

图7 鄂尔多斯盆地南部地下水中 δ18 0含量与14C年龄的关系图(黄冠星等,2007)

图8 加拿大冰核中的 δ18 0值(冰核中 δ18 0值来自加拿大东部北极地区(Agassizle),格陵兰(Camp Century),南极东部(Vostok)(Koerner1989年修改),冰核中的垂直断面包括从 12.5万年到一万年的晚更新世)[13]

图9 关中盆地地下热水中 δD随时间变化图

图5、图 6和图 7可以看出,关中盆地的地下热水与鄂尔多斯盆地南部的地下水14C年龄都存在若干无样品年龄段。说明地下热水在接受古大气降水补给时是非等速、非均质特征,这是古地下热水在适宜气候期集中补给的证据。从图 5、图 7和图 8可以看出,由于一万年以前的存在冰期和间冰期,气候变化比较明显,δ值波动较大,5～8的气温变动只能发生在历史时期少有的几十年中,而全新世 时期的气候到目前为止都相对稳定,波动较小,但从地质历史演化进程推测,不会永远稳定下去。

4 结论

(1)关中盆地地下热水温度高于大气温度,但是氢氧同位素值却又低于大气降水。由氢氧同位素与大气降水线的关系,可以判断出地下热水为大气降水补给。根据氢氧同位素与温度的线性关系与冰心测年法[14～16]相结合的方法得出:由于地下热水接受补给时的古气侯年均温度低于现代大气温度 5℃～8℃所致。

(2)关中地区地下热水补给时温度以西安地区最低为0.5℃,咸阳为 3.5℃、宝鸡 5℃,渭南 6.5℃。因此,关中地区地下热水补给时的古年均温度与现代大气的温差的最高值为 11.5℃、最低值为 4℃、平均值为 6.5℃。

(3)关中盆地地下热水14C年龄显示,大约在 8.2～10.2 kaB.P.和 18.1～19.2 kaB.P.这两个无样品年龄段与盛冰期的两个明显的降温期相对应,表明可能是由于当时古气候温度较低导致关中盆地地下热水补给偏少。

(4)关中盆地地下热水中同位素 δD含量的变化表明该地区古地下热水的补给过程受古气候的变化影响是非等速的集中性补给。而全新世时期的气候到目前为止都相对稳定,但从地质历史演化进程推测,不会永远稳定下去。

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Relationship between Ancient Clim ate Change and the Geothermal Water Oxygen and Hydrogen Stable Isotope Com position

LI Ting,HU W ei-wei,MA Zhi-yuan,DOU Hui-ping
(College of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,X i'an 710054,Shaanxi)

The study of the geothermal water oxygen and hydrogen stab le isotope of the Guanzhong Basin we suggest that:The charge ofgeothermal water oxygen and hydrogen stable isotope content and that of the paleoclimate in Guanzhong Basin show obvious corresponding re lationship;the supp ly o f oxygen and hyd rogen stable iaotopes of the geothermal water was directly affec ted by the change of the climate.The geothermalwater of the research area was recharged by the ancient p recipitation before the p leistocene.The two time periods about 8.2-10.2kaB.P.and 18.1-19.2 kaB.P.,may be due toa lower temperature at that time led to the geothermalwater supplied in Guanzhong Basin lower;influenced by the charge of paleoclimate,the supply p rocess of ancient geothermal water was not a uniform motion.There may be some formative period of ancient groundwater.

Guanzhong Basin;Geothermal Water;hyd rogen and oxygen stable isotopes and ancient climate change

P641

A

1004-1184(2011)01-0004-04

2010-09-19

国家地质调查局项目《陕西关中地下热水调查》(1212010535A 98)

李婷 (1987-),女,陕西铜川人,工学硕士,主要从事水文地球化学研究。