南阳城区地下热水同位素特征及其水文地质意义

王朝平，龚巍峥，许卫国

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 南阳473056)

南阳市城区地下热水主要赋存于新生界盖层之下的下元古界秦岭群雁岭沟组大理岩热储层中，但已有地热井井口热水温度较低(水温40℃～46℃)的，影响了对地热资源的勘查和开发。为此我们在开展《河南省南阳市(城区)地热资源综合研究》中，采用氢氧稳定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)对地下热水起源、地下热水的形成年龄、补给运移条件、热水和地下冷水混合作用对热水温度的影响等进行了探讨。

1 地下热水同位素特征

同位素样品按大气降水、地表水、地下冷水、热储层地热水分别采取，测定氢氧稳定同位素(D、18O)和放射性同位素(T)。氢氧同位素采样点及分析成果数据如表1。

表1 同位素采样点及测试结果

2 地下热水成因

据表1中代表本区大气降水样品、河水样品、代表地大气降水平均值的地下冷水样品，平均值的地下水样品＜温水、温热水点除外)，求得本区大气降水线方程(相关系数达0.90)为:

(1)式与中国大气降水线方程(δD=7.98δ18O+8.2)、郑州市大气降水线方程(δD=8.013δ18O+8.275)基本相似。

将表1的δD和δ18O实测值点绘于图1上，可看出，热水、地下冷水、岩溶温(冷)泉水δD和δ18O均落于降水线下方，δD和δ18O组成与本区降水线基本符合，反映了热水、岩溶温(冷)泉水、地下冷水均起源于大气降水。

据前人对世界典型地下热流系统中热水与大气降水的δD和δ18O同位素关系研究结果;热水与大气降水中的δD值大致相近，但高温或过热水的δ18O高于当地大气降水中的δ18O，中温或低温热水中的δ18O则接近大气降水中的δ18O，这种现象称为“氧漂移”现象。一般而言，热储温度越高，“氧漂移”越显著。

在图1上，可看出本区地热水没有显著的“氧漂移”现象，说明本区地下热储温度属中低温范围，即热储温度＜150℃，这与采用钾、镁温标计算的深部热储层源温度为85℃～98℃基本一致，也说明了本区地下热水属深循环增温型的低焙地热资源。

图1

3 热水年龄

放射性同位素不受温度、压力或化学组分等外界条件的影响，而以一定的速率衰变。每种放射性元素的半衰期是一个常数，利用这一特性，可以测定地下水的年龄，即水在含水层中的平均贮留时间。

氚(3H或T)是氢的放射性同位素，半衰期12.26年，其计量单位是T.U。

据法国J.ch.Fontes分析研究，水中的氚(T)在0～5 T.U之间，说明1953年年热核爆炸产生以前形成的“古水”成份占优势;5～40 T.U表示水由新近入渗水和“古水”混合组成;大于40 T.U的水以新近水渗水为主组成。实践表明这种经验估算法有一定实用价值。

本次实测的地下热水的氚浓度为12.20～24.73 T.U之间，表明热水为1953年以后入渗补给的水，水交替条件较好、补给距离不远，补给量相对充分。

氚法测龄是在测定地热水中氚含量(浓度)的基础上，以下式来估计地下热水的年龄。

式中:t为地下热水的年龄，年;T为放射性同位素的半衰期，年;A0为放射性同位素初始浓度，T.U(氚);A为实测的地下热水放射性同位素浓度，T.U(T);

氚法测龄最大测龄年限为60年。本区地下热水氚浓度为12.40～24.73 T.U，说明地下热水形成于1950年以后，故可用上式利用氚法计算地下热水年龄。

依表1中实测氚值，计算的地下热水年龄列于表2中。其中氚的初始浓度A0为100%，半衰期T为12.26年。

表2 氚法估算地下热水年龄一览表

4 大理岩热储层补给运移条件分析

研究区内隐伏于新生界盖层之下的下元古界秦岭群雁岭沟组大理岩热储在北西西20 km左右镇平杏花山一带出露，并呈200 km长的条带状向西入陕西境内，自东向西地貌类型由岩溶低山丘陵过渡为中低山、中高山。镇平柳泉铺温泉及柳泉两个岩溶水泉点距本区20 km，其中柳泉铺温泉出露于朱阳关—夏馆—大河断裂旁侧，水温21.5℃。

分析表1、表2可知，区域上，自西向东，岩溶水 δD值大致相近，δ18O和氚值则明显降低，热水年龄由24.7年增至37.2年，年均运移速度1 600m，反映了下元古界秦岭群雁岭沟组大理岩中赋存的热水的主要补给区为镇平杏花山以西的岩溶山区。

在南阳城区内，自北向南，岩溶热水的δ18O值和氚值由市中级法院地热井的－8.6‰和15.44 T.U降低至德昌地热井的－9.4‰和12.20 T.U，热水年龄由33.05年增至37.2年，热水运移速度433m/a;而自西向东，岩溶热水的氚值由能源公司地热井的18.96 T.U降低至德昌地热井的12.20 T.U，热水年龄由29.42年增至37.2年，运移速度167.1m/a，说明了南阳城区内大理岩热储层中的热水除接受西部山区岩溶水深循环运移补给外，尚接受来自研究区北部地下冷水的侧向迳流混入补给，即研究区基底热储层中热水是深源运移的热水和浅层地下冷水的混合水，这可能是已有地热井揭露深度内的基底热储层温度不高的原因。

其次，自西向东，由补给区至本区岩溶热水运移速度较快，而研究区内基底热储中热水运移速度较慢，反映了研究区内基底热储层热水的水交替条件相对滞缓，这与现有地热井中热水系深源运移热水和浅层地下冷水的混合水，这也与相应的热水化学成份不同于高温地热流体化学成份的分析结论基本一致。

5 结语

(1)南阳城区地下热水起源于大气降水，氢氧同位素测试分析表明本区地下热储温度属中低温范围，这与采用钾、镁温标计算的深部热储层源温度为85℃～98℃、源深度1400～1 750m基本一致，说明了本区地下热水属深循环增温型的低焙地热资源，即热储温度 ＜150℃，属温热水——热水。

(2)实测的地下热水的氚浓度为12.20～24.73T.U之间，热水为1950年以后入渗补给的水，热水年龄29.42～37.2年。热水的主要补给区为镇平杏花山以西的岩溶山区，其次尚接受研究区北部地下冷水的侧向迳流混入补给，现有地热井中热水系深源运移的热水和浅层地下冷水的混合水，这也与相应的热水化学成份不同于高温地热流体化学成份的分析结论基本一致。

(3)通过对南阳城区地下热水同位素水文地球化学研究表明，利用同位素方法可有效地了解地下热水的起源、测定地下热水的形成年龄、了解补给运移条件、以及热水和地下冷水混合作用对热水温度的影响等问题，为地热勘查与开发利用提供了较好的指导作用。

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