四川地热流体水文地球化学及同位素特征简析*

倪高倩，张 恒，韦玉婷，胡亚召

（四川省地质工程勘察院，成都 610000）

四川地热流体水文地球化学及同位素特征简析*

倪高倩†，张 恒，韦玉婷，胡亚召

（四川省地质工程勘察院，成都 610000）

四川省范围内有沉积盆地型和隆起山地型两类地热资源，共划分五个地热区。从五个区采取的205组水样的水文地球化学特征及184组2H、18O和61组14C特征分析显示，四川省各地热区地热流体基本来自于大气降水补给，地热流体的水文地球化学和同位素特征与其所属的热储类型和热储开放性有关。盆地型热储主要为岩溶层状热储，山地型热储主要是变质岩为主的裂隙带状热储和层状带状复合型热储。盆地型热储开放性较山地型弱，地热流体矿化度和理疗元素含量均比山地型高，易形成深埋藏的卤水，地下水平均径流时间较山地型长。本研究可为四川省地热资源未来的开发利用规划提供参考。

四川；地热流体；沉积盆地型地热资源；隆起山地型地热资源；水文地球化学特征；同位素

0　 引 言

四川省自20世纪50年代末60年代初开始，从区域地热地质资料到数量众多的“水源评价报告”、“地热井竣工报告”、“地热资源勘查报告”等针对具体地区的资料，已经“由面及点”地进行了较多的地热资源相关调查。在前人研究的基础之上，四川省地质工程勘察院于 2013年对四川省境内已有的地热露头开展了一次全面调查，在全省范围内系统采集了地热水的水化学样品、氢氧同位素和年龄同位素样品，对四川省内的地下热水进行了较全面的了解。虽然此次工作对地表以下深层空间，包括热储层岩性、构造作用等对四川省地热资源及热矿水出露的影响研究较浅，但综合分析后得出的研究成果，仍能为后续省内各地进行地热资源开发利用提供依据。本文即是此项研究成果的总结。

1　 地热资源类型划分

四川全省地形可分为四川盆地、川西北高原和川西南山地三大部分。四川盆地由盆地边缘一系列低、中山山地和盆地底部两大部分组成；川西北高原属青藏高原东南边缘和横断山脉的一部分，地面海拔一般为4 000 ～ 4 500 m，可分为甘孜-阿坝高原和川西高山山地两部分；川西南山地是由一系列南北向展布的平行山脉组成，以中山为主，海拔多在1 500 ～ 4 000 m之间。

四川全省有三大构造体系：西部青藏川滇歹字型构造头部至中部的转折部位；北部一系列叠置的弧形构造；东部新华夏和华夏系。其间的界线为北东向龙门山断裂带、北西向鲜水河断裂带和南北向安宁河断裂带，它们在泸定以南交汇成“Y”字型。印支运动、燕山运动结果使褶皱、断裂发育，并伴有大规模中酸性岩浆侵入，尤其是西部地区，出现若干南北向岩浆岩带，反映了南北向断裂处于引张状态，这是四川地下热水形成与分布的主要构造线方向。特别是鲜水河断裂、金沙江断裂及小金河断裂围成的区域断裂众多，活动断裂发育，出露温泉众多，全省大多天然温泉均出露在该地区［1］。

图1　四川省地热资源类型分区图Fig. 1 Zoning map of geothermal resources type in Sichuan province

根据地形和构造条件，四川省地热资源可分为隆起山地型地热资源（I）和沉积盆地型地热资源（II）两大类；结合地热流体温度，又可分为川西高原高-中温地热区（I1）、川西南中-低温地热区（I2）、盆周山地中-低温地热区（I3）、四川盆地低温地热区（II）四个地热区，以及热储情况尚不明确的尚待查明区（III），其分布范围如图 1所示。多数隆起山地型地下热水受到断裂影响大，热储呈开放性较好的带状，无传统意义的盖层，天然露头多；沉积盆地型主要为以盆地中深埋藏的二叠系、三叠系碳酸盐岩地层为热储层，上覆盖层厚度大且致密，一般需要人工开凿深井才能获得地下热水。

2　 地热流体化学特征

地热流体化学组分及各组分含量通常显示了流体在形成和运移过程中所经历地质环境的特点。通过对地热流体组分的分析，可以反推、验证其所属地热系统的地质环境、热量传递方式等特征；对地热流体中某些组分含量多少的分析，为地热流体今后的开发利用规划提供参考。项目于四川省各地热区的205处地热露头所取水样，由四川省地质工程勘察院环境工程中心进行测试及校正，测试依据为GB/T8538-2008《饮用天然矿泉水检测方法》。通过对所得水质测试结果进行分析、总结，就其水温、水化学类型、总矿化度、理疗元素的特征得出以下结论。取样点分布情况见图2。

图2　四川省地热流体取样分布图Fig. 2 Map of sampling of geothermal fluid in Sichuan

2.1水温及水化学类型

根据调查中对地热流体温度的测定，川西高原区高温地热点（T ≥ 90℃）占1%，中高温地热点（60℃≤ T ＜ 90℃）占24%，中温地热点（40℃ ≤ T ＜ 60℃）占44%，低温地热点（25℃ ≤ T ＜ 40℃）占31%，根据温度分布比例划分为高-中温地热区。

川西南区中高温地热点占 5%，中温地热点占43%，低温地热点占52%，以中低温地热点为主，划分为中-低温地热区。

盆周山地区中高温地热点占11%，中温地热点占32%，低温地热点占57%，同样以中低温地热点为主，划分为中-低温地热区。

盆地内主要以人工深井钻探形式获取埋藏在深部热储层内的地下热水，井口水温受到钻探深度和开采方式的影响，自然出露的温泉温度均低于40℃，划分为低温地热区。

各地热区地热流体温度特征统计见表1。

通过前期收集和实测的钻孔测温数据分析可知，盆地区钻孔温度曲线整体呈线性分布，反映四川盆地区地下深处的热量以热传导为主，热储温度受地温梯度以及埋深控制；高原内钻孔温度曲线存在突变，为非线性关系，说明控制川西地热流体增温的因素并非正常的地温梯度传导增温，而是受地下热流上涌的影响。因此，盆地地热区通过地温梯度、热储顶板埋深及热储层有效厚度确定的热储层中部温度为热储温度。山地型地热区综合二氧化硅、钾镁、钠钾、钠锂四种地热温标法，估算热储层的温度。统计结果见表2。

根据取样分析结果统计，应用舒卡列夫分类法进行水化学类型分类、统计的结果见表3。

从各区的水温、热储温度、水化学类型和离子含量特征可以说明：

川西高原高-中温地热区热储温度较高，区域本身下部热源种类丰富、热能储量大，从流体温度也较高的情况来看，地下水必定是通过深循环的对流传热得以将深部的热能带到了地表。虽然钻孔测温结果非线性，但通过前人测算，该区平均地温梯度约4 ～ 5.3℃/100 m［2］9，估算其地下水循环深度平均可达2 000 m，大部分在3 000 m左右。因此地下热矿水形成过程中，径流途径相对较长，途经了深部高温高压环境的变质岩地区。热矿水径流受阻时，沿断裂及破碎带向上运动，出露地表的过程中受到浅层地下水和地表水的混合作用的影响较大，地下热水含水系统构造开放性好。

表1　四川省地热流体温度统计表Table 1 Statistical table of temperature of geothermal fluid in Sichuan

表2　四川省热储温度统计表Table 2 Statistical table of geothermal reservoir temperature in Sichuan

表3　四川省地热流体水化学类型统计表Table 3 Statistical table of hydrochemical type for geothermal fluid in Sichuan

川西南中-低温地热区的热源种类相对川西高原区种类少，以构造和地震活动产生的热能为主，存在一定的地温梯度增温。根据前人的测算，该区地温梯度约3.21℃/100 m［2］9，通过估算该区地下水循环平均深度约 800 m，可见地下热矿水径流途径相对较短。区域地下热水受浅层地下水或地表水混合作用较强，且其Ca2+、Mg2+、HCO3-为主的水化学类型表明了其径流途径中经历了碳酸盐岩地区，反映出其热储除受到构造裂隙影响的带状特征外，还具有岩溶层状热储性质。

盆周山地中-低温地热区地下热水大部分通过钻井开采，井深普遍在2 000 m左右，地下热矿水中 Ca2+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-含量均较多，反映出其经历的地层岩性较复杂，体现了带状和碳酸盐岩层状热储共存的特点，地下热水大多靠地温梯度增温。

四川盆地低温地热区的热储层埋深较深，地下水依靠地温梯度增温，水化学类型及阴阳离子含量统计情况基本体现了该类热储层中热矿水所处环境相对封闭，地下水径流途径远、径流缓慢的特点，也验证了四川盆地内卤水资源丰富的特点。该区中，部分水样检测结果显示 Ca2+、Mg2+、HCO3-含量较高，主要是因为取样的地热井在成井固井时未完全封闭上下含水层，造成取样时未取得单一目的含水层地下水，而是上部含水层与下部含水层地下水的混合体，对最终测试结果造成了影响。

2.2总矿化度

总体上，四川省内地下热矿水矿化度具有隆起山地型地热资源小于沉积盆地型地热资源的特点。四川盆地低温地热区热矿水的矿化度远高于其余几区。见表4。

按照《水文地质手册》中对地下水中矿化度的分类标准，将地下水分为淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水这5类（表5）。将上述的205组水样也按该分类标准对地下热矿水进行划分，见图3 ～图6。

表4　四川省地热流体总矿化度统计表Table 4 Statistical table of TDS for geothermal fluid in Sichuan

表5　地下水矿化度分类表Table 5 The classification of groundwater TDS

图3　川西高原高-中温地热区矿化度分类图Fig. 3 The Classification of TDS in hyperthermal-mesothermal geothermal area of western Sichuan plateau

图4　川西南中-低温地热区矿化度分类图Fig. 4 The classification of TDS in mesothermal-microthermal geothermal area of southwestern Sichuan

图5　盆周山地中-低温地热区矿化度分类图Fig. 5 The classification of TDS in mesothermal-microthermal geothermal area of mountain regions around Sichuan basin

图6　四川盆地低温地热区矿化度分类图Fig. 6 The classification of TDS in microthermal geothermal area of Sichuan basin

从上述统计中可以看出，川西高原高-中温地热区和川西南中-低温地热区内热矿水矿化度普遍较低，与其水化学类型以HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg型水为主的特点具有一致性，共同说明了浅部地下水和地表水与深部热矿水的混合较为强烈。盆周山地中-低温地热区中高矿化度水均取自于深井，止水效果较好，反映了深循环热矿水矿化度偏高的特点。低矿化水多为天然温泉，反映该区地下热矿水径流途径较短，浅部与深度地下水水力联系相对密切。四川盆地低温地热区矿化度与区内水化学类型以Na-Cl型水为主相呼应，反映了区内地下热矿水埋深大，径流途径长，径流缓慢，地下水循环周期长，浅、深部地下水交替缓慢的特点。

2.3理疗热矿水评价

地热流体通常含有某些特有的矿物质成分，可作为理疗热矿水开发利用，其评价参考GB11615-2010《地热资源地质勘查规范》中附录 E“理疗热矿泉水水质标准”进行，对CO2、氟、溴、碘、锶、铁、锂、钡、偏硼酸、偏硅酸及氡这11项指标进行评价。

进行取样的205组热矿水样达到标准要求浓度数量见表6。对达到有医疗价值的水样点进行统计，见表7。

由统计结果可知：

（1）隆起山地型地热资源中理疗成分明显少于沉积盆地型地热资源。其中，四川盆地低温地热区热矿水中理疗成分最为丰富，各成分均含有，川西南中-低温地热区水样理疗成分较少，仅5种。

（2）川西高原高-中温地热区理疗成分较为单一，90%以上的水样富含氟、偏硅酸和偏硼酸，近半数水样富含锂；川西南中-低温地热区水样理疗成分较少，仅5种，多数水样富含氟、偏硅酸和偏硼酸，氡次之；盆周山地中-低温地热区理疗成分丰富，水样近半数富含氟和偏硼酸，偏硅酸次之；四川盆地低温地热区各理疗成分均有发现，以氟、偏硅酸、锶、偏硼酸最为丰富；尚待查明区则富含偏硅酸、氡、氟。

（3）氟、偏硼酸、偏硅酸这三种理疗成分在四川省境内的热矿水中基本均含有。

（4）溴、碘、锶、钡这四种理疗成分目前仅在沉积盆地型地热资源分布区和隆起山地有层状热储的复合热储类型区发现。隆起山地型地热资源分布区内的热矿水，上述成分均未达到医疗价值浓度；

（5）氡成分浓度具有理疗价值的热矿水主要分布在川西南中-低温地热区和待查区。

（6）锂、CO2、铁这三种成分达到医疗价值浓度的水样点分布没有明显的规律性。

表6　四川省理疗热矿水评价表Table 6 Evaluation table of therapeutic mineral thermal water in Sichuan

3　 同位素

3.1环境同位素

环境同位素可以用于研究地下热水的补给、循环及其赋存环境，判断含水层与大气降水及地表水的联系程度，确定地下水的补给条件和水交替强度等［3］28。地下热水δ（D）值的变化主要取决于地下热水接受补给时的环境温度及其补给高程，此外，混合作用亦有一定影响；δ（18O）的变化除与δ（D）相同的影响因素外，还主要取决于地下热水与围岩交换的程度［4］397。四川省各地热分区内地热点共采集氢氧同位素水样 184组，四川省五个地热分区共采集14C样品61组，测试及校正由测试单位国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心完成，测试使用MAT253气体稳定同位素质谱仪，测试依据为DZ/T0184.19-1997水中氢同位素组成的锌还原法测定和DZ/T0184.21-1997天然水中氧同位素的二氧化碳水平衡法测定。结果统计情况如表8所示。

表8　四川省氢氧同位素测试结果统计表Table 8 Statistical table of hydrogen and oxygen isotopes test result in Sichuan

由上表统计结果可知：δ（D）和δ（18O）平均值沉积盆地低温地热区（II）＞盆周山地中-低温地热区（I3）＞川西南中-低温地热区（I2）＞尚待查明区（III）＞川西高原高-中温地热区（I1）。该结果恰好与各区地形地貌条件相对应，体现了氢氧同位素的温度效应和高度效应。川西高原高-中温地热区（I1）和尚待查明区（III）主要为高原和构造侵蚀、冰蚀高山，补给高程普遍大于3 000 m，甚至补给源为高原冰雪融水，因此呈现稳定同位素δ（D）和δ（18O）值普遍较低的现象；川西南中-低温地热区（I2）主要为一系列中山地貌，补给高程较前两个区低，因此δ（D）和δ（18O）值较前两个区高；盆周山地中-低温地热区（I3）和沉积盆地低温地热区（II）以低山、宽谷浅丘、台地和平原为主，补给高程普遍较低，因此δ（D）和δ（18O）值较其他区高。

在全球水循环蒸发、凝结过程中会出现同位素分馏，CRAIG（1961）通过研究北美大陆大气降水，发现降水的氢氧同位素组成显示线性相关的变化，并给出数学关系式δ（D） = 8δ（18O） + 10，这就是公认的全球大气降水方程，即 CRAIG方程，作为描述水中稳定同位素的标准方法。我国西南地区大气降水线方程为δ（D） = 7.96δ（18O） + 9.52，与CRAIG方程十分接近［5］。因此利用我国西南地区大气降水线可以判断地下水的来源。将各地热区的取样点测试结果做成δ（D）-δ（18O）关系图，如图7 ～ 图11所示。

（1）川西高原高-中温地热区（I1）

由图7可知，川西高原高-中温地热区中水样的同位素δ（D）和δ（18O）值基本都落在了我国西南地区大气降水线的附近，说明温泉水样均来自大气降水补给。偏离大气降水线较多露头为一沸泥坑，受到蒸发浓缩过程的同位素分馏和自然硫出现的影响，偏离大气降水线。

图7　川西高原高-中温地热区δ（D）-δ（18O）关系图Fig. 7 Relationship between δ（D） and δ（18O） in hyperthermalmesothermal geothermal area of western Sichuan plateau

高温条件下的水岩反应往往会导致地热水的δ（18O）值高于补给的大气降水，出现δ（18O）相对富集的现象，即所谓的“氧漂移”［6］。采取的温泉水温27℃ ～ 89℃，包含低温地热资源中的热水、温热水和温水。从图7中可以看出，川西大部分取样点位于大气降水线下侧，有的甚至相距更远，出现了明显的“氧漂移”现象，地热水中 δ（18O）值的增高主要是高温条件下地下水在地层中滞留和循环时间较长，与含氧围岩（灰岩或硅酸盐岩石）发生氧同位素交换的结果。同时也反映了其深部热储温度较高，与该区地幔热源有关。

同时，相对于 δ（18O）富集产生的“氧漂移”，部分取样点测试结果位于大气降水线之上，显示出δ（D）值相对较高。造成此种现象的原因可能是：该区地热流体中H2S和CO2的含量较高，循环过程中H2S、CO2和水之间发生同位素交换而使地热水中的δ（D）值增高和δ（18O）值降低。

（2）川西南中-低温地热区（I2）

由图8可知，川西南中-低温地热区中水样的同位素δ（D）和δ（18O）值基本都落在了我国西南地区大气降水线的附近，说明温泉水样基本均来自大气降水补给。由于该区为复合型热储，热储层中碳酸盐岩较多，部分取样点温度较高，与围岩发生反应，存在“氧漂移”现象。

图8　川西南中-低温地热区δ（D）-δ（18O）关系图Fig. 8 Relationship between δ（D） and δ（18O） in mesothermalmicrothermal geothermal area of southwestern Sichuan

（3）盆周山地中-低温地热区（I3）

图9　盆周山地中-低温地热区δ（D）-δ（18O）关系图Fig. 9 Relationship between δ（D） and δ（18O） in mesothermalmicrothermal geothermal area of mountain regions around Sichuan basin

由图9可知，盆周山地中-低温地热区中水样的同位素δ（D）和δ（18O）值大部分落在我国西南地区大气降水线的附近，说明温泉水主要来自大气降水补给。偏离降水线较多的两个点是成都崇州文锦江医疗热矿水和成都大邑花水湾医疗热矿水，它们的氯离子含量和TDS值较盆周山地其他取样点的测试值大，热储含水层不仅在地表没有出露，而且埋深大，热储环境较为封闭，补给的大气降水通过与含水层沟通的深大断裂下渗，因此地下水为封闭式纵向深循环径流，并在此过程中与围岩发生反应，造成了“氧漂移”现象。其余点较降水线向左或向上偏移，可能与该区内地热流体中H2S和CO2含量较多有关。

（4）四川盆地低温地热区（II）

由图10可知，盆地低温地热区中水样的同位素δ（D）和 δ（18O）值基本都落在了我国西南地区大气降水线的附近，说明温泉水大部分来自大气降水补给。出现明显“氧漂移”的泸州市两地热井和宜宾市翠屏区的地热井均属地压型地热资源，热储层为埋深较大的二叠系热导较好的一套海相碳酸盐岩，热储露头补给区较远，因此地热流体径流途径长、速度缓慢，既有一定的温度，又有相当的压力，热储环境较为封闭，热水和围岩的水岩交换反应强烈［4］398。同时，上述三处地热露头处在四川盆地卤水分布区内，根据林耀庭等人的研究，泸州市两地热井点的氢氧同位素值分布在海水 SMOW（standard mean ocean water）的右下方，于封闭盆地的残留海水之中，其成因与海水关系密切，可能含有部分的海相沉积型卤水［7］。上述 3个露头水样的氯离子、重碳酸根离子、TDS较盆地内其他露头点大，也证明了上述推论的合理性。

图10　盆地低温地热区δ（D）-δ（18O）关系图Fig. 10 Relationship between δ（D） and δ（18O） in microthermal geothermal area of Sichuan basin

（5）尚待查明区（III）

图11　尚待查明区δ（D）-δ（18O）关系图Fig. 11 Relationship between δ（D） and δ（18O） in area that yet to be identified

由图11可知，尚待查明区中水样的同位素δ（D）和 δ（18O）值基本都落在了我国西南地区大气降水线上，说明温泉水样均来自大气降水补给。

3.2年龄同位素

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。地下水的年龄一般都较小，所以通常利用半衰期不很长的环境天然放射性同位素，计算水在含水层中的平均贮留时间，目前比较成熟的是14C方法测定地下水的年龄［3］29。天然14C是在平流层和对流层之间的过渡地带，通过二次宇宙射线的慢中子和氮原子的一种核反应生成的，水圈以及岩石圈中部分碳酸盐岩的沉积物中的14C主要来自于大气CO2的溶解作用［8］。

四川省五个地热分区共采集14C样品61组，测试及校正由国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心完成，校正选用开放系统化学溶解-同位素交换校正模型（Mook法），测试结果如表9所示。

表9　四川省年龄同位素测试结果统计表Table 9 Statistical table of age isotopes test result in Sichuan

由于四川省的地热流体普遍来自大气降水补给，因此通过各地热区地热流体年龄大小关系可推断各区地热流体的径流途径和在热储层中滞留时间长短关系为：川西高原高-中温地热区（I1）＞沉积盆地低温地热区（II）＞盆周山地中-低温地热区（I3）＞尚待查明区（III）＞川西南中-低温地热区（I2）。盆地型地热区平均径流时间大于山地型地热区，川西高原高-中温地热区地下水径流时间较长，可能与其所处地区断裂深大，纵向循环深度大，并在上涌过程中携带部分深部古地下水有关。

4　 结 论

（1）四川省内地貌、地质、构造条件复杂。隆起山地型地热资源普遍受到断裂影响，热储开放性较好，流体补给源一般离露头较近，地热流体多做纵向的深循环，且在出露地表的过程中与浅部的地下水混合作用较强烈；而沉积盆地型地热资源的热储一般较为封闭，且具有一定压力，流体补给源一般离露头较远，热储埋深较大，流体径流速度较缓慢，与围岩有更多的水岩交换反应发生。

（2）山地型各地热区热储主要是变质岩为主的带状热储或层状带状复合热储，盆地型的地热区主要是碳酸盐岩为主的层状热储，因此各地热区地热流体也呈现出相应的特性：①水化学类型多样性，山地型地热区＞盆地型地热区，且山地型地热区普遍水化学类型超过12种；②矿化度，盆地型地热区＞山地型地热区；③盆地型地热水以Cl-、Na+为主，山地型地热水以 HCO3-、Ca2+、Mg2+为主；④理疗元素含量及种类，盆地型地热区＞山地型地热区。

（3）从氢氧同位素的分析可知，四川省地热流体补给来源，除盆地部分地区残留的古海水外，基本为大气降水，隆起山地型降水主要通过断裂下渗，沉积盆地型降水主要从碳酸盐岩热储层位于地表的露头下渗。

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Hydrogeochemical and Isotope Characteristics of Geothermal Fluid in Sichuan

NI Gao-qian， ZHANG Heng， WEI Yu-ting， HU Ya-zhao
（Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation， Chengdu 610000， China）

There are two types of geothermal resources （conductive geothermal resource and convective geothermal resource） and five geothermal areas in Sichuan. Hydrogeochemical and isotope characteristics of samples from these five areas indicate that most of the geothermal fluids in Sichuan are supplied by atmospheric precipitation and the hydrogeochemical and isotope characteristics are related to the types and openness of the geothermal reservoir. The conductive geothermal resources are mainly stratified reservoir with carbonatite， while the convective geothermal resources are mainly fissure zoned reservoir and zoned and stratified combining reservoir on metamorphic rocks. The reservoir of conductive geothermal resource is more closed than the reservoir of convective geothermal resource， and the total dissolved solids as well as the therapeutic elements contents are higher than those in geothermal fluid of convective geothermal resource. For the geothermal fluid of conductive geothermal resource， it’s also more easily to form brine and has longer runoff time than the geothermal fluid of convective geothermal. This work may provide some references to the development and utilization of geothermal resources in Sichuan.

Sichuan； geothermal fluid； conductive geothermal resource； convective geothermal resource； hydrogeochemical characteristics； isotope

倪高倩（1990-），女，助理工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质研究。

TK521+.3

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.03.004

2095-560X（2016）03-0184-11

2016-01-07

2016-03-23