平煤十三矿地热水同位素地球化学特征研究

杨 光，王建旺

（1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.潍坊纵横建材有限公司，山东 潍坊 262404）

所谓的同位素地球化学研究，主要包括对地下水里所溶解同位素组分及这些组分时空演变规律的研究。一般情况下，我们将同位素分为稳定同位素和放射性同位素两类，地下水稳定同位素主要包括氘、氚和氧同位素，其中氘和氧同位素不仅可以指示地下水起源，还可以用来分析水文地球化学演化、地下水水质、水-岩的相互作用、污染过程、盐分来源和地下水的补给。氢氧稳定同位素技术是探讨地热水资源属性的重要且有效的一个工具[1]。

人类对地下热水氢氧同位素的研究由来已久，但通常研究者分析重点是氢和氧比值的相对变化，绝对值大小并非关注的重点。δD值和δ18O值被用来表示氢、氧同位素的组成。δ值表示样品中两种同位素比值相对于某一标准的对应比值的相对千分差，单位用(‰)表示[2]。计算过程见如下两公式。

VSMOW指的是所使用标准的代称，在这里指国际通用、国际原子能机构(IAEA)认证颁发的维也纳平均海洋水标准。在实际使用中，ä值就是介质里同位素的组成。

在河南理工大学同位素实验室测试水样的同位素测试结果如表1所示。

1 地热水来源分析

我们可以通过分析氢氧稳定同位素数据来区分地下热水的3种不同的来源。一般情况下，深层地热水来源可以分类为海水、岩浆水和大气降水。岩浆水同位素范围为δD：-40‰～-80‰，δ18O：+6‰～+9‰，而我们所采集水样的δD值和δ18O值范围分别为-68.51‰～-74.49‰和-8.14‰～-9.79‰。尽管所采集水样的δD值与岩浆水同位素范围有部分重合，但δD值与岩浆水范围完全不重合，因此，研究区地热水同位素与岩浆水不在同一区间，这表明研究区地热水不属于岩浆水。

表1 同位素测试结果

通过对地热水理化指标的测试可知，地下热水的电导率（Con）为1 093～1 334 μs，Cl-含量也仅为36.82～81.29 mg/L，一般情况下海洋起源的地热水不会有如此低的Cl-、Con、δD和δ18O含量，因此，我们也排除了海洋起源。

最后，通过对雨水线的分析来确定地热水是否来源于大气降水。在河南省范围内，统计了郑州站1985～1992年的月和年降水的同位素平均值以及降水δD值和δ18O值的关系，分析并获得了郑州站月氘氧关系方程，当地大气雨水线（LMWL）为δD=6.75δ18O－2.7，其相关性系数为0.88。

由图1可以看到，研究区地热水样品的δD和δ18O数据点基本上都落在当地大气雨水线（LMWL）附近，这表明，研究区地热水起源于大气降水，是大气降水在向地下深处径流的过程中通过地温梯度加热形成的。图1中地热水δD和δ18O数据点并没有表现出明显的氧漂移, 表明地热水与围岩的同位素交换程度比较低。低温热储没有促进同位素交换，而δ18O的正向漂移正是高温热储的典型标志，这表明地下深处的热储温度不是太高，研究区地下热水属于中低温等级。

通过确定天然地下水的补给区，可以帮助我们评价温泉资源并对其合理开发利用提出建议。通常来说，若无法直接取得当地大气降水水样，该地区的浅层裂隙水及常温地表水可以被视为大气降水，然而所研究的区域内地热水却与当地大气降水的δ18O值与δD值（δD的加权平均值-51‰，δ18O的加权平均值-7‰）存在较大的差距，δD平均相差大约20‰δ18O平均相差大约2‰。根据文献资料，我国多个地区地热水与区内地表水之间也发现有同样的差异[3]。大多数情况下我们认为这是由补给水源地区的同位素高程效应造成的，即这种地热水不是来源于当地的地表水，而是来源于外围地区的雨水或地表水[4]。另外一种可能性是与蒸发有关，由于当地为半干旱气候，使得当地的浅层裂隙水或地表水发生了同位素分馏作用，因此使得地下热水中氢氧同位素含量较高。

图1 同位素关系图

在自由大气中，气温随高程的增大会逐渐降低，降低率大约为-0.6 ℃/100 m。同样的，由于山体屏障和温度效应共同作用，使得δ18O值和δD值随高程增大而减小，这被称之为同位素高程效应[5]。δ18O和δD的高程梯度通常分别为-0.15‰～0.5‰/100 m和-1.2‰～4‰/100 m。由此可知，海拔较高地区降水补给的地下水同海拔较低地区降水所补给的地下水的δD值和δ18O值着明显的差别。根据这个原理，可由当地大气降水的δ18O或δD的高程降低梯度来确定研究区内地热水的补给高程及补给区。

地下热水补给区高程的计算公式为：

H为地热水的补给高程，m；Hr为所采水样点高程，m；D为补给区大气降水δD值，‰；Dr为地下热水δD值；gradD为每100mδD值随高度所递减梯度。

补给区大气降水中的δD值可由当地大气降水线方程与地热水δ18O和δD拟合关系线的交点来确定[6]。使用Origin软件对所测水样氢氧同位素数据进行直线拟合，可知研究区内7个地热水样的δD值与δ18O值所拟合成的直线方程为：

该方程与当地大气降水线方程的交点为δD=-84.74‰、δ18O=-12.96‰。研究区的高程递减梯度取δD为-2.25‰/100m，δ18O为-0.23‰/100 m。按（3）计算可知研究区地热水补给高程为-156～299 m。

根据先前所收集资料可知寒武灰岩含水层在整个平顶山煤田都有分布，其埋深和标高主要受李口向斜的影响。研究区西北部有寒武灰岩浅埋区，上部被100 m左右厚度的第四系所覆盖，标高大约为-69.6～100 m。因此，尽管计算结果与实际情况之间可能存在着一定的误差，但从中仍可得出结论：补给来源是平煤十三矿西北部寒武灰岩浅埋区，汝河水及大气降水通过上覆四系松散层垂直入渗补给，再通过越流逐步补给下部的碳酸盐岩裂隙溶洞水以及西北部裸露碎屑岩和灰岩区地下水沿构造方向形成的地下径流补给。这也与收集到的研究区水文地质报告相符合。

2 地热水可跟新能力

造成地热水同位素氧漂移的原因是高温条件下围岩与地热水δ18O交换，由于2H几乎不产生反应，可以定义d=δD－8δ18O中的氘盈余参数d作为δ18O交换程度的指标。地热水氘盈余参数d数值越大，则表示地热水在地下含水层里的滞留时间越短，地热水的径流速度越快且更新能力也越强。另外，我们也可用氘盈余参数d来表示地热水稳定同位素相较于当地大气雨水线的偏离程度。当d＞10‰时，地热水来源于与现在不同的气候条件下的降水；当d＜-10‰时，表示干旱气候条件下的降水；当-10‰＜d＜10‰时，表示其为正常的大气降水。通过计算我们可知，平煤十三矿地下热水氘盈余参数d值在-3.35‰～3.99‰，平均值为1.49‰，这再次表明该区地热水为正常大气降水补给，与前文分析结果一致。值得我们注意的是，氘盈余参数d处于中间的位置且并没有产生明显的氧漂移。先前所收集到的大气降水同位素资料，研究区地热水氘盈余参数d明显大于当地的大气降水，表明地热水在含水层中滞留的时间比较短，地下径流速度较快且更新交替作用较强。

3 结语

（1）研究区地热水起源于大气降水，是大气降水在向地下深处径流的过程中通过地温梯度加热形成的。地下深处的热储温度不是太高，研究区地下热水属于中低温等级。

（2）研究区地热水补给高程为-156～299 m，补给来源是平煤十三矿西北部寒武灰岩浅埋区。地热水在含水层中滞留的时间比较短，地下径流速度较快且更新交替作用较强。