桃源县矿区地下水同位素特征分析

欧阳波罗，刘声凯，赵 凯

（湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 长沙 410000）

1 研究区概况

研究区在地热构造上位于花垣—张家界—慈利区域性深大控热断裂的北东端南东延伸带上，属断裂控制的带状热储。自老到新出露的地层岩性为寒武系中上统娄山关群（∈2-3ls）白云岩；奥陶系下统南津关组（O1n）、分乡组（O1f）、红花园组（O1h）灰岩、白云质灰岩等，奥陶系下统大湾组（O1d）灰岩、泥灰岩及硅质灰岩；奥陶系中上统（O2+3）泥裂状灰岩、瘤状泥灰岩；志留系（S）页岩、砂质页岩、泥质粉砂岩、砂岩等；泥盆系云观台组（D2yn）石英砂岩、夹砂质页岩；白垩系（K）泥质粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹砾状砂岩。

研究区区域上属于武陵山隆起带的东端，主体构造为热市背斜、北边为七姑山压性断裂（F1）、东边为周家溶扭性断裂（F2）、南边为热市张性断裂（F3）、仙西边娘庙张扭性断裂（F5）。前人研究指出，研究区内七姑山压扭性断裂构成了区域内的北西部隔水边界，对地下水的补给、径流起着控制作用，周家溶扭性断裂是地热田北东侧的隔水边界，热市断裂为区内地下热水的导热、导水、储水、储热构造，其上盘为南东侧隔水边界，从平面上而言，上述断裂在热市、菖蒲一带构成一个北西-北东-南东三面封闭的空间。

2 取样结果及分析

为了查明研究区地下热水来源，针对研究区的地下水，笔者分别取了氘氧同位素、14C同位素、硫同位素和锶同位素进行分析。取样的情况包括11组氘氧同位素样品、3组14C样品、8组锶同位素样品。

2.1 氘氧同位素

氘氧同位素的取样结果如表1所示。

长沙降水线方程为δD=8.4δ18O+15。如图1所示，研究区的大气降水数据与长沙的降水线能够比较好的吻合，表明长沙降水线当作本地的大气降水线有较好的参考作用。

研究区普通地下水及大气降水基本上落在长沙降水线上，表明区内普通地下水的来源即为大气降水。研究区温热水，亦落在长沙降水线附近，其中枯水期的ZK2、B033、B036几乎挨着长沙降水线，与大气降水线有比较好的吻合，表明研究区温热水的来源亦为大气降水。

其中B032点丰水期数据为（-6.03，-48.07），而其枯水期数据为（-9.7，-57.2）。分析认为主要是区内温热水在丰水期时混入了部分普通地下水或河水的直接补给，使得其测试结果落点呈现由枯水期位于长沙降水左侧向右偏移直至长沙降水线右侧下方。

B032、B036及ZK2等温泉位于同一个断裂带上，其温泉水有着相同的理化性质，有着同一种来源，为深部断裂地下水。受氧-18漂移影响，各个点的18O值存在不同程度的漂移，在δD—δ18O关系图上呈现一定的相对位移。

2.2 锶同位素

地下水中的锶同位素组成主要与补给区水的化学成分、围岩的地球化学性及地下水系统中的水—岩相互作用，及地下水在含水层中的滞留时间和不同地下水的混合有关。

表2 锶同位素（87Sr/86Sr）的测试成果表

如表2所示，本次研究共采取了8组样品。锶同位素的值大小不一，其中最大的值为RD01（热市河：地表水），其值为0.741，超出了常规范围。

据调查，RD01位于一方解石矿加工厂旁边的河流之中，然本次未针对工厂污水进行同步取样分析，但位于工厂下游约1.1km的RD02（热市河：地表水）的锶同位素值趋于正常。分析认为RD01样品中锶同位素异常增大主要原因是：锶的类质同像替代原矿物中的钙，形成了少量的碳酸锶矿，在方解石矿加工成方解石粉过程中部分碳酸锶粉末随着加工过程中形成的污水一起排入和热市河谷中。而本次取样的RD01位于排污口附近，使得RD01样品中的锶同位素值较一般水样要高。

除此，B017的值也偏离均值较多，据调查B017点为志留系页岩。页岩为粘土岩，含有高岭石、蒙脱石等含硅质粘土矿物和云母等矿物碎屑，这些矿物中的K元素可以与87Rb互相替换，再通过β衰变产生87Sr。随着87Rb的衰变，在含87Rb高的矿物中，其87Sr会逐渐增多。

A028泉水含水岩组为白垩系下统泥质粉砂岩、泥岩等，但据水质分析报告显示，其中K的含量并不高，所以A028的锶同位素值达不到B017值的大小。

据目前大量的研究资料，普遍认为全球范围内硅酸盐的风化来源的锶同位素比值为0.716～0.720；碳酸盐来源的锶同位素比值为0.708。

A007与B013-1的值均为0.715，非常接近，两者的化学性质和其余同位素值也相当接近，主要是其含水岩组大致相当所致，均为碳酸盐岩岩溶水，其含水岩组其间有部分泥质，使得二者的锶同位素比值较碳酸盐来源的锶同位素比值要大。

岩溶水流动途径的增长，锶含量的增加，锶同位素比值（87Sr/86Sr）减少，是典型的碳酸盐中水—岩作用的结果，碳酸盐的溶解是控制87Sr/86Sr的主要过程。

B032、B034为温泉，其锶同位素值较为接近，温热水的含水层为奥陶系岩层，其理化性质和同位素值也较为接近，表明两点有相同的地下热水来源，进一步验证了氘(D)与氧(18O）、δ34S同位素关于区内地下水的补给来源为大气降水的推断。如前所述，碳酸盐来源的锶同位素比值为0.708，而本次研究中B032与B034值略高于此，笔者认为原因在于含水岩组夹有泥质灰岩、泥质页岩等，这与预可行性勘查阶段2个钻孔均揭露到泥质灰岩、泥质页岩是相吻合的，泥质灰岩、泥质页岩中所含有的87Rb衰变而导致锶同位素比值高于0.708，再经由地下热水的深循环，锶同位素值变成了0.711。相对普通岩溶水而言，研究区温热水中锶同位素比值要小，表明研究区温热水流动途径比普通岩溶水要远的多。

3 结论

根据对δD—δ18O关系图中水样点与现代大气降水线的关系研究分析，研究区温热水的来源为大气降水，受氧-18漂移影响，各个点的18O值存在不同程度的漂移。

锶同位素对水的来源有较好的指示作用，岩溶水流动途径的增长，锶含量的增加，锶同位素比值（87Sr/86Sr）则会降低。研究区内温热水中锶同位素比值（87Sr/86Sr）约为0.711，说明其主要来源为岩溶水且径流途径较普通岩溶水要长的多。研究区内温热水的14C年龄为22.96 ka，对比其它地下水而言，14C年龄值要大的多，进一步表明研究区内温热水具有较长的径流途径。