南京汤泉地下热水化学特征及其指示意义

徐成华， 于丹丹， 骆祖江

(1.江苏省地质矿产局第一地质大队， 南京 210041； 2.河海大学地球科学与工程学院， 南京 210098)

地热资源作为环保型的可再生能源，对其成因机制、赋存环境、运移规律的充分认识，是指导地热资源合理、有效、可持续开发利用的必要前提。地热流体中水化学组分及其同位素特征分析，是展开相关研究的有效手段[1-2]，刘明亮等[3]、高宗军等[4]利用主要阴阳离子特征，探讨了地热流体中主要组分的地球化学起源及深部热储赋存特征；郑西来等[5]、庞忠和等[6]、王治祥等[7]利用阳离子地热温标法、SiO2地热温标法计算了漳州、渝东南部等地热区热储温度；张卫民[8]、杨峰田等[9]利用氘氧同位素与大气降水中氘氧同位素之间的线性关系对比分析，确定了地下热水的补给高程及补给来源；徐国芳等[10]、吴敏[11]利用Sr离子含量及锶同位素比值87Sr/86Sr的关系，揭示了深部地热流体赋存环境等。前人对南京市地热资源的开发研究做了很多有意义的工作，较为系统的研究集中在南京汤山地区，邹鹏飞[12]、Lu等[13]利用水文地球化学、氘氧同位素、14C同位素特征确定了汤山地热水补给来源、形成历史、运移机制及冷热水混合效应，而关于南京汤泉地热水来源的相关研究未见。

鉴于此，本文以南京汤泉地区地下热水为研究对象，首次通过水化学及同位素地球化学方法对比分析不同水样，结合地下热水δD-δ18O同位素及87Sr/86Sr的特征，对地下热水的来源、热储温度、热储环境等进行详细分析论述，深化对研究区地下热水的认识，以期能为研究区地热系统综合研究提供借鉴，并为其可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

汤泉位于南京主城区西部，地下热水蕴藏丰富、开发利用历史悠久，有“中国温泉之乡”“十里温泉带”的美称，日流量达4 590 t，最高水温达47 ℃，含有三十多种对人体有益的微量元素。汤泉镇地理位置为118°27′03″～118°31′48″E，32°04′07″～32°06′04″N，大地构造单元属低山丘陵地貌，隶属扬子准地台下扬子台褶带，温泉点及地热井点均位于老山凸起与六合-全椒凹陷的交接部位(如图1所示)，地势东南高、西北低，断层及裂隙构造发育。南侧老山复背斜，呈北东东向展布，主峰龙洞山(亦名大剌山)海拔442 m，震旦系上统白云岩、灰质白云岩在核部出露，在山前岗地平原倾没，该套碳酸盐岩地层岩溶裂隙发育，地层厚度较大，是研究区开发利用的主要热储层，上部覆盖寒武系上统薄层白云岩、白垩系上统粉细砂岩及新近系、第四系松散沉积地层，如图2所示。

图1 区域构造及采样位置Fig.1 Regional structure and locations of sampling point

图2 老山地区水文地质剖面示意图Fig.2 Hydrogeological profile in the Laoshan Field

2 水化学特征

2.1 不同水体水化学特征

本次研究采集南京汤泉地区地表水、地下冷水和地下热水样品共计20件。地表水主要采自研究区水库，地下热水采自热水开采井，地下冷水采自民用浅井，取样点基本情况如图1所示。

采样过程中，对于有抽水条件的地下水采样点，预排水0.5 h左右，确保采集到原位地下水。样品均在现场过滤0.45 μm滤膜，收集于经过待取水样润洗三次的耐高温聚四氟乙烯瓶。对于阳离子和微量元素样品，现场滴入1 mL浓硝酸进行保护；对于不稳定的水化学参数，如pH、电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)用经校正后的Hach水质分析仪现场测定。阴、阳离子采用等离子体质谱仪(X2 ICP-MS)、全谱直读光谱仪(iCAP6300)测定，测试工作在自然资源部南京矿产资源监督检测中心完成；D、18O 同位素采用液态水同位素分析仪(LGR, DLT-100)测定，锶同位素比值87Sr/86Sr采用热表面电离质谱仪(Phoenix)测定，测试工作在中国科学院地理科学与资源研究所完成，部分水化学及同位素测试数据如表1所示。地下热水开采井井口温度为32～46 ℃(TQ-H-3号井排水时间不足，温度较低)，矿化度为776～2 794 mg/L，均值2 070 mg/L，水化学类型主要为SO4-Ca型；地下冷水矿化度较低，为312～1 610 mg/L，均值733 mg/L，水化学类型以SO4-HCO3-Ca/HCO3-SO4-Ca-Na型为主，其中TQ-C-1采样点靠近TQ-H-1热水井，井深达到了碳酸盐岩分布深度，受到碳酸盐岩溶解影响，水化学类型为SO4-Ca-Mg型；地表水矿化度最低，为130～224 mg/L，均值171 mg/L，水化学类型以HCO3-Ca型为主。水化学piper三线图如图3所示，显示地表水样点相对集中，地下冷水样点分散，并且与地下热水分

布区域不同，这些水化学组成特征的差异，表明地下热水与浅层地下冷水经历的水岩作用过程不同，深层地热水形成过程中与浅层冷水水力联系不密切。

图3 汤泉地区不同水样piper三线图Fig.3 Piper diagram of different water samples from Tangquan

2.2 主要水岩作用

(2)

(3)

表1 水化学及同位素测试数据

续表1

图4 地下热水浓度关系图Fig.4 Content relation diagram of for geothermal water

表2 矿物饱和指数计算结果

此外，还可能存在阳离子交换过程造成热水中 Ca2+、Mg2+含量升高，化学反应如下：

(4)

(5)

即地下热水中溶解的Na+与岩土矿物中的一部分Ca2+、Mg2+交换，使水中 Ca2+、Mg2+含量升高而Na+减少。然而，由于地下热水中Na+含量相对较低，不利于置换吸附能力更强的Ca2+、Mg2+，因此，阳离子交换作用对Ca2++Mg2+含量升高贡献甚微。

2.3 地热温标估算热储温度

热储温度是控制地下热水中主要元素浓度的重要因素，其变化对热水中的阳离子比值和水溶态SiO2的浓度有重大影响。目前广泛应用的地热温标主要有两类：一类是阳离子温标，依据K-Ca-Na-Mg浓度比值与温度之间的关系而获取，如Na-K温标、Na-K-Ca温标等[14-16]；另一类是二氧化硅温标[17]，取决于控制水溶态SiO2矿物的溶解度，如石英、玉髓等。如图5所示，研究区地下热水样品均位于 Na-K-Mg三角图未成熟水区，因此地下热水相对于Na、 K、Mg等长石类硅酸盐矿物均未达到水-岩平衡状态，说明 Na-K、K-Mg和Na-K-Ca等一般阳离子温标并不适用于研究区地下热水热储温度的计算。

图5 地下热水Giggenbach Na-K-Mg三角图Fig.5 Na-K-Mg triangular diagram for geothermal water

矿物饱和指数计算结果显示汤泉地区地下热水石英、玉髓均达到平衡状态，因此，本次应用石英温标计算其热储温度，计算结果如表3所示。从结果中可以看出，无定形硅温标、α-方石英温标、β-方石英温标的计算结果比现场温度低，甚至出现负值，与实际不符。玉髓温标略高于井口温度，与实际情况相吻合，计算结果最可靠。

表3 二氧化硅地热温标计算结果

南京汤泉地区热储温度63～75 ℃，属正常地热背景条件下的中低温地热资源，其中TQ-H-3号井在本次采样之前处于静置状态，现场采样条件不允许长时间抽水，采取的水样是与浅部达到温度平衡的温度较低(大约20 ℃)的热水，而不是原位地下热水，故本次现场测试温度以及玉髓温标的计算温度都较低。

3 地下热水补给源分析

图6 汤泉地区水样δD-δ18O关系图Fig.6 δD-δ18O plot of water samples from Tangquan

本次获取研究区氘氧同位素水样20组，将δD、δ18O投点至δD-δ18O关系图上，可以掌握不同样品的氢氧同位素组成特征，如图6所示，地表水最为富集，数据分布在南京大气降水线(local meteoric water line，LMWL)[13]的右下方，表现出受到蒸发作用的影响；地下冷水其次，地下热水最为贫化，二者数据均落在全球大气降水线(global meteoric water line，GMWL)及南京大气降水线附近，说明区内地下热水、冷水的补给主要来源于大气降水入渗补给，并且与地表水联系不紧密。

地下热水的δ18O主要集中在d=15%～20%(d=δD-8δ18O，d为D剩余参数)，没有发生明显的正向漂移，说明水岩作用环境不是很封闭，还原作用相对较弱[18]。这与区内地质构造及热储层岩性有着密切的关系，取样点位于老山西北侧断裂带，使得原本封闭的碳酸盐岩地热储层多发育空隙、裂隙而相对开放，热水流动性较好，所以在水岩作用中，18O与热水中溶解的含氧组分交换较少，水-岩作用没有达到水岩平衡状态。

地下热水δD=-42.89‰～-53.21‰，δ18O=-7.11‰～-8.40‰，投值点位于图6中左下方，氘氧同位素组成较地下冷水贫化，表明地下热水是来自高程较高、δD-δ18O 值更贫化的大气降水补给，并且与浅部地下冷水联系微弱。

利用δ18O降水同位素高程效应计算地下水补给高程的公式为

(6)

式(6)中：h补给为地下水补给高程，m；δ地下水为地下水样品同位素组成；δ降水为参考点水样的降水同位素组成；k取中国南部低纬度地带的梯度平均值-0.3‰/100 m[19]；h地下水为地下水参考点地面高程，参考点取全球降水同位素监测网(global network for isotopes in precipitation,GNIP)南京观测站(高程26 m)。地下热水补给高程计算结果如表4所示。

表4 汤泉地区地下热水补给高程计算结果

TQ-H-3由于受到冷水的混合作用，计算出的结果偏低，不能真实反映其补给高程；其余样品计算得出的补给高程范围为321～539 m，与老山主体高程接近。

4 87Sr/86Sr确定热储地层

锶同位素在地质过程中不发生分馏，而主要是受到 Sr 来源的控制[20]，不同的矿物具有不同的87Sr/86Sr。地下水流经不同的矿物体，在矿物溶解的过程中，部分 Sr 会由矿物转入水体，从而使水体具有与岩石相似的87Sr/86Sr[21-22]，因此水中的87Sr/86Sr可以用来判定地下水来源。不同水体的87Sr/86Sr 背景值为：铝硅酸盐溶滤水大于0.720，碳酸盐岩溶滤水为0.708～0.710，河水为 0.711，雨水为 0.709；地幔岩浆水0.705[23]。本次南京汤泉地区研究测试的6组岩溶地下热水锶同位素比值比较接近，变化范围比较小，分布范围为0.708 876～0.709 299，均值为0.709 005，完全落在碳酸盐来源的锶同位素比值87Sr/86Sr范围内，如图7所示，表征该区域热储流体以碳酸盐溶解为主。结合该区地质构造条件，推测地下热水流经震旦系上统灯影组，其岩性为富含碳酸盐矿物的白云岩，地下水在流经过程中与碳酸盐矿物发生水岩反应，87Sr/86Sr呈现为低比值，表明地下热水具有在碳酸盐岩地层中长时间深循环特征。由图7可以看出，地下热水分布在高Sr含量、低87Sr/86Sr区，地下冷水分布在低Sr含量、高Sr同位素比值87Sr/86Sr区，二者差异明显，说明两者之间的联系非常微弱，与前文分析一致。

图7 地下水87Sr/86Sr-Sr含量关系图Fig.7 Content relation diagram of 87Sr/86Sr-Sr for groundwater

5 结论

(2)δD-δ18O关系图中水样点与大气降水线的关系表明，研究区地下热水、冷水均起源于大气降水。地下热水氘氧同位素组成较地下冷水贫化，是来自高程较高、δD-δ18O 值更贫化的大气降水，计算结果表明，其补给高程为321～539 m。

(3)地下热水87Sr/86Sr呈现为典型的碳酸盐岩中水-岩作用的特性，表明地下热水具有在碳酸盐岩地层中长时间深循环特征，与浅层地下冷水联系不紧密，结合其补给高程范围值，认为地下热水的补给区为老山复背斜构造内的碳酸盐岩裸露区。