贵州省浪洞温泉水化学特征及成因

孟凡涛，杨元丽

(1.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州 贵阳 550008；2.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004)

贵州东南部有大面积变质岩分布，地热类型为Ⅱ2隙(带)状热储，该区域天然温泉较少(仅出露3处温泉)，目前在变质岩区开展地热勘查及研究工作不足，地热资源勘探风险较大，与贵州省提出的打造“温泉省”的要求有差距。因此，本文通过研究变质岩区浪洞温泉水化学测试数据、同位素特征，结合研究区地热地质特征，揭示温泉地热水的起源，为该区地热资源的勘查开发利用提供依据。

1 区域地热地质概况

1.1 温泉基本特征

黄平浪洞温泉位于黄平县浪洞乡温水塘，地理坐标N27°06′，E107°41′。属天然出露温泉，水温47℃，涌水量585.44 m3/d，水温较高、流量大，从收集到的监测资料，该温泉动态变化比较稳定。

1.2 区域地质概况

浪洞温泉区域上位于南江复合造山带右江裂谷-前陆盆地区望谟北西向褶断带。区内有上塘-归龙断层，上塘复背斜，斑鸠井帚帚状构造等构造，均为北东向近似平行展布，其间发育有次级断层及褶皱，此外，沿断层两侧发育有成组、成群、有规律的构造节理。区内主要断裂为上塘-归龙断层，该断裂为区域性断裂，具挽近期活动特征，区域上，该断层北东斜交于松桃至碧痕营走滑断层与纸房东西断裂带反接，控制第三系地层的沉积分布，喜山期以来断层东盘处于下降，西盘以抬升为主要特征。主要褶皱为上塘复背斜，核部出露板溪群，东西两翼为寒武系地层(见图1)。

图1 研究区地质构造略图

1.3 地热地质条件

浪洞温泉位于北东向区域性大断层上塘-规龙断层西侧，位于南北向上塘复背斜的北部倾伏端与斑鸠井扫状构造的交汇地带。上塘复背斜总体封闭好，岩性硬、脆的板溪群存在覆、隔热地层，由于多期构造运动影响及规模深度地层静压力作用，硬、脆性质岩体完整性破坏，深部构造裂隙及隐伏断层为热流体运移、储集提供了前提条件，为地热资源储存，运移提供了有利空间和通道。浪洞温泉发育受断层及背斜构造轴部裂隙带控制，呈带状发育特征，具断裂型地热特征[3]。

2 地热水化学特征

浪洞温泉水质分析数据见表1。

表1 温泉水化学成分分析表

2.1 水化学组分

2.1.1 主要阳离子

(1)Na+离子

浪洞温泉水主要阳离子为Na+离子，占阳离子总量的90%以上，其浪洞温泉Na+离子含量为90～95 mg/L，Na+离子是地壳中含量较高的元素，且易迁移，Na+离子主要来源为板溪群变质岩含钠矿物的溶解。

浪洞温泉Na+/Cl-分别为27.2～33.5，说明温泉热水经过了长时间的溶滤，发生过较剧烈的水岩反应后增加了Na+的浓度。

(2)K+离子

浪洞温泉中K+离子的含量为1.75 ～3.50 mg/L，在温泉水中K+比Na+较活跃，部分Na+会被K+置换出来，从而显示温泉水Na+含量远大于K+。

(3)Ca+离子与Mg+离子

浪洞温泉中的Ca+含量为4.31～5.56 mg/L、3.16 mg/L，Mg+含量为0～0.12 mg/L。上述例离子主要来源于地热水在深循环过程中经过碳酸盐岩地层溶解，研究区地层主要为变质岩地层，且水中偏硅酸含量高并硅酸情况下，一部分Mg2+与基岩中矿物发生相互作用，地下水循环过程中消耗Mg2+[7]；Ca+与Mg+在水岩作用过程中与Na+发生置换反应，其中一部分被围岩吸附，造成了Ca+离子与Mg+离子含量低。

2.1.2 主要阴离子

(1)HCO3-离子

浪洞温泉HCO3-含量为235.20～250.01 mg/L、HCO3-离子质量浓度高的主要原因为深部地热水中CO2参与了的碳酸盐岩的溶解。浪洞温泉周边分布有碳酸盐岩地层，为温泉中HCO3-离子提供了较丰富的溶解源。

(2)Cl-离子

浪洞温泉Cl-离子含量为2.84～3.35 mg/L，地热水中Cl-离子的来源主要为钾盐矿床、岩浆岩及被氯化钠盐化的岩层。温泉中Cl-离子含量偏低的原因，一种是地热水流经途径可能过短，造成围岩中的Cl-无法及时溶解，另一种可能是地热水在运移过程中无岩浆岩地层分布。

(3)SO42-离子

浪洞温泉中的含量为1.7～2.3 mg/L，含量极低，因在深部缺氧条件下SO4-离子不稳定，并在除硫菌的作用下被还原为H2S，在浪洞温泉可闻到硫磺味，说明含有H2S气体。

浪洞温泉的SiO2/K+为9.1～10.7、Na+/K+为50～62.1呈高值而Cl-/F-为2.0～3.5、Cl-/ SiO2为0.17～0.21呈低值，说明浪洞温泉在循环过程中有浅部冷水混和的迹象。

综上分析，区内温泉水Na+、K+、Cl-、F-、偏硅酸、TDS较碳酸岩区高，Ca2+、Mg2+、SO42-较碳酸岩区低。此一较为特殊的水质特征可以成为变质岩区热矿水地球化学标志。

2.2 水化学类型

图2为浪洞温泉piper三线图，可以看出浪洞温泉的水化学类型为HCO3-Na。

图2 地热水Piper三线图

图3 地热水D与18O关系图(西南地区降雨线图)

3 研究区地热水起源

3.1 地热水同位素特征

3.1.1 地热水来源

浪洞温泉氢氧同位素值为δD值为-62.7‰、δ18O值为-8.82‰，均分布在西南地区大气降雨线(刘进达等，1997)附近，未表现出明显的“氧飘移”，说明地热水的补给主要来源于大气降水入渗补给。

3.1.2 地热水补给高程

降水δ值和高程一般呈线性关系，根据我国川黔藏一带大气降雨与海拔高程之间的关系(于津生等，1984)。

δ18O=-0.0031H(m)-6.19

(1)

δD=-0.026H(m)-30.2

(2)

将浪洞温泉的δ18O与δD分别带入式(1)与式(2)，得出该温泉的补给区的海拔高程，结果见表2。

表2 浪洞温泉补给区海拔高程 m

根据表2可知，根据δ18O得出地热水补给区高程与实际明显不符，故本文采用δD计算结果作为地热水补给区的高程。经分析认为浪洞温泉补给区位于研究区北西部高程在1 200～1 300 m之间的山区。

3.1.3 地热水补给区温度估算

大气降水的δ18O和δD值与温度存在正相关关系 ，根据全球平均年降水中δD和δ18O值与温度间的线性关系(Dansgaard，1964)：

δ18O=0.695T-13.6

(3)

δD=5.61T-100

(4)

将浪洞温泉的δ18O与δD分别带入式(3)与式(4)，得出该温泉的补给区水温，结果见表3。

表3 浪洞温泉补给区水温 ℃

根据表3计算结果，补给区水温在 6.64℃～6.87℃之间，平均温度为 6.76 ℃。

3.2 热储温度估算

3.2.1 地热温标估算热储温度

地热温标包括阳离子温标、二氧化硅温标等，但在运用地热温标计算时因未考虑溶液-矿物间的平衡条件经常会产生偏差，使用地热温标法估算地热水热储温度前，必须要研究溶液-矿物的平衡状态，检验选用地热温标的可靠性(郑西来和刘鸿俊，1996)。

本文采用阳离子温标、二氧化硅温标估算热储温度。

(1)阳离子温标

Giggenbach(1988)提出Na-K-Mg三角图解法用于判断水-岩平衡状态，Na-K-Mg三角图解法将地热水分为完全平衡、部分平衡和未成熟水三种类型。

根据图4可知，数据位于Mg角区域，属未成熟水，地热水可能受到浅表地下水混合造成元素含量偏低。故不能采用阳离子温标来估算热储温度。

图4 地热水Na-K-Mg三角图

(2)二氧化硅温标

本文采用SiO2溶解度曲线法判断地热水中SiO2含量是由何种矿物控制的。由图5可知，温泉水样数据位于玉髓曲线附近，说明玉髓有可能是控制地热水中SiO2平衡的主要矿物[14]。

图5 地热水SiO2溶解度曲线

鉴于地热水中SiO2含量主要受玉髓控制，故采用用Potter和Fournier在1982年提出的玉髓温标公式对热储温度进行估算，该式适用温度范围在20℃～330℃内：

T(℃)=C1+C2S+C3S2+C4S3+C5logS

(5)

式中：S为SiO2浓度，单位为mg/L，C1～C5为常数：C1=-4.219 8×10、C2=2.883 1×10-1、C3=-3.668 6×10-4、C4=3.166 5×10-7、C5=7.703 4×10

浪洞温泉地热水样中SiO2含量平均为16.0 mg/L，由(5)式估算出温泉地热水热储温度分别为约为56℃。地热水在运移过程中受浅部冷水混合的影响，其实际热储温度应更高，因此地热水估算温度小于实际热储温度。

1.地层代号；2.地热水流向；3.断层；4.裂隙；5.温泉；6.含水层；7.隔水层图6 浪洞温泉形成机制示意图

3.2.2 地热水循环深度

地热水循环深度公式为：

H=(t1-t2)/G+h

(6)

式中：H为热储深度(m)；t1为热储温度(℃)；t2为常温点温度(℃)，研究区为15.1℃；G为地热增温率(℃/100m)，研究区为1.6℃/100m；h为常温点深度(m)，研究区为30 m。

由式(6)可故算出浪洞温泉地热水循环深度约为2 590 m。

4 地热水成因模式

研究区属中低温对流型地热系统，补给来源主要为大气降水，补给区为南部海拔1 200～1 300 m的寒武系、震旦系碳酸盐岩地层分布区，补给时年平均气温为6.64℃～6.87℃。大气降水通过岩石中构造裂隙及区域性断裂入渗补给形成深部地下水，地下水在由北西向南东方向在运移的过程中不断被围岩加热，温度不断升高，形成了温度较高的地热水，当地热水循环至区域性断层或受变质岩等隔水层的阻挡，在静水压力的作用下，地热水沿构造线上升，运移并与浅表冷水混合形成温泉(见图6)。

5 结语

研究区属由区域大地热流提供热源的板内中低温对流型地热系统，主要受地质构造的控制。地热水水化学类型由HCO3-Na。根据地热水水化学特征及温标计算结果表明研究区地热水在循环过程中受浅表冷水混合。大气降水为区内地热水的主要来源，补给区为海拔1 200～1 300 m的武系、震旦系碳酸盐岩分布区，利用二氧化硅温标估算热储温度为大于56 ℃，地热水循环深度约为2 590 m。