關(guān)中盆地地下熱水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其古氣候意義

關(guān)中盆地地下熱水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其古氣候意義

0城市土地氫氧同位素組成變化與當(dāng)?shù)毓艢夂虻膶?duì)應(yīng)關(guān)系采用相位法研究了地下水的補(bǔ)給、直徑和排水問(wèn)題，這在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用。這種方法具有其他方法的優(yōu)越性。國(guó)外通常研究同位素的高程效應(yīng)。而在國(guó)內(nèi)通常作法是研究地下水中氫氧同位素的組成變化與當(dāng)?shù)毓艢夂蜃兓穆?lián)系,而地下熱水中氫氧同位素與古氣候的對(duì)應(yīng)關(guān)系方法尚不多見。本文以關(guān)中盆地地下熱水為研究對(duì)象,研究關(guān)中盆地地下熱水補(bǔ)給時(shí)的溫度及氣候變化情況,對(duì)認(rèn)識(shí)關(guān)中盆地水文循環(huán)及氣候變化具有重要的參考意義。在關(guān)中盆地地下熱水中,水的溫度大大高于大氣溫度而氫氧同位素值卻又低于大氣降水。那這是怎樣產(chǎn)生的?是否由于補(bǔ)給時(shí)期溫度與現(xiàn)代大氣降水有差異?如果是古溫度的影響,那么補(bǔ)給時(shí)的古溫度與現(xiàn)代溫度有多大的差距?1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1盆地內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境關(guān)中盆地位于陜西省中部,西起寶雞,東至潼關(guān),南依秦嶺,北抵北山,位于東經(jīng)107°30′～35°50′,北緯33°39′～35°50′之間,總體似半個(gè)彎月橫亙于陜西省中部,是陜西省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。關(guān)中盆地的含水層可分為兩大類:第四系和第三系含水層。第四系含水層厚約800m,包括多孔的,風(fēng)積的,沖積的和洪積的第四紀(jì)沉積物,上面覆蓋有弱透水層的沙質(zhì)和粉質(zhì)粘土,主要巖性為淡灰黃色黃土及砂、礫石層,其主要富水段為砂、礫石孔隙含水層,富水性強(qiáng)。第三系含水層由棕紅色泥巖夾雜粉砂質(zhì)泥巖的中粒長(zhǎng)石砂巖組成,厚度從幾十米到幾百米不等,砂巖膠結(jié)疏松,孔隙、裂隙發(fā)育,富水性中等。關(guān)中盆地地處不同構(gòu)造單元的交接過(guò)渡部位,構(gòu)造格局十分復(fù)雜。盆地南北邊緣以發(fā)育強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造為顯著特征。受熱源和構(gòu)造影響,盆地溫泉和地溫異常分為三個(gè)帶:盆地北部邊緣斷裂地?zé)釒?盆地南部邊緣斷裂地?zé)釒?咸陽(yáng)-西安地?zé)釒АＷ鳛橹鲾鄬拥呐璧啬媳本墧嗔褞?控制著盆地現(xiàn)今的伸展擴(kuò)展,活動(dòng)性更強(qiáng)一些,但是由于熱水循環(huán)過(guò)程中混入大量冷水,大大降低了熱水溫度。盆地中部渭河斷裂帶由巨厚的新生界沉積物覆蓋,因?yàn)樯w層巨厚,所以咸陽(yáng)-西安地?zé)釒У臒崴疁囟饶壳白罡?。但是深大斷裂附近熱水的地溫梯度較其它地方高,是地下熱水開采的最佳部位。1.2氣候突變的影響據(jù)相關(guān)資料,研究區(qū)末次冰期始于75kaB.P.,終止于11kaB.P.,一般劃分為兩寒夾一暖3個(gè)階段。早冰階氣候寒冷但非最嚴(yán)寒階段,年均溫比現(xiàn)代低5℃～6℃。中期是相對(duì)溫暖的寒冷氣候階段。晚期(尤其是18kaB.P.)是末次冰期氣候嚴(yán)寒干冷的盛冰期,年均溫比現(xiàn)代均溫低8℃～9℃左右,也是130kaB.P.來(lái)海平面下降幅度最大和沙漠顯著發(fā)展的干旱期。由于氣候干冷,故末次冰期冰川規(guī)模不大。研究區(qū)全新世以來(lái)氣候的變遷與全球氣候變化的總規(guī)律是一致的。全新世早期,因剛脫離開大理冰期而跨入冰后期,所以氣候比較寒冷,10000～8000aB.P.的全新世早期年平均溫度較今低5℃～6℃。全新世中期,全球氣候進(jìn)一步回暖,被稱為“氣候適宜期”,說(shuō)明當(dāng)時(shí)氣候較今溫暖濕潤(rùn),應(yīng)為亞熱帶氣候。全新世晚期,氣候向溫涼干旱方向發(fā)展。2煤系土地氫氧同位素組成關(guān)中盆地的大氣降水和地?zé)崴耐凰亟M成見圖1。關(guān)中盆地中部的西安、咸陽(yáng)地下熱水中的δ180發(fā)生了明顯的漂移,西安及咸陽(yáng)δ180漂移端元水樣還發(fā)生了δD的漂移,這在中低溫地?zé)崽镙^為少見,在我國(guó)盆地型地下熱水中也不多見,可能存在滯留型、非現(xiàn)代循環(huán)降水形成的地下熱水。關(guān)中地區(qū)的δD-δ180在地下熱水中的含量明顯比現(xiàn)代大氣降水中δ值低;然而氫氧同位素在水中的含量是與溫度正相關(guān)的,即當(dāng)溫度降低時(shí)水中的δD和δ180值亦隨之降低。關(guān)中盆地氫氧同位素組成變化較大,根據(jù)其特征可分為西安、咸陽(yáng)、山前、渭北四類,西安凹陷淺部熱水點(diǎn)及沿山前主控?cái)嗔褏⑴c現(xiàn)代水循環(huán)的井泉多分布于大氣降水線上,凹陷深部參與深層徑流的熱水多發(fā)生δ180漂移;而西安凹陷外部如寶雞、渭南、華陰則與西安凹陷內(nèi)的熱水值有較大的差異,咸陽(yáng)的熱水除發(fā)生δ180漂移外,還發(fā)生了δD的漂移。關(guān)中盆地地下熱水中氫氧穩(wěn)定同位素以圖1表示。圖1表明,關(guān)中盆地的大氣降水線為:δD=7.49δ180+6.12。結(jié)果表明所有的熱水來(lái)源于大氣降水,受蒸發(fā)影響較小。西安熱水中的δ180因水巖反應(yīng)偏離大氣降水線,其漂移線與大氣降水線交于A點(diǎn),其δ值分別為(-83.23‰,-11.70‰),與山前地下熱水平均值一致,A點(diǎn)即為關(guān)中盆地山前及西安地下熱水接受補(bǔ)給時(shí)的δ值,該值與現(xiàn)代降水平均值(-45.02‰,-7.37‰)及山前現(xiàn)代常溫水平均值(-68‰,-10‰)相差較大,故可推斷其補(bǔ)給源非現(xiàn)代大氣降水。3地下熱水補(bǔ)充時(shí)的溫度條件3.1咸陽(yáng)深部15003.0m地下熱水的補(bǔ)給氘剩余等值線圖,圖2能清楚的判斷出地下熱水的補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)。在同一含水層中,由于制約地下水δ值變化的主要因素大致相同,在含水層的不同部位,地下熱水δ值的相對(duì)變化僅與滯留時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。假定地下熱水的徑流方式為活塞流模型,從寶雞和秦嶺山前及蒲城到咸陽(yáng)和西安及渭南地區(qū)地下熱水δ值的變化是從接近大氣降水線到遠(yuǎn)離大氣降水線的過(guò)程,這也就是關(guān)中地區(qū)地下熱水的徑流方向。其中秦嶺為西安地區(qū)地下熱水的主要補(bǔ)給源。圖3關(guān)中盆地地下熱水14C年齡分布的總體特征是:在盆地周邊出現(xiàn)最小值,并向盆地中部地?zé)崴植紖^(qū)域逐漸增大,在咸陽(yáng)、渭南形成兩處圈閉,圈閉中心分別達(dá)到14C年齡的最大值。由圖4地?zé)崴?4C年齡與埋深成正比,14C年齡在西安、咸陽(yáng)一帶偏大,推測(cè)此區(qū)域地下熱水進(jìn)行了深部循環(huán),地下熱水滯留時(shí)間較長(zhǎng),所處的地質(zhì)環(huán)境相對(duì)封閉,水巖反應(yīng)強(qiáng)烈,從而改變了熱水的同位素組成。根據(jù)現(xiàn)有同位素資料,關(guān)中地下熱水的補(bǔ)給既有現(xiàn)代大氣降水的補(bǔ)給,又有古代大氣降水的補(bǔ)給。圖1沿大氣降水線展布、d<0‰的諸熱水點(diǎn)基本沿橫貫盆地的東西向秦嶺山前斷裂、渭河斷裂及北西西向、北西向、北東向斷裂帶及斷裂交匯部位展布,為現(xiàn)代降水和古代大氣降水的混合補(bǔ)給,而關(guān)中盆地深部如西安、咸陽(yáng)、渭南、華陰等處熱水井點(diǎn)因水巖同位素交換作用產(chǎn)生180漂移,分別將西安、咸陽(yáng)兩處氧漂移趨勢(shì)線交于大氣降水線,咸陽(yáng)熱水的δ180值為-10.41‰～-9.63‰,根據(jù)前人研究得出,咸陽(yáng)熱水補(bǔ)給源來(lái)自渭北北山,取渭北大氣降水δ180平均值為-7.37‰,這樣,咸陽(yáng)熱水與當(dāng)?shù)卮髿饨邓?80的差值為2.26‰～3.04‰,根據(jù)關(guān)中盆地溫度效應(yīng),關(guān)中盆地δ180的溫度梯度為0.47‰/℃。因此,古代與現(xiàn)代大氣降水的溫度差△T=2.26/0.47～3.04/0.47=4.80℃～6.47℃。同理,得出西安熱水180的漂移趨勢(shì)線與大氣降水線交點(diǎn)處的δ180范圍在-13.19‰～-11.83‰之間,秦嶺大氣降水平均值為-9.45‰,這樣,古代與現(xiàn)代大氣降水δ180差值在2.38‰～3.74‰之間,古代與現(xiàn)代大氣降水的溫度差△T=5.06℃～7.96℃,也即關(guān)中盆地古、現(xiàn)代大氣降水溫差為4.80℃～7.96℃,這一溫度差范圍與全球末次冰期與現(xiàn)代地表溫度差4℃～9℃相吻合,與中國(guó)北方孢粉研究記錄末次冰期至今地表溫度變化為12℃接近,說(shuō)明關(guān)中盆地內(nèi)地下熱水補(bǔ)給時(shí)的溫度與現(xiàn)今相差約5℃～8℃,為距今10000～60000a的末次冰期降水的補(bǔ)給,14C測(cè)試證實(shí),咸陽(yáng)深部(1500～3500m)地下熱水的滯留年齡為15492±343～28139±1303a。西安深部(1500～3500m)地下熱水的滯留時(shí)間為13323±76～26868±414a。3.2地下熱水的年際變化研究區(qū)古氣候變化主要表現(xiàn)為古降水中溫度的變化,這種氣候的變化由降水中穩(wěn)定同位素含量改變尤其是氘含量所證實(shí)。由于關(guān)中盆地地下熱水中δ180發(fā)生了漂移,下面我們用δD值來(lái)研究關(guān)中盆地的氣候變化情況。由于其它地區(qū)地下熱水中的δD也有不同程度漂移,所以選用接受秦嶺北麓補(bǔ)給的地下熱水中的δD對(duì)該地區(qū)的古氣候進(jìn)行研究(圖5),而在分析關(guān)中地區(qū)地下熱水接受補(bǔ)給的時(shí)期時(shí)則用關(guān)中盆地所有資料(圖6),由于圖6中包括有δD漂移的所有點(diǎn)。根據(jù)關(guān)中盆地δD-14C年齡關(guān)系圖可以看出,大約在8.2-10.2kaB.P.和18.1-19.2kaB.P.這兩個(gè)年齡段無(wú)樣品,這與盛冰期的降溫期基本相對(duì)應(yīng),它們可能表明由于當(dāng)時(shí)氣溫較低導(dǎo)致地下水補(bǔ)給偏少。從接受秦嶺北麓補(bǔ)給的地下熱水中δD-14C年齡關(guān)系圖(圖5)還可以看出,年齡大于10ka的地下熱水的δD值有變小的趨勢(shì),這與晚更新世以來(lái)10-25kaB.P.氣候相對(duì)變暖有關(guān)這種δ值與古氣候?qū)?yīng)關(guān)系與圖7、圖8中的鄂爾多斯盆地南部地下水中δ180含量與14C年齡的關(guān)系及加拿大冰核中的δ180值對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。其次,根據(jù)圖5和圖6散點(diǎn)分布的不均勻性以及不連續(xù)性還可以得到關(guān)中盆地古地下水的補(bǔ)給過(guò)程受古氣候的變化影響呈非等速補(bǔ)給特征,可能存在一定的古地下水形成期。以上這些分析結(jié)論表明關(guān)中盆地地下熱水中同位素δD含量的變化與當(dāng)?shù)毓艢夂虻淖兓窍鄬?duì)應(yīng)的。圖5、圖6和圖7可以看出,關(guān)中盆地的地下熱水與鄂爾多斯盆地南部的地下水14C年齡都存在若干無(wú)樣品年齡段。說(shuō)明地下熱水在接受古大氣降水補(bǔ)給時(shí)是非等速、非均質(zhì)特征,這是古地下熱水在適宜氣候期集中補(bǔ)給的證據(jù)。從圖5、圖7和圖8可以看出,由于一萬(wàn)年以前的存在冰期和間冰期,氣候變化比較明顯,δ值波動(dòng)較大,5～8的氣溫變動(dòng)只能發(fā)生在歷史時(shí)期少有的幾十年中,而全新世時(shí)期的氣候到目前為止都相對(duì)穩(wěn)定,波動(dòng)較小,但從地質(zhì)歷史演化進(jìn)程推測(cè),不會(huì)永遠(yuǎn)穩(wěn)定下去。4地下熱水補(bǔ)徑排現(xiàn)代大氣溫度特征(1)關(guān)中盆地地下熱水溫度高于大氣溫度,但是氫氧同位素值卻又低于大氣降水。由氫氧同位素與大氣降水線的關(guān)系,可以判斷出地下熱水為大氣降水補(bǔ)給。根據(jù)氫氧同位素與溫度的線性關(guān)系與冰心測(cè)年法相結(jié)合的方法得出:由于地下熱水接受補(bǔ)給時(shí)的古氣侯年均溫度低于現(xiàn)代大氣溫度5℃～8℃所致。(2)關(guān)中地區(qū)地下熱水補(bǔ)給時(shí)溫度以西安地區(qū)最低為0.5℃,咸陽(yáng)為3.5℃、寶雞5℃,渭南6.5℃。因此,關(guān)中地區(qū)地下熱水補(bǔ)給時(shí)的古年均溫度與現(xiàn)代大氣的溫差的最高值為11.5℃、最低值為4℃、平