甘肅武山地?zé)崽锏乃瘜W(xué)特征及成因探討

甘肅武山地?zé)崽锏乃瘜W(xué)特征及成因探討

甘肅武山熱田位于甘肅省天水塘市吳山市。行政區(qū)域?qū)儆诟拭C省天水塘武山縣溫泉市。武山地?zé)崽镏杏幸粋€(gè)在國(guó)內(nèi)有很高知名度的溫泉為溫泉鄉(xiāng)溫泉,屬于碳酸氫鈉型,溫泉中F、H2SiO3、Rn三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到醫(yī)療礦泉水命名濃度。1954年國(guó)家在武山建立甘肅省第一個(gè)工人療養(yǎng)院,作為一種重要的醫(yī)療保健資源。1994年據(jù)甘肅省地礦局調(diào)查,在武山地?zé)崽?8km2的范圍內(nèi)共有50多個(gè)泉點(diǎn)出露。后來(lái)隨著開(kāi)采量的增大,地下水位逐年下降,區(qū)內(nèi)的天然泉眼大部分?jǐn)嗔?武山地?zé)崽镏械?個(gè)鉆孔有2個(gè)已經(jīng)干涸,其它3個(gè)鉆孔的水量也在逐漸減少,武山地?zé)崴难葑冎档藐P(guān)注。甘肅水文地質(zhì)、地礦局等單位曾先后進(jìn)行了武山地?zé)豳Y源的地質(zhì)普查工作,大多側(cè)重于查明本區(qū)水文地質(zhì)條件,控制地?zé)崴臉?gòu)造環(huán)境等,并對(duì)武山溫泉療養(yǎng)院的地?zé)崴Y源儲(chǔ)量作了初步論證。到目前為止,該區(qū)還沒(méi)做過(guò)系統(tǒng)的地?zé)崴矫娴难芯?。通過(guò)對(duì)武山地?zé)崽镏袦厝⒗淙爸苓厹\層井水的水化學(xué)和同位素分析,探討武山地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征和地?zé)崴钠鹪?、熱?chǔ)溫度及循環(huán)深度等問(wèn)題,期待能為武山地?zé)崴Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的依據(jù)。1fps-沉積型地?zé)崴畠?chǔ)集裝置fpsn武山地?zé)崽锾幱谀媳毕驑?gòu)造帶與西秦嶺造山帶、祁連造山帶交叉部位。該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,從圖1中可看出,地?zé)崽锇l(fā)育了兩組不同方向的斷裂,即圖中的F1、F2、F3斷層。F1斷層走向近東西,根據(jù)所屬構(gòu)造體系的地應(yīng)力方向,它屬于壓性或壓扭性斷層,起到阻水作用。F2、F3斷層為兩條大致平行的張性斷層,兩者相距50余m,在F2、F3斷層經(jīng)過(guò)的大小湯溝一帶埋藏分布有較豐富的承壓熱礦水,而南延部分則是地?zé)崴难a(bǔ)給通道1。滲入的地表水經(jīng)過(guò)深部循環(huán)通過(guò)地溫梯度加熱,運(yùn)移通道受阻時(shí)沿構(gòu)造破碎帶上升,以泉的形式溢至地表。地?zé)崽镏苓叧雎兜貙佑械谒南?、新近?N)、古近系(E)、泥盆系(D)和元古界(Pt)前長(zhǎng)城系。巖漿巖發(fā)育,有中生代印支期花崗巖(γ1551)和古生代華力西期花崗巖(γ4),含黑云母、角閃石等。花崗巖侵入于泥盆系淺變質(zhì)砂巖、板巖與元古界前長(zhǎng)城系接觸帶中2。巖性為石英砂巖夾粉砂巖,長(zhǎng)石石英砂巖及綠泥石絹云板巖。2hco33-和32-含量、化學(xué)計(jì)量方法和儀器2009-09,在武山地?zé)崽锊杉畼?個(gè),包括溫泉(地?zé)徙@孔)、冷泉和淺層井水?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了溫度、pH值、電導(dǎo)率、TDS和堿度。其中溫度、pH值、電導(dǎo)率和TDS用德國(guó)WTW公司生產(chǎn)的Multi350i測(cè)定,測(cè)量精度分別為0.1℃、0.01pH單位、1μs/cm和0.01mg/L,用酸堿滴定法得出HCO?33-和CO2?332-含量。所有樣品均用口徑為0.45μm的過(guò)濾頭過(guò)濾,然后用優(yōu)級(jí)純硝酸酸化來(lái)測(cè)量陽(yáng)離子和SiO2濃度,未經(jīng)酸化的樣品收集到用去離子水多次漂洗過(guò)的聚乙烯塑料瓶里測(cè)陰離子濃度。主要的化學(xué)元素用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,Na、K、Ca、Mg、Cl、SO4和NO3用離子色譜法在蘭州大學(xué)西部環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。SiO2用原子吸收法在蘭州大學(xué)分析測(cè)試中心測(cè)量。18O/16O和D/H在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境同位素實(shí)驗(yàn)室采用同位素質(zhì)譜儀完成。穩(wěn)定同位素8O/16O利用CO2平衡法,以VSMOW表示;穩(wěn)定氫同位素D/H用鋅還原法測(cè)定,以VSMOW標(biāo)準(zhǔn)表示,其分析精度分別為0.2‰和2.0‰。3水巖相互作用形成的三大類(lèi)型熱液采樣分析結(jié)果表明(表1),武山地區(qū)淺層地下冷水(WL)、武山冷泉(WLQ)和武山溫泉(WR)的溫度分別是11.5、18.2和42.1℃,pH值范圍7.53～8.73,呈堿性,礦化度為238～378mg/L。三個(gè)水樣的主要陰離子是HCO3,冷水的主要陽(yáng)離子是Ca,冷泉和熱泉主要的陽(yáng)離子是Na。派珀三線(xiàn)圖表明(圖2),冷水的水化學(xué)類(lèi)型為Ca-HCO3,冷泉和溫泉的水化學(xué)類(lèi)型分別是Na-Ca-HCO3、Na-HCO3型,所有水都屬于低礦化度的HCO3型水。根據(jù)Giggenbach和Gonzdˉez?Partidadˉez-Ρartida等,水被分成4種類(lèi)型:①成熟水(富集Cl);②蒸汽水(富集SO4);③外圍水(富集HCO3)和④火山水(富集Cl和SO4)。派珀3線(xiàn)圖表明3個(gè)水樣點(diǎn)都位于HCO3端元,屬于外圍水。大氣降水在與包含少量方解石的巖石相互作用的最初階段,能與方解石或含Ca-HCO3組份的礦物快速達(dá)到平衡。原因是在溫度接近25℃時(shí),方解石的溶解度是其它鋁硅酸鹽的102～106倍(取決于pH值大小)。溫泉和冷泉中SiO2的含量(55.0mg/L、49.5mg/L)遠(yuǎn)高于冷水(12.2mg/L),溫泉和冷泉水中F的含量也很高,說(shuō)明它們的循環(huán)時(shí)間比Ca-HCO3水循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)。溫泉水的形成是由地表水下滲到深部花崗巖體中,溶解來(lái)自深部的CO2形成含HCO-3的弱酸性溶液,進(jìn)一步溶解花崗巖中的鈉長(zhǎng)石,形成Na-HCO3型熱液。以上水化學(xué)特征表明,武山地?zé)崴畬儆诙唐诘乃牡厍蜓h(huán),是水巖相互作用初級(jí)階段的典型表現(xiàn)。值得注意的是,武山地?zé)崽镏欣淙蜏厝械腇含量很高(14.8～16.2mg/L),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷水中F含量和我國(guó)飲用水規(guī)定的1mg/L。地?zé)崴懈叩腇化物含量有可能是花崗巖中含F(xiàn)的黑云母溶解形成的。Chae等曾在Jungwon地區(qū)做過(guò)黑云母和整個(gè)花崗巖的分批溶解,得出高F含量(達(dá)到6mg/L)是從200m深的黑云母中瀝濾出的。虞嵐總結(jié)了地?zé)崴蠪-來(lái)源的兩種途徑:一種途徑是由于巖石中含有黑云母,當(dāng)黑云母蝕變?yōu)榫G泥石時(shí),釋放F-進(jìn)入水中;另一種途徑是一些層狀硅酸鹽礦物或角閃石中含有F,F可以與OH-產(chǎn)生類(lèi)質(zhì)同象置換,也有利于F的富集。而武山地?zé)崽锘状竺娣e分布燕山期侵入巖,巖性為淺灰-淺灰紅、肉紅色中-粗?；◢弾r,含黑云母、角閃石等,所以才形成了如此高的F含量。而武山冷水中的F含量較低,可推測(cè)一方面是由于冷水水巖作用時(shí)間短,水中溶解的F含量少;另一方面,冷水中的Ca2+含量高(100.4mg/L),可與F-易形成難溶的沉淀,從而導(dǎo)致冷水中的F含量降低。4d、18o與冷泉、2.2和8o值的關(guān)系在地下水的研究中,同位素技術(shù)是研究地下水資源屬性的重要有效的工具。同位素?cái)?shù)據(jù)可以區(qū)分地?zé)崴?種來(lái)源,如巖漿水、海水和大氣降水。采集水樣點(diǎn)的δD和δ18O范圍分別是-61.9‰～-80.7‰和-7.0‰～-11.5‰。這些數(shù)據(jù)表明沒(méi)有巖漿水的存在,因?yàn)閹r漿水的同位素范圍是δD:-40‰～-80‰,δ18O:+6‰～+9‰,盡管與δD值有部分重合,但是δ18O值完全不重合,因此它們組成的區(qū)間不在同一范圍內(nèi)。冷泉和溫泉的電導(dǎo)率為510～576μs/cm,而且Cl含量?jī)H為7.3～8.6mg/L,如此低的δD、δ18O和Cl含量也排除了地?zé)崴暮Ｑ笃鹪?。從圖3中可以看出3個(gè)水樣點(diǎn)沿著全球大氣降水線(xiàn)(GMWL)和西北大氣降水線(xiàn)分布。西北大氣降水線(xiàn)是高志發(fā)用西北地區(qū)5個(gè)地方的氣象站常年平均數(shù)據(jù),求得西北地區(qū)大氣降水線(xiàn)為δD=7.38δ18O+7.16(r=0.978,n=100),這與全球大氣降水線(xiàn)比較接近,而斜率和截距均稍小,反映了我國(guó)西北地區(qū)降水量偏小、更為干旱的特征。地?zé)崴摩腄和δ18O值小于冷水的值,在我國(guó)西北大氣降水線(xiàn)的下方,地?zé)崴疀](méi)有出現(xiàn)明顯的右漂移,說(shuō)明水和圍巖的同位素交換程度相當(dāng)?shù)?。低溫?zé)醿?chǔ)對(duì)同位素交換沒(méi)有起到促進(jìn)作用,δ18O的正向漂移是高溫?zé)醿?chǔ)的典型特征。δD和δ18O同位素證實(shí)了地?zé)崴鹪从诖髿饨邓?并處在中低溫的地?zé)醿?chǔ)中。上述結(jié)果與武山地?zé)崴瘜W(xué)類(lèi)型為低礦化度的重碳酸鹽型溶濾水所表現(xiàn)出來(lái)的循環(huán)時(shí)間較短的特點(diǎn)相一致。5熱儲(chǔ)溫度分布估算熱儲(chǔ)溫度,常用的地?zé)釡貥?biāo)有SiO2溫標(biāo)和離子溫標(biāo)。從武山地?zé)崴那闆r看,水溫較低,無(wú)沸騰氣化現(xiàn)象,pH值接近中性,因此,用SiO2地?zé)釡貥?biāo)對(duì)武山地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度估算時(shí),應(yīng)考慮地?zé)崴蠸iO2的某些部分可能是與玉髓平衡的,還應(yīng)考慮地下冷水的混合稀釋等,所以直接用無(wú)蒸汽損失的石英傳導(dǎo)冷卻溫標(biāo)和無(wú)蒸汽損失的玉髓溫標(biāo)方程計(jì)算。1988年Giggenbach首先提出了Na-K-Mg三角圖解,用來(lái)評(píng)價(jià)水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類(lèi)型的水樣。在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個(gè)區(qū)域。利用該圖可判斷地?zé)崴欠襁m合用陽(yáng)離子溫標(biāo)。由圖4可知,冷泉水的落在Mg1/2附近,屬于未成熟水?？赡苁怯捎诘?zé)崴谏仙^(guò)程中溫度的減小或稀釋(大氣降水通常是富鎂的)引起的K-Mg地溫計(jì)的快速的再平衡。原則上用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)估算這些未成熟水的平衡溫度是不合理的。而溫泉水樣點(diǎn)落在部分平衡區(qū),可以用陽(yáng)離子溫標(biāo)來(lái)計(jì)算。Na-K溫標(biāo)僅適用于150℃以上的熱水,尤其是鉆孔中的熱水。Na-K-Ca溫標(biāo)通常適用于富鈣地?zé)崴?而K-Mg地?zé)釡貥?biāo)是一種適用于低溫?zé)崴到y(tǒng)的溫標(biāo)。從計(jì)算結(jié)果(表2)可見(jiàn),K-Mg溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果一般低于石英傳導(dǎo)冷卻溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果,而多和玉髓溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果相接近。通過(guò)K-Mg溫標(biāo)計(jì)算的冷泉的熱儲(chǔ)溫度范圍非常低,原因可能是冷泉在上升的過(guò)程中受到地下冷水或淺層水的混合。綜合各種地?zé)釡貥?biāo),估算溫泉和冷泉的熱儲(chǔ)溫度范圍非常接近,在70～106℃之間,屬于同一熱儲(chǔ)。按照甘肅東部的地溫梯度35℃/km,計(jì)算出地?zé)崴h(huán)深度為1.74～2.77km。6中低溫地?zé)豳Y源武山地?zé)崴雎稖囟葹?8.2～42.1℃,pH值7.94～8.73,呈堿性。水的化學(xué)特征主要受控于巖石的化學(xué)特征和水巖相互作用的程度。相對(duì)于淺層地下冷水,Na-Ca-HCO3型的冷泉和Na-HCO3型的溫泉經(jīng)歷了更長(zhǎng)時(shí)間的水巖相互作用,冷泉和溫泉水中的F、SiO2含量遠(yuǎn)高于冷水的也可證明。武山地?zé)崴蠪含量很高,主要原因是在水巖相互作用過(guò)程中武山地?zé)崽锘状竺娣e分布的花崗巖中的黑云母溶濾出的。武山地?zé)崴甌DS為238～255mg/L,TDS含量較低,表明較淺的循環(huán)或者是處于大氣降水與圍巖相互作用的早期階段。武山地?zé)崽镏械責(zé)崴械摩腄和δ18O同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)基本落在西北大氣降水線(xiàn)附近,相比于冷水,冷泉和溫泉的δD和δ18O都有不同程度的降低。一般認(rèn)為地下水滲入地殼越深,水溫越高,深循環(huán)流經(jīng)的途徑越長(zhǎng),其δD、δ18O值降低越多。這表明構(gòu)造活動(dòng)區(qū)淺層地下水向地殼深部遷移經(jīng)深循環(huán)作用后,以地?zé)崴问椒祷氐乇淼倪^(guò)程中氫氧同位素組成的變化與地表水向空中遷移時(shí)出現(xiàn)的同位素分餾作用具有相似性。綜上所述,表明武山地?zé)崴鹪从诖髿饨邓?。根?jù)R.O.福尼埃的研究,低溫?zé)崴乃?巖平衡的SiO2含量不僅受控于石英,而且受控于玉髓的溶解度。因此,直接用石英傳導(dǎo)冷卻溫標(biāo)計(jì)算,結(jié)果偏