地?zé)崃黧w的水化學(xué)分析及成因機(jī)制

1、中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)研究生課程論文封面課程名稱 地下水污染與防治教師姓名 李義連 研究生姓名 楊智 研究生學(xué)號(hào) 1201410593 研究生專業(yè) 環(huán)境科學(xué)與工程 所在院系 環(huán)境學(xué)院 類別: B.碩士 日期: 2014 年 12 月 12 日評(píng) 語對(duì)課程論文的評(píng)語:平時(shí)成績：課程論文成績：總 成 績：評(píng)閱人簽名：注：1、無評(píng)閱人簽名成績無效；2、必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效；3、如有平時(shí)成績，必須在上面評(píng)分表中標(biāo)出，并計(jì)算入總成績。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc406268134 第一章 地?zé)嵯到y(tǒng)的介紹1 HYPERLINK l _Toc40

2、6268135 1.1 干熱巖系統(tǒng)1 HYPERLINK l _Toc406268136 1.2 淺層地溫能2 HYPERLINK l _Toc406268137 1.3 水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)2 HYPERLINK l _Toc406268138 第二章 地下熱水的水化學(xué)特征3 HYPERLINK l _Toc406268139 2.1水化學(xué)類型分析3 HYPERLINK l _Toc406268140 2.2 水化學(xué)組分特征6 HYPERLINK l _Toc406268141 2.2.1主要元素分析6 HYPERLINK l _Toc406268142 2.2.2微量元素6 HYPERLINK

3、l _Toc406268143 2.2.3氣體特征7 HYPERLINK l _Toc406268144 第三章 水巖相互作用8 HYPERLINK l _Toc406268145 第四章 熱水中同位素分析9 HYPERLINK l _Toc406268146 第五章 地?zé)崃黧w的成因機(jī)制10 HYPERLINK l _Toc406268147 第六章 地球化學(xué)溫標(biāo)的計(jì)算11 HYPERLINK l _Toc406268148 第七章 總結(jié) 地?zé)崃黧w水化學(xué)分析及形成機(jī)理第一章 地?zé)嵯到y(tǒng)的介紹隨著地球上資源的日益枯竭，地?zé)崮茏鳛橐环N清潔的能源，正日益受到人們的密切關(guān)注?？偟膩碚f，地?zé)崮艿膭澐挚煞譃?/p>

4、三個(gè)部分，根據(jù)其分布特點(diǎn)及深淺可分為淺層低溫能，水熱型系統(tǒng)與干熱巖系統(tǒng)。1.1 干熱巖系統(tǒng)干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體，干熱巖普遍埋藏于距地表3-10km的深處，其溫度范圍很廣，在 150-650oC之間，現(xiàn)階段，干熱巖地?zé)豳Y源是專指埋深較淺、溫度較高，有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱巖體（徐天福，2012）。保守估計(jì)，地殼中干熱巖（3-10km深處）所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）是在干熱巖技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。美國能源部的定義是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的方法，從低滲透

5、性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出深層熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)從上圖可以看出，增強(qiáng)性地?zé)嵯到y(tǒng)的主要技術(shù)為水力壓裂與地球物理勘探技術(shù)。蘇正（2012）等學(xué)者認(rèn)為對(duì)于水力壓裂技術(shù)，最主要的是獲得地下巖體中的裂隙空間，使水流得到有效的存儲(chǔ)與獲取熱量的通道，當(dāng)然，在這過程中出現(xiàn)了很多問題，比如說對(duì)圍巖介質(zhì)的溶解，顯然不利于干熱巖的穩(wěn)定性開采，同時(shí)水作為一種資源也正變得益發(fā)珍貴。因此，對(duì)于壓裂介質(zhì)的選擇，不少研究這正采取向介質(zhì)中注入超臨界二氧化碳的方法。物探技術(shù)的應(yīng)用不僅需要在確定深部熱儲(chǔ)的位置，及熱巖的斷裂等過程中用到（王曉星等，2013），在檢測地下水的流向等方面同樣不可或缺。這些地球物理方法技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：地震勘

6、探與微震檢測，電法和電磁法，重磁方法等。此外，同位素等一些示蹤劑技術(shù)也正在興起，也能夠起到了解深部地?zé)釋拥淖饔谩?.2 淺層地溫能淺層地溫能是地?zé)豳Y源概念的延伸，是與地?zé)崮苡嘘P(guān)的一個(gè)分支，與傳統(tǒng)地?zé)豳Y源既有聯(lián)系又有較大的區(qū)別。淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能（韓再生等，2007）?？梢哉f，淺層地溫能利用的是太陽能，即利用地面以下土壤或水的晝夜溫差，其中最關(guān)鍵的是地源熱泵技術(shù)的提升。另一個(gè)與傳統(tǒng)地?zé)崮艿膮^(qū)別是，淺層地溫能存在于蓋層淺部可冬夏兩用。由于淺層地溫能的溫度與年平均氣溫相近，沒有直接利用的價(jià)值，只能通過地源熱泵系統(tǒng)消耗少部分機(jī)械能提

7、高品位后才能成為有利用價(jià)值的熱能（衛(wèi)萬順等，2009）。在夏天這種常溫的地質(zhì)環(huán)境比當(dāng)?shù)貧鉁氐褪畮锥?，所以又可以成為熱匯接受空調(diào)制冷時(shí)的人工排熱，起到了傳統(tǒng)地?zé)崞鸩坏降淖饔?。其中，“淺層”是指利用深度一般為200米。對(duì)于經(jīng)濟(jì)適用性而言，可根據(jù)不同地區(qū)的利用目的進(jìn)行劃分（欒英波等，2013）。我國南方地區(qū)以散熱方式為主，經(jīng)濟(jì)的地埋管施工深度一般為100米左右；北方地區(qū)以冬季取熱為主要用途，由于淺部地溫較低，根據(jù)地?zé)嵩鰷芈?，開發(fā)利用深度可增加到300或400米。1.3 水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)水熱型地?zé)嶂饕侵咐脽醿?chǔ)中的熱水來進(jìn)行發(fā)電、取暖等一系列生產(chǎn)生活活動(dòng)。水熱型地?zé)豳Y源的形成和分布，受大地構(gòu)造特點(diǎn)和其

8、在全球構(gòu)造中所處構(gòu)造部位的控制，兩者具有良好的一致性，特別是表現(xiàn)在溫泉及熱泉的分布特征上。這種地?zé)嵯到y(tǒng)根據(jù)其熱傳導(dǎo)方式可分為對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)和傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)（汪集旸，1993）。這種系統(tǒng)的熱源一般來自大地?zé)崃?，大地?zé)崃魇菃挝粫r(shí)間內(nèi)由地球內(nèi)部通過單位地球表面積散失的熱量(mWm2)，是地球內(nèi)熱在地表可直接測得的一個(gè)物理量，它是一個(gè)綜合參數(shù)，能反映地區(qū)地?zé)釄龅幕咎攸c(diǎn)，理論上可以把大地?zé)崃?Q)分解成兩大部分，一部分來自地球深部，稱地幔熱流(qm)；另一部分則源于地殼巖石的放射性，稱為地殼熱流(qc)。Q=qc+qm qc和qm都是地殼厚度的函數(shù)，但變化方向不同，qm反映的是巖石深部的熱狀態(tài)，與一個(gè)

9、地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)性密切關(guān)聯(lián)，高溫物質(zhì)上涌，巖石圈則變薄，qm同地殼厚度常有負(fù)相關(guān)的關(guān)系；qc則相反，由于地球內(nèi)部主要的放射性元素鈾、釷、鉀都是親石元素。地殼厚度越大，地殼所含的放射性元素就可能越多，qc就越大，qc與地殼厚度呈正相關(guān)。其中高溫（150oC）地?zé)釒У男纬珊头植?，同巖石圈板塊發(fā)展與演化密切相關(guān)，出現(xiàn)在板塊邊界附近。而大型中溫（90150 oC）、低溫（90 oC）熱水盆地都是中、新生代裂谷盆地，一些中低溫?zé)崛瑤缀跞纪鍓K內(nèi)深大活動(dòng)斷裂有關(guān)。我國廣泛分布的主要是中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)，我國中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布在東南沿海、山東半島、山西、遼寧這些構(gòu)造區(qū)域。這些地?zé)岱植紖^(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，裙皺和

10、斷裂發(fā)育，熱儲(chǔ)溫度普遍低于140 oC，徑流深度小于4.0km。較典型的地?zé)岙惓^(qū)有漳州、鄧州、福州等，這些熱異常區(qū)域已經(jīng)幵發(fā)利用（王貴玲，2010；汪集旸，1989）。第二章 地下熱水的水化學(xué)特征2.1水化學(xué)類型分析對(duì)熱水的水化學(xué)類型的劃分跟普通地表水與地下水的水化學(xué)劃分并無太大區(qū)別，主要都是根據(jù)熱水中主量離子組分，利用舒卡列夫分類以及piper三線圖來劃分水化學(xué)類型。此外，在對(duì)水樣的水化學(xué)類型進(jìn)行三線圖劃分時(shí)，還可以根據(jù)采樣點(diǎn)在一定地域的分布，以及分布點(diǎn)的地質(zhì)特征，地下水類型等來進(jìn)行圈化，以期得到一定的分布規(guī)律。如袁建飛（2013）在對(duì)廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)的水文地球化學(xué)研究具有一定的代表性，研

11、究者把采樣點(diǎn)大體按地域分為了粵西與粵東兩類，兩類型都分成類四種組分。從圖1可以看出，從地域區(qū)劃的地下水或冷水的水化學(xué)類型較為復(fù)雜，彼此之間并無較好的規(guī)律；對(duì)于從地下水儲(chǔ)存類型的圈化來看，其中儲(chǔ)水類型對(duì)于水化學(xué)類型并無較大的影響關(guān)系，可知，對(duì)于熱水水化學(xué)類型的影響還應(yīng)根據(jù)其圍巖介質(zhì)的特性來進(jìn)行分析。 另外，對(duì)于水化學(xué)類型的研究，部分學(xué)者還從聚類分析的角度，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法及軟件來尋求水化學(xué)類型分布的規(guī)律。聚類分析是一種考慮了多因素的數(shù)學(xué)分類方法，其基本原理是根據(jù)樣本自身的屬性，用數(shù)學(xué)方法按照某些相似性指標(biāo)，定量地確定樣本之間的親疏關(guān)系，并按這種親疏關(guān)系程度對(duì)樣本進(jìn)行聚類如張華（2007），于彥（20

12、13）等分別就廣西北海市與天津市區(qū)的地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征進(jìn)行了分析。張華等首先對(duì)研究區(qū)的各類型地下水離子組分及水化學(xué)類型進(jìn)行了分析，在投點(diǎn)到piper三線圖上時(shí)，得出的水化學(xué)類型只有三類，而進(jìn)行Q型聚類分析后，可以將北海市地下水分成4類，分別是以Na、Cl、TDS的值來進(jìn)行劃分；于彥等對(duì)水化學(xué)類型的Q型聚類分析在基于構(gòu)造單元的歸類與熱儲(chǔ)層分類的基礎(chǔ)上，得到了地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征與地質(zhì)構(gòu)造單元、熱儲(chǔ)層特征有著較好的相關(guān)關(guān)系，與傳統(tǒng)地球化學(xué)研究方法的結(jié)論一致，而且該方法具有客觀、高效、直觀的特點(diǎn)，得出對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)積累較多的地區(qū)，利用聚類分析法研究地下水的地球化學(xué)特征具有很好的應(yīng)用前景的觀點(diǎn)。 同時(shí)，

13、在對(duì)水化學(xué)類型研究的基礎(chǔ)上，雖然給出了各個(gè)區(qū)域的水化學(xué)類型分布，以及水化學(xué)類型受地下水補(bǔ)徑排條件的影響（李俊峰，2008），但從國內(nèi)的研究情況來看，相對(duì)于普通地下水的水化學(xué)類型的水文地質(zhì)圖并沒有相關(guān)的文獻(xiàn)記載，因此，對(duì)于從整體上把握研究區(qū)的水化學(xué)類型分區(qū)還需進(jìn)一步研究。圖 1 典型地?zé)崴瘜W(xué)分析三線圖 2.2 水化學(xué)組分特征 2.2.1主要元素分析 地下熱水中主要元素由于水溫較高的關(guān)系，多數(shù)元素的溶解度等往往會(huì)受到影響，但是根據(jù)地下熱水的水化學(xué)類型，還是能夠確定地下熱水中的主元素有以下幾種：主要陰離子為HCO3- 、Cl- 、SO42- ，主要的陽離子為Ca2+ 、Mg2+ 、Na+、K+。除

14、此之外，地下熱水中還有一些代表深部熱水所特有的組分，稱地下熱水標(biāo)性組分。對(duì)于主成分的分析，往往是根據(jù)水樣點(diǎn)的地質(zhì)環(huán)境特征，在加上一些離子的特性來進(jìn)行數(shù)據(jù)的堆列與分析。以王衛(wèi)星（2013）等在對(duì)河北湯泉地?zé)崃黧w的主離子成分分析為例：首先，作者通過對(duì)水樣點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的羅列，得出區(qū)內(nèi)主要的陰陽離子為HCO3-、SO42-、 Cl- 、NO3- 、Ca2+ 、Na+、K+ 、Mg2+ 。然后對(duì)各離子的含量特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為：水中K+的含量遠(yuǎn)小于Na+的原因是K+在地殼中為營養(yǎng)元素，容易被植物吸收，此外在溫度較高的情況下參與多找難溶礦物的成礦作用，因此在水中的含量較低。對(duì)于水中其他主要離子的來源，作者也

15、給出了解釋，如SO42-是地下水流經(jīng)含石膏礦物的巖石時(shí)將巖石中的石膏等硫酸鹽等溶融進(jìn)入了水中，另外硫化物礦床氧化帶氧化產(chǎn)物的溶解也是地下水中SO42-的來源之一。此外，作者對(duì)于主量元素的分析多以列出元素的含量來表明地?zé)崴某煞痔卣鳎◤埍＝。?006；袁建飛，2013；于湲，2006等），通過這種列舉，可以清晰的看出地下熱水中的組分特征，而不必去從水化學(xué)檢測表中去一一查找。同時(shí)，從水化學(xué)的動(dòng)態(tài)分析，也可以發(fā)現(xiàn)如果常溫地下水的總?cè)芙夤腆w量低于地?zé)崴?，呈緩慢的下降趨勢時(shí)指示常溫地下水對(duì)熱儲(chǔ)的補(bǔ)給在緩慢增（劉久榮，2002）。對(duì)于主要元素的分布特征，還可以利用SPSS等多元統(tǒng)計(jì)軟件來發(fā)現(xiàn)各離子之間的聯(lián)

16、系，通常情況下是對(duì)各主要離子組分進(jìn)行單因子的相關(guān)性分析，通過兩者之間的較大相關(guān)系數(shù)來判別其離子礦物成分的來源。同時(shí)，對(duì)于組分元素的分析，還可以運(yùn)用一系列的圖標(biāo)來表明各離子組分之間的關(guān)系，并且判別其地下熱水的組分來源，這些比例關(guān)系常常用來判斷水巖相互作用程度以及各離子組分的反應(yīng)平衡程度。2.2.2微量元素 同時(shí)，地下熱水還擁有一些特定的元素，如于湲（2006）在對(duì)北京城區(qū)的地下熱水研究中發(fā)現(xiàn)城區(qū)熱田的地下熱水的特征性組分有：F、SiO2和 H2BO2。北京地區(qū)基巖地下冷水含 F 都在 1 mg/l以下，但所有取樣的地下熱水含 F 量均較高，可以認(rèn)為是地下熱水最典型的標(biāo)性組分，同樣在其他地區(qū)的地?zé)?/p>

17、流體中F含量也存在較高值（黃桂強(qiáng)，2010；吳偉志，2013）。地下熱水中的SiO2含量也明顯高于基巖地下冷水，從大量的地下熱水的研究情況來看，地下熱水中的SiO2含量與深部熱儲(chǔ)的溫度存在著較好的相關(guān)關(guān)系（胡燕，2007），一般表現(xiàn)為含量隨溫度的升高而升高，因此可以用來進(jìn)行熱儲(chǔ)異常區(qū)的判定。高東東（2010）還對(duì)SiO2的形成條件進(jìn)行了研究，認(rèn)為在CO2氣體參與硅酸鹽礦物水解下，產(chǎn)生可溶SiO2；從水化學(xué)平衡理論與方法可以較好的用于研究地下水所處的水文地球化學(xué)環(huán)境以及判斷SiO2的來源和礦物溶解過程。對(duì)于SiO2的測定，一些學(xué)者也提出了更精確的測定方法和改進(jìn)的步驟，如彭瑞林（1992）提出在現(xiàn)

18、有條件下對(duì)原始水樣進(jìn)行現(xiàn)場稀釋使存在聚合的非晶形二氧化硅得到重新溶解的方法。除此之外，地?zé)崴械奈⒘吭剡€有As，劉虹（2009）等學(xué)者在對(duì)云南騰沖地區(qū)的地?zé)崃黧w進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在溫泉水中的As含量較高，而且以三價(jià)砷的形式為主，在對(duì)各微量元素進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，As與Pb具有良好的相關(guān)系數(shù)，可見這兩種元素具有相似的化學(xué)特征。海相碳酸鹽巖中普遍含有Sr元素，當(dāng)?shù)叵滤c海相碳酸鹽巖接觸過程中，巖石中的鍶元素以鍶離子形式進(jìn)入地下水中，由于徑流條件不同，水巖接觸時(shí)間不同，使得地下水中的鍶離子濃度也不同，而巖溶水中普遍含有鈣離子，因此Sr2+/Ca2+可反映地下水的形成和徑流條件（阮傳俠，2010）。2

19、.2.3氣體特征地下熱水中的氣體組分相對(duì)來說研究較少，地下熱水中氣體組分的研究主要以氡氣為主，部分熱水樣中可能還存在著CO2氣體，H2S，CH4氣體以及惰性氣體He，地?zé)崃黧w中的He同位素對(duì)于判斷地?zé)崃黧w的成因就有重要意義，一般來說，地幔，地殼和空氣中3He/4He比值具有各自的特征，因此，對(duì)地?zé)崃黧w中3He/4He的測量可以推斷地?zé)崃黧w的熱源機(jī)制。H2S氣體一般在水中賦存有大量硫酸鹽以及在脫硫細(xì)菌的作用下才會(huì)產(chǎn)生（李婷，2013），甲烷只有在富含有機(jī)質(zhì)的還原環(huán)境中才會(huì)出現(xiàn)，因此熱水中較常出現(xiàn)的氣體組分為氡與CO2氣體。水中的氡往往作為一種放射性元素來進(jìn)行研究，在卡斯特地區(qū)（子濤，2012）及

20、溫泉分布地區(qū)（王燮華，1989）的氡氣研究走在前沿，熱水中的氡與圍巖介質(zhì)的巖性（呂慧進(jìn)，2002）和特定的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)具有密切的關(guān)系，在花崗巖和斷裂帶（任玲，2014）附近的熱水含有較多的氡含量，在水流動(dòng)過程中溶解進(jìn)熱水中，長期在含氡溶洞內(nèi)工作或洗浴含氡的溫泉（王燮話，1999；畢治英，2001）會(huì)對(duì)人體造成傷害。地下水中CO2氣體的來源有5種成因類型（閆志為，2003），最主要的來源為大氣溶解于水中的CO2，生物的呼吸作用產(chǎn)生的CO2以及水和土壤中的微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生，對(duì)于地下熱水來說，深部熱源造成碳酸鹽巖或礦物變質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2和現(xiàn)代火山活動(dòng)地區(qū)和深大斷裂區(qū)直接來自巖漿分泌產(chǎn)生的CO2

21、這兩種情況的可能性比較大，因此通過對(duì)水中和土壤中氡氣的測量能夠反映地下熱水的控制構(gòu)造，確定地下熱水的有利遠(yuǎn)景區(qū)（劉菁華，2009）。趙珂（2005）等學(xué)者認(rèn)為，地?zé)崴械腃O2氣體與溫泉所處的地質(zhì)構(gòu)造有明顯的關(guān)系，在對(duì)滇東斷裂帶上的溫泉進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，水中CO2含量的多少與斷裂的深部構(gòu)造與地?zé)崃骰顒?dòng)的差異有關(guān)。此外，通過運(yùn)用水中CO2中13C和HCO3-中13C的比值，可以判斷水中CO2氣體的來源。第三章 水巖相互作用對(duì)于地?zé)崃黧w的水巖相互作用，從現(xiàn)有的研究情況來看，主要是從各組成礦物的元素的角度出發(fā)，或運(yùn)用化學(xué)模擬軟件，如PHREEQC，WATCH（柴蕊，2006）等來計(jì)算各礦物的飽和指數(shù)，

22、或運(yùn)用一些離子比值來判斷相關(guān)礦物的地球化學(xué)過程。地?zé)崴乃畮r相互作用程度通常由熱水中Na-K-Mg平衡圖解來進(jìn)行判定，以馬瑞（2007）對(duì)太原熱水的研究為例，可以看到平衡圖解可以分為三個(gè)部分，完全平衡，部分平衡和非平衡的水，這種判斷平衡的依據(jù)主要是根據(jù)鈉長石與K+離子的置換生成鉀長石和Na+的過程以及鉀長石與Mg2+在水的作用下生成云母和綠泥石這兩個(gè)平衡反應(yīng)，因此，這三種離子的平衡圖解并不能完全代表熱水與巖石的相互作用，還需借助其他組分的含量來判別。除了Na-K-Mg平衡圖解外，判斷水巖相互作用的指標(biāo)，Giggenbach還提出了Na-K-Mg-Ca圖解來判斷水巖作用平衡，楊雷（2010）等在

23、對(duì)重慶市斷裂帶溫泉的研究中發(fā)現(xiàn)，所有的水樣均為未成熟水，與Na-K-Mg平衡圖解的結(jié)果是一致的。 圖 Na-K-Mg平衡圖解 除了Na-K-Mg平衡圖解外，判斷水巖相互作用的指標(biāo)還有各元素的離子比值，如Ca2+/Na+，Mg2+/Na2+ 等（黃平華，2010），顏世強(qiáng)（2007）等在對(duì)山東德州凹陷地下熱水的水文地球化學(xué)演化過程中，運(yùn)用平均化學(xué)特征系數(shù)：rNa/rCl=1.14，大于海水系數(shù) 0.8；rSO4/rCl=0.2，rCa/rMg=2.9, rCl/rBr=3111, r （HCO3+SO4）/rCl=0.26，均大于海水系數(shù)，反映了地下熱水具有大陸溶濾水的特征。以及根據(jù)元素的組成利

24、用PHREEQC軟件計(jì)算出的各種巖石的礦物飽和指數(shù)（張萌，2014）。Phimmer等(1988)認(rèn)為當(dāng)SI-0.5時(shí)溶液為未飽和狀態(tài)，礦物仍然能夠溶解；而SI=0吋溶液處于飽和狀態(tài)，礦物溶解和沉淀到達(dá)平衡；當(dāng)SI0.5時(shí)，溶液為過飽和狀態(tài)，多余的礦物將會(huì)沉淀析出。通常情況下，地下熱水與地下冷水的系統(tǒng)并不會(huì)有相互影響，但在特定情況下，地下熱水也可能造成對(duì)地下水飲用水的污染。J. Wurl等通過對(duì)圣胡安的地下含水層研究發(fā)現(xiàn)，飲用地下水的污染并不是來自海水，通過對(duì)地下水的組分對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其污染源來自于地下熱水。第四章 熱水中同位素分析地下熱水的同位素分析是了解地下熱水形成機(jī)制以及補(bǔ)徑排條件的一大

25、有力手段，對(duì)于地下熱水中同位素的分析，包括13C，14C，氫氧同位素特征等。氫氧同位素（18O，D）特征是地?zé)崴凰胤治鲋羞\(yùn)用最廣泛地一種同位素分析手段，各個(gè)研究者對(duì)地下熱水的補(bǔ)給來源往往依靠研究區(qū)內(nèi)氫氧同位素的比值與全球大氣降水線進(jìn)行比較，從而得出熱水的補(bǔ)給來源來自于大氣降水的結(jié)論，如張群利（2011）等對(duì)滎鞏礦區(qū)巖溶地下水的研究，袁建飛（2013）對(duì)廣東沿海地下熱水的研究，陳軍峰（2006）等對(duì)太原交城縣玄中寺地?zé)崴瘜W(xué)的研究等等。除此之外，氫氧穩(wěn)定同位素的比值還具有一定的指示意義（張保健等，2009），可以計(jì)算地下熱水的補(bǔ)給高程，補(bǔ)給高程的計(jì)算能夠判斷出地?zé)崃黧w的補(bǔ)給范圍。吳孔軍（20

26、10）等在對(duì)鄭州市地?zé)崃黧w的研究中，利用氫氧同位素計(jì)算出的地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程結(jié)合周圍地區(qū)的地形高度，認(rèn)為鄭州市西南低山丘陵區(qū)主要為鄭州市區(qū)中深層、深層、超深層地下水的補(bǔ)給區(qū)。此外，從氫氧同位素的比值還可以判定地?zé)崃黧w中凈熱水與冷水的混合比例（馬致遠(yuǎn)等，2005）。此外，氚同位素T也可運(yùn)用在地?zé)崃黧w的循環(huán)交替過程中，杜毓超（2011）等在對(duì)滇西潞西盆地的地?zé)崃黧w研究中通過T含量及過量參數(shù)的測量，認(rèn)為該地區(qū)的地?zé)崃黧w的熱水循環(huán)速度較慢且與地表水的聯(lián)系較少，而大斷裂附近的溫泉中T的含量則較高。13C同位素主要用來確定地?zé)崃黧w的熱源特征，鄧紫娟（2009）在對(duì)熱海地?zé)崽餃厝蠧O2氣體的研究中發(fā)現(xiàn)，T

27、DC的13C值在瑞利去氣或絕熱沸騰去氣過程中都會(huì)降低，得出深部熱儲(chǔ)來源明顯具有幔源碳的特征。同時(shí)發(fā)現(xiàn)水中13C-TDC與騰沖火山區(qū)斷裂帶和中更新世英安巖分布有很好的空間相關(guān)性。14C主要用來測定古地下熱水的年齡，同時(shí)需要結(jié)合不同的條件選取合適的校正模型，由于地?zé)崴男纬蓹C(jī)制的緣故，地?zé)崴?4C的年齡一般較大，說明其補(bǔ)給與循環(huán)的速度較為緩慢，李峻峰（2008）等學(xué)者認(rèn)為通過這種年齡的差距可以判斷地下熱水的流動(dòng)方向，這一點(diǎn)還值得商榷；對(duì)于現(xiàn)代水年齡的測量以及與現(xiàn)代水的相互影響，一般用3H來判斷。于湲（2006）Sr同位素同樣可以用來判斷地?zé)嵯到y(tǒng)的開放程度及水巖相互作用程度，徐國芳（2013）等利用

28、地下熱水Sr 含量及87Sr/86Sr比值，對(duì)關(guān)中盆地深層地下熱水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)地下熱水類型可分為循環(huán)型地?zé)崴?、半循環(huán)半封存性地?zé)崴拖鄬?duì)封存型地?zé)崴５谖逭?地?zé)崃黧w的成因機(jī)制地?zé)豳Y源是地球熱能在地殼淺部歷史的賦存，能夠富集和儲(chǔ)存地?zé)崮?，并使熱流體作對(duì)流運(yùn)動(dòng)的地下場所稱地?zé)醿?chǔ)，熱儲(chǔ)特征包括圖巖和儲(chǔ)熱巖體的產(chǎn)狀和性質(zhì)、構(gòu)造控制因素、熱源性質(zhì)、水熱傳輸系統(tǒng)和埋藏產(chǎn)出條件（田廷山等，2006）。按照水熱傳輸方式和地?zé)嵯到y(tǒng)所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，劃分為沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)醿?chǔ)和隆起山地?cái)嗔褜?duì)流型地?zé)醿?chǔ)。在對(duì)地?zé)醿?chǔ)的概念有了一定了解之后，對(duì)于地?zé)崃黧w的成因機(jī)制就有了大概的判斷。上官志冠（1999）等在

29、對(duì)云南騰沖地區(qū)的地?zé)崃黧w的研究具有代表性，云南地區(qū)的地?zé)崃黧w成因可以分為兩類，第一類地?zé)崃黧w的熱源來自于火山噴發(fā)活動(dòng)和現(xiàn)代幔源巖漿侵入活動(dòng)，這種幔源生熱的機(jī)制還與地殼深部的放射性元素有關(guān)（張百鳴，2006）；第二類地?zé)崃黧w的熱源則屬于構(gòu)造活動(dòng)，從上述的地?zé)豳Y源的特征也可以發(fā)現(xiàn)，地?zé)崃黧w的空間分布與熱源往往與大地構(gòu)造有很大的關(guān)系。地下水在向深部流動(dòng)的過程中在地?zé)嵩鰷氐淖饔孟滦纬傻責(zé)崃黧w（舒澤宣，2013），而這種流動(dòng)的通道往往以大的斷裂構(gòu)造有關(guān)，并且斷裂開啟的熱儲(chǔ)層極大的影響了地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征（阮傳俠等，2010）。王澤龍（2006）等對(duì)北京地下熱水的成因機(jī)制分析認(rèn)為研究區(qū)地下熱水分成兩個(gè)部

30、分，除了在大斷裂附近與深部熱源溝通外繼續(xù)向深部的基巖儲(chǔ)層運(yùn)移外，還有一部分向碳酸鹽巖巖溶排泄。對(duì)地?zé)崃黧w成因機(jī)制的分析，除了根據(jù)地?zé)崃黧w所處的熱儲(chǔ)層及大地構(gòu)造情況外，還需運(yùn)用一系列的水文地球化學(xué)手段來判斷，并進(jìn)一步判斷地?zé)崃黧w的流動(dòng)特征。龐海（2010）等在對(duì)該區(qū)地質(zhì)背景、熱儲(chǔ)特征、同位素、地?zé)岢梢虻冗M(jìn)行了綜合分析，對(duì)熱源的來源和熱儲(chǔ)的特征有了進(jìn)一步的了解。閆華（2013）利用87Sr/86Sr 比值進(jìn)一步明確了研究區(qū)熱儲(chǔ)流體接受補(bǔ)給時(shí)的方向及路徑，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)熱儲(chǔ)流體中多種同位素水文地球化學(xué)特征及盆地沉積演化史的研究成果提出研究區(qū)深部熱儲(chǔ)流體存在殘存陸相沉積水的可能性，并對(duì)研究區(qū)深部熱儲(chǔ)流

31、體的成因類型進(jìn)行了劃分。從上述分析可以看出，對(duì)于大部分的地?zé)崃黧w成因模式可以概括如下（White，1968）：首先地?zé)崃黧w的水分補(bǔ)給來源一般為大氣降水，降水在入滲補(bǔ)給的過程中沿?cái)嗔褞У牧严断蛏畈繜醿?chǔ)層運(yùn)移，活動(dòng)斷裂及深部構(gòu)造對(duì)區(qū)內(nèi)熱水活動(dòng)有明顯的控制作用（劉昭，2014），并在此過程中逐步加熱，當(dāng)經(jīng)過長距離的運(yùn)移后遇到斷裂帶或阻礙然后排泄出來（葉咸，2013；周立岱，2005）。第六章 地球化學(xué)溫標(biāo)的計(jì)算地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算地球深部地?zé)崃黧w的熱儲(chǔ)溫度是進(jìn)行地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的必須部分，在地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范中做出了明確的要求，各種地球化學(xué)溫標(biāo)建立的基礎(chǔ)是地?zé)崃黧w與礦物在一定溫度條件下達(dá)到化學(xué)平衡，在隨后地?zé)?/p>

32、流體溫度降低時(shí)這個(gè)平衡會(huì)仍予保留（王奎峰，2014）?？偟膩碚f，地球化學(xué)溫標(biāo)有以下幾種，分別適用于不同的條件，往往要根據(jù)地?zé)崃黧w的實(shí)際溫度進(jìn)行選擇，在地?zé)豳Y源調(diào)查規(guī)范的要求下選取溫標(biāo)計(jì)算應(yīng)滿足其標(biāo)準(zhǔn)。表 部分常用地?zé)釡貥?biāo)一覽表（朱思萌，2014）編號(hào)地?zé)釡貥?biāo)類型溫標(biāo)表達(dá)式A1石英溫標(biāo)T=1315/(5.205-lgSiO2)-273.15A2石英溫標(biāo)（無蒸汽損失）T=1309/(5.19-lgSiO2)-273.15A3石英溫標(biāo)（100下最大蒸汽損失）T=1522/(5.75-lgSiO2)-273.15A4玉髓溫標(biāo)T=1032/(4.69-lgSiO2)-273.15B1Na-K溫標(biāo)T=12

33、17/lg(Na/K)+1.483-273.15B2Na-K溫標(biāo)T=933/lg(Na/K)+0.993-273.15B3Na-K溫標(biāo)T=1390/lg(Na/K)+1.75-273.15B4Na-K-Ca溫標(biāo)T=1647/lg(Na/K)+0.25(lg(Ca0.5/Na)+2.06)+2.07-273.15B5K-Mg溫標(biāo)T=4418/13.98-lg(K2/Mg)-273.15B6Na-Li溫標(biāo)T=1590/lg(Na/Li)+0.779-273.15B7Mg-Li溫標(biāo)T=2200/lg(Mg0.5/Li)+5.47-273.15通常情況下，對(duì)于同一組水樣來說，運(yùn)用不同的溫標(biāo)計(jì)算往往存在

34、不同的深部熱儲(chǔ)值，K-Mg地?zé)釡貥?biāo)由于對(duì)溫度的反映速度較快（王奎峰，2014），適用于低溫地?zé)嵯到y(tǒng)，而Na-K地?zé)釡貥?biāo)對(duì)于溫度的變化反映較為緩慢，因此可以作為對(duì)比值來進(jìn)行驗(yàn)證。石英和玉髓地?zé)釡囟扔?jì)分別適用于計(jì)算深、淺層的熱儲(chǔ)溫度（趙平等，1998）。所以，對(duì)于地球化學(xué)溫標(biāo)的選取，根據(jù)其原理還應(yīng)該計(jì)算熱水中各組分的平衡程度（王瑩，2007），通常情況下，可利用Na-K-Mg平衡圖解來判斷熱水的平衡程度。此外，除了利用地?zé)釡貥?biāo)來評(píng)價(jià)區(qū)域地?zé)豳Y源的潛力之外，還可以用于地?zé)岙惓У呐袛啵ê钣裥拢?002），在時(shí)空分布的特點(diǎn)上查明地?zé)岱植紟У囊?guī)律。第七章 總結(jié)從上述的地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征分析及地?zé)崃黧w的

35、成因分析來看，有以下幾點(diǎn)結(jié)論與建議：1）從水化學(xué)類型的分布特征來看，各研究者在確定了各水樣點(diǎn)的水化學(xué)類型后，并沒有確定的從水平空間上確定其分布特征，地?zé)崃黧w在垂直帶上具有不同的特征，因此，對(duì)地?zé)崃黧w特征的三維立體模擬可以進(jìn)一步確定地?zé)崴乃瘜W(xué)分布特征。2）對(duì)于地?zé)崃黧w的研究，在物探等手段上還需進(jìn)一步加強(qiáng)，來了解地?zé)崃黧w的水動(dòng)力特征，運(yùn)用地震波和地磁法等手段可以直觀的了解地下流體的運(yùn)動(dòng)特征，可以更好的反映地?zé)崃黧w的水巖相互作用的過程與程度。3）對(duì)于地?zé)崃黧w的成因機(jī)制分析，當(dāng)前運(yùn)用的手段方法有很多，如同位素示蹤，但更多的是根據(jù)地?zé)崃黧w所處的地質(zhì)環(huán)境特征來判斷，因此除了加強(qiáng)物探手段外，對(duì)于同位素特

36、征的應(yīng)用還需進(jìn)一步了解其機(jī)理，如運(yùn)用氫氧同位素時(shí)不能僅僅廣泛的認(rèn)為其地?zé)崴a(bǔ)給來源來自大氣降水，還需對(duì)氫氧同位素的指示意義做進(jìn)一步的研究。4）在水巖相互作用的過程中，除了對(duì)各礦物的飽和指數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算來判斷礦物的平衡程度外，更重要的是聯(lián)系水樣點(diǎn)的實(shí)際地質(zhì)條件，更多的用一些礦物學(xué)的方法從更微觀的角度來判別熱水中的水文地球化學(xué)過程。參考文獻(xiàn)1馬致遠(yuǎn),范基嬌,蘇艷,牛光亮. 關(guān)中南部地下熱水氫氧同位素組成的水文地質(zhì)意義J. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,01:41-46.2徐國芳,馬致遠(yuǎn). 鍶同位素演化對(duì)深層地下熱水的指示意義J. 地下水,2013,04:20-23.3張保建,徐軍祥,馬振民,沈照理

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