關(guān)中盆地地下熱水環(huán)境同位素分布特征及其環(huán)境意義

關(guān)中盆地地下熱水環(huán)境同位素分布特征及其環(huán)境意義

0熱水賦存環(huán)境環(huán)境相位可用于研究地下熱水的補充、循環(huán)及其儲存環(huán)境。地下熱值（d）的變化主要取決于地下熱的接受環(huán)境條件和補充高度。此外，混合的影響也有一定的影響。（18o）的變化不僅與d（d）相同，而且主要取決于地下熱和圍巖之間的交換程度。（13c）主要提供有關(guān)加熱起源的2號和hco-3的熱水信息。通過分析so2422-s（34s），我們可以區(qū)分回收水環(huán)境的開放程度。14c測量顯示了熱水儲存時間的寶貴信息。故此,環(huán)境同位素技術(shù)是一種不可替代的地球深部地?zé)崃黧w起源、成因及其運動循環(huán)的有效工具。近年來,隨著關(guān)中地?zé)岬拈_發(fā)利用,對盆地地下熱水已有相當(dāng)程度的研究,然而,系統(tǒng)研究關(guān)中盆地地下熱水各類環(huán)境同位素分布特征尚屬首次。1神開帶—研究區(qū)背景關(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′~110°30′、北緯33°39′~35°50′間,總體似半個彎月橫亙于陜西省中部(圖1)。受熱源和構(gòu)造影響,盆地溫泉和地溫異常分為3個帶:盆地北部邊緣斷裂地下熱水分布帶;盆地南部邊緣斷裂地下熱水分布帶;咸陽—西安地下熱水分布帶。作為主干斷層的盆地南北緣斷裂帶,控制著盆地現(xiàn)今的伸展擴展。盆地主控構(gòu)造將盆地分為6個構(gòu)造斷塊。關(guān)中盆地莫霍面呈北東向展布,在西安凹陷和固市凹陷形成兩個橢圓形局部隆起區(qū),在西安凹陷莫霍面埋深約33km,固市凹陷莫霍面埋深約30km。盆地中部渭河斷裂帶由巨厚的新生界沉積物覆蓋,其熱儲溫度與盆地周邊相比較高,最高溫度可達120℃。2地下熱水的補給、徑流分布及特性根據(jù)實測同位素資料繪制的關(guān)中地區(qū)主要熱儲層新近系藍田灞河組地下熱水的δ(D)、δ(18O)分布等值線圖見圖2、3。圖2中研究區(qū)主要熱儲層藍田灞河組地下熱水δ(D)值從盆地周邊向盆地中部呈下降趨勢。如盆地南部眉縣湯峪、西部寶雞、東部華陰、北部渭河北岸碳酸鹽巖熱儲流體的δ(D)皆呈現(xiàn)高值。與此對應(yīng),熱儲流體中δ(D)值在西安凹陷中心部位最低,并沿西安凹陷呈現(xiàn)半圈閉態(tài)勢,提示西安凹陷中部熱儲流體接受補給時的溫度較低,或在相同氣候條件下的補給來源于高海拔處。值得注意的是盆地?zé)醿α黧w的δ(D)值以固市凹陷中部渭南市為中心形成高值封閉區(qū),指示δ(D)在固市凹陷發(fā)生明顯氘漂移,可能存在相對封閉環(huán)境下H2S及CH4氣體與高溫流體中氘的同位素交換作用。與圖2西安凹陷地下熱水δ(D)的低值相對應(yīng),圖3中熱儲流體的δ(18O)值在盆地中部西安凹陷及固市凹陷中部渭南市呈高值半封閉分布,顯示地下熱水中的δ(18O)在盆地中部西安、固市凹陷處發(fā)生明顯漂移,形成δ(18O)兩個高峰區(qū),與關(guān)中盆地地幔隆起區(qū)相吻合。圖4更清晰地反映了研究區(qū)地下熱水δ(18O)、δ(D)的分布特征。西安、咸陽熱水樣點的δ(D)值分別與盆地秦嶺山前、渭北熱水相似,推測秦嶺山前與西安城區(qū)熱水、渭北熱水與咸陽熱水分別為同一系統(tǒng),存在共同的補給來源,水化學(xué)資料圖5、6支持了這一推斷。根據(jù)同位素補給高程計算,咸陽地下熱水源自700~1023m高處,對應(yīng)于渭北北山;西安熱水源自1510~2812m,對應(yīng)于秦嶺北麓。根據(jù)氫氧同位素與溫度關(guān)系計算,研究區(qū)地下熱水接受補給時的溫度比常溫水低7℃~14℃,估計為末次冰期高山雪水補給。δ(18O)富集漂移現(xiàn)象在圖4中尤為顯著。圖4表明,研究區(qū)內(nèi)周邊地區(qū)地下熱水樣點皆分布在關(guān)中大氣降水線附近,表明關(guān)中盆地的地下熱水由大氣降水補給。咸陽和西安地下熱水氧同位素嚴(yán)重偏離大氣降水線,發(fā)生了明顯的O18漂移,揭示咸陽和西安城區(qū)與現(xiàn)代循環(huán)水較少有聯(lián)系,熱儲環(huán)境較為封閉,因此地下熱水與圍巖之間水巖反應(yīng)強烈。根據(jù)δ(18O)漂移程度與Cl-含量,可將盆地地下熱水分類(圖7)。這里以Cl-的對數(shù)為y軸,以δ(18O)含量為x軸,A點代表淺部較為活躍的現(xiàn)代水,B點表示盆地周邊地區(qū)的循環(huán)型熱水,C點表示盆地腹部西安、咸陽的地壓地?zé)崃黧w(封存型熱水),AB線表征循環(huán)型熱水類型,從A→B,現(xiàn)代水所占比例減小,溫度增高;BC線表征高溫高壓的封閉型熱水類型,從B→C,水巖作用加強,與現(xiàn)代水連通程度減弱,封閉程度增大。而處于混合三者內(nèi)部的水點,是A、B、C3點作用的結(jié)果,表征兩種類型熱水的混合。由圖5可知,盆地中部咸陽、西安相對封閉,Cl-含量較高,18O與熱水中溶解的含氧組分交換幾率較大,18O漂移顯著。影響關(guān)中盆地地下熱水氧同位素漂移的主要影響因素有埋藏深度、溫度、滯留時間、地質(zhì)條件。由圖8~11可見,熱水井埋深越深,溫度越高,熱水年齡越長,地質(zhì)條件越封閉,δ(18O)愈富集。故而,熱儲埋深、溫度、封存狀況和滯留時間是δ(18O)在盆地中部富集的主要原因。314地下水徑流滯流區(qū)關(guān)中地區(qū)地下熱水14C年齡在秦嶺山前及西部出現(xiàn)最小值,揭示盆地南部為來水方向;關(guān)中盆地中部14C年齡多為2.4×104a年以上,流速緩慢,最大流速2.5m/a,為地下水徑流滯流區(qū),接受南、西兩個方向的匯流補給(圖12)。關(guān)中盆地中部熱水14C年齡普遍偏大的主要因素是埋深較深,由圖11可知,咸陽—西安一帶的地下水埋深較盆地周邊地區(qū)深,多為400~1600m,埋深與其14C年齡成正比。地下熱水在西安、咸陽一帶年齡偏大,推測在此區(qū)域進行了深部循環(huán),地下水滯留時間長,是水巖的強烈反應(yīng)區(qū),滯留區(qū)內(nèi)水巖反應(yīng)改變了熱水的同位素組成,地?zé)醿又刑妓猁}的溶解對地?zé)崴械摩?18O)、HCO-3、δ(13C)增加有明顯的貢獻。413不同盆地中3.3地下熱水分布關(guān)中盆地周邊到關(guān)中盆地中部的地下熱水中δ(13C)值逐漸增大(圖13)。13C是跟蹤地下水中碳酸鹽演化的示蹤劑,地下熱水13C的變化取決于不同的碳來源及地下熱水系統(tǒng)開放程度。如果溶解發(fā)生在完全開放的系統(tǒng)條件下,δ(13C)將基本由土壤的CO2控制;反之,溶解發(fā)生在完全封閉的條件下,δ(13C)則主要來自碳酸鹽礦物源DIC的溶解,因此δ(13C)可提供地下熱水的補給條件。圖13為關(guān)中盆地地下熱水中13C的分布情況,圖中顯示從盆地周邊至盆地中部,地下熱水δ(13C)值逐漸增大,其變化值為-2.541‰~-11.976‰,在西安凹陷處達到最大值。地下熱水δ(13C)值這一演化趨勢,可解釋為δ(13C)隨井深增加,封閉性加劇,水巖反應(yīng)強烈,碳源以熱液碳酸鹽礦物溶解稀釋為主,盆地中部δ(13C)值達-4.497‰,接近海相碳酸鹽δ(13C)值與O18呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系(圖14~17),揭示盆地中部地下熱水中13C的碳源以圍巖封閉環(huán)境中熱液碳酸鹽礦物溶解為主。534s值根據(jù)34S資料繪制關(guān)中地區(qū)地下熱水δ(34S)分布等值線圖(圖18)。圖18顯示關(guān)中地區(qū)地下熱水δ(34S)分布,與其他環(huán)境同位素特征一樣,δ(34S)值仍然呈現(xiàn)出中部相對富集、周邊盆地貧化的特征。這是由于盆地中部熱水取樣深度較大,條件較為封閉。硫酸鹽還原作用加強導(dǎo)致了SO2?442-中的δ(34S)富集。SO2?442-中δ(34S)富集的趨勢與δ(18O)富集的趨勢一致(圖19)。圖20δ(34S)樣點中,絕大部分含H2S氣體、CH4及I、Br成分,揭示地下熱水中δ(34S)的來源可能為富含有機質(zhì)沉積物的封閉環(huán)境下硫酸鹽的還原作用所致。6地?zé)崴a給區(qū)水巖反應(yīng)強烈,氧同位素特征明顯綜上所述,關(guān)中盆地地下熱水中環(huán)境同位素δ(18O)、δ(D)、δ(13C)、δ(14C)、δ(34S)的分布除δ(D)外均呈現(xiàn)中部富集、周邊貧化趨勢,指示地表1500m以下關(guān)中盆地中部西安凹陷地區(qū)地下熱水賦存環(huán)境相對封閉;地下熱水滯留時間較長(13985~27966a),以碳酸鹽礦物溶解為主的水巖反應(yīng)強烈。δ(D)在盆地中部的貧化指示地下熱水接受補給時的溫度較常溫水偏低。據(jù)計算,熱水接受補給時溫度比常溫水低7℃~14℃。關(guān)中盆地地下熱水主要由大氣降水補給,氧同位素由秦嶺山前向盆地內(nèi)部逐漸富集,隨井深滯留時間成正相關(guān),據(jù)此判斷,盆地中部西安咸陽地?zé)崴a給區(qū)分別來源于秦嶺及北山。13C、14C表現(xiàn)為氧同位素相同的變化趨