潮間帶地?zé)崽锼瘜W(xué)特征及成因機(jī)制分析

劉潤方,李 理

(長江巖土工程有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

廣東省地?zé)豳Y源豐富,近年眾多學(xué)者集中對(duì)地?zé)崽镩_展了水化學(xué)特點(diǎn)和成因機(jī)制等研究工作[1-3]。國內(nèi)外目前的研究方法主要有水化學(xué)特征元素法、同位素法和特征元素比例系數(shù)法等[4-7]。張光輝等利用同位素手段對(duì)黑河流域地下水的補(bǔ)、徑、排的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究[8]。馮建偉等利用地下水水化學(xué)特征和代表性礦物離子演化特性對(duì)西非凱凱水電站地下水水化學(xué)特征及演化趨勢研究[9]。李鷺運(yùn)用水化學(xué)特征系數(shù)法對(duì)江西省部分溫泉的起源、熱水年齡、水化學(xué)特征等方面進(jìn)行了研究[10]。高勝強(qiáng)等通過針對(duì)Na,Cl,Ca,Mg等特征元素不同組合的比例系數(shù)分析和87Sr,86Sr同位素含量及其比例系數(shù)的分析,得到了明月山地區(qū)地?zé)崴奈镔|(zhì)來源和后期演化特點(diǎn)[11]。李靜榮等通過分析δD,δ18O,14C,δ13C和3He /4He等多種同位素,全面認(rèn)識(shí)了碳酸泉形成過程[12]。

前人研究普遍認(rèn)為,廣東地區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)是在正常或略為偏高的區(qū)域熱背景下形成的中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)[13],即地下水通過發(fā)育的斷層深循環(huán)對(duì)流傳熱[14-15],而沿海地?zé)嵋部赡茉从诤Ｋ甗16]。

一般前人針對(duì)地?zé)崴难芯?僅通過水化學(xué)特點(diǎn)定性分析了地?zé)崴梢驒C(jī)制[17-19],對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)規(guī)劃的參考價(jià)值有限。廣東省江門臺(tái)山汶村地?zé)崽镢@孔熱水日涌量達(dá)300～500 t/d,儲(chǔ)量豐富,地?zé)豳Y源潛力巨大,但仍尚未被開發(fā)利用。本文在定性分析地?zé)崴瘜W(xué)特點(diǎn)和成因機(jī)制的基礎(chǔ)上,利用氫氧同位素[20]定量計(jì)算了汶村地?zé)崴胁煌竟?jié)淡水、咸水的混合比例,并估算了研究區(qū)地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度,為各行業(yè)合理開發(fā)利用汶村地?zé)豳Y源提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

研究區(qū)位于汶村鎮(zhèn)南部鎮(zhèn)海彎及海晏之間的海漫灘,東鄰珠海特區(qū),北靠江門,西連開平、恩平、陽江三市,南臨南海。研究區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候,溫濕多雨,水系發(fā)育,河流呈樹枝狀,具有明顯的夏雨型和暴漲暴落特征。區(qū)域年最高氣溫36.9 ℃,最低氣溫-0.1 ℃;年平均降雨量2 297.3 mm,降雨不均。

1.2 地質(zhì)概況

圖1 區(qū)域地質(zhì)示意Fig.1 Regional geological overview

區(qū)內(nèi)的地下水總體自北部山區(qū)匯流補(bǔ)給,沿山區(qū)至平原區(qū)為徑流,最終向南部濱海區(qū)排泄。研究區(qū)發(fā)育近南北走向斷裂,是地下水的深部循環(huán)通道,為地?zé)崴男纬?、運(yùn)移和出露提供水文地質(zhì)條件。

2 地下水水化學(xué)特征

2.1 水樣分布與采集

本文針對(duì)研究區(qū)地?zé)徙@孔開展多次水樣采集工作,并進(jìn)行室內(nèi)全分析試驗(yàn),鉆孔位置分布見圖2。

圖2 鉆孔位置分布示意Fig.2 Borehole location distribution map

2.2 化學(xué)組分含量特征

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果,研究區(qū)地下水化學(xué)組分含量見表1。

表1 地下水水化學(xué)組分含量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of chemical composition content of groundwater

圖3 地下水Piper三線圖Fig.3 Piper three-line diagram of groundwater

地?zé)崴妼?dǎo)率達(dá)14 ms/cm以上,一方面由于熱水由深部地?zé)崃黧w通過斷裂帶上升而來;另一方面也由于其受海水侵襲的影響較大。地?zé)崴蠧a2+含量達(dá)600～800 mg/L,遠(yuǎn)高于海水、雨水和地下淡水中Ca2+含量。與此同時(shí),地?zé)崴蠱g2+,Na2+含量遠(yuǎn)低于海水。這是因?yàn)榈責(zé)崴扰c海水混合,使Mg2+,Na+含量增大,后又與巖層經(jīng)歷陽離子交換吸附的作用,熱水中的Mg2+,Na+被巖層中Ca2+交換,導(dǎo)致熱水中的Mg2+,Na+的含量低于海水,Ca2+含量高于海水。

地?zé)崴蠯+,SiO2含量遠(yuǎn)高于海水,這是由于研究區(qū)地層為花崗巖,其所含主要礦物為鉀長石(K2O·Al2O3·6SiO2)和石英,含量分別達(dá)25%～58%、8%～28%。高溫流體流經(jīng)花崗巖巖層時(shí)溶濾含鉀硅酸鹽或石英,使K+,SiO2含量增高。花崗巖Sr2+,F-含量較一般沉積巖高,所以地?zé)崴蠸r2+,F-的含量也有同樣特點(diǎn)。

綜上,研究區(qū)地?zé)崴疄镹a-Cl型水,受海水、降雨和地表淡水等的混合作用,并在徑流過程中經(jīng)歷水-巖相互作用。

3 地?zé)崴梢驒C(jī)制和混合作用分析

3.1 地?zé)崴斫M分離子比例系數(shù)分析

根據(jù)水化學(xué)試驗(yàn)成果繪制不同組分間的離子比例系數(shù),見圖4。

注:水平線表示一般海水或與海水相關(guān)的沉積水中的離子比例系數(shù)。圖4 地?zé)崴瘜W(xué)離子比例系數(shù)分布Fig.4 Distribution diagram of chemical ion proportion coefficient of geothermal water

(1) Cl/Br系數(shù)。Cl/Br為地下水中Cl,Br質(zhì)量濃度比值,是判定地下水鹽分來源的重要依據(jù),尤其是在區(qū)分陸相蒸發(fā)源和海相源方面[21]。大洋水中的Cl/Br一般約為300[22]。淡水的Br-含量低,Cl/Br一般大于880。由圖4可知,本區(qū)地?zé)崴瓹l/Br平均值為222,接近300。這說明地?zé)崴芸赡苁怯珊Ｏ喑练e水組成,殘余海水在長期地質(zhì)歷史過程中由于濃縮而產(chǎn)生NaCl沉淀,而溴化物溶解度更大,故殘余海水或海相沉積水Cl/Br<300。

(2)γNa/γCl系數(shù)。γNa/γCl為地下水中Na+,Cl-毫克當(dāng)量濃度比值。海相沉積水中γNa/γCl值一般小于0.85[23]。本區(qū)地?zé)崴肗a/γCl值平均為0.34,小于0.85,與海相沉積水特點(diǎn)相符。

(3) Ca/Sr系數(shù)。Ca/Sr為地下水中Ca2+,Sr2+質(zhì)量濃度比值。當(dāng)海水濃縮產(chǎn)生鹽類沉淀時(shí),SrSO4的沉淀在CaCO3之后,故海水中Ca/Sr系數(shù)較小,鹽類濃縮沉淀后更小,約為33。本區(qū)地?zé)崴瓹a/Sr系數(shù)為34～36。因此可得知汶村地?zé)崴桥c海水沉積有關(guān)的地下熱水。

(4)γMg/γCa系數(shù)。γMg/γCa為地下水中Mg,Ca毫克當(dāng)量濃度比值。海水中Mg含量一般比Ca大,γMg/γCa系數(shù)約為5.5;淡水中Mg含量一般遠(yuǎn)比Ca小,γMg/γCa系數(shù)遠(yuǎn)小于1。因此,γMg/γCa系數(shù)常被用做計(jì)算判斷海水的入侵范圍和程度。本區(qū)地?zé)崴肕g/γCa系數(shù)為0.15～0.26,平均為0.2,小于0.55。這是由于淡水混合的作用,同時(shí)也是由于水-巖相互作用導(dǎo)致熱水中Mg含量降低、Ca含量增加的結(jié)果。

3.2 地質(zhì)條件分析

區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育,對(duì)熱水出露有顯著的控制作用:① 斷層及由斷層形成巖體破碎帶均是地?zé)崴膬?chǔ)存空間;② 熱源可通過深大斷裂從地球深部往地表運(yùn)移。因此,地?zé)釡厝嘌財(cái)嗔褞С蕳l帶狀分布。研究區(qū)發(fā)育北西向斷層f1,包含各次級(jí)斷層,其組合構(gòu)成了汶村地?zé)崽锏膬?chǔ)熱構(gòu)造和運(yùn)移通道。

綜上,汶村地?zé)崴畬俸Ｏ喑练e水,與深部熱源的混合加熱后在上升過程中經(jīng)歷水-巖相互作用,并受到地下淡水和海水混合共同作用,主要補(bǔ)給來源為降雨,主要補(bǔ)給區(qū)為北部及東北部的山區(qū),見圖5。

圖5 汶村地?zé)崴纬蓹C(jī)制概化模型Fig.5 Schematic model of formation mechanism of Wencun geothermal water

3.3 地?zé)崴旌献饔梅治?/h3>

Cl-是地下水中最穩(wěn)定的元素,常用來分析地下水的混合作用及程度。本文對(duì)24 h和1個(gè)水文年內(nèi)的鉆孔地?zé)崴臃治?Cl-含量日變化、年變化分別見圖6,7。

圖6 地?zé)崴瓹l-含量隨潮汐日變化動(dòng)態(tài)Fig.6 Diurnal variation of geothermal water Cl- with tide

圖7 地?zé)崴瓹l-含量年變化動(dòng)態(tài)Fig.7 Dynamic chart of Cl- content of geothermal water with year

由圖6,7可知,研究區(qū)地?zé)崴瓹l-含量與潮汐呈正相關(guān)關(guān)系。在潮汐減小時(shí),Cl-含量減小明顯,但潮汐增大時(shí),Cl-含量增大相對(duì)不明顯。這是由于海水Cl-含量為14 245.91 mg/L,降雨與地下冷水分別為2.87 mg/L和17.39 mg/L,地?zé)崴疄? 500 mg/L 左右,相比海水的咸化作用,淡水稀釋作用更明顯,因此在潮汐增強(qiáng)時(shí),Cl-含量變化相對(duì)不明顯。Cl-含量與降雨量在年內(nèi)呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨降雨量的增加而減少,表明了地?zé)崴械幕旌献饔谩?/p>

3.4 地?zé)崴獭⒌旌媳壤?jì)算

D和18O為水中較為穩(wěn)定的同位素,對(duì)于確定地下水成因類型等具有重要意義。根據(jù)廣州大氣降水方程線,研究區(qū)地?zé)崴畬俅髿饨邓梢騕24-25]。地?zé)崴牡畞碓粗饕獮榻涤?咸水來源為海水、古海水。分別將淡水與咸水作為混合的兩個(gè)端元,地?zé)崴疄閮蓚€(gè)端元混合的結(jié)果,利用δD、δ18O計(jì)算不同端元的混合比例,見表2。

表2 汶村地?zé)崽餆崴畾溲跬凰睾縏ab.2 Hydrogen and oxygen isotope content of hot water in Wencun geothermal field ‰

由于δ18O值受混合作用以外的其他因素影響程度高于δD,本文取δD值作為計(jì)算混合比例的指標(biāo),計(jì)算公式為

δD(淡水)X+δD(海水)(1-X)=δD(地?zé)崴?

式中:X為混入淡水的比例,%;δD(淡水)取值-40.93‰;δD(海水)為研究區(qū)海水中的δD值,取值-23.74‰;δD(地?zé)崴?為研究區(qū)地?zé)崴械摩腄值。

分別取2月、9月水樣氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行咸、淡水混合比例估算,結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知,淡水混合比例高于海水。其中,9月豐水期的淡水混合比例達(dá)77.60%,2月枯水期的淡水混合比例降至58.76%。

表3 汶村潮間帶地?zé)崴c海水混合比例Tab.3 Mixing ratio of geothermal water,fresh water and sea water in Wencun intertidal zone %

4 地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度估算

熱儲(chǔ)溫度一般難以直接測量,常用地?zé)釡貥?biāo)法估算,主要分兩大類:① SiO2地?zé)釡貥?biāo),適用于150 ℃以上熱水;玉髓溫標(biāo)適用于溫度低于150 ℃的低溫?zé)崴?。?陽離子地?zé)釡貥?biāo),適用于水-巖完全平衡的地?zé)崽?常見的有Na-K溫標(biāo)、K-Mg溫標(biāo)等,各溫標(biāo)公式見表4。目前,國內(nèi)外常用Na-K-Mg三角圖判斷水-巖平衡樣點(diǎn),見圖8。由圖8可知,研究區(qū)地?zé)崴幱诓糠制胶鈪^(qū),更適宜采用石英溫標(biāo)或玉髓溫標(biāo)估算。

表4 地?zé)釡貥?biāo)公式Tab.4 Geothermal temperature scale formula

圖8 地下水Na-K-Mg三角圖Fig.8 Na-K-Mg triangle diagram of groundwater

根據(jù)不同鉆孔水樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到熱儲(chǔ)溫度,見表5。結(jié)果表明:玉髓溫度本更適合計(jì)算熱儲(chǔ)溫度低于150 ℃的低溫?zé)醿?chǔ),但計(jì)算結(jié)果達(dá)170 ℃,明顯偏大。石英熱儲(chǔ)溫度分布均勻,均在150 ℃左右。因此,綜合Na-K-Mg三角圖可以發(fā)現(xiàn),由石英溫標(biāo)計(jì)算得到的熱儲(chǔ)溫度更準(zhǔn)確,平均熱儲(chǔ)溫度為154.62 ℃。

表5 熱儲(chǔ)溫度估算Tab.5 Thermal storage temperature estimation ℃

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型為Na-Cl型,受海水影響大;淡水水化學(xué)類型一般為Ca-HCO3型、Ca-Cl型。

(2) 受潮汐影響,研究區(qū)地?zé)崴瓹l-含量與潮汐呈一定的正相關(guān)關(guān)系;受降雨影響,Cl-含量與降雨量呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3) 研究區(qū)地?zé)崴疄楹Ｏ喑练e水,與深部熱源混合加熱后在上升過程中經(jīng)歷水-巖相互作用,并受到地下淡水和咸水共同混合作用。

(4) 研究區(qū)地?zé)崴疄榈?、咸水混合結(jié)果,其中,豐水期淡水混合比例為77.60%,枯水期淡水混合比例為58.76%。

(5) 根據(jù)石英溫標(biāo)法,估算汶村潮間帶地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度為154.62 ℃。