徐国芳，马致远

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

近几十年来，由于气候变化和人为因素的干扰，水循环条件发生了明显的变化，大规模超采地下水已造成区域地下水位持续下降，并衍生如地面沉降、水质恶化等诸多环境地质问题，其严重程度已引起国内外的广泛关注。为保障地下热水资源的可持续开发和生态环境的良性循环，回答与区域地下热水更新和可持续性相关的科学问题。同位素技术被广泛应用于研究水的起源、年龄和流动途径等，是近些年来研究水文循环较为先进而有效的方法［1］。锶同位素及其比值(87Sr/86Sr)可以研究地下热水中水 －岩作用强度、含水岩组的岩石类型;判断地下热水的来源 ，分析地下热水水力联系与渗流途径，计算混合比列等等［2－3］。本文应用锶同位素及其比值(87Sr/86Sr)研究关中盆地深层地下热水类型和来源以及水－岩作用强度。

1 地质背景

关中盆地位于陕西省中部，西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北抵北山，总体似半个弯月横亘于陕西省中部，区内三面环山，南面秦岭高山，海拔1 000～3 880 m;北面是低山丘陵，统称“北山”，海拔700～1 250 m;自南到北依次为山前洪积平原、黄土台塬、冲积平原，构成阶梯状下降的地貌。

关中盆地基底，以近东西向渭河深大断裂为界，北侧基岩为下古生界碎屑岩和碳酸岩地层，南侧以北东向长安—临潼断裂为界，东部为太古界变质岩系地层，西部为上元古界变质岩系地层，其中有燕山期花岗岩体侵入，如图1所示。

图1 关中盆地基底结构图(据三普修改)

关中盆地新生界地层广泛发育，全区分布。

据石油普查井和地热深井资料和区域地质资料综合分析，将盆地内新生界地层自上而下划分为第四系、上第三系和下第三系。

1.1 第四系

1.1.1 中—全新统秦川群(Q2－49c)

主要为河流相、冲洪积相、风积相、黄灰色、灰白色粉质粘土、粗砂砾石，顶部为黄土，总厚度126 752 m。

1.1.2 下更新统三门组(Q1s)主要为河、湖相交替沉积、浅绿灰、灰黄、棕黄色粘土、粉质粘土、粉细砂、含砾中粗砂互层，总厚度为0～945 m。

1.2 上第三系

1.2.1 张家坡组(N2z)

由凹陷中心向边缘为深、浅湖相至河湖相，浅灰黄、绿灰、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩与黄灰色、灰白色砂岩互层，厚度为0～1 980 m。

1.2.2 蓝田霸河组(N21+b)由凹陷中心向边缘为河湖相至浅湖相、河流相、冲洪积相棕色、紫色含砾泥质砂岩、砂质泥岩与灰白色砾状长石粗砂岩互层，厚度为111～2 920 m。

1.2.3 高陵群(N1g)

主要为河湖相棕褐、褐色粉砂质泥岩与浅棕红色细砂岩，夹灰白色细砂岩和含砾中粗砂岩。

1.3 下第三系

1.3.1 甘河组(E3g)

河湖相灰白色中砂岩、含砾中砂岩，砾岩与棕褐、褐色泥质砂岩、泥岩互层，中部夹河湖相，湖沼相灰绿色粉砂质泥岩和炭质泥岩夹煤线。

1.3.2 白鹿源组(E3b)

河流相灰白色块状粗中砂岩，中上部夹湖相黄棕色褐色泥质岩。

1.3.3 红河组(E2h)

下部为坡积、洪积相红色砾岩、砂岩;中部变细夹河湖相沉积，褐色含砾粉砂质泥岩，含石膏;上部为河流相棕黄色砾状砂岩与粉砂质泥岩互层。

2 样品采集仪测试

本次研究所采用的水化学和同位素样品在关中盆地南部和北部采集了23余个地热水样用于同位素(2H、18O、87Sr/86Sr、87Sr)及水化学(Na+、Cl－、Ca2+、SO42－、K+)分析。西安深层地热水样的δ18O和δD、87Sr/86Sr数据由原地质矿产部西安综合岩砂测试中心测试，固市凹陷和咸阳水样的 δ18O、δD、87Sr/86Sr、Sr数据由中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境研究室测试，水化学数据测试由湖北完成。

表1 研究区的水化学和同位素数据

3 结语

3.1 对深层地下热水类型进行分类

图2中水样点的分布大致可分为2个区域:咸礼断阶西北、东南为A区，西安凹陷北、南及盆地南缘秦岭地表水为 B区。

A区热水样点的87Sr/86Sr比值变化甚微，基本处于同一水平线上，但锶含量变化较大大，表明咸礼断阶西北部分区域与东南处于同一水流路径上，且水流路径上热储围岩种类相同。随着水岩反应程度及时间累积，锶含量逐渐增大。虽咸礼断阶东南具有大量的含钙矿物，受类质同象影响较大，但是仍表现出一定的随着锶含量的增加87Sr/86Sr比值增大的趋势，由此说明A区时间累积效应影响大于类质同象影响，且水岩反应强烈，地下热水所处环境封闭;B区的特征是无论是深井、温泉还是地表水都呈现出锶含量变化范围不大而87Sr/86Sr比值跨度较大的现象，可以分成两大区域，一是西安市区，二是靠近盆地南缘的水样点。靠近盆地南缘祥峪的热水井与温泉的87Sr/86Sr比值非常接近，且锶含量很低，说明水岩反应不强烈，所处环境开放，而市区的锶含量相对较高，87Sr/86Sr比值接近盆地南缘的太平峪。推测市区和靠近山前的地下热水具有不同的水流路径，路径上热储围岩的成分差异较大，水岩反应较弱，地下热水所处环境较开放。

图2 关中盆地87Sr/86Sr－Sr关系图

图3 关中盆地地下热水综合分类图

图4 关中盆地地下热水混合三角图

图3显示秦岭地表水和咸礼断阶西北的水样点落在大气降水线附近，表明其所处环境开放地下热水类型为循环型地热水;西安凹陷南的水样点发生明显氧漂移，揭示其水岩反应较强烈，地下热水所处环境较封闭，地下热水类型为半循环半封存性地热水;而西安凹陷北和咸礼断阶东南的水样点不仅发生了明显的氧漂移，而且氘也有轻微的飘移，充分说明其水岩反应更加强烈，地下热水类型为相对封存型地热水。根据δ18O漂移程度与Cl－含量，可将盆地地下热水分类(图4)。这里以 Cl－的对数为 y轴，以 δ18O含量为 x轴，A点代表浅部较为活跃的现代循环水，B点表示盆地周边地区的循环型热水，C点表示盆地腹部西安、咸阳的地压地热流体(封存型热水)，AB线表征循环型热水类型，从A→B，现代水所占比例减小，温度增高;BC线表征高温高压的封存型热水类型，从B→C，水岩作用加强，与现代水连通程度减弱，封闭程度增大。而处于混合三者内部的水点，是 A、B、C 3点作用的结果，表征两种类型热水的混合［4－5］。由图5可知，咸礼断阶东南、西安凹陷北的热水所处的地质环境明显比点西安凹陷南封闭。地质环境越封闭，热水流动性越差，Cl－含量就越高，δ18O与热水中溶解的含氧组分交换就越多，δ18O漂移程度就越大，这也为图3中关中盆地地下热水分类提供了又一个有力的证据。

3.2 指示地下热水的来源

图5 关中盆地87Sr/86Sr－Na+关系图

不同水体的87Sr/86Sr背景值为铝硅酸盐 ＞0.720;新、古近系油田水 0.711 2 ～ 0.711 9;河水 0.711 0;雨水 0.709;海相沉积水0.708。图5显示不同水体水样点的87Sr/86Sr落在不同的背景值区域附近。咸礼断阶西北的部分水样点落在铝硅酸盐范围内;咸礼断阶西北部分点、东南所有热水样点以及西安凹陷南靠近市区的水样点、太平峪地表水样点均落在新、古近系油田卤水及河水附近，而太平峪附近的祥峪森林公园地表水的87Sr/86Sr却落在雨水线上，眉县的山前温泉落在古、近系油田水的范围内。靠近秦岭北麓山前的深井热水以及浅井则都落在海相沉积水附近。全部水样点均落在地幔物质范围较远的地方，故可基本排除补给来源于地幔的可能性。祥峪森林公园山前的热水井(西工大长安校区、现代学院等)87Sr/86Sr值十分接近祥峪森林公园的地表水的87Sr/86Sr值，且热水井的锶含量、TDS也都相对其他接近市区的井低得多，故推断其水岩反应较为微弱，水力条件较好，由祥峪森林公园秦岭水进行补给。西安市区深层的热水样点都分布在长安—临潼大断裂附近，走向为北东，其86Sr/87Sr值接近西南方向太平峪地表水，推断其接受补给是的水源方向来自秦岭北麓的西南方向。结果显示，长安及西安地下热水接受补给时分属不同补给方向。

为了进一步证实深层地下热水的补给，我们进行了研究区地下热水 δD、δ18O的研究。

图6 为不同起源地下水的δ值分布图

关中盆地地下热水样点同位素δ值远离变质水、原生岩浆水及地幔水δ值范围(图6)进一步揭示关中盆地地下热水与变质水、原生岩浆水及地幔水补给无关。图7显示，关中盆地北部(咸礼断阶)、咸阳(咸礼断阶东南、西安凹陷北)、西安(西安凹陷南部)和固市凹陷偏离了大气降水线，18O飘逸现象显著，但漂移前其同位素组成也与地表水和大气降水一致，是由现代及古代大气降水补给。根据同位素补给高程计算，咸阳地热流体的补给高程为700～897 m，主要源自渭北北山大气降水补给;西安地热流体的补给高程为909～1 650 m，主要源自秦岭全新世前古大气降水补给［4］。

图7 研究区地下热水δD－δ18O关系图

3.3 研究关中盆地地下热水中水 －岩作用强度

3.3.1 碳酸盐矿物的溶解

碳酸盐、硫酸盐矿物和铝硅酸盐矿物中的同位素组成和锶质量分数差异明显，碳酸盐、硫酸盐风化来源锶的87Sr/86Sr值约为0.708 000，铝硅酸盐风化来源锶的87Sr/86Sr值一般为0.716 000 ～ 0.720 000［6－8］;而后者比前者的锶质量分数较低但同位素比值(87Sr/86 Sr)较高。研究区地下热水中87Sr/86Sr的值为 0.706 42 ～0.719 43，介于碳酸盐、硫酸盐风化来源和铝硅酸盐风化来源的87Sr/86Sr值之间，说明地下热水化学成分的演化受碳酸盐岩、硫酸盐岩和硅酸盐岩溶滤作用的影响。

图8 地下水 Sr与 Ca、87Sr/86Sr比值与Sr/Ca比值以及Sr/Cl比值关系图

在 Sr－Ca浓度关系图中(图8－A)，咸礼断阶东南、咸礼断阶西北和西安凹陷北地下热水中 Sr与 Ca的相关性较好，说明可能发生了含Ca矿物的溶解。在(87Sr/86Sr)－(Sr/Ca)关系图(图8－B)中，咸礼断阶东南、咸礼断阶西北和西安凹陷北地下热水均表现为随着Sr/Ca比值的增加，87Sr/86Sr比值减小的特点，并最终趋近碳酸盐矿物87Sr/86Sr比值，证明水－岩作用中的碳酸盐矿物溶解反应。西安凹陷南地下热水在 Sr/Ca比值为0.007附近时87Sr/86Sr比值已接近碳酸盐矿物87Sr/86Sr比值，咸礼断阶东南和西安凹陷南地下热水中87Sr/86Sr比值随Sr/Cl比值增加而减小(图8－C)，说明碳酸盐矿物溶解作用占据主要地位。而固市凹陷地下热水87Sr/86Sr比值随Sr/Cl比值增加而增加(图8－C)，说明固市凹陷地下热水中碳酸盐矿物溶解作用并不显著。

3.3.2 硫酸盐矿物的溶解

研究区关中盆地含水介质中硫酸盐矿物主要以石膏为主。咸礼断阶东南地热下水、咸礼断阶西北地下热水和西安凹陷南地下热水 Sr2+与 Ca2+、SO2+4以及 Ca2+与 Sr2+均表现为正相关性，咸礼断阶东南、咸礼断阶西北和西安凹陷南地下水87Sr/86Sr比值总体上均表现为随着 SO42－浓度增加而减小(图9)，且87Sr/86Sr比值逐渐接近于0.710 000，与硫酸盐矿物的典型值(0.708 000)接近，进一步证明了关中盆地地下热水发生了硫酸盐矿物的溶解。

2－浓度与87Sr/86Sr比值关系图图9 地下热水SO4

3.3.3 硅酸盐矿物的溶解

研究区关中盆地含水层地下热水87Sr/86Sr比值与Sr/Cl摩尔比值关系图(图3)显示，在 Sr/Cl摩尔比值较小时，87Sr/86Sr比值较高，说明研究区可能发生了硅酸盐矿物的溶解。咸礼断阶东南、咸礼断阶西北和固市凹陷地下热水在87Sr/86Sr比值不变的情况下 Sr/(Na－Cl)比值变大(图 10－A)，而西安凹陷北随着87Sr/86Sr比值增大 Sr/(Na－Cl)比值不变，西安凹陷南和咸礼断阶西北地下热水Sr/K比值随着87Sr/86Sr比值的增加而减小(图10－B)，说明钾长石的溶解作用明显，斜长石的溶解作用微乎其微。

图10 地下热水87Sr/86Sr比值与Sr/(Na－Cl)摩尔比值(A)、Sr/K摩尔比值关系图(B)

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