重庆市温塘峡背斜地下热水资源特征研究

杨雷，肖琼，沈立成

（西南大学地理科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，中国重庆 400715）

重庆市温塘峡背斜地下热水资源特征研究

杨雷*，肖琼，沈立成

（西南大学地理科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，中国重庆 400715）

选取重庆市温塘峡背斜作为研究区域，采用水化学方法，探讨了该区内地下热水资源特征．研究发现，由于地质背景条件基本相同，温塘峡背斜地下热水水文地球化学特征比较接近，水化学类型为SO4-Ca（Mg）型，且热水中含有较多锶、氟、锂、硼以及硫化氢、氡气等对人体健康有医疗保健作用的微量元素和气体成分，是较优的医疗热矿水．大气降水是本区地下热水的主要补给源，补给高程约960 m，主要热储含水层为下三叠统嘉陵江组地层（T1j）．Na-K-Mg图解模型显示，5个泉点样品投点均落在Mg1/2角，属于未成熟水，表明该区水岩反应平衡温度不高，可能有冷水混入．多矿物平衡图解显示，5种矿物中，只有石英的lg（Q/K）-T曲线最接近饱和线，根据此曲线估测的该区热储温度为65～82℃，与运用石英温标计算所得热储温度基本一致．

地下热水;资源特征;温塘峡背斜;重庆市

地下热水作为一种特殊的水资源，由于其能源价值、疗养价值、休闲娱乐带来的巨大经济价值，一直以来受到人们的广泛关注，尤其在水资源短缺、能源危机四伏的21世纪，合理地开发利用好地下热水资源尤显重要．重庆属于地热资源的相对集中区［1］，但因缺乏对热水资源的基本特征以及水文地质方面的研究，从而无法对地热资源开发利用作出合理的规划布局，资源环境得不到科学保护［2］．为此，作者对重庆市温塘峡背斜温泉群选取了5个泉点进行了长达一年的详细监测，对该区温泉水的来源有了初步的结论，同时对该区温泉水的地球化学特征进行了深入探讨，希望能为重庆市打造“温泉之都”，合理开发利用地下热水资源提供帮助．

1 研究区概况

温塘峡背斜属于二级大地构造单元四川台坳的川东平行排列的隔挡式褶皱束中华蓥山构造带向西南的梳状分支［3］．区内节理裂隙发育，同时发育有青木关压扭性逆冲断层，位于温塘峡背斜核部，北东向延伸长30 km，倾向北西，倾角35°～80°，切穿须家河组和嘉陵江组地层［4］．区内出露地层主要有下三叠统嘉陵江组（T1j）的灰岩、白云质灰岩和石膏互层，中三叠系雷口坡组（T2l）白云质灰岩、泥页岩，上三叠统须家河组（T3xj）砂岩、碳质页岩（图1）．区内温泉水温主要来自地热增温，然后沿断裂、裂隙上升至地面，水质与嘉陵江组和雷口坡组的石膏层及碳酸盐岩有关，本区属亚热带季风气候，年降雨量为1 087 mm，年均气温18℃［4-5］．

图1 研究区位置及地质背景条件

2 样品采集及分析方法

2．1 野外测定

在重庆市温塘峡背斜一共选取5个温泉泉点（BWQ、SWZ、QMG、LGQ、QMH）进行水化学分析．现场测量各泉点水温（T）、pH、电导率（Ec）、HCO3－和Ca2+．温度、pH值和电导率用美国Hach公司便携式水质分析仪测定，其精度分别为0．1℃、0．01和0．1 mS·m－1;HCO3－和Ca2+采用德国Merck公司便携式试剂盒，精度分别为0．1 mmol·L－1和2 mg·L－1．

2．2 样品采集和实验室分析

采样前，用水样润洗取样瓶3～4次，现场用直径50 mm，0．45 μm的醋酸纤维脂膜过滤水样后，存储于500 mL聚乙烯样品瓶中，立即放入便携式冰袋保存，12 h内运至室内4℃冷藏，用于水中阴离子检测;另取过滤后水样装于事先用体积比1∶1的HNO3溶液清洗过的50 mL聚乙烯取样瓶中，立即加体积比1∶1优级纯硝酸溶液5～8滴，调节pH值＜2，12 h内运至室内4℃冷藏，用于水中阳离子检测．采样结束立即返回实验室进行样品测试．Cl－使用AgNO3滴定法（0．1 mg·L－1），测定采用紫外分光光度计（0．01 mg· L－1）;阳离子用ICP-OES Optima 2100 DV测定（0．001 mg·L－1）．实验均在西南大学地理科学学院水化学分析实验室和同位素实验室完成．

3 结果与讨论

3．1 水化学分析

3．1．1 水化学类型表1中显示，研究区地下热水温度为28℃～36℃，pH值呈中性（6．8～7．5之间），电导率普遍较高，均超过150 mS·m－1，Ca2+、Mg2+、HCO3－含量均非常高，占到阴阳离子总量的近97%，其中尤以和Ca2+为主，分别占到阴、阳离子总量的67%和76%以上，属于硫酸盐型中温微碱热水．此外，泉水中含有多种微量元素，其中含量稍大的有氟、锶、铁、锰、钡等，另外还含有钴、镍、铬、钨等，同时有些热水中还存在较多的硫化氢气体和少量放射性元素［6］，其中锶、氟、锂、硼以及硫化氢、氡气等微量元素和气体成分对人体健康有医疗作用，所以是较优的医疗热矿水．表1中数据显示，该区内温泉水的各种水化学指标相差不大，水化学特征比较接近．图2是根据表1中的数据作出的矩形水化学图［6］，可以清楚看出，该区温泉水化学类型为SO4-Ca（Mg）型．

表1 温塘峡背斜温泉水水样分析数据

3．1．2 离子来源地下热水水化学成份受地下热水储存和运移的地球化学环境控制，通过它们可以反映热水储存运移过程中的介质条件以及循环交替过程［7-8］．温塘峡背斜温泉水化学性质基本一致，各离子浓度相差不大，表明该区温泉水储存运移过程中的介质条件和循环交替条件大体相似．图3显示的是温塘峡背斜各泉点主要离子的变化情况，很明显和Ca2+、Mg2+浓度之间存在很好的正相关性，而HCO3－浓度却表现出与这3种离子浓度存在反相关关系．罗云菊等［7］对重庆市温泉水氢、氧同位素研究表明，δD和δ18O值都落在大气降水线附近，表明重庆市周边温泉水主要补给途径是大气降水．另据林耀庭等［9］研究，四川盆地三叠系嘉陵江组和雷口坡组地层为海相碳酸盐岩和蒸发岩（硬石膏）间隔分布．故此，可以推断高含量的Ca2+、Mg2+和可能是由于大气降水补给进入三叠系嘉陵江组和雷口坡组灰岩和白云质灰岩（含硬石膏层）地层，在充分发生水-岩作用后再沿断裂、裂隙运移至地表的结果［10］．

图2 温塘峡背斜温泉矩形水化学图（孙亚乔，2007）

四川盆地三叠系δ34S有极强的分布规律，同层段硬石膏中的δ34S值基本相近，而不同层段硬石膏中的δ34S值有所不同［11］．本区热水SO24－中的δ34S值范围为32．14‰～33．62‰，这与三叠系嘉陵江组二段（T1j2）硬石膏中δ34S值（32．5‰～35．4‰）十分接近［7］．因此，进一步证实了本区热水中浓度异常高的Ca2+、是主要来自于嘉陵江组地层的硬石膏溶解，同时也可以基本确定嘉陵江组地层为本区的热储含水层．

图3中表现出的HCO－3和Ca2+、Mg2+浓度呈现出明显的反相关性，可能是热水在运移过程中发生水-岩作用，溶解硬石膏，产生大量的，在一定程度上抑制了CaCO3的溶解所导致的．

图3 温塘峡背斜各泉点水样主要离子浓度的变化

3．2 热水补给高程估算

罗云菊等［8］研究已经表明大气降水是重庆市周边地下热水的主要补给源，而大气降水的氧同位素具有高程效应，根据于津生等［12］川西藏东地区δ18O高程效应的研究，其δ18O梯度值为－0．26‰/100 m．重庆青木关部队驻地的暗河出口水是由其南侧青木关天池（高程465 m）补给，因此可以以暗河出口处水的δ18O（－6．63‰）值代表该区465 m高程降雨中的氧同位素组成．由此可以得到计算该区热水补给高程的公式:

公式中:R为地下热水的δ18O值，H为补给高程．本区地下热水δ18O平均值为－7．92‰，计算的本区地下热水补给高程为960 m左右，因此判断热水可能来源于温塘峡背斜北端的岩溶露头区．

3．3 水-岩平衡状态分析

3．3．1 Na-K-Mg图解图4显示的是研究区温泉水样品在Giggenbach（1988）提出的Na-K-Mg图解模型［13］中的分布情况．图中显示所有样品投点均落在Mg1/2角附近，属于未成熟水，表明该区温泉水样中Mg2+的含量很高，水-岩反应平衡温度不高．因此，推断该区热储温度比较低，也可能是在热水运移至地表过程中混入了浅层冷水所致．因此在计算热储温度时，不适合用阳离子地球化学温标进行计算．

3．3．2 多矿物平衡图解多矿物平衡图解广泛用以判断地热系统中热液与矿物之间总体的化学平衡状态［14-15］，饱和指数（SI）是此图解中的重要指标，可以定义为:

图4 温塘峡背斜温泉水水样的Na-K-Mg图解

其中，Q是计算的离子活度;K是平衡常数．SI可以判断每种矿物的平衡状况，即SI＞0，表示过饱和;SI=0，表示平衡状态;SI＜0，表示不饱和．采用美国地质调查局的FHREEQC模型［16］，对水样进行了热力学反应过程模拟，计算出了5种常见的矿物（无水石膏、玉髓、石英、无定形硅、滑石）在不同温度下的SI值，得到每个样点热水的lg（Q/K）-T曲线（图5）．

图5显示，所有样点的lg（Q/K）-T图解中无定形硅在参考温度下均处于未饱和状态，而滑石均远离饱和线．a、b样点5种矿物的lg（Q/K）-T曲线比较类似，玉髓、硬石膏和石英均比较接近饱和线，且硬石膏和石英的lg（Q/K）-T曲线交点正好落在饱和线lg（Q/K）=0，所对应的温度为77℃左右，表明a、b点的热储温度可能都在77℃左右．c、d、e样点中滑石未达到饱和，且石英较玉髓更接近饱和线，说明石英可能是起平衡作用的矿物，因此，石英的平衡温度更能代表这3个点的热储温度，故c、e点的热储温度在70℃左右，d点的热储温度在65℃．

图5 温塘峡背斜温泉温泉水样的多矿物平衡图解

3．3．3 热储温度估算据Na-K-Mg图解和多矿物平衡图解综合判断石英温标比较适合该区的热储温度估算．表2是3种石英温标［17-18］估算的各点热储温度范围，与图5中得出的各点热储温度比较一致．因此用石英温标估算出来的热储温度范围是比较可信的，所以该区热储温度范围在65～82℃（表2）．

表2 温塘峡背斜各泉点热储温度估算值（单位:℃）

4 结论

（1）温塘峡背斜地下热水属于硫酸盐型中低温微碱地热水，水化学类型为SO4-Ca（Mg），泉水中含有多种对人体有益的微量元素和气体成分，具有很好的保健疗养功能．

（2）大气降水是本区地下热水的主要补给源，补给区可能是温塘峡背斜北端的岩溶露头区，热储含水层为下三叠统嘉陵江组地层，高含量的Ca2+和SO2－4是由于大气降水补给进入该地层（含硬石膏层），充分发生水-岩作用溶解石膏后再沿裂隙运移至地表的结果．

（3）Na-K-Mg图解显示，该区地热水热储平衡温度较低，属于未成熟水，热水在向上运移过程中可能混入了浅层冷水．

（4）多矿物平衡图解显示该区热储温度在65～77℃，与石英温标计算出的热储温度范围（65～82℃）基本一致，因此可以判断该区热储温度范围大概在65～82℃．

致谢:感谢西南大学地理科学学院同位素实验室和水化学分析室的老师和同学们的帮助，尤其感谢孙玉川老师在实验中给予的悉心指导．

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Characteristics of Geothermal Water Resources in Wentang Valley Anticline in Chongqing

YANG Lei*，XIAO Qiong，SHEN Li-cheng
（Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region，Ministry of Education，School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Wentang Valley Anticline is selected as study area，and thermal water resources in this area will be discussed in this paper．Because of the same geological backgrounds，the hydrogeochemical features of the thermal water are similar in this study area，and the hydrochemical type is SO4-Ca（Mg）．In addition，the thermal water contains multiplicate and sanative microelements and gases，such as Sr，F，Li，B，H2S and Rn，so it is superior medical thermal water．The thermal water source is atmosphere precipitation．And its aquifer may be the stratum of Jialingjiang formation in Lower Trias（T1j）．The recharge area of the thermal water may be the karst outcrops area on the north of the anticline，which elevation is 960 m．Na-K-Mg diagram shows that five water samples fall in the region of immature water．Therefore it can be said that it has low temperture in the fluid-rock processes and the thermal water may be mixed．Mineral equilibrium diagram（lg（Q/K）-T diagram）indicates that the lg（Q/K）-T curve of quartz is closest to saturation line，and the equilibrium temperature is 65～77℃．This temperature is within the reservoir temperature（65～82℃）calculated by quartz geothermometer．

thermal water;reservoir temperature;wentang valley anticline;Chongqing

X142;X143

A

1000-2537（2011）05-0086-06

2011-05-11

国家自然科学基金资助项目（41072192）;重庆市科委院士专项基金资助项目（CSTC2010BC7004）;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（XDJK2010B006）;西南大学研究生科技创新基金资助项目（ky2010002）

*通讯作者，E-mail:yanglei112@126．com

（编辑王健）