西安凹陷中南部地下热水补给的环境同位素证据

张雪莲，马致远，徐国芳

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

地下热水是大自然馈赠给人类珍贵的低碳能源。西安凹陷地下热水的补给起源对地下热水的可持续开发利用提供参考，一直是学术界、政府管理部门以及开发部门关注和争论的热点，也是合理开发利用热水资源的关键问题[1-4]。

目前国内有关地下热水起源及成因的研究，以降水渗入成因为多，其他成因类型较少[1]。传统地下水理论是建立在对水圈表层或浅层认识的基础上，渗入成为地下热水主导成因[1]。然而，近几十年来，我国已开采的地下热水深达上千米，关中盆地地压型地下热水开采深度已经上升到4 000余米。其研究对象已从低温环境下呈现的起源较明确，成因较单一，化学反应较稳定的水岩体系改变为较高温度、较大压力环境下起源复杂，成因多样化，水文地球化学过程活跃的水岩体系[13]。

西安凹陷中南部地下热水补给起源复杂，既有与大气降水联系密切的浅层泉井地下热水，又有处于封闭、半封闭状态，可更新性较差的地压型深层地下热水。水同位素技术是一种有效研究地下热水补给起源的方法，应用同位素示踪方法可获取研究区地热水接受补给时的补给高程、补给温度及补给来源等相关信息,可认识热储环境变化后 “现代大气降水-古大气降水-浅层地下热水-深层地下热水”之间的相互关系[5-10]。西安凹陷中南部地热开发利用已有相当程度，然而，西安凹陷中南部不同深度地下热水补给环境系统研究的较少。本研究拟对西安凹陷中南部不同深度地下热水补给环境进行研究。为合理利用热水资源提供参考。

1 研究区域

研究区位于西安凹陷中南部，北靠渭河，南倚秦岭，东西两侧分别为临潼-长安断裂和岐山-哑柏断裂，平面形态呈不规则多边形，如图1所示。

西安凹陷为地堑式构造，其断裂构造发育，是关中盆地新生界厚度最大的地带。西安凹陷中南部热储层段主要有蓝田灞河组热储。蓝田灞河组顶板埋深1 406～2 147 m；底板2 283～3 002 m, 岩性为河湖相和河流相沉积，1/2固结成岩。平均地温89.2 ℃[13]。构造图如图2所示。

图1 研究区地理位置图Fig.1 The geographical position of study area

图2 西安凹陷断裂构造图Fig.2 The fracture diagram of Xi’An depression

2 同位素测定分析方法

本研究区共采集126个水样，分别为西安凹陷深层和浅层地热水样δD采集25个，δ18O采集31个，14C采集11个，87Sr/86Sr(87Sr与86Sr元素含量比)采集7个，Na+采集7个，3H采集7个，Sr采集8个；地表水δD采集5个，δ18O采集5个，87Sr/86Sr采集6个，Na+采集4个,3H采集5个，Sr采集5个。用于分析的水样分别装在低密度聚乙烯瓶内，不需经过特殊的预处理。其中3H、18O、87Sr/86Sr及14C测试均由MAT253质谱仪测定，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成。水化学水样均装满整个取样瓶，并严格防止瓶中产生气泡。分析水样全部送中南冶金地质测试中心检测，所用主要仪器为AA-100原子吸收仪。测试结果列于表1。

表1 西安凹陷中南部水样同位素及水化学分析结果

续表

3 结果与分析

3.1 浅层地下热水的补给环境

3.1.1地下水的补给高程

研究区浅层地下热水以秦岭北麓山前断裂附近长安县，东大镇300～500 m埋深的井为代表，其稳定氢氧同位素值列于表2，在秦岭北麓采样大气降水δD、δ18O结果列于表3。采集时间为2011年4月。

表2 西安凹陷中南部浅层地下热水氢氧稳定同位素分析结果Table 2 Stable hydrogen and oxygen isotopes of shallow geothermal waters in Xi’an Southern Sag

表3 盆地南部大气降水氢氧稳定同位素分析结果

图3 盆地南部大气降水δD与高程关系 Fig.3 Relationship between δD and elevation of meteoric waters in southern of basin

由表2可知，西安凹陷中南部地下热水的δD 均值为-83.567‰，由表2数据可知，水样点的平均地面标高为5.15 m。由表3数据绘制图3，进行曲线拟合，公式斜率即为δD的高度梯度K=-0.010 7‰/m，根据同位素高程公式[14]得西安凹陷中南部地下热水的平均补给高程为1 153 m，补给高程范围为839～1 746 m。补给区示于图4和图5。

3.1.2浅层地下水补给方向

研究区浅层地下热水来水方向可通过δD和δ18O等值线图来确定。

西安凹陷中南部热储流体的δ18O变化范围为-12.04‰～-7.769‰，根据表1数据，绘制西安凹陷中南部地下热水δ18O等值线图，示于图4。由图4显示，热水点δ18O从西南方向北东方逐渐增大，在研究区北东方向形成半闭合，展示了西安热储流体δ18O漂移的分布状况，提示西南方向是水岩反应速度最小方向，也是浅层热水接受补给时的来水方向。由西南到东北方向地下热水水岩反应逐渐加剧，热储环境逐渐封闭，导致18O的富集趋势。

根据表1数据，绘制西安凹陷中南部地下热水δD等值线图，示于图5。由图5显示，在研究区形成一个开口向北的半闭合区，提示西安凹陷中心与半闭合的中点一致，来水方向以西南部为主，该结论与传统的野外地质、水文地质方法研究成果吻合[13]。

3.1.3浅层地下热水补给来源

目前，对西安凹陷中南部地下热水补给来源，众多专家说法不一[3,7,13,15]，这里提供了环境同位素的研究成果。

根据表1数据，绘制图6。图6a同位素数据分布特征可见，随着距秦岭北麓的距离增加地表水、浅层地下热水和深层地下热水δ18O逐渐增加，图6b显示，随着距秦岭北麓的距离增加，地表水、浅层地下热水和深层地下热水的δD基本保持一致，揭示热储环境虽然逐渐封闭，但深、浅层地下热水具有同源性。

注：阴影区为研究区地下热水补给区图4 西安凹陷中南部地下热水δ18O等值线图Fig.4 Isoline of δ18O of geothermal waters in Xi’an southern sag

图5 西安凹陷中南部地下热水δD等值线图注：阴影区为研究区地下热水补给区Fig.5 Isoline of δD of geothermal waters in Xi’an southern sag

图6 西安凹陷中南部地下热水δ18O、δD流动途径变化趋势图 Fig.6 δ18O-δD flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

图7 不同起源地下水的δ值分布Fig.7 Different origins water distribution of δ values

图8 西安凹陷中南部地下热水δD-δ18O关系图Fig.8 The relationship between δD and δ18O of geothermal water in Xi’an southern sag

不同起源地下水的δ值分布示于图7，由图7可知，西安凹陷中南部浅层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，揭示西安凹陷中南部浅层地下热水与变质水、原生岩浆水及地幔水补给无关。

西安凹陷中南部地下热水δD-δ18O关系图示于图8。图8中沿大气降水线展开的浅层热水点，其同位素的组成与地表水和大气降水基本一致，未显示δ18O漂移的现象，说明浅层地下热水在一定程度上为现代大气降水补给或在浅层地下热水运移中混入了现代循环水，地质调查显示，其热储层中混有第四系冲积含水层的来自断裂深部的地下热水。发生了δ18O偏移的2个浅层样点的热水为前震旦基岩裂隙水，其热储条件较为封闭，热储流体滞留时间较长，水岩反应强烈，推断混有少量现代降水的古大气降水补给。由此可推断西安凹陷中南部浅层地下热水由现代及古代大气降水的混合补给。另外，图中深层和浅层地下水有相交重叠之处, 显示浅层地下水和深层地下水有较强的水力联系。根据同位素的补给高程计算得出，西安凹陷中南部地热流体补给高程为1 153 m，进一步证实了浅层地下热水补给来源于现代大气降水古降水补给。

3.1.4浅层地下热水接受补给时的温度

运用因子分析法中SPSS软件可以求出研究区浅层地下热水样品点的温度与δ值数据的相关系数为0.958，指示研究区大气降水的同位素组成与当地的气温关系密切，且呈强正相关变化，然而，这种强正相关变化在不同的地区变化程度差别巨大。根据西安气象站的大气降水所测氢氧同位素组成与平均温度值，研究区大气降水氢同位素组成与当年平均温度的相关关系式为[6]:δD= 3.5T-82.90，此关系式表明，年平均温度每下降1 ℃，大气年降水平均δD分别降低 3.5‰。对此关系式进行变换，得△T=(δD1-δD2)/3.5，式中△T为温度差，δD1-δD2值是热储流体-现代大气降水中的δD值。根据现有的西安凹陷中南部地区大气降水数据求得研究区δD平均值为-81.16‰，可以计算出西安凹陷中南部地区地下热水补给环境下的平均温度为0.69 ℃，地下热水形成时的年平均温度与目前年平均温度的差值为-6.6 ℃。

研究区的地下热水偏碱性, 而中性到碱性的地下热水, 其δ18O值都变化不定, 一般都随着温度升高而增加, 而δD 值基本保持不变并和当地大气降水的δD 值相同, 这是因为热储围岩石比地热水含氢少。因而δD 值估算温度更为可靠, 即西安凹陷中南部地下热水接受补给时的年均温度为0.69 ℃，比现今低6.6 ℃ 。

3.2 深层地下热水补给环境

研究区的深层地下热水和浅层地下热水关系密切，大气降水沿断裂向下运移、补给，流入浅、深层地下热水储层，在其运移深部受热膨胀，在上升途中间接补给浅层地下热水，因而深层地下热水接受补给时的高程、方向、温度与浅层地下热水基本一致，补给高程亦为839～1 746 m，补给方向亦为西南方向，平均补给温度亦为0.69 ℃，本文中补给环境重点阐述深层地下水补给年代、频率、来源及通道。

3.2.1深层地下热水补给年代及补给频率

由表4可以看出，西安凹陷中南部地下热水14C测年证实地热水年龄为1.2～2.7万年，可以推测西安凹陷中南部地下热水接受补给时的年代为全新世前古降水补给，然而，地下热水接受补给时非连续补给过程，其间有补给间断，其补给频率示于图9。

表4 西安凹陷中南部14C校正年龄表

图9 西安凹陷中南部14C校正年龄和δ18O的关系Fig.9 The relationship between 14C dating and δ18O in Xi’an southern sag

从图9可见，西安凹陷中南部地下热水补给年代12 270～27 966年，其中临潼空疗院内东南、临潼区县医院西地热公司2号井补给年代分别为26 868年、27 966年，几乎达到14C的测年上限。说明西安凹陷腹部深层地下水滞留时间的上限应大于3万年。深层地下热水补给年代在13 585～17 678年、18 513～20 704年及24 025～26 868年有明显间断，补给间断时间分别为4 093年、2 191年及2 843年，揭示深层地下热水的补给并非持续存在而是间断性发生，主要集中在全新世前寒湿环境。

3.2.2深层地下热水补给来源

西安凹陷中南部地下热水3H、14C流动途径变化趋势示于图10。图10a显示，深层地下热水的氚含量都小于1TU，含氚深层地下热水(埋深在1 000～4 000 m之间的地热水)分布在28 km以内(长安县南部)，沿剖面向北30 km之外深层地下热水没有氚，地表水氚值在山前台塬前呈下降趋势，但其值变化范围不大。

图10b显示，随着距秦岭北麓的距离增加深层地下热水的14C值逐渐增大，说明距秦岭北麓距离远，热储环境越封闭，深层地下热水滞留时间越长。

图10 西安凹陷中南部地下热水3H、14C流动途径变化趋势图Fig.10 The 3H-14C flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

图8显示，深层地下热水接受补给时δD比常温水点低10%，反映西安凹陷中南部接受补给时的温度与现代温度有较大差别。根据大气降水δ值与温度的相关关系，计算得出西安凹陷中南部地下热水接受补给时的温度与现今温度相差6.1～6.8 ℃，与我国北方末次冰期与现今温度差4～7 ℃、欧美末次冰期与现今温度差5～9 ℃大致相符[6]。结合图10a、b可知，西安凹陷中南部深层地下热水中氚含量小于1TU，14C测年在两万年以上，热储流体接受补给时的年平均温度为0.49 ℃，揭示西安凹陷中南部的深层地下热水补给水源为秦岭全新世前古大气降水在寒湿环境下的集中补给。

为了进一步证实深层地下热水的补给，对研究区地下热水87Sr进行初步研究。

西安凹陷中南部87Sr/86Sr与Na+关系图示于图11。不同水体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11显示，不同水体水样点的87Sr/86Sr落在不同的背景值区域附近。

图11 西安凹陷中南部87Sr/86Sr与Na+关系图 Fig.11 Relationship between 87Sr/86Sr and Na+ in Xi’an southern sag

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。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、西北大学现代学院等)87Sr/86Sr值与祥峪森林公园的地表水十分接近，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，由于补给区的特征为：TDS值较小，环境较开放，水岩反应较弱，水力条件较好，水的更新能力较强，因此推断祥峪森林公园可能对秦岭水进行补给。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，推断其接受补给的水源方向是自秦岭北麓的西南方向。

图12 西安凹陷中南部87Sr/86Sr与Sr关系图Fig.12 Relationship between 87Sr/86Sr and Sr of Xi’an southern sag

图13 西安凹陷中南部地下热水87Sr/86Sr流动途径变化趋势图 Fig.13 87Sr/86Sr Flow path change trend chart of geothermal water in Xi’an southern sag

西安凹陷中南部87Sr/86Sr与Sr关系图示于图12。图12显示，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，水岩反应不强而87Sr/86Sr比值跨度较大的现象。可以分成两大区域，一是西安凹陷南，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，而南部的锶含量相对较高，87Sr/86Sr比值接近盆地南缘的太平峪。推测中南部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。推断西安凹陷不同的87Sr/86Sr比值是由不同热储围岩成分所致，并未体现出明显的时间累积效应。

西安凹陷中南部地下热水87Sr/86Sr流动途径变化趋势图示于图13。由图13显示，深层地下热水的87Sr/86Sr比值随秦岭北麓距离增加逐渐增大，在距秦岭北麓距离为11 km之外，其值变化不大呈稳定状态，浅层地下热水呈减小趋势，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，西安市区深层的热水样点的86Sr/87Sr值接近西南方向太平峪地表水，推断其水力条件较好，进一步证实由秦岭北麓水进行补给。

3.2.3深层地下热水补给通道

西安凹陷中南部是基岩裂隙和孔隙型地下热水系统。研究区深层地下热水在秦岭北麓接受全新世前古大气降水及低压水补给，一部分降水、地表水沿秦岭山前大断裂向南运移，秦岭北麓山前深断裂带和渭河断裂带既是地下热水输送主要通道，又是地下热水的赋存带。沿山前断裂一线，有天然溢出和人工揭露的地下热水点多处，其氢氧同位素组成相近。另一部分地下热水在眉县一带形成后，沿东西向深断裂续向东运移，沿长安-临潼断裂分布有多处人工揭露的地下热水点，由于输送距离加大和沿程地下热水的侧向补给，地下热水的温度有所降低，同位素组成呈贫化趋势。结合同位素与地质构造的研究成因，可以认为长安-临潼断裂中的地下热水与秦岭北麓山前断裂中的地下热水，有明显的继承性，输送补给关系清晰。与东西向深断裂相交的西安凹陷中南部次一级断裂系统，仍是深层地下热水的运移主要通道及赋存带。

4 小结

(1)西安凹陷腹部深、浅层地下热水补给高程都为839～1 746 m (补给方向为西南方向。

(2)西安凹陷腹部孔隙型浅层地下水接受现代大气降水和古大气降水混合补给， 而深层地下水接受秦岭全新世古大气降水补给。

(3)研究区浅、深层地下热水接受补给时的平均温度为0.69 ℃。

(4)深层地下水补给年代平均在2万年以上，中间在13 585～17 678年有补给中断。

(5)补给环境为孔隙裂隙型地下热水系统，与秦岭北麓山前深断裂相交的西安凹陷次一级断裂系统是深、浅层地下热水的输送通道及赋存带。

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