江苏碳酸盐岩地热水中锶元素水化学特征

荆慧，左丽琼，王彩会

（江苏省地质调查研究院， 江苏南京 210018）

江苏碳酸盐岩地热水中锶元素水化学特征

荆慧，左丽琼，王彩会

（江苏省地质调查研究院， 江苏南京 210018）

通过分析江苏省15眼地热井的水样化学组分资料，得到碳酸盐岩地热水水化学特征以及Sr的分布规律，总结了江苏地区碳酸盐岩地热水中Sr水文地球化学特征，为碳酸盐岩中Sr的富集研究提供有益的启示。

碳酸盐岩； 地热水； 锶；水化学特征

0 引言

地热水中含有丰富的微量元素或化学组分，这些都是人体所必需的，它们被人体吸收后补充人体所缺的微量元素，从而达到理疗健身的功效。随着人民生活水平的日益提高，利用洗浴地热水来提高身体素质的需求也越来越多。因此寻找富含微量元素的地热水已成为重要研究课题之一。

Sr是人体必需的微量元素之一，它活动性很强，在地壳上分布广泛，多数赋存在闪长岩、花岗岩、黏土以及碳酸盐岩石中（刘庆宣等，2004）。研究表明Sr在海相沉积碳酸盐岩中的丰度最高（海相沉积碳酸盐岩＞陆相沉积碳酸盐岩），正是这些岩石中的Sr成为地下（热）水中Sr的来源（张娟等，2010）。

目前对于Sr及其同位素（赵平等，2003）的研究很多，主要在地球化学、古环境以及地下水等方面（叶萍等，2008），而对于富含Sr的碳酸盐岩地热水的研究比较少。本文通过对江苏省15眼地热水进行水样采集与分析，研究Sr的水化学特征以及分布规律，为寻找富Sr的碳酸盐岩地热水提供有益的启示。

1 碳酸盐岩热储特征

1.1 分布特征

图1 地热井分布图（★为地热井位置）Fig.1 Distribution of geothermal wells (★location of geothermal well)

苏南地区震旦-三叠系碳酸盐岩地层主要出露于宁镇山脉、茅山山脉、宜溧山区和苏锡等地（徐学思等，1997），在苏北平原区有钻孔揭露的震旦-奥陶纪地层（图1），地层岩性见表1。据地热钻孔揭露，苏南地区碳酸盐岩热储类型较多，如震旦系白云岩、寒武—奥陶系、石炭—二叠系、三叠系的灰岩,主要分布在镇江、南京、常州、苏州、无锡等地区；苏北地区以寒武—奥陶系、震旦系热储较多，如扬州、洪泽、徐州等地区。

表1 碳酸盐岩地层表Table1 Carbonate rock stratigraphic table

1.2 岩性特征

江苏省震旦系（胡明毅等，1999）碳酸盐岩以白云岩为主。寒武-奥陶系碳酸盐岩以灰质白云岩、白云质灰岩为主。石炭-二叠系碳酸盐岩以灰岩为主。三叠系碳酸盐岩以瘤状灰岩、泥质灰岩、鲕粒灰岩等含生物碎屑灰岩为主。

碳酸盐岩的沉积环境虽同属于碳酸盐台地，但不同地质时期其沉积环境略有不同。震旦纪灯影组为潮坪-局限碳酸盐台地。寒武系为泻湖，奥陶系为局限台地和浅海台地边缘浅滩。石炭系为局限台地-蒸发岩台地、碳酸盐台地沉积。二叠系为碳酸盐台地。三叠系为开阔碳酸盐台地-局限碳酸盐台地。

1.3 水化学基本特征

目前，省内碳酸盐岩地层的地热水水样共15个：其中三叠系3个、石炭-二叠系3个、寒武-奥陶系4个、震旦系5个。水化学分析成果来自国土资源部南京矿产资源监督检测中心，见表2。

表2 碳酸盐岩地热水水化学特征一览表Table2 Water chemical features of carbonate rock geothermal water

三叠系碳酸盐岩地热水水化学类型多以HCO3.SO4.Cl-Na、SO4-Ca、CL·SO4-Ca·Mg为主；石炭-二叠系地热水水化学类型Cl·HCO3-Na、HCO3-Na为主。寒武-奥陶系碳酸盐岩地热水水化学类型以SO4-Ca、Cl-Na为主。震旦系地热水水化学类型多以HCO3-Ca·Mg、Cl·HCO3-Na型为主，其中HCO3-Ca·Mg多分布在宁镇山脉地区，Cl·HCO3-Na型地热水仅在徐州邳州地区有分布。

碳酸盐岩地热水pH为6.83～8.7，除石炭-二叠系热水的pH值均大于8外，其他碳酸盐岩热水的pH值均在6.5～8之间。碳酸盐岩地热水矿化度在638～10410mg/l之间。大多在2000mg/l以下，仅扬州江都、洪泽蒋坝地区矿化度高达10g/l，而震旦系碳酸岩地热水矿化度相对较低，基本在1000mg/l以下。另外，地热水中含有丰富的如锶、偏硅酸、氟化物、偏硼酸等微量元素和其它化学组分，具有一定的医疗和保健作用。

2 地热水中Sr的水化学特征

2.1 Sr的水化学特征

据15眼碳酸盐岩地热水水化学组分统计，锶含量在0.18～22.5mg/ l之间，见表3。根据理疗热矿水水质标准三叠系、寒武-奥陶系碳酸盐岩地热水中的锶达到命名矿水浓度（10mg/l）。

表3 碳酸盐岩地热水中有理疗效果的化学组分含量一览表Table3 Contents of chemical compositions with physical therapy effect in the carbonate rock geothermal water

从图2可以看出石炭-二叠系及震旦系中锶含量总体变化幅度不大，而三叠系、寒武-奥陶系中锶含量的变化幅度较大。可能与不同地区及沉积环境有较大的关系。

2.2 Sr的分布规律

本次研究选取省内15份碳酸盐岩热储层地热水水样，其中白云岩地热水9份，灰岩地热6份；苏北地区2份，苏南地区13份；各地层时代3～5份不等。通过选取不同地层岩性、时代以及分布与沉积环境下的地热水水样进行综合考虑，能够较全面地分析全省碳酸岩地热水中Sr的分布规律，为下一步深入研究提供依据。

目前，通过整理分析，全省碳酸盐岩地热水中Sr的分布特点主要从地层岩性、时间、空间三个方面进行阐述：

（1）Sr随着碳酸盐岩热储层岩性的变而变化。但总的来说，灰岩地热水中Sr含量高于白云岩，其中生物碎屑较多的灰岩地热水的Sr含量一般高于纯灰岩热储，白云岩化作用不完全的白云岩热储的Sr含量一般高于白云岩热储，

（2）碳酸盐岩地热水中的Sr并未随着时代变迁而呈现出变化趋势，但在不同时代下各有其特点。三叠系、寒武-奥陶系碳酸盐岩地热水中Sr含量基本大于10mg/l，且远远高于石炭-二叠系、震旦系，其中三叠系碳酸盐岩地热水中的Sr含量又基本大于寒武-奥陶系(图2)。

（3）苏南、苏北地区受空间分布与沉积环境的影响，碳酸盐岩地热水中Sr的分布规律不同。苏南地区，常州、无锡、南京 及镇江个别地区的锶含量明显高于苏州，另外，镇江大部分地区的锶含量偏低；苏北地区，扬州、洪泽地区的锶含量高于徐州地区。

3 原因分析

通过分析研究本文认为Sr富集能力与其岩性、地热水水化学类型、Ca、Mg离子、pH值、矿化度等方面有关，具体分析如下：

图2 锶元素含量与地层时代及岩性的关系Fig.2 Sr content vs stratigraphic age and lithology

3.1 Sr与地层岩性的关系

为更好地进行说明，引用同一个沉积区的安徽巢县地区碳酸盐岩中Sr元素的含量进行分析（表4），可以发现，碳酸盐岩中灰岩中Sr的含量普遍比白云岩高，与之对应，赋存于灰岩地热水中的Sr也高于白云岩。因此，Sr的富集能力与其所处碳酸盐岩热储的岩性有对应关系。

表4 Sr元素在碳酸盐岩中的含量统计表Table4 Statistics of Sr content in carbonate rock

根据以上数据还发现三叠-二叠系灰岩中的Sr含量高于石炭系，分析原因可能是由于三叠系、二叠系在沉积过程中有机质和生物较多，尽管他们同处于一个沉积环境；寒武系白云岩中的Sr含量高于震旦系，可能与其白云岩化程度有关。

综上所述，含生物碎屑较多的灰岩富集Sr的能力要大于纯灰岩；而灰质白云岩、白云质灰岩等白云化不彻底的白云岩富集Sr的能力又要大于纯白云岩。这与前人研究结果基本一致，碳酸盐岩中富集Sr的能力大体上为灰岩＞白云质灰岩、灰质白云岩＞白云岩（倪善芹，2010）。这些岩石中的Sr随着水岩作用进入地热流体中使其流体中的Sr也随之增加。因此，碳酸盐岩地热水中Sr含量与其岩性成分和沉积环境的不同密切相关。

3.2 Sr与主要阴离子的关系

资料显示，氯化物型与硫酸盐型地热水中Sr的平均含量均较高，分别为16.8mg/l、13.9mg/l，均大于平均值，且氯化型地热水中的Sr含量要高于硫酸型地热水，而重碳酸型地热水中Sr的含量相对较低(图3)。

图3 Sr与水化学类型的散点图Fig.3 Scatter diagram for Sr and water chemical type

Kramer(1969)曾对Sr 和SO4一做过统计分析，表明二者呈正相关关系。从图上可以看出Sr与Cl也呈正相关关系，因此在水岩作用时，Sr 与Cl或SO4被溶入水中，使得氯化型与硫酸型的碳酸盐岩地热水中Sr含量较高。而Sr与HCO3呈负相关关系，以HCO3型为主的碳酸盐岩地热水中Sr的含量普遍相对较低（图4、图5），大多数小于2mg/ l。因此，深部碳酸盐岩地热水中的Sr主要赋存于氯化型或硫酸型水中。

图4 Sr与Cl的关系Fig.4 Sr vs Cl relationship

图5 Sr与HCO3的关系Fig.5 Sr vs HCO3relationship

图6 Sr与Ca的关系Fig.6 Sr vs Ca relationship

3.3 Sr与Ca、mg离子的关系

碳酸盐岩地热水中Sr含量随着Ca离子含量增大而增大（图6），这主要是因为锶、钙在元素周期表中处于同一个主族，具有共同性质，CO2与岩石中的CaCO3、SrCO3作用，使得岩溶水中的Sr、Ca 同步增加（范伟等，2010）。

一般情况下，碳酸盐岩中高镁方解石中的Sr含量高于低镁方解石，且Sr含量随着Mg含量的增大而减小（胡进武等，2004）。因此灰岩地热水中Sr含量普遍高于白云岩地热水的原因。进一步表明碳酸盐岩地热水中Ca、Mg离子含量分布影响着Sr含量的变化。

本文中碳酸盐岩地热水中Sr含量亦随着Mg离子含量增大而增大（图7），据前人研究认为地下热水的形成路径复杂，可能不仅仅受天然溶滤作用影响（王增银等，2003）。

图7 Sr与Mg的关系Fig.7 Sr vs Mg relationship

3.4 Sr与PH值的关系

碳酸盐岩地热水p H值在6.83～8.7之间，Sr含量高的三叠系、寒武-奥陶系碳酸盐岩地热水pH值在7～8之间，Sr含量低的石炭-二叠系碳酸盐岩地热水PH值均大于8，也说明pH值的大小能够影响Sr的富集与迁移能力。

3.5 Sr与矿化度的关系

矿化度大于10g/l的地热水中Sr的含量均较高，分别达到13.8mg/ l，20.9mg/l，虽然样点较少，但是也能看出Sr含量受矿化度的影响较大。为便于看出Sr与矿化度的关系，取矿化度小于4g/l的水样点进行比较，同样发现Sr与矿化度大体呈正相关关系，见图8。

4 结论

通过江苏省碳酸盐岩热储15组地下热水水样化学组分分析及资料整理，分析发现碳酸盐岩地热水水化学类型因不同时代地层、不同岩性、不同沉积环境而不同。地热水中Sr元素有如下规律：

图8 Sr与矿化度的关系Fig.8 Sr vs mineralization degree relationship

（1）三叠系、寒武-奥陶系碳酸盐岩地热水的Sr含量远高于石炭-二叠系、震旦系碳酸盐岩地热水；

（2）灰岩地热水中Sr含量高于白云岩，其中生物碎屑较多的灰岩地热水的Sr含量一般高于纯灰岩热储，白云岩化作用不完全的白云岩热储的Sr含量一般高于白云岩热储；

（3）硫酸盐型、氯化物型碳酸盐岩地热水中Sr含量远高于重碳酸型碳酸盐岩地热水。

目前，全省碳酸盐岩地热水水样仍较少，本文仅针对已有水样资料进行Sr在碳酸盐岩地热水中分布规律的浅析，而地下热水的循环途径非常复杂，通过少数地热水中Sr含量特征来分析Sr的富集与碳酸盐岩热储的关系略显不足，还需对其进行深入分析研究后才能确定。

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THE WATER ‘S GEOCHEMISTRY CHARACTERISTIC OF SR ELEMENT IN CARBONATE GEOTHERMAL OF JIANGSU PROVINCE

JING Hui,ZUO Li-qiong, WANG Cai-hui （Institute of Geology Survey of Jiangsu Province，Nanjing,Jiangsu 210018,China）

This paper analyzed water sample chemical composition data from 15 geothermal wells, obtained water chemical features of carbonate rock geothermal water and distribution law of Sr, summarized hydro-geochemical features of Sr in the water, and provided an enlightenment helpful to research of Sr enrichment in carbonate rock.

carbonate rock; geothermal water; Sr water chemical feature

P641.12

：A

1005－6157(2015)04－0313－5

2015-03-10

中国地质调查局项目“江苏省地热资源现状调查评价与区划”（水（2013）01-029-006）

荆慧（1967-)，女，安徽马鞍山人，工程师，现主要从事地热资源评价工作。