水化学特征在永泰地热资源调查中的指示意义

陆求裕

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

地下热水的水化学成分是在漫长的地下径流过程中逐步形成的。由于其贮存介质、水动力条件及温度不同，水化学特征具有较大差异。地热水在径流过程中与围岩发生充分的水岩相互作用，使得地热水的水化学特征与浅层基岩裂隙水有明显的不同。杜毓超等[1]对滇西潞西盆地温泉进行了研究,得出该区温泉水化学特征主要与地层岩性、水温等因素有关,随着温度的升高,地下热水中的Na+、SO24-、SiO2和矿化度也随之逐渐增加。于彦等[2]利用Q-型聚类统计分析了天津市中低温地热水化学特征与地质构造的关系。徐则民等[3]、伍坤宇等[4]系统地研究了西藏朗久地热田水文地球化学特征和温泉水化学特征,指出温泉水的特征介于未成熟水与部分成熟水之间,热水中高丰度的Li+、As、B+与Cl-浓度有良好的相关性。张晓伦、梁杏等[5]利用PHREEQC软件模拟了地下冷热水混合机理，从而为合理开发利用地下热水提供了依据。随着水化学测试技术不断提高，微量元素地球化学得到迅速的发展。微量元素具有普遍性、低浓度性和分布稳定性特点，因此在成岩、成矿及地球形成与演化等研究中具有重要作用，也为地下水微量元素水文地球化学及应用研究提供了可靠的技术支撑[6，7]。

福建永泰是中国温泉之乡，县域已有13处温泉自冒点，笔者拟在论述永泰地区地下热水水化学特征的基础上，进一步探讨永泰地区地下热水、冷水水化学特征的差异性及其在地下热水资源调查中的指示意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理

永泰县位于福州市西南部，县域面积2 243 km2。地处戴云山脉东北延伸部，区内总体地势从西部向东部倾斜，南、西、北三面高，中央及东部低，地形标高变化较大,大部分地区海拔在500～1 000 m，高差一般在300～500 m，个别达千米左右，以中低山地貌为主，嵌有山间小盆地。不同火山岩的岩性抗风化程度的差异使地势切割强烈，具山陡坡急的特点，仅大樟溪沿岸的侵入岩区和部分火山岩区呈低缓丘陵与山间侵蚀盆地展布。

1.2 气象特征

永泰县属亚热带气候区，受季风影响，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。据永泰县气象局资料，年平均气温19.5℃，极端最高气温40.9℃，极端最低气温-5.4℃。降雨量一般在1 400～2 000 mm，年际变化大，年内分配不均，以3～9月雨量最多，占全年降雨量的84%，近10年来平均降水量1 550.7 mm，平均降雨天数为160 d。

1.3 区域地质概况

1.3.1 地层

县域内出露地层较为简单，主要发育有早侏罗世—晚白垩世。由老到新依次有震旦纪，三叠纪文宾山组，侏罗纪梨山组、长林组、南园组，白垩纪黄坑组、寨下组、石牛山组，第四纪冲洪积层。其中，南园组、黄坑组、寨下组等呈厚层状, 在县域内大面积出露, 为地热田出露的主要地层(图1)。

图1 永泰构造纲要图Fig.1 Construction outline map of Yongtai county1—长乐组冲洪积层；2—晚白垩世侵入岩；3—早白垩世侵入岩；4—晚白垩世潜石英正长岩；5—晚白垩世潜花岗斑岩；6—早白垩世潜花岗斑岩；7—早白垩世潜石英二长斑岩；8—早白垩潜石英正长斑岩；9—晚侏罗世潜花岗斑岩；10—晚侏罗世潜二长花岗斑岩；11—晚侏罗世潜英安玢岩；12—岩脉；13—断层；14—温泉

1.3.2 侵入岩

县域内的侵入岩侵入时代多为早白垩世、晚白垩世，岩性主要为花岗岩、钾长花岗岩、石英二长斑岩、花岗斑岩、石英正长斑岩等, 呈岩株、岩瘤、岩墙状;其次有辉长岩、石英闪长岩等中-基性岩体, 出露面积不大, 规模小, 呈岩株、岩瘤状。脉岩发育, 主要有辉绿岩脉、闪长玢岩脉、花岗斑岩脉、石英正长斑岩脉、正长斑岩脉等, 一般宽数十厘米至数米, 延伸数米至几百米。岩脉多呈北北东向展布，根据此次调查，地热区内均有酸-碱性岩体或岩脉出露。

1.3.3 构造

地下热水与构造的关系十分密切，从某种意义上可以说没有适宜的地质构造特别是较大较深的断裂构造就没有地下热水及其天然露头——温泉的形成。在地质发展史中永泰境内经历了多次构造运动叠加形成以北东向展布的断裂、褶皱为主的基本构造格局，在后期受北西向构造切割，永泰构造纲要图可清楚地看出，温泉的出露与分布明显受较大构造体系的主要构造带及其复合部位的控制。温泉主要出露在北北东向构造与北北西向构造交叉部位。根据各温泉实地调查资料，温泉的具体出露位置常常是大型构造的旁侧或羽状张裂隙带或短粗的张性、张扭性断裂带以及压性、压扭性断裂与张性、张扭性断裂的交会处。

2 样品采集与分析

样品采集了永泰葛岭镇、城峰镇、清凉镇、梧桐镇、富泉乡、赤锡乡等地区热水样11个，并采集了葛岭镇、梧桐镇、赤锡乡等地区泉水样(冷泉)3个(表1)。

表1 水样特征

所取水样送往福建省地质测试研究中心等离子色谱仪分析室进行分析。此次共分析NO3-、Se等32项指标，综合永泰地区冷、热水水化学特征，拟采用HCO3-、Cl-、SO42-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等主要离子以及偏硅酸、F-、硫化氢、Li、Sr、Ge、偏硼酸等微量元素进一步探讨该区地下冷、热水水化学特征及其在地下热水调查中的指示意义(表2)。

表2 样品分析

注：元素单位为mg/L，Li-Ba单位为μg/L，pH为无量纲。

3 地下热水水化学特征

永泰地下热水水温多数在30～72℃，属于低温热水；溶解性总固体一般在134.2～739.7 mg/L，属于低矿化度水；pH值在7.1～8.3，属于中性水。总硬度在19.2～95.8 mg/L，平均值35.6 mg/L，属于软水-极软水；根据舒卡列夫分类，永泰温泉水化学类型主要包括HCO3+SO4-Na型、HCO3-Na型、SO4-Na型、HCO3-Ca+Na型(图2)。

图2 永泰地下热水Piper三线图Fig.2 Piper three line map of underground hot water in Yongtai county

地下热水在径流过程中与围岩发生充分的水岩相互作用，改变热水组分的浓度，使得地下热水的水化学特征与基岩裂隙水有明显不同。永泰地区地下热水中的HCO3-、SO42-、Na+含量明显高于冷水中的(图3)，其含量平均值分别是冷水的5.02，37.99，11.54倍(表3)。

图3 永泰地下热水主要离子相对含量变化趋势图Fig.3 Relative content change trendency chart of the main ions of the underground hot water in Yongtai county(mg/L)

表3永泰地下冷、热水主要离子含量对照(mg/L)

Table3ComparisonofmainioncontentoftheundergroundcoldandhotwaterinYongtaicounty(mg/L)

类别HCO3-Cl-SO42-NaCaMgK热水149.539.1678.8994.1013.040.753.43冷水29.783.002.088.162.391.273.03热水/冷水5.023.0637.9911.545.460.591.13

永泰地下热水Ca、Mg、Cl等离子含量相对较低，而对应的Na、HCO3、SO4等含量相对较高。地下热水中的Na/Cl比值在4.85～17.18，平均值为11.39，大于1；Mg/Ca比值在0.01～0.22，且Mg值含量在0.1～1.7 mg/L，说明该区地下热水曾发生过强烈的水岩反应，由于热水强烈的溶滤作用使得长石中的Na、K元素随热水大量迁出，易与SiO32-结合形成可溶性岩，而Ca2+和Mg2+含量的相对增加会形成(Ca、Mg) SiO3沉淀。因此，Na+、K+含量较高会促进SiO2的溶解，Ca2+、Mg2+含量的相对增加会加速SiO32-的沉淀，因此永泰地区地下热水水岩未达到平衡状态。

永泰地下热水富含偏硅酸、F、H2S、Li、Sr、B、偏硼酸、Ge等微量元素。其中，偏硅酸、F含量均达到命名矿水浓度标准。永泰地区地下热水中的偏硅酸、F、Li、Sr、偏硼酸、Ge等含量明显高于冷水中的(图4)，其含量平均值分别是冷水中的1.48，80.09，42.20，8.90，10.42，67.18倍(表4)。

图4 永泰地下冷、热水微量元素相对含量变化趋势图(均值)Fig.4 Comparison of trace elements of the underground cold and hot water in Yongtai county (mean value)

Table4ComparisonoftraceelementsoftheundergroundcoldandhotwaterinYongtaicounty(meanvalue)

类别偏硅酸(mg/L)F(mg/L)硫化氢(mg/L)Li(ug/L)Sr(ug/L)偏硼酸(ug/L)Ge(ug/L)热水84.2110.410.15136.52288.09166.642.75冷水56.880.130.113.2432.3915.990.04热水/冷水1.4880.091.3542.208.9010.4267.18

由永泰地下冷、热水微量元素含量相对变化和主要微量元素的对照分析可知，永泰地区地下热水中的F、Li、Ge含量与普通地下水相比，具有显著的差异(图5，6，7)。

图5 永泰地区地下热水中水温与F含量关系图Fig.5 Relational graph between water temperature and F content in the underground hot water of Yongtai county

图6 永泰地区地下热水中水温与Li含量关系图Fig.6 Relational graph between water temperature and Li content in the underground hot water of Yongtai county

图7 永泰地区地下热水中水温与Ge含量关系图Fig.7 Relational graph between water temperature and Ge content in the underground hot water of Yongtai county

永泰地区地下热水中微量元素是地热水形成过程时与围岩接触发生水岩相互作用形成的。从热力学角度看，水温越高，硅酸盐、F、Li、Sr、B、偏硼酸、Ge等溶解度越大。但是由于岩石中各微量元素形成的矿物种类不同，不同矿物溶解性也不同，由永泰地区地下热水中水温分别与F、Li、Ge三者含量关系图中可知，永泰地区地下热水水温与F、Li、Ge的线性相关性较强，R2值分别为0.80，0.98，0.97，永泰地区地下水中F、Li、Ge含量随着水温升高而显著增长。

4 结论

(1)永泰地下热水Ca、Mg、K、Cl等离子含量相对较低，而对应的Na、HCO3、SO4等含量相对较高。且热水中的HCO3-、SO42-、Na+含量明显高于其冷水中的含量，其含量平均值分别是冷水的5.02，37.99，11.54倍。

(2)永泰地区地下热水中的偏硅酸、F、Li、Sr、偏硼酸、Ge等含量明显高于冷水中的，其含量平均值分别是冷水中的1.48，80.09，42.20，8.90，10.42，67.18倍。且F、Li、Ge含量与水温呈正相关关系，可作为该区地下热水水化学特征的标型主分，对该区地下热资源调查与评价具有指示意义。

1 杜毓超,吕勇,罗贵荣.滇西潞西盆地温泉水文地球化学特征及其成因.地质通报,2012,31(2-3).

2 于彦,刘杰,康楠,等.地热流体水化学特征与地质构造关系的Q-型聚类分析.水文地质工程地质,2013,40(3).

3 徐则民,雍自权,孙世雄.西藏朗久地热田水文地球化学特征.桂林工学院学报,1997,17(1).

4 伍坤宇,沈立成,王香桂.西藏朗久地热田及其温泉水化学特征研究.中国岩溶,2011,30(1).

5 张晓伦，梁杏，孙敬.奇村地热田水化学特征及其混合作用模拟.水文地质工程地质，2007，34(6).

6 戴塔根,刘汉元.微量元素地球化学及其应用.长沙：中南工业大学出版社，1992.

7 刘英俊，曹励明，李兆麟，等.元素地球化学.北京：科学出版社，1984.