罗溪温泉水文地球化学特征及热水来源

李 鹭，孙占学，陈功新,张智超

(1.东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013；2.湖南省核工业地质调查院，湖南 长沙 410011)

0 引 言

地热是清洁能源，也是一种良好的旅游资源[1]。据统计，中国水温25 ℃以上的温泉总数为2 796处[2]，地热资源较丰富。江西省共96处温泉[3]，具较大开发利用潜力。李学礼等[4-6]、孙占学等[3,7]、孙文洁[8]运用水文地质、地球化学和同位素等方法对江西省的庐山、马鞍坪、横迳等地区的温泉进行了水化学、热水来源、热储评价等方向的研究，奠定了该省地热研究工作的基础。

罗溪温泉位于江西省武宁县罗溪乡斜港村南200 m处，天然出露于花岗岩裂隙中。1964年3月江西省地质局水文地质大队曾赴当地进行野外地质调查及水化学分析工作。近年来，因当地发展需要开展了地热勘探工作，先后施工了3口地热井，孔深360～380 m，旅游公司对温泉区进行了初步的开发。在国家自然科学基金项目支持下，我们对该温泉进行野外调查及相关分析测试工作，系统研究了其水化学成分、同位素特征，对其热储温度进行了评价，初步探讨了热水来源，这将为该温泉地热资源的可持续开发利用提供科学依据。

1 地质构造背景

研究区位于铜鼓-罗溪大断裂和靖安-九江大断裂之间。该区断裂发育，规模较大。区内东有花崖尖，海拔1 600 m左右；北东有杨峰尖，海拔200 m左右；西有太平脑和盘山，海拔700 m以上。其间为一狭长的沟谷，岩石为单一的印支期黑云母粗粒花岗岩，矿物主要为斜长石、石英、黑云母。由于该区风化剥蚀作用强烈，岩体风化深度2～10 m左右，风化后呈黄褐色松散砂石。

本区基岩裂隙水较发育，矿泉地附近地表无断裂，岩体中发育有3组张开节理，其中以一组、二组最为发育，第一组裂隙在溪谷旁造成危缝斗崖，第二组是矿泉出露的裂隙，除裂隙外尚有石英脉穿插，具体见表1。在矿泉NW向山坡上，可见几条大致平行的石英脉，成NE-SW向延伸，石英脉极度破碎，脉宽约0.5 m。

表1 节理裂隙统计表Table 1 The statistical table of joint and fracture

罗溪温泉天然出露于花崖尖北坡下，高出坡脚约20 m的基岩裂隙中，微具承压性质，其水清澈见底，并伴有气泡及蒸汽冒出，在流水流经处可见淡黄色沉淀物。

2 采样与分析方法

罗溪温泉出露于花岗岩裂隙中，当地村民在出露的石缝中取水，用于洗浴等。考虑到天然露头受人类活动影响较大，本次研究于2017年3月于距天然露头约10 m、深度为380 m的罗溪温泉钻孔口取样。因钻孔热水一直为抽出状态，遂直接取样，采集水样时尽量装满采样瓶。水样先经微孔滤膜过滤，然后将其装入预先用10%优级纯硝酸浸泡24 h并用蒸馏水清洗干净后烘干处理的聚乙烯采样瓶中。用于测试阳离子和微量元素的水样，现场加入优级纯硝酸使水样pH值小于2；用于测试阴离子的水样无需酸化。取样后用3M密封条封口，以防止水样受到外部污染。用于分析D和18O、87Sr/86Sr、14C及13C的水样直接装满聚乙烯瓶中用密封条密封，无需特殊处理。

采样现场分别用便携式温度计、溶氧仪、多功能参数测试仪、哈希水质分析仪测定温度、水中溶解氧、pH值、电导率、氧化还原电位、SiO2含量和碱度等易变的水化学参数。阴阳离子、微量元素等稳定性水化学指标由东华理工大学分析测试研究中心应用离子色谱(ICS-1100)、原子吸收光谱仪(iCE3500)和电感耦合等离子体质谱仪(Element 2)等仪器进行分析测试。水样中的δD和δ18O由东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室应用稳定同位素比质谱仪(MAT-253)测定。87Sr/86Sr由澳实分析检测有限公司应用碱熔消解-多接受等离子质谱(MC-ICP-MS)测定。14C、13C的含量由美国Beta实验室应用加速器质谱(AMS)放射性碳测年法测定。

3 温泉水文地球化学特征

3.1 水化学特征

热水水化学特征是水-岩相互作用的结果，它决定于热水运动时的水文地质条件及接触的围岩成分等。本次研究于罗溪温泉钻孔口取样，现场测定水温为65.3 ℃，pH值为8.85，Eh为-460 mV，电导率为363 μs/cm左右。温泉水无颜色，水质清澈透明，无悬浮物和胶粒，有浓烈的H2S气味。如前所述，在流水流经处可见淡黄色沉淀物，这应是热水中所含有的H2S与O2发生反应产生的S沉淀。温泉的矿化度为222 mg/L，属于淡水。温泉水样由东华理工大学分析测试中心进行全分析检测，分析结果见表2。

表2 罗溪温泉水质分析结果Table 2 The chemical analysis test results of Luoxi hot spring water

图1 罗溪温泉Piper三线图Fig.1 Piper diagram of Luoxi hot spring

地热水中含有丰富的具一定的医疗和保健价值的微量元素[9]，罗溪温泉水中含有H2S、F、Si、B等微量组分。依照《地热资源地质勘查规范(GBT11615—2010)》，罗溪温泉的H2S含量为6.3 mg/L，超过命名为H2S水所要求达到的浓度2 mg/L的标准；其F含量为14.2 mg/L，超过命名为F水所要求达到的浓度2 mg/L的标准。因此，罗溪温泉属于含F和H2S的医疗热矿水。

罗溪温泉地处农业灌溉区，利用Aquachem软件绘制威尔考克斯图，可快速确定其作为灌溉用水的可行性。如图2所示，罗溪温泉位于威尔考克斯图的C2区和S2区，即其用于灌溉具中度钠(碱)危害、中度盐危害，该热水不宜作为灌溉水使用。

3.2 温泉水化学成分动态变化

将本次(2016年3月)水质分析结果与1964年3月江西省地质局水文地质大队所取水样的水质分析结果进行对比，具体数据见表3。罗溪温泉主要离子含量变化不大，水温、pH值和TDS变化幅度都很小，温泉水质较稳定。

据调查，当地经济发展较缓，无工业污染，附近居民以留守老人居多，生活污染及农业污染相对较小，这可能是温泉水质稳定的主要原因。

图2 罗溪温泉威尔考克斯图Fig.2 The Wilcox diagram of Luoxi hot spring

表3 罗溪温泉1964年、2017年水质对比结果分析Table 3 Analysis of water quality comparison results of Luoxi hot spring in 1964 and 2017

4 热水来源探讨

同位素水文地球化学研究的主要内容为地下水中的同位素化学组分及其演化规律，可利用稳定同位素分析地下水的起源以及地球化学演化、水-岩相互作用等，利用放射性同位素的衰变规律可用来估算地下热水的年龄[10-11]。

4.1 补给来源

为了研究罗溪温泉的补给来源，对热水进行了氢氧同位素的取样及分析测试工作，取样高程为315 m，测试采用SMOW国际标准。测定结果为δD-61.5‰，δ18O-9.1‰。查阅资料得庐山地区天然水氢氧同位素数据[6]，将其列于表4。

参照全球大气降水δD=8δ18O+10，庐山地区大气降水δD=7.16δ18O+8.88[6]，绘制δD-δ18O关系图，据图3显示，罗溪温泉的补给来源为大气降水。

表4 庐山地区天然水D、18O同位素组成Table 4 The hydrogen and oxygen isotopic composition of natural water in Lushan district

图3 罗溪温泉δD-δ18O关系图Fig.3 The relationship diagram of δD-δ18O of Luoxi hot spring

应用Sr同位素及其比值(87Sr/86Sr)可判断地下热水来源、水-岩作用强度、计算混合比例等[12]。应用碱熔消解-多接受器等离子质谱测得热水87Sr/86Sr为0.73211，高于壳源硅铝质岩Sr同位素平均值0.72000，远高于幔源Sr同位素平均值0.70350[13]，说明热水幔源物质少，地热流体系大气降水深循环过程中与地壳含Sr岩石相互作用形成。

4.2 补给高程

罗溪温泉补给来源为大气降水，可利用δD和δ18O的高程效应确定补给区的高度。δD、δ18O含量与当地海拔高度关系的高程计算见式(1)[14]。

(1)

式中：H为温泉的补给高程，m；δS为水样的δD或δ18O值；δP为大气降水的δD或δ18O值；h为取样点标高，m；k为大气降水氢或氧同位素梯度值，n‰/100 m。

由于同位素交换反应对δD影响甚微，一般利用δD计算补给区高程。该温泉取样点标高h为315 m，大气降水的δD为-50‰(SMOW)，取δD的高程梯度值k为-2‰/100 m。将上述数值代入公式计算，可得温泉的补给高程为890 m。热水在上升过程中难免与浅表的地下水混合，上述计算所得的补给高程较实际情况偏低，由地质和水文地质条件推算，罗溪温泉的补给高程在950 m左右，补给区在温泉东西方向的山区。

4.3 热水年龄

根据放射性同位素的衰变原理，可应用放射性同位素测定地下水年龄。放射性14C被广泛应用于地下水年龄的估算[15]。罗溪温泉钻井深度为380 m，处于承压含水层，系统封闭，无其他放射性碳补充，该系统关闭时刻的放射性比度与同期大气圈层的CO2的放射性比度相同，可应用14C确定该热水年龄。

水样的14C、13C的含量由美国Beta实验室应用加速器质谱仪按照加速器质谱(AMS)放射性碳测年法测定。经过实验测得水样中14C放射性比度为5%mod，13C的千分偏差值为-14.8‰。

可利用式(2)计算温泉的14C表观年龄[14]。

(2)

式中：A0为处于交换循环中的14C放射性比度；A样为停止交换t年后水样中的放射性比度；t为被测水样的年龄。

Beta放射性碳测年实验室采用的现代化标准是草酸-1(Oxalic Acid I)，草酸-1中约95%的放射性碳活性等于绝对放射性碳标准测量的放射性碳活性，即A0为95%mod，A样为5%mod，计算得罗溪温泉的表观年龄为24 341年。

利用Person法修正14C年龄[14]，见式(3)。

(3)

式中：δ13C样为水样中13C的千分偏差值‰；A样为水样中14C放射性活度；t为被测样品的年龄。

δ13C样为-14.8‰，A样为5%mod，计算得罗溪温泉的Person法修正14C年龄为19 857年。

5 热储评价

5.1 热储温度

地球化学温标是估算热储温度的有效方法，常用的地热温标有阳离子温标、SiO2温标和同位素温标。由图4 Na-K-Mg三角图可知，罗溪温泉位于部分平衡区，不宜应用阳离子温标估算热储温度[16]，选择SiO2温标进行计算。SiO2矿物广泛存在，温度降低时，其沉淀速度较慢，温度低于300 ℃，水中溶解的SiO2一般不受络合物及其他离子的影响，压力附加盐度对石英和无定形SiO2的溶解度几乎无影响[11]，可利用热水中的SiO2溶解度与温度的关系估算热储温度。

图4 Na-K-Mg三角图Fig.4 The triangle diagram of Na-K-Mg

图5 SiO2溶解度曲线Fig.5 The SiO2 solubility curve of hot spring

应用Aquachem软件绘制SiO2溶解度曲线(图5)，罗溪温泉SiO2数据点落于α-方晶石与石英-无蒸汽损失溶解线之间，α-方晶石溶解线下方，说明α-方晶石尚未溶解，石英可能是控制SiO2平衡作用的矿物。因此，罗溪温泉适用石英温标。罗溪温泉SiO2数据点处于石英-无蒸汽损失溶解线以上，说明其处于过饱和状态，热储温度计算存在一定误差。

研究区的沸点温度为100 ℃，取样温度为65.3 ℃。因此，采用石英-无蒸汽损失(0～250 ℃)温标计算罗溪温泉热储温度[14]，计算见式(4)。

(4)

采用式(4)计算，得罗溪温泉热储温度为82 ℃。

5.2 热水循环深度

大气降水经入渗补给后，在地下深部循环加热上升至地表形成热水，热水温度主要来源于深循环过程中的地热增温[11]。因此，可采用热水循环深度公式进行计算[17]，见式(5)。

H=(TZ-T0)/G+H0

(5)

式中：H为热储深度，m；TZ为热储温度，℃；T0为恒温带温度，℃；G为地温梯度，℃/100 m；H0为恒温带深度，m。

恒温带温度取补给区年平均气温14.6 ℃，地温梯度取地热增温率3.5 ℃/100 m，恒温带深度取20 m，推算得罗溪温泉的循环深度为1 900 m左右。

6 结 论

1) 罗溪温泉属断裂深循环型地下热水，水化学类型为HCO3·CO3-Na型，不宜作为灌溉水使用，其F和H2S含量较高，有一定医疗价值。

2) 罗溪温泉来源于大气降水，属降水与地壳中含Sr岩石相互作用形成，为花岗岩中的地下水获大气降水入渗补给，经深循环加热后上升出露而成，循环深度1 900 m左右。

3) 罗溪温泉补给区高程海拔为950 m左右，热水年龄约为19 800年，地下热储温度约为82 ℃。

地热是珍贵资源，地热环境的破坏具有不可逆性，建议加强罗溪温泉的环境保护和开展其可开采量的科学评价，保障其可持续开发利用。