滇东富源古敢水族乡热水塘锶—氟—硅—氡型理疗热矿水的地球化学特征及成因.pdf
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1、 9 卷第3 期滇东富源古敢水族乡热水塘锶一氟一硅-氢型理疗热矿水的地球化学特征及成因陶兰初,朱星强),张七道1-2),马一奇),魏总,庞龙),涂春霖),和成忠),刘红豪1)1)中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心,昆明,6 50 10 0;2)中国地质大学(武汉)资源学院,武汉,430 0 7 4内容提要:为支撑滇东富源县古敢水族乡热水塘温泉旅游的开发和可持续利用,笔者等通过采集区内水样进行水化学及环境同位素分析,对温泉的形成机理及其理疗价值进行了研究。结果表明:热水塘温泉温度为37.8 42.2,p H 值为7.2 4 7.7 5,TDS(溶解固态物质总量)的质量浓度为12 45 18
2、40 mg/L,属于中低温弱碱性热矿水。温泉水中偏硅酸的质量浓度为48.2 0 6 0.57 mg/L,F为2.8 6 2.94mg/L,Sr为8.6 0 14.40 mg/L,均达到了硅水、氟水、锶水的理疗水质标准,此外温泉水中2 2 2 Rn浓度达到了12 9.4Bq/L,接近于氨水的理疗水质标准,具有较大的开发利用价值。热水塘温泉水中阳离子以Ca2、M g*为主,阴离子以SO、H CO,,为主,水化学类型为SOCa2Mg*型。石膏和碳酸盐岩矿物的溶解是控制热水塘温泉水化学特征的主要因素,其中石膏的溶解占据了主导地位。参与水岩反应的CO,的8 3Cco(V-PD B)值为-11.6 4%-
3、14.2 4%o,具有明显的沉积有机质来源特征。14C测年结果表明热水塘温泉年龄为32 91aBP,氢氧同位素特征表明热水塘温泉由大气降水补给,补给高程为2 10 1.9 2 138.3m,补给区温度为5.9 6.2。利用硅一恰方程法计算得出热水塘温泉的冷水混合比例为0.8 4 0.8 9,综合硅一恰方程计算的热储温度和校正后的Si0,地热温标计算的热储温度,得出热水塘温泉的热储温度为17 3.1 2 2 0.3,循环深度为 2 0 59.7 2 6 6 1.1 m。关键词:理疗温泉;水文地球化学;同位素;滇东古敢水族乡云南地热资源丰富,温泉众多,大致以红河一金沙江断裂为界分为滇东、滇西2 个
4、热水区(施玉北等,2 0 19),滇东热水区共出露温泉193处,受断裂控制明显,水温一般比滇西地区的温泉要低,主要以中一低温为主,由于滇东地区碳酸盐岩分布广泛,因此热储类型主要以碳酸盐岩热储系统为主,根据构造及温泉分布特征,热水塘温泉属于滇东弥勒一师宗热水带。前人对滇东地区的温泉开展了一系列研究工作,但是这些研究主要集中于小江断裂带(赵珂等,2 0 0 5;杨雷等,2 0 11;王云等,2 0 14)以及滇东南(陶时雨等,2 0 15;罗成等,2 0 18;王云等,2 0 18;王云,2021)等区域,区内大部分地区的温泉还未开展过详细的研究工作。近几年随着乡村振兴战略的不断深人,温泉作为一种
5、具有良好经济效益的旅游资源越来越受到大家的关注和青睐,对区内温泉的开发利用也日渐频繁,从而造成了区内温泉的开发速度已远远超过了勘查和研究的速度,严重威胁着区内地热资源的可持续发展(程先锋,2 0 0 8;刘云,2011)。滇东古敢水族乡位于云南省富源县黄泥河镇,是云南省唯一的水族乡,也是富源县十二个乡镇(街道)中唯一没有工业、不受矿山污染、原始古朴的乡镇,素有滇东“小桂林”之美誉(曹振宇等,2019),极具生态旅游开发价值,区内热水塘温泉是其重要的旅游资源之一。本次调查发现热水塘温泉水中的氢、锶、偏硅酸及氟均达到了医疗价值浓度,极具开发利用的价值,但是目前对其的研究程度较低,仅在少量的资料中有
6、所提及(云南地方志编纂注:本文为中国地质调查局项目(编号:DD20208075、ZD 2 0 2 2 0 318、ZD 2 0 2 2 0 12 8)的成果。收稿日期:2 0 2 2-0 6-19;改回日期:2 0 2 2-11-10;网络首发:2 0 2 2-11-2 0;责任编辑:章雨旭。Doi:10.16 50 9/j.g e o r e v i e w.2 0 2 2.11.0 35作者简介:陶兰初,男,198 9年生,硕士,工程师,主要从事地热地质研究;Email:6 90 2 8 6 149 q q.c o m。通讯作者:张七道,男,198 6 年生,硕士,高级工程师,主要从事地热
7、地质研究;Email:50 6 6 7 6 42 1 q q.c o m。960论质地20233年评委员会,1999;梁乃英,2 0 0 0)。笔者等以热水塘温泉域为研究对象,系统采集了温泉水以及泉域内的冷泉水和地表水样品,分析其水化学特征及同位素特征,并结合区域地质背景,对温泉的水源补给、冷热水混合、热储温度、循环深度、年龄以及成因模式等方面进行了探讨,以期为该地区温泉资源的开发和可持续利用提供科学依据,助力民族地区旅游经济的发展和乡村振兴。1研究区概况研究区所处的大地构造位置为上扬子古陆块之滇东碳酸盐台地与南盘江一右江前陆盆地之泸西被动陆缘的交汇部位(图la),断裂构造十分发育,其中区域上
8、弥勒一师宗深大断裂的分支大断裂一小蜡104401044791(a)T(b)DB02N小江断裂、T.g研究区你勒师宗哀牢山变质基底杂岩昆明市断裂T.泸西被动陆缘陆缘T.0100km都龙变质核杂岩DBO1T.gWQ02Db03T.gWQ03LQ06T.8热水塘WQ01T.gT.人T.gT28田韦青LQ05T.FT.fT.gLQ02K五乐社区大寨LQ04LQOTDB05革里T&T.gT.8T.8T.gDB04T.F采样位置T.g500msamplelocationLQ03断层地质界线河流地名研究区faultgeologicalboundaryriverplacenamestudyarea图1滇东大地
9、构造单元分区图(a)以及滇东富源古敢水族乡及邻区地质简图(b)Fig.1 Map of geotectonic units in Eastern Yunnan(a)and simplified geologic map ofGugan Shui Nationality Township(b)and neighboring area in Fuyuan,Eastern YunnanT2g关岭组一段;T2g关岭组二段;T2g关岭组三段;T,F一法郎组一段;T,F一法郎组二段T2g-the First Member of Guanling Formation;T2g2the Second Membe
10、r of Guanling Formation:T2g-the Third Member of Guanling Formation;Tafthe First Member of Falang Formation;T,fthSecond Member of Falang Formation甲断裂为研究区内最重要的断裂,断裂总体呈北东向展布的舒缓波状,断面倾向西北,倾角较陡,断裂在黄泥河一带逐渐形成向北突出的弧形,该弧形断裂两侧岩层扭曲、牵引现象显著,岩石强烈挤压破碎,是地下水运移的良好通道,可贯通和汇聚深部岩层的地下水。研究区地层主要为中三叠统关岭组(T 2 g)和法郎组(T,f)。关岭组主要
11、为一套浅海相碳酸盐岩沉积,根据岩性组合特征共划分为3段:一段(T2g)岩性主要为灰白色泥质白云岩、微晶白云岩夹杂色细粒陆源碎屑岩,局部夹膏岩层;二段(T 2 g)岩性主要为深灰色中薄层泥晶灰岩、泥质灰岩、含硅质结核灰岩与中厚层泥晶颗粒灰岩互层;三段(T,g)岩性主要为浅灰色中一薄层状泥晶白云岩夹纹层状含膏盐微晶白云岩。法郎组主要为碳酸盐缓坡向前陆盆地转换的过渡沉积,根据岩性组合特征共划分为两段:一段(T,F)岩性主要为泥质灰岩、生物碎屑灰岩;二段(T,F)岩性主要为粉砂质泥岩夹岩屑砂岩。根据区内地层岩性和富水特征,区内地下水类型可划分为两类:第一类为碳酸盐岩裂隙溶洞水,分布于研究区周边的广泛山
12、区,主要接受大气降水的补给,含水层为中三叠统关岭组和法郎组一段,受弥勒一师宗深大断裂的影响,地层被断裂切割呈“碎块”状,且岩溶裂隙发育,富水性好,泉流量为3 6 8 L/s。第二类为碎屑岩裂隙水,主要分布于研究区中部,含水层为三叠系中统法郎组二段,富水性较差,受大气降水和地表径流补给。研究区属于亚热带高原型季风气候区,多年平均气温为14.0,干湿季节分明,雨季为6月9月,旱季为10 月至次年6月,年平均降雨量为138 4mm,6月 9月降雨量占全年的69.4%。地势总体北高南低,高程为12 53 2 2 0 0 m,高差9 47961硅氟氢型理疗热矿水的地球学特征及成因陶兰初等敢水族乡热水塘锶
13、第3期+28W*W.+*W+2+-_00H+2V:+8-+-_00H+2+2+2一2OS._OOH OS._OOH2一一_一一OS!.O0H.O0H212S._OOHSO9S5SOt09:01t8580988858二三三910ZI022 20989208810900880 61086S0980610SL0288 58L09:00ISS8554一245098200:8t00890t6822261.O0H00S6100S610060000T9100S6100812009(1/eu)d+N282433258891688SS828SO0SO0960722二2+009t160996966:08LL616
14、0910084SOTSt066S61S90L89S2t99L096900tL+2986LSAL906to09SLL778SLL5274728780880tI8()8262600800忆53S612各100MC0OM100T20016OOTtoo1SOOT9001米型温泉水冷泉水地表水m。区内水系发育,主要的河流为小黄泥河,由北向南纵贯研究区,其支流补掌小河、革里河由东向西在热水塘附近汇人小黄泥河。热水塘温泉共出露3个泉眼,均分布于小蜡甲断裂附近的次级断裂上(图1b),分布高程为12 7 1.9 12 7 3.6 m。目前温泉主要用于洗浴,尚未实质性开发利用。2样品采集与测试2021年5月对热水
15、塘温泉、冷泉及地表水进行了野外调查及取样工作,取样位置如图1所示。水质全分析测试在湖北省地质试验测试中心进行,取样前均用目标水样对取样瓶清洗三次,取样时将取样瓶浸没于水体中,并在水下密封后取出,用于阳离子(Ca2、M g 2*、Na*、K*)分析的水样加入硝酸酸化至pHHCO,CI、Ca 2 M g*Na*+K*,冷泉水及地表水离子平均质量浓度整体表现为HCO,SOCI、Ca M g 2*Na*+K*。从Piper三线图(Piper,1944)中可以看出,冷泉水化学类型为HCO,Ca2+Mg*型和HCO,Ca2型,地表水化学类型为HCO,一Ca2+Mg2*型和HCO,SoCa2Mg*型,而温泉
16、水化学类型为SOCa2*Mg*型,温泉水与冷泉水、地表水可明显划分为两个区域,说明温泉水与冷泉水、地表水可能经历了不同的水化学演化过程(图2)。区内温泉水与冷泉水、地表水相比,S0超常富集,达到7 46 1137mg/L,属于硫酸盐型热矿水。温泉水中HCO,质量浓度为195 2 13mg/L,整体上要低于冷泉水和地表水,Cl离子质量浓度为0.2 2 0.7 5mg/L,也要低于冷泉水和地表水。阳离子方面,区内各水体中Na*、K*总体上均较低,温泉水中(Na*+K*)质量浓度为1015mg/L,稍高于冷泉水,而与地表水相当。温泉水中Ca2+、M g 2*质量浓度分别为30 4 451mg/L和4
17、6 6 9mg/L,均要高于冷泉水和地表水,尤其是Ca+质量浓度要显著高于冷泉水和地表水。从表1可看出,研究区温泉水中偏硅酸平均质量浓度为54.94mg/L,最大值为6 0.57 mg/L;F平均质量浓度为2.91mg/L,最大值为2.94mg/L;Sr平均质量浓度为11.47 mg/L,最大值为14.40 mg/L。显然,温泉水中这些有益组分含量普遍高于冷泉水,这可能是由于温泉水在深循环过程中与围岩发生了水岩相互作用导致的。根据地热资源勘查规范(GB/T13727-2016)中理疗热矿泉水水质标准,热水塘温泉水分别达到了硅水、氟水、锶水的理疗标准。此外,本次研究还对其中一个泉眼的温泉水(WQ
18、01)进行了放射性元素镭、氨的测试,结果表明2 2 2 Rn浓度达到了12 9.4Bq/L,接近于氨水的理疗标准(12 9.5Bq/L),而2 2 Ra浓度为0.0 3Bq/L,含量较低,温泉水低2 2 Ra高2 2 2 Rn的特征说明了水体中的2 2 2 Rn不是由2 2 Ra衰变成的,其可能是在高压下原来积聚在深部岩石裂隙中的氨气溶解于地下水中带出地表而形成的(姚在永等,198 2)。离子比值分析可用于分析水化学成分的形成过程及离子来源(马燕华等,2 0 16;李学先,2 0 18)。区内各水体中主要阴、阳离子毫克当量浓度相关关系如图3所示,从图3a可知,区内温泉水、冷泉水和地表水均位于(
19、Ca2)+(M g)与(HCO,)+(SO)的1:1关系线附近,表明石膏及碳酸盐岩矿物的溶解是控制区内各水体中Ca2+、M g 2+、H CO和SO离子来源的主要因素,研究区的地层总体为三叠系中统碳酸盐岩夹碎屑岩地层,这套地层主要形成于半封闭一封闭的碳酸盐潮坪一泻湖沉积,并且局部伴生有石膏和石盐(方尚武等,2 0 19;曹建文等,2 0 19),因此认为区内各水体中Ca、M g*、HCO,、SO 等离子来源与石膏及碳酸盐岩矿物的溶解有关。而从图3b和3c可知,在冷泉水和地表水中碳酸盐岩矿物的溶解占据了主导地位,温泉水中石膏的溶解占据了主导地位。Na*和K*离子主要963氟一硅氢型理疗热矿水的地
20、球学特征及成因陶兰初等:滇东富源古古敢水族乡热水塘锶第3 期3030(a)(b)25E25温泉(1/bow)(3W)A+(,e0)(1/baw)(,3)i-(,e0)20温泉201515冷泉及地表水温泉碳酸盐岩矿物溶解线温泉10hot spring10hot spring石膏及碳酸盐岩矿物溶解线冷泉coldspring冷泉coldspring55地表水冷泉及地表水地表水surfacewatersurfacewater00051015202530051015202530y(HCO,)+(SO,)(meq/L)(HCO,)(meq/L)140.6(c)(d)120.5温泉(T/bow)()A+(e
21、N)A10(1/bow)/(e0)0.4温泉8石盐矿物溶解线0.360.2温泉4冷泉及地表水石膏溶解线温泉hot springhot spring冷泉冷泉0.1冷泉cold springcoldspring2地表水地表水surfacewatersurfacewater0010246810121400.10.20.30.40.50.6y(SO,)(meq/L)(C1)(meq/L)图3研究区各水体中主要阴、阳离子相关关系图Fig.3 Correlation of major anion and cations from the water in the study area来源于硅酸盐岩和石盐的
22、溶解,而石盐的溶解会释放出等浓度的(Na*+K+)和CI(张涛等,2 0 2 0),从图3d可知,区内各水体样品分布规律差异较大,其中冷泉水样品均位于(Na)+(K*)与(CI)的1:1关系线附近,表明石盐的溶解是其Na、K*、Cl的主要来源,而温泉水中(Na)+(K*)远远高于(CI),说明温泉水中Nat、K+可能还来源于硅酸盐岩的溶解。地表水样品在(Na*)+(K*)与(CI)关系图中总体分布较为杂乱和分散,很可能是受到了一定的人类活动影响(涂春霖等,2022)。矿物饱和指数(SI)是判别水体中各矿物溶解一沉淀能力的重要参数,利用SI值可判断地下水与围岩主要矿物的平衡状态。笔者等利用PHR
23、EEQC水化学模拟软件对区内温泉水和冷泉水中矿物饱和状态进行了模拟。矿物饱和指数计算公式如下:SI=lg(IAP/K)(1)式(1)中:IAP代表水溶液中组成某矿物的阴、阳离子活度之积;K,代表水样在测定温度条件下热力学平衡常数。当某种矿物的SI0时,说明该矿物在水中处于过饱和状态;SI0时,说明该矿物在水中处于非饱和状态;SI=O时,说明该矿物在水中处于平衡状态。根据区内地下水含水层岩性特征,主要模拟了硬石膏、方解石、白云石、萤石、石盐、石膏、天青石、菱锶矿、石英、玉髓等矿物的饱和指数,结果见表2。从表2 中可以看出,除样品LQ06以外,温泉水和冷泉水中方解石、白云石等碳酸盐岩矿物的饱和指数
24、(SI)都大于O,说明这两种矿物在地下水运移过程中处于过饱和状态,并有沉淀的趋势,方解石、白云石处于过饱和状态主要与区内含水层岩性以灰岩、白云岩为主有关。温泉水和冷泉水中硬石膏、石膏以及石盐等蒸发岩类的饱和指数(SI)均小于O,处于未饱和状态,表明硬石膏、石膏以及石盐等蒸发岩类矿物在温泉水和冷泉水中将继续溶解;温泉水中天青石、菱锶矿等锶的矿物饱和指数(SI)比冷泉水更接近于0,尤其是天青石矿物在温泉水中已经达到饱和或接近饱和状态,研究表明区内三叠系关岭组含水层属于富锶地层,地层岩样的锶质量分数9642023年论质地评表2 研究区温泉水和冷泉水主要矿物饱和指数Table 2 Main miner
25、al saturation index of the hot spring and cold spring waters in the study area样号硬石膏方解石天青石玉髓白云石萤石石膏石盐石英菱锶矿WQ01-0.580.47-0.162.160.59-0.06-2.45-11.132.53-0.60WQ02-0.470.41-0.102.270.440.12-2.31-10.782.66-0.73WQ03-0.400.760.012.301.130.16-2.24-10.972.69-0.33LQ01-2.480.56-3.04-0.440.89-2.69-2.24-9.390.0
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