基于水文地球化学的隐伏型地热成因探讨

邓志德，毛绪美

（1.广东省地质灾害应急抢险技术中心，广东广州510425；2.中国地质大学〈武汉〉，湖北武汉430074）

基于水文地球化学的隐伏型地热成因探讨

邓志德*1,2，毛绪美2

（1.广东省地质灾害应急抢险技术中心，广东广州510425；2.中国地质大学〈武汉〉，湖北武汉430074）

以东莞市为例，利用水文地球化学的方法，对东莞市隐伏型地热的成因进行初步探讨。其采样区为东莞市及周边地区，主要为河源深断裂带和紫金—博罗大断裂带两侧；通过采样区的地下水化学特征的分析及比对，东莞市周边分布的热泉具有区别于境内常温地下水的显著的水化学特征；并结合区域地热构造条件推断，东莞市发育中低温对流型带状隐伏地热热储。通过水文地球化学方法在隐伏地热勘查中的应用探索，可以为同类勘查工作提供借鉴。

东莞市；隐伏型地热；水文地球化学；地热成因

1　概述

隐伏型地热是指埋藏于地下深处、一般无地表热显示的地热资源，因其上覆盖层厚，散热慢，往往具有更为可观的能源储量。加强隐伏型地热的开发利用研究，不仅可以拓宽区域地热资源的研究深度和广度，还可以提高地热资源的利用率，为区域地热资源的规划和管理提供可靠依据。对于城市建设来说，就地开发利用下伏隐伏地热资源，发展各具特色的地热产业意义尤为突出。

目前，对于深部隐伏地热分布的探查研究，目前国内主要运用的是物探手段，物探解译往往具有多解性，且在经济发达地区物探工作难以开展，干扰多，在没有深孔资料参考的情况下，其准确性更是难以保证；采用水文地球化学探查的手段可以克服以上问题，并能更加准确地反映地球深部地热构造体系。首先，地热流体一般具有标志性的化学组分，可依此确定隐伏地热靶区；其次，地热流体中的同位素组成具有示踪作用，可以很好地追踪地热构造的展布和地热流体的来源。因此，本文利用水文地球化学的方法探讨东莞市隐伏型地热的成因。

2　地热水文地质概况

东莞市区域上位于华南准地台湘桂赣粤褶皱系粤中坳褶束的中部[1]。境内地层主要见下古生界、泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系。区域断裂构造主要为北东向河源深断裂和紫金—博罗大断裂，次为北西向断裂及东西向断裂，由于后期北西向断裂对深大断裂及深断裂的切割，次级断裂极为发育，区内地质构造较为复杂。岩浆活动主要受北东向构造影响，区内岩浆活动期次以燕山三期、四期为主。东莞盆地位于东莞市西北部，盆地自东而西分别由4个构造单元组成：铁场凹陷、塘厦凸起、中堂凹陷、观龙凸起[2]，东莞市境内主要包括塘厦凸起及中堂凹陷。

研究区松散岩类孔隙水含水层主要为第四系中粗砂、粗砂及砂砾石，水量中等—丰富；红层裂隙水含水岩组为古近系泥质砂岩、砾岩，及白垩系凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩等，水量贫乏—中等；层状岩类裂隙水含水岩组为泥盆系至侏罗系页岩、粉砂岩、细砂岩等，水量贫乏；块状岩类裂隙水主要赋存于加里东、印支、和燕山各期的侵入岩和下古生界深变质岩裂隙中，一般水量贫乏。

地下水主要补给来源有降雨渗入补给、河流渗入补给和周边地下水的侧向补给，局部接受灌溉回归水的渗入补给。勘查区地下水由丘陵山区流入平原，其径流形式由垂直循环转入水平循环，水力坡度变缓，缓慢向珠江口汇流，矿化度逐步增大，过渡为咸水。排泄方式主要为周期性向河水排泄并消耗于蒸发及植物蒸腾。第四系地下水埋藏较浅，6～9月出现1～2次水位高峰，9月后随着降雨和灌溉回归水的减少，水位缓慢下降，常在1月份出现一次水位低谷；下伏基岩裂隙水一般为承压水，一般水位动态年变幅较小。

参照广东省地热显示及分布规律，广东省以低温地热资源（小于90℃）为主，大多数温泉沿北东向断裂展布，受构造及花岗岩体控制，多出露于构造复合部位以及花岗岩体边缘。东莞市境内尚未见温泉出露。

3　样品采集与分析

在收集分析东莞市断裂构造、水文地质等区域资料的基础上，对东莞市全境、广州市与东莞市接壤的山区、惠州市与东莞市接壤的山区、河源市和惠州市的泉水、井水及北东向河源深断裂、紫金—博罗大断裂上分布的典型的高温热泉进行调查及采样分析。

使用多参数水质分析仪测试气温、水温、pH、EC及DO，并现场测定碱度；现场添加高纯浓硝酸，调节样品的pH值小于2，分别使用ICP-AES、原子荧光分析仪测定阳离子组成，ICP-MS测定微量元素含量，MAT-261测定87Sr/86Sr；采用国际通用标准程序采集地下水14C样品，使用超低本底液体闪烁能谱仪测定现代碳含量，确定地下水14C年龄；采取50mL塑料瓶水样（同时采集雨水、河水），使用MAT-253质谱仪测定氢氧同位素组成。所有测试工作在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成。

4　水化学特征与分析

地下水化学特征反映了地下水同围岩之间的溶解与溶滤作用，同时体现了岩浆活动、大气降水入渗及含水层之间的补给等因素。

野外共采集水样23处，以基岩地下水为主，其中泉水11处，井水11处，同时采取地表河水1份，收集雨水1份；11处泉水中，4处为外围高温泉水（编号DG-13～16）。调查取样时间为夏季，外围热泉温度为56.7℃～78.60℃，区内外一般泉水温度为22.2℃～28.4℃。

表1　东莞市及周边水文地球化学调查采样点主要离子及元素含量一览表

根据取样分析结果，通过对比可以发现，热泉水与常温泉水在水化学性质、组分及同位素组成等方面均存在明显差异；同时，一些特征组分及同位素组成反映了地下水的补给、水岩作用及过程和成因。

4.1常规组分及微量元素

本次调查及区域资料显示，东莞市境内常温地下水化学特征具有明显分带性。西北部东莞盆地一带基岩地下水以高矿化度的Cl-Na型水为主，矿化度大于1000mg/L，属微咸—咸水，矿化度自东部向西递增；盆地以南地区地下水则以淡水为主，矿化度一般为47.20～983.56mg/L，水化学类型一般有HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na·Ca和Cl·HCO3-Na·Ca型，阳离子以Na+为主，次为Ca2+。地下水pH值总体小于7，呈弱酸性为主。

根据本次调查取样的分析结果（见表1），热泉水与常温地下水常规组分及微量组分质量浓度的区别如下：

（1）热泉中Na+质量浓度为101.1～129.3mg/L，其余一般小于30mg/L，区域资料地下水中Na+离子质量浓度一般也小于100mg/L；

（2）热泉中Li、Be、As、Mo、W等元素质量浓度一般为常温地下水的数倍至数百倍；

（3）热泉中SiO2、F-等质量浓度一般为常温地下水的数倍至数十倍；

该元素或组分显著浓度差异，表明热水在循环过程中对围岩中的物质的溶解能力要比常温地下水强得多。地下水溶解矿物及浓度的变化，可能是地下水温度变化的一个标志。本次调查中的热泉中Na+浓度高，是由于该热泉的热储为花岗岩，热水在花岗岩体热储中循环是溶解大量的含钠矿物。

（4）如水化学三线图（图1）所示，热泉（DG13～16）的水化学类型以HCO3-Na型水为主，这与其热储岩性—碎裂花岗岩的溶解密切相关。冷泉水的水化学类型同井水样比较复杂，说明地下水含水层的多样性。

于东莞盆地一带所取井水样DG-12（水温26.8℃）也具有与热泉极为相似的水化学性质和元素组成，可作为分析区内隐伏地热成因的重要依据。

4.214C年龄

14C定年是判断地下水来源的重要标志。本次定年结果（表2），大部分常温地下水均显示为现代碳源特征，从而说明地下水在含水层中滞留时间不长，循环交替较快。热泉的地下水年龄在11000～19000年之间，为晚更新世时期的地下水，反映出其深循环、滞留时间长等特点。地下水年龄越老往往表明该地下水源自地球内部成因水。DG-12井水年龄则也达一万年以上，推测也属于长时间深循环的特点。

表2　东莞市及周边水文地球化学调查采样点14C定年一览表

4.3H、O同位素

氢氧稳定同位素是水分子的直接组成部分，在水循坏的每一阶段，受同位素分馏、蒸发作用以及不同水体的混合作用等影响，水中的氢氧稳定同位素具有不同的演化规律和组成特征。基于同位素在水循环过程中的标记特点，氢氧稳定同位素是了解天然水起源和演化历史的良好示踪剂。

本次H、O同位素测定结果显示各泉水的氢氧同位素组成存在异常（图2）。参照全球雨水线及东莞地区雨水线，泉水的氢氧同位素组成呈左上方漂移，即δD有所增高，δ18O减少。勘查区属季风气候区，雨量充沛，区内地下水主要来自大气降水补给，推测是因为有来自深部地热流体的混合，形成了区内地下水氢氧同位素组成异常。可见，区内地热流体具有相同的主要补给来源——大气降水。结合14C定年结果，可以判断热泉应为来自大气水与地下某处的深层热水的混合。

图2　东莞市及周边水文地球化学调查采样点氢氧同位素组成

4.4Sr同位素

地热的热源来源于地球内部，局部的异常则认为来自花岗岩的放射性元素衰变的热量。基于现代研究中对地球Sr同位素的起源与组成显示，不同的源区的花岗岩（如地幔与地壳）具有不同的Sr同位素组成的性质，Sr同位素组成可作为判断地热起源依据之一。

本次取样Sr同位素组成显示，DG-12井水、DG13～16热泉的87Sr/86Sr值代表了上地幔花岗岩类源区的锶同位素组成（图3）。据此推断，勘查区周边热泉（DG13～16）的热源很可能来自较晚期岩浆活动形成的花岗岩的放射热，大气水沿深大断裂导水带下渗进入地球深部，经该花岗岩加热后，因阻水构造上升而出露成泉。勘查区及周边发育北东向河源深断裂带、紫金—博罗大断裂带等深大断裂，区内岩浆活动受深大断裂控制，因此，该同位素组成可验证广东省温泉主要沿北东向断裂带分布的特点。区内DG-12井抽出水的87Sr/86Sr值与周边热泉相似，但水温仅为26.8℃，推断其同样有来自经过花岗岩的加热的水源，但含量极少。

图3　东莞市及周边水文地球化学调查采样点所有水样（a）和岩样（b）中87Sr/86Sr的比值

5　结论

（1）通过东莞市及周边常温地下水与热泉的水化学特征的分析与比对，可以得出，周边热泉具有区别于区内外一般地下水的显著的地球化学特征：①地热流体呈赋存于花岗岩裂隙热储中，Na+浓度高，Li、Be、As、Mo、W等微量元素浓度高；②氢氧同位素组成证明区内地热流体的补给主要为大气降水；③14C定年超过一万年，推断其循环深度大，混合了深部的地热流体；④Sr同位素组成推断热源有来自上地幔花岗岩类的放射热。

（2）区内DG-12井水具有与周边热泉极为相似的地球化学特征，但抽出水温仅26.8℃。推断DG-12井处地下水可能来自大气水与深部地热流体的混合，但来自深部地热流体的组分极少。

（3）广东省热泉分布主要受北东向构造控制，常常出露于北东向断裂与北西向断裂交汇处。东莞市境内有北东向河源深断裂和紫金—博罗大断裂贯穿全区，该两断裂带属区域控热构造，沿断裂带两侧分布有较多的中低温热泉；同时，区内还发育北西向狮子洋断裂、黄旗峰断裂和石碣断裂。结合本次地球化学调查成果，初步推断东莞市发育中低温水热型带状隐伏型地热热储。

综上所述，认为在综合研究区域地热地质条件分析的基础上，可采用水文地球化学的手段对东莞市隐伏型地热的开展进一步勘查，通过取样分析区内地热流体的水化学特征，选取与周边热泉相似的特征作为寻找隐伏热储的突破口，并利用同位素示踪原理来圈定断裂交汇位置，以及通过计算地热流体的循环深度来确定热储位置。

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P641.3

A

1004-5716（2015）07-0114-05

2014-12-01

2014-12-08

邓志德（1981-），男（汉族），广西岑溪人，工程师，现从事水工环地质勘查工作。