即墨温泉地热水的氢氧同位素特征及其地质意义

 摘 要:青岛市即墨温泉水是含有多种微量元素的一种具特殊医疗作用的地热水。通过对即墨温泉地区在不同季节采集的温泉地热水、地下水、地表水、大气降水和近岸海水分别进行氢、氧同位素的测定。结果表明,即墨温泉水的氢、氧同位素值皆小于大气降水来源的地表水、地下水和雨水;即墨温泉地热水DD-D18O相关点沿大气降水线展布表明其主要来源和补给源为大气降水,估算的循环深度约为2 017.6 m。在有利的构造部位和良好的储水条件下,大气降水经深循环加热和水岩反应淋滤盐分,并沿断裂上升出露地表,形成矿化度较高的温泉。
 
  关键词:地热水;地热开发
 
  地热开发即墨温泉出露在温泉镇东温泉村南部,原名汤泉,俗称汤上,为胶东三大温泉之一,泉眼很多,大者如拳,小者如豆。泉区地下基岩属于中生界白垩系莱阳绿色砂岩,基岩破碎带60多m,按40e等温线圈定的地热异常带长约1 000 m,宽约150 m,地热水埋深5~20 m,水温40~93e,属中低温地热水。泉水含有多种微量元素,盐度高,是一种具特殊医疗作用的地热水,号称/天下第一海水温泉0。即墨温泉在汉代时已经相当闻名,东汉科学家张衡、明代名医李时珍均有其治病记载。目前这里是全国著名疗养胜地和风景游览区之一,自1957年起至今已建有青岛温泉度假村、青岛工人温泉疗养院等十几处以温泉地热水利用为主的疗养院。
 
  有关青岛即墨温泉最早的研究报道见于1921年日本5地学杂志6之/山东省温泉0。
 
  近年来对即墨温泉地区的水文地质勘察和地热资源普查、区域地质构造、温泉沉积物[4]、水化学[2, 5]等特征进行了专门研究。表明即墨温泉地热水中的化学成分与地下热水含水层的埋藏条件、围岩岩性、补给条件有密切关系。
 
  针对即墨温泉同位素水文学研究报道很少。水体的氢氧同位素是理想的示踪剂,利用地热水和其周边水体的氢氧同位素探讨地热水的来源和补给源是十分有效的方法,王第28卷刘焱光,等:即墨温泉地热水的氢氧同位素特征及其地质意义53兆荣对即墨温泉水的氢氧同位素曾进行过初步研究[6]。本文拟利用分季节采取的即墨温泉地热水及其附近相关水体(地表水、天然降水、海水)的氢氧同位素分析结果,结合其地质构造特点,探讨温泉地热水的补给来源和循环深度,分析其形成机制。
 
  1区域地质概况。
 
  青岛地区位于鲁东地块的文登)胶南隆起的中段,中生代以来构造活动表现比较强烈,NE、NW向断裂是本区断裂构造的基本格架(图1a),并控制着燕山期崂山花岗岩的出露与分布。地质构造单元属鲁东隆起胶莱坳断东南边缘,位于崂山花岗岩体与白垩系地层侵入接触的NE边缘,其附近出露的地层主要为早白垩世莱阳群和青山群的陆相凝灰质碎屑岩和火山岩。区内有微弱切割的丘陵区,也有临近滨海的微倾斜的平原区。
 
  即墨温泉镇位于青岛市区北部,东邻黄海,NE向的沧口-温泉(牟平-即墨断裂的分支)断裂通过该镇。沧口-温泉断裂错断于莱阳群和燕山晚期花岗岩中,切割近东西向断层。由于其规模大,延伸远,具有很宽的断裂破碎带,并以先张后压为特点,挤压活动薄弱部位为地热的形成开辟了良好的空间和通道。而中生代活动剧烈的岩浆也从上地幔沿着断裂带侵入到地壳上部或喷出地表,形成大面积的花岗岩和火山岩,成为温泉的热量来源。在即墨温泉地区,沧口-温泉断裂隐伏于第四系地层之下,成为控制地热异常和地球化学异常的主导性构造。最近的研究报告表明沧口-温泉断裂的最新活动时代可能为30~35 ka,为晚更新世活动断层。
 
  即墨温泉地热分布区内第四系较为发育,厚度为10~15 m,最大可达25 m。第四系剖面自下而上为全新世黑色海相淤泥、棕色泻湖相粘土,顶部覆盖一层含柱状结核的湖泊相粉砂质沉积物[3]。由于地势较为平坦,第四纪厚度相对较大,有利于地下水的积聚,成为地下水较丰富的地区。
 
  即墨温泉的露头位于即墨东温泉村,地热资源远景估计为8.24@1015J。其地热开发方式为直接利用,目前在其附近主要有6口地热井进行开采,正常利用的4口(图1b),井深120~245 m,年开采总量约20多万m3[5]。所采热水主要供周围的温泉宾馆、疗养院和温泉度假村沐浴和室内采暖用,近几年还有10个农家个体浴所进行50 m左右深度的较浅层水开采利用。地热水的强开采期一般在11月-翌年的4月份,其月均开采量为弱开采期的3倍。
 
  2样品与方法。
 
  2.1水样采取。
 
  根据青岛地区的降水特点,2007年4月份(枯水期)和9月份(丰水期)分别从4口即墨温泉地热井中抽取水样8件,在东温泉村周边水库和水井中各取水样2件,在温泉大坝外侧取海水样品2件,在国家海洋局第一海洋研究所所区内采集大气降水样品2件。水样均用25 mL磨口玻璃瓶封存。采样站位见表1。
 
  2.2氢氧同位素分析。
 
  在CO2-H2O平衡法系统中完成用于氧同位素测试的CO2气体的提取和纯化,每样水量2 mL,平衡温度25e,平衡时间12 h。用金属锌法制取用于氢同位素测试的H2,反应温度400e。对经过纯化的CO2和H2,用MAT-253 EM型质谱计测得样品的D18O和DD同位素值,测试结果皆以标准平均大洋水(SMOW)为标准,以样品与标准同位素比偏差表示,D18O分析误差约0.2j,DD分析误差约2j。各种水样的氢氧同位素分析均在国土资源部同位素地质实验室完成。
 
  ?刘保华,刘焱光,赵月霞,等.5青岛市活断层探测与地震危险性评价6专题报告,2008.第28卷刘焱光,等:即墨温泉地热水的氢氧同位素特征及其地质意义553结果与讨论。
 
  3.1 水样的DD和D18O组成。
 
  如表1所示,即墨温泉地热水的DD值变化范围在-56j~ -67j之间,平均值为-62.6j;D18O值在-7.9j~ -8.9j之间,平均值为-8.6j;温泉大坝沿岸海水的氢、氧同位素值也未有较大的变化;即墨温泉邻近的地表水和地下水的同位素分析数据也较集中,DD值变化范围在-35j~ -53j之间,平均为-45j;D18O值在-3.9j~ -6.6j之间,平均为-5.5j;区域大气降水的同位素分析数据变化较大。与其周围淡水相比,温泉地热水的氢、氧同位素值相对偏重。
 
  另外,在不同季节,枯水期地热水的DD值(平均为-60.5j)相对于丰水期(平均为-64.8j)偏重,D18O值在两个季节的变化不大,基本在仪器精度范围内;与地热水相似,地表水、地下水、大气降水以及海水的DD和D18O值在枯水期相对于丰水期偏轻。
 
  3.2即墨温泉地热水的补给来源。
 
  根据各类水样的DD和D18O值绘制的DD-D18O关系图。图中显示,除海水之外,所分析的地热水、地表水和地下水的DD和D18O值皆沿大气降水线分布,且即墨温泉地热水的DD和D18O值均小于各种淡水的同位素值,呈现出所谓的/DD值的贫化0,这种特征与我国四川稻城[7]、河北秦皇岛温泉堡[8]、河北张家口南部[9]、山东招远温泉[6]和云56   海 岸 工 程第2期南横径[10]以及智利南部[11]、墨西哥西北滨海[12]、希腊Chios岛[13]等地区的地热水的DD和D18O特征非常类似。
 
  在不同地区、不同地质构造背景条件下,对于地热水的来源研究已可归结为一个共识[6, 9, 15],即开放型的地热水,其DD-D18O值基本皆沿大气降水线分布,并未发现明显的氧飘移,说明其成因主要是大气降水所致,它们隶属于正常的地热增温型的地热资源,与火山、岩浆型热源没有关系[16]。图2表明,即墨温泉地热水的D18O值没出现明显的氧飘移,其水体应主要来源于大气降水,属循环型地下热水类型,与邻近海水关系不大。即墨温泉地热水的含水层主要受水静压力控制,是一种含多种化学元素的地下热水资源,水中Cl-和Na+的含量很高,为NaCl型水质,矿化度可达12 g#L-1 [17]。由此看来,即墨温泉地热水中的化学成分,特别是盐分,是与/热水0在循环过程中通过对围岩溶滤作用和脱碳酸作用的水岩作用有关,而并未与海水相通所形成。另外,地热水和周围淡水的DD、D18O值的季节性变化类似也表明了大气降水是地热水的主要来源。
 
  地热水的DD、D18O值低主要是受补给区的高程和纬度效应影响,然而即墨温泉区域范围(约0.5 km2)很小,难以用补给区的高程和纬度效应来解释。其DD的贫化应与大气降水向地壳深部的迁移和循环有关,因大气降水经深循环并以地热水返回地表的过程中水体的氢氧同位素组成变化与地表水向空中迁移时出现的同位素分馏作用具有相似性[18],且地下水渗入地壳越深,水温越高,深循环流经的途径越长,其DD值降低越多[9]。即墨温泉地热水的氢氧同位素特征及其地质意义57经地下再循环的大气降水可与围岩发生同位素交换,也可能是造成同位素值下降的重要原因[16]。
 
  3.3即墨温泉地热资源的形成条件探讨。
 
  目前,对地下热源的分析研究有许多观点。李学伦等的研究认为胶东半岛虽然有大量中生代中酸性岩浆岩侵入和喷发,但岩体年龄已经久远,岩浆本身所携带的热量已散失殆尽,新生代虽有基性岩浆活动,但规模甚小,不足构成地热系统的热源,因此认为即墨温泉是在正常地温梯度下吸收地球内热形成的[19];而汪集旸等针对福建地热系统的计算结果,认为/即使在放射性热源参数足够大的情况下,放射性衰变亦构不成特殊热源[20];也有学者认为大地热流是温泉的主要热源[21]。可见即墨温泉的热源问题至今并没有一个较为一致的见解。
 
  对于温泉的形成环境,栾光忠等针对即墨温泉沉积物中存在的石膏、盐岩等自生矿物的形成模式进行了分析,认为这些自生矿物的物质来源、温、压条件、地热水喷流的水动力条件、沉积物的搬运介质、自生矿物和生物化石的空间分布以及沉积模式与一般湖沼沉积有着明显的不同。说明温泉盆地晚期是一个高矿化度、高盐度的热水环境,造成包括以直隶小旋螺为代表的腹足类肺螺亚纲陆生淡水软体动物和土星介等节肢动物和相关生物的灭亡,这也是温泉沉积物在矿物学和生物学方面的显著标识性特征[4]。
 
  王桂玲等通过综合分析温泉、黄家山、流亭等地热远景异常区的地质、水文条件,提出一个即墨温泉的热储模式[5],认为其热储层为莱阳群、青山群的陆相碎屑岩及火山岩类,保温隔热层为第四纪松散土层及莱阳群、青山群裂隙不发育的岩体,地热运移通道为NW向的张性断裂和NE向压扭性断裂的薄弱部位,热源为深部的岩浆余热或放射性元素蜕变能。
 
  按照陈墨香等对中国地热系统的划分结果,胶东半岛地热田属于构造隆起区热对流类深循环型[22]。大气降水入渗经深循环后上升至地表而形成的温泉,热水温度主要靠地热增温来获得[23, 24]。地热水温度取决于地下水循环深度,热水循环深度愈大,温度愈高。
 
  计算结果表明,胶东地区温泉地热水的循环深度在1 503~3 084 m[19]。根据李娟等[8]在河北秦皇岛温泉使用的地热水循环深度计算公式:
 
  Z=G(Tz-To)+Zo式中,Z为地热水循环深度(单位m);G为地热增温率,参考黄县第三系煤系地热增温率4.4e/100 m[25],取22.7 m/e;TZ为基底温度,取100.3e[25];To为补给区年平均气温,为12.3e[19];Zo为多年常温带深度,取20 m。计算得到的即墨温泉地热水的循环深度约为2 017.6 m。
 
  综上所述,即墨温泉是在独特的构造部位和良好的储水条件下,由大气降水经深循环加热和水岩反应淋滤盐分,并沿断裂上升出露地表,形成矿化度较高的温泉。1)岩浆岩体余热或放射性元素衰变能所提供的热源;2)断裂破碎带的构造控制作用提供的水体下渗和上涌的通道;3)上覆地层具有良好的储水条件;4)大气降水的不断供应等是即墨温泉形成的必要条件,它们为即墨温泉赋予了较为理想的资源量,成就了即墨温泉/天下第一海水温泉0的美称。58   海 岸 工 程第2期4结 论。
 
  1)即墨温泉水的氢、氧同位素值皆小于大气降水来源的地表水、地下水和雨水。因其温泉区域范围很小,难以用补给区的高程和纬度效应来解释,而所经历的深循环作用则应是导致这一现象的基本因素。
 
  2)即墨温泉水DD-D18O关系图落点皆沿大气降水线展布,其主要来源和补给源为大气降水,循环深度约为2 017.6 m,属于正常的地热增温型的地热资源。比较其特点,与火山、岩浆型热源没有关系;从端员角度分析,也与海水供给关系不大。
 
  3)即墨温泉是在独特的构造部位和良好的储水条件下,由大气降水经深循环加热和水岩反应淋滤盐分,沿沧口)温泉断裂破碎带控制的水体下渗和上涌的通道上升出露地表,形成矿化度较高的温泉,成就了即墨温泉/天下第一海水温泉0的美称。