基于水化学及稳定同位素的西藏察雅地下热水成因研究

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.013

现代地质 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (01): 199-208.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.013

基于水化学及稳定同位素的西藏察雅地下热水成因研究

张春潮¹^,²^,³(), 李向全¹^,³(), 马剑飞¹^,³, 付昌昌¹^,³, 白占学¹^,³

1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083
3. 自然资源部地下水科学与工程重点实验室, 河北石家庄 050061

收稿日期:2020-10-09 修回日期:2020-12-10 出版日期:2021-02-12 发布日期:2021-03-12
通讯作者: 李向全
作者简介:李向全,男,研究员,1966年出生,水文地质工程地质专业,主要从事水文地质环境地质工程地质研究工作。Email: 1711039960@qq.com。
张春潮,男,助理研究员,1989年出生,水文地质专业,主要从事水文地球化学及水资源评价研究工作。Email: ihegzcc@163.com。
基金资助:
中国地质调查局地质调查项目(DD20201123);中国地质调查局地质调查项目(DD20190319);中国地质调查局地质调查项目(DD20211374);中国地质科学院基本科研业务费项目(JYYWF20180401)

Formation Model of Geothermal Water in Chaya of Tibet: Perspective from Hydrochemistry and Stable Isotopes

ZHANG Chunchao¹^,²^,³(), LI Xiangquan¹^,³(), MA Jianfei¹^,³, FU Changchang¹^,³, BAI Zhanxue¹^,³

1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geosciences, Shijiazhuang, Hebei 050061, China
2. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3. Key Laboratory of Groundwater Science and Engineering of Natural Resources, Shijiazhuang, Hebei 050061, China

Received:2020-10-09 Revised:2020-12-10 Online:2021-02-12 Published:2021-03-12
Contact: LI Xiangquan

摘要/Abstract

摘要：

西藏察雅分布有两处地下热水,其中娘曲热水流量达23 356 m ³/d,温度达36 ℃,掌握其成因以及地下水循环模式对铁路隧道的规划建设具有重要意义。为查明地下热水水化学特征及其成因模式,采用同位素水文地球化学方法进行研究。结果表明:两处地下热水主要阳离子为Ca ²⁺和Mg ²⁺,主要阴离子为SO₄^2-和HCO₃^-,溶解性总固体含量为1 255~2 051 mg/L,水化学类型分别为SO₄·HCO₃-Ca·Mg型和SO₄-Ca·Mg型。氢氧同位素分析结果表明,地下热水补给来源主要为大气降水,并具有 ¹⁸O漂移现象,反映了热水与围岩的氧同位素交换效应。地下热水的补给高程为4 146~4 185 m,热储温度为53.1~61.0 ℃,循环深度为1 409~2 020 m。其成因模式为:地下水在东北部高山区接收大气降水入渗补给,沿岩溶裂隙管道径流,经深循环获得大地热流加热,受构造及岩层阻水影响沿断层上升,在上升过程中与份额达0.79~0.91的浅层地下水混合,于沟谷等地势切割处出露成泉。综合水文地质条件与隧道位置分析,隧道穿越的两处岩溶富水条带,东部岩溶富水区对隧道突涌水威胁较小;西部岩溶富水区对隧道存在构造岩溶水高压突涌水风险,后期应注意防范。

关键词: 地下热水, 水化学, 稳定同位素, 成因模式

Abstract:

Two occurrences of geothermal waters have been identified in Chaya of Tibet, and the one at Niangqu has a flow rate of 23,356 m ³/d and a temperature of 36 ℃. Understanding its hydrochemical and isotopic characteristics and groundwater circulation model is of great significance to tunnel design and construction. To clarify its hydrochemical characteristics and formation model, we analyzed the isotope hydrochemistry of water samples from these two geothermal water occurrences. The two geothermal waters contain main cations of Ca ²⁺ and Mg ²⁺, main anions of SO₄^2- and HCO₃^-. They are classified into SO₄-Ca·Mg and SO₄·HCO₃-Ca·Mg water-type, and have TDS content of 1,255 to 2,051 mg/L. Stable hydrogen and oxygen isotopes indicate that the main source of geothermal waters is meteoric precipitation, as featured by a ¹⁸O drift, reflecting O-isotope exchange between hot water and the wall rocks. Elevation of the recharge area is of 4,146 to 4,185 m, the temperature of the geothermal reservoir is about 53.1 to 61.0 ℃, and the water circulation depth is approximately 1,409 to 2,020 m. Formation model of the geothermal water is proposed as follows: after receiving recharge from meteoric water infiltration in high mountainous area from the northeast, groundwater may have flowed along the fractures between the karst layers and was heated by the geothermal heat flow through deep circulation. The water may have risen along faults due to the aquitard structure, mixed with 0.79 to 0.91 shallow groundwater, and formed springs in valley topographic incision. Integrating hydrogeology and tunnel location, the eastern karst-rich water area poses less threat on tunnel water incursion. The western karst-rich water area has tectonic karst water for the tunnel, and the risk of high-pressure water incursion should benoticed.

Key words: geothermal water, hydrochemistry, stable isotope, formation model

中图分类号:

P641.1

张春潮, 李向全, 马剑飞, 付昌昌, 白占学. 基于水化学及稳定同位素的西藏察雅地下热水成因研究[J]. 现代地质, 2021, 35(01): 199-208.

ZHANG Chunchao, LI Xiangquan, MA Jianfei, FU Changchang, BAI Zhanxue. Formation Model of Geothermal Water in Chaya of Tibet: Perspective from Hydrochemistry and Stable Isotopes[J]. Geoscience, 2021, 35(01): 199-208.

图/表 12

图1 研究区位置及地质简图

Fig.1 Location and simplified geological map of the study area

图2 南北向水文地质剖面(AA'剖面,剖面位置见图1)

Fig.2 Hydrogeological profile AA' of the study area(profile’s location seeing in Fig.1)

表1 研究区水样品化学组分及氢氧同位素组成

Table 1 Elemental and hydrogen-oxygen isotopic compositions of water samples from the study area

序号	样品编号	样品类型	水化学类型	pH值	水化学组分/(mg·L^-1)												同位素/‰
序号	样品编号	样品类型	水化学类型	pH值	溶解性总固体	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	F^-	偏硅酸	Sr²⁺		δD	δ¹⁸O
1	MKA15	鲁江热水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄-HCO₃	7.18	1 255.0	2.40	14.54	271.10	58.90	4.89	754.00	263.20	1.60	19.66	6.99	-138			-16.3
2	MKA29	娘曲热水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄	7.35	2 051.0	3.45	35.10	422.10	95.05	5.59	1 360.00	215.40	2.34	24.29	11.49	-139			-18.1
3	XMB33	岩溶泉水(T₃b)	Ca-HCO₃	7.99	159.1	0.45	1.77	48.61	4.70	1.75	14.36	155.40	0.17	8.73	0.09	-135			-17.7
4	MKA33	岩溶泉水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄	7.17	2 562.0	0.63	5.59	586.20	100.10	2.10	1 752.00	203.80	1.70	12.48	12.95	-139			-18.2
5	XMB43	岩溶泉水(D₃z)	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.63	286.5	0.66	3.98	57.95	22.01	1.75	102.30	178.70	0.21	7.34	0.41	-135			-18.2
6	MKA34	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.99	159.0	1.30	3.95	29.69	15.74	1.75	19.70	155.50	0.18	9.15	0.21	-126			-16.5
7	MKA41	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.83	124.3	1.77	10.16	25.21	6.09	1.75	4.38	131.00	0.19	7.79	0.13	-123			-16.2
8	MKA44	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.58	225.3	2.37	11.52	46.43	17.27	1.75	18.59	233.90	0.21	10.48	0.33	-131			-16.7
9	MKA01	地表水	Mg-Ca-HCO₃-SO₄	7.66	127.9	0.87	3.83	20.77	12.68	1.75	30.18	101.70	0.16	5.94	0.16	-122			-16.5
10	MKA08	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.63	121.7	1.10	6.11	21.20	9.67	1.40	27.31	95.71	0.16	6.28	0.13	-123			-16.3
11	MKA12	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.85	135.8	1.04	5.48	30.73	9.18	1.40	12.57	137.60	0.16	6.03	0.15	-122			-16.3
12	MKA22	地表水	Ca-Mg-HCO₃	8.52	142.8	1.31	6.92	27.62	11.44	1.75	6.47	143.60	0.16	9.71	0.32	-131			-17.3
13	XMB41	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.73	185.6	0.67	3.71	41.81	13.55	1.40	39.63	155.40	0.22	6.94	0.21	-128			-16.8
14	XMB48	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	8.40	196.2	0.77	3.73	43.92	14.14	1.75	44.52	148.20	0.22	6.52	0.22	-128			-17.0
15	XMB49	地表水	Ca-Na-HCO₃	7.54	107.4	1.34	8.87	22.44	4.23	1.40	4.81	110.60	0.21	9.47	0.14	-125			-16.4
16	XMB50	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.71	273.5	0.89	3.75	61.44	15.85	1.75	107.10	149.40	0.33	7.15	0.79	-123			-16.5
17	XMB52	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.49	197.5	1.38	5.13	52.81	9.12	1.75	24.25	188.40	0.20	7.79	0.16	-130			-17.1
18	XMB57	地表水	Ca-Mg-HCO₃	8.47	217.2	2.30	13.30	40.05	18.47	1.05	24.71	204.60	0.24	8.11	0.24	-126			-16.3
19	XMB58	地表水	Na-Mg-Ca-HCO₃	7.88	360.3	3.19	71.21	32.31	21.10	9.78	36.96	340.40	0.49	13.51	0.50	-129			-16.3
20	XMB63	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.66	217.0	2.04	10.16	41.28	18.41	1.75	21.25	221.30	0.28	10.46	0.66	-130			-16.7
21	XMB64	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.55	203.3	1.73	12.66	41.65	14.70	1.75	11.95	215.40	0.23	12.01	0.28	-132			-16.7
22	XMB66	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.89	120.8	1.28	8.36	24.30	7.59	1.75	4.31	125.60	0.19	10.32	0.20	-132			-17.1
23	XMB69	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.23	130.5	1.20	3.78	25.32	10.93	1.75	23.02	113.70	0.16	6.91	0.13	-127			-16.9
24	XMB71	地表水	Mg-Ca-HCO₃	8.00	232.7	1.97	5.35	38.43	30.08	1.75	15.82	256.60	0.24	10.56	0.19	-134			-17.1
25	XMB73	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.19	115.7	1.46	5.99	19.33	9.47	1.75	10.73	110.70	0.17	11.54	0.15	-126			-16.8
26	CY01	雨水	Ca-HCO₃	6.54	12.1	0.45	0.22	0.39	0.09	1.75	2.07	8.97	<0.10	<1.00	0.01	-127			-16.9

表1 研究区水样品化学组分及氢氧同位素组成

Table 1 Elemental and hydrogen-oxygen isotopic compositions of water samples from the study area

序号	样品编号	样品类型	水化学类型	pH值	水化学组分/(mg·L^-1)												同位素/‰
序号	样品编号	样品类型	水化学类型	pH值	溶解性总固体	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	F^-	偏硅酸	Sr²⁺		δD	δ¹⁸O
1	MKA15	鲁江热水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄-HCO₃	7.18	1 255.0	2.40	14.54	271.10	58.90	4.89	754.00	263.20	1.60	19.66	6.99	-138			-16.3
2	MKA29	娘曲热水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄	7.35	2 051.0	3.45	35.10	422.10	95.05	5.59	1 360.00	215.40	2.34	24.29	11.49	-139			-18.1
3	XMB33	岩溶泉水(T₃b)	Ca-HCO₃	7.99	159.1	0.45	1.77	48.61	4.70	1.75	14.36	155.40	0.17	8.73	0.09	-135			-17.7
4	MKA33	岩溶泉水(T₃b)	Ca-Mg-SO₄	7.17	2 562.0	0.63	5.59	586.20	100.10	2.10	1 752.00	203.80	1.70	12.48	12.95	-139			-18.2
5	XMB43	岩溶泉水(D₃z)	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.63	286.5	0.66	3.98	57.95	22.01	1.75	102.30	178.70	0.21	7.34	0.41	-135			-18.2
6	MKA34	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.99	159.0	1.30	3.95	29.69	15.74	1.75	19.70	155.50	0.18	9.15	0.21	-126			-16.5
7	MKA41	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.83	124.3	1.77	10.16	25.21	6.09	1.75	4.38	131.00	0.19	7.79	0.13	-123			-16.2
8	MKA44	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.58	225.3	2.37	11.52	46.43	17.27	1.75	18.59	233.90	0.21	10.48	0.33	-131			-16.7
9	MKA01	地表水	Mg-Ca-HCO₃-SO₄	7.66	127.9	0.87	3.83	20.77	12.68	1.75	30.18	101.70	0.16	5.94	0.16	-122			-16.5
10	MKA08	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.63	121.7	1.10	6.11	21.20	9.67	1.40	27.31	95.71	0.16	6.28	0.13	-123			-16.3
11	MKA12	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.85	135.8	1.04	5.48	30.73	9.18	1.40	12.57	137.60	0.16	6.03	0.15	-122			-16.3
12	MKA22	地表水	Ca-Mg-HCO₃	8.52	142.8	1.31	6.92	27.62	11.44	1.75	6.47	143.60	0.16	9.71	0.32	-131			-17.3
13	XMB41	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.73	185.6	0.67	3.71	41.81	13.55	1.40	39.63	155.40	0.22	6.94	0.21	-128			-16.8
14	XMB48	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	8.40	196.2	0.77	3.73	43.92	14.14	1.75	44.52	148.20	0.22	6.52	0.22	-128			-17.0
15	XMB49	地表水	Ca-Na-HCO₃	7.54	107.4	1.34	8.87	22.44	4.23	1.40	4.81	110.60	0.21	9.47	0.14	-125			-16.4
16	XMB50	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.71	273.5	0.89	3.75	61.44	15.85	1.75	107.10	149.40	0.33	7.15	0.79	-123			-16.5
17	XMB52	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.49	197.5	1.38	5.13	52.81	9.12	1.75	24.25	188.40	0.20	7.79	0.16	-130			-17.1
18	XMB57	地表水	Ca-Mg-HCO₃	8.47	217.2	2.30	13.30	40.05	18.47	1.05	24.71	204.60	0.24	8.11	0.24	-126			-16.3
19	XMB58	地表水	Na-Mg-Ca-HCO₃	7.88	360.3	3.19	71.21	32.31	21.10	9.78	36.96	340.40	0.49	13.51	0.50	-129			-16.3
20	XMB63	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.66	217.0	2.04	10.16	41.28	18.41	1.75	21.25	221.30	0.28	10.46	0.66	-130			-16.7
21	XMB64	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.55	203.3	1.73	12.66	41.65	14.70	1.75	11.95	215.40	0.23	12.01	0.28	-132			-16.7
22	XMB66	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.89	120.8	1.28	8.36	24.30	7.59	1.75	4.31	125.60	0.19	10.32	0.20	-132			-17.1
23	XMB69	地表水	Ca-Mg-HCO₃-SO₄	7.23	130.5	1.20	3.78	25.32	10.93	1.75	23.02	113.70	0.16	6.91	0.13	-127			-16.9
24	XMB71	地表水	Mg-Ca-HCO₃	8.00	232.7	1.97	5.35	38.43	30.08	1.75	15.82	256.60	0.24	10.56	0.19	-134			-17.1
25	XMB73	地表水	Ca-Mg-HCO₃	7.19	115.7	1.46	5.99	19.33	9.47	1.75	10.73	110.70	0.17	11.54	0.15	-126			-16.8
26	CY01	雨水	Ca-HCO₃	6.54	12.1	0.45	0.22	0.39	0.09	1.75	2.07	8.97	<0.10	<1.00	0.01	-127			-16.9

图3 研究区温泉水及其他水样Piper图

Fig.3 Piper diagrams of water samples from the study area

图4 研究区水样点的δD和δ18O关系

Fig.4 δD vs. δ18O plot of water samples from the study area

表2 计算的热水补给高程

Table 2 Elevation calculation for hot-spring recharge area

水样类型	标高/m	δD/‰	补给高程/m (据δD值)	取值/m
鲁江热水	3 660	-138	4 146	4 146
娘曲热水	3 670	-139	4 185	4 185

表3 热水热储温度估算结果

Table 3 Temperature calculation of the geothermal reservoir

水样类型	水温/℃	计算热储温度/℃		公式(3)和(4) 平均温度
水样类型	水温/℃	公式(3)	公式(4)	公式(3)和(4) 平均温度
鲁江热水	24	53.0	53.3	53.1
娘曲热水	36	61.0	60.9	61.0

表4 热水温度、焓和SiO2含量经验值[19]

Table 4 Empirical values of temperature, enthalpy and SiO2 contents of thermal groundwater[19]

温度/ ℃	焓/ (4.1868 J/g)	SiO₂含量/ (mg/L)	温度/ ℃	焓/ (4.1868 J/g)	SiO₂含量/ (mg/L)
50	50.0	13.5	200	203.6	265
75	75.0	26.6	225	230.9	365
100	100.1	48.0	250	259.2	486
125	125.4	80.0	275	289.0	614
150	151.0	125.0	300	321.0	692
175	177.0	185.0

表5 鲁江热水中冷水混合比例计算结果

Table 5 Mixing ratio calculation results for the Lujiang thermal groundwater

温度 /℃	S_c	S_h	S_s	C(SiO₂)	S(SiO₂)	h(SiO₂)	X₁	X₂
50	4.15	50.0	18.1	3	15.1	13.5	0.70	-0.15
75	4.15	75.0	18.1	3	15.1	26.6	0.80	0.49
100	4.15	100.1	18.1	3	15.1	48.0	0.85	0.73
125	4.15	125.4	18.1	3	15.1	80.0	0.88	0.84
150	4.15	151.0	18.1	3	15.1	125.0	0.91	0.90
175	4.15	177.0	18.1	3	15.1	185.0	0.92	0.93
200	4.15	203.6	18.1	3	15.1	265.0	0.93	0.95
225	4.15	230.9	18.1	3	15.1	365.0	0.94	0.97
250	4.15	259.2	18.1	3	15.1	486.0	0.95	0.97
275	4.15	289.0	18.1	3	15.1	614.0	0.95	0.98
300	4.15	321.0	18.1	3	15.1	692.0	0.96	0.98

表6 娘曲热水中冷水混合比例计算结果

Table 6 Mixing ratio calculation results for the Niangqu thermal groundwater

温度 /℃	S_c	S_h	S_s	C(SiO₂)	S(SiO₂)	h(SiO₂)	X₁	X₂
50	4.15	50.0	30.98	3	18.7	13.5	0.41	-0.50
75	4.15	75.0	30.98	3	18.7	26.6	0.62	0.33
100	4.15	100.1	30.98	3	18.7	48.0	0.72	0.65
125	4.15	125.4	30.98	3	18.7	80.0	0.78	0.80
150	4.15	151.0	30.98	3	18.7	125.0	0.82	0.87
175	4.15	177.0	30.98	3	18.7	185.0	0.84	0.91
200	4.15	203.6	30.98	3	18.7	265.0	0.87	0.94
225	4.15	230.9	30.98	3	18.7	365.0	0.88	0.96
250	4.15	259.2	30.98	3	18.7	486.0	0.89	0.97
275	4.15	289.0	30.98	3	18.7	614.0	0.91	0.97
300	4.15	321.0	30.98	3	18.7	692.0	0.92	0.98

图5 鲁江热水(a)和娘曲热水(b)冷水混合比例

Fig.5 Mixing ratio of cold water in the Lujiang (a) and Niangqu (b) thermal groundwater

图6 察雅王卡乡娘曲热水成因模式

Fig.6 Formation model of the Niangqu geothermal water in Wangka, Chaya

参考文献 20

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基于水化学及稳定同位素的西藏察雅地下热水成因研究

Formation Model of Geothermal Water in Chaya of Tibet: Perspective from Hydrochemistry and Stable Isotopes

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