江西新泉—温汤断裂东段中低温地热流体水化学特征及成因机制.docx

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摘要
江西新泉—温汤断裂带作为华南地区重要的构造活动带之一，其东段发育的中低温地热流体资源具有显著的开发潜力。本文通过野外地质调查、地热流体样品采集与测试，系统分析了该区域地热流体的水化学组成、离子特征及同位素分布规律，结合区域地质构造背景与水文地质条件，揭示了地热流体的成因机制。结果表明：℃，属于中低温地热资源范畴；水化学类型以HCO₃⁻-Na⁺型为主，部分样品表现为HCO₃⁻·SO₄²⁻-Na⁺型，离子浓度受岩石溶滤作用与水岩相互作用主导；氢氧同位素组成（δ²H为-‰-‰，δ¹⁸O为-‰~-‰）显示地热流体起源于大气降水，且经历了一定程度的同位素交换；地热流体的形成主要受控于断裂带的导水导热作用、地下水深循环过程及花岗岩体的放射性生热效应。研究成果可为新泉—温汤断裂东段地热资源的合理开发利用与保护提供科学依据。
关键词
新泉—温汤断裂；中低温地热流体；水化学特征；成因机制；氢氧同位素；江西
1 引言
地热资源作为一种清洁、可再生的新型能源，在供暖、发电、医疗康养及旅游开发等领域具有重要的应用价值。华南地区由于受太平洋板块与欧亚板块相互作用的影响，地壳运动活跃，断裂构造发育，为地热流体的形成与运移提供了有利的地质条件。江西新泉—温汤断裂带位于武功山隆起与萍乐凹陷的过渡区域，是区域内重要的控热构造带，其西段温汤地区已发现多处温泉点，并已实现规模化开发（如宜春温汤温泉），而东段（主要涉及芦溪、莲花等地）的地热资源勘探与研究相对薄弱，尚未形成系统的水化学特征与成因机制分析成果。
近年来，随着江西省对清洁能源开发的重视，新泉—温汤断裂东段的地热资源勘探工作逐步推进。然而，该区域地热流体的来源、运移路径、水岩相互作用强度及控制因素等关键科学问题尚未明确，制约了地热资源的合理开发。基于此，本文通过对新泉—温汤断裂东段12个地热流体样品（温泉点、地热井）的野外采集与室内测试，系统分析了其水化学组成、离子比例及氢氧同位素特征，结合区域地质构造与水文地质条件，揭示地热流体的成因机制，旨在为该区域地热资源的勘探评价与开发利用提供理论支撑。
2 区域地质背景
地层与岩性
研究区位于江南造山带东段，地层发育较为齐全，从元古界到新生界均有出露，但以元古界变质岩与中生界花岗岩为主（图1）。元古界双桥山群（Pt₂sh）是区域内的基底地层，主要岩性为浅变质的板岩、千枚岩及变质砂岩，岩石致密，透水性较差，但在断裂构造影响下可形成局部透水带；中生界侏罗系上统打鼓顶组（J₃d）与白垩系下统火把冲组（K₁h）主要分布于研究区北部，岩性以砂砾岩、砂岩为主，孔隙度较低，水文地质意义有限；新生界第四系（Q）主要分布于河谷及山间盆地，岩性为残坡积土、冲洪积砂卵石层，厚度0~15m，是浅表地下水的主要赋存层位。
研究区最具控热意义的岩性为中生代花岗岩，主要包括燕山早期花岗岩（γ₅²）与燕山晚期花岗岩（γ₅³），广泛分布于断裂带两侧。燕山早期花岗岩以粗粒黑云母花岗岩为主，岩石中长石、石英含量较高，且含有一定量的放射性元素（U、Th、K），其放射性衰变产生的热量可为地热流体提供部分热源；燕山晚期花岗岩以中细粒花岗岩为主，结构相对致密，但在断裂作用下易发生破碎，形成裂隙发育带，为地热流体的储存与运移提供通道。
构造特征
新泉—温汤断裂带是研究区的主控构造，总体走向为北东—南西向，全长约80km，东段自芦溪县新泉乡向东延伸至莲花县三板桥乡，断裂带宽度500~1500m，属于逆冲—走滑型断裂。该断裂形成于印支期，在燕山期经历了强烈的活动，喜马拉雅期仍有继承性活动，断裂带内岩石破碎严重，发育大量的碎裂岩、角砾岩及糜棱岩，裂隙发育程度高，透水性与导热性良好，是地热流体上升的主要通道。
断裂带两侧次级断裂发育，主要走向为北西向与近东西向，与主断裂交汇形成“多”字形构造格局。次级断裂的存在进一步加剧了岩石的破碎程度，形成了以主断裂为中心、次级断裂为分支的裂隙网络系统，为地下水的深循环与地热流体的储存提供了有利空间。此外，研究区还发育有多个小型断陷盆地（如芦溪盆地、莲花盆地），盆地内第四系松散堆积物厚度较大，是浅表地下水与地热流体发生混合的主要区域。
水文地质条件
研究区地下水类型主要包括松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、变质岩类裂隙水及岩浆岩类裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系冲洪积层中，水位埋深15m，水量中等，水质较好，主要接受大气降水补给，排泄方式为蒸发、地表径流及向深部裂隙水补给；碎屑岩类裂隙水与变质岩类裂隙水主要赋存于侏罗系、白垩系及元古界地层的构造裂隙中，水量较小，透水性受裂隙发育程度控制；岩浆岩类裂隙水是研究区地热流体的主要赋存类型，主要赋存于花岗岩体的构造裂隙与风化裂隙中，水位埋深差异较大（50300m），水量丰富，且水温较高，是地热资源开发的主要目标层。
研究区地下水的补给来源主要为大气降水，降水入渗后，一部分在浅表形成孔隙水或浅层裂隙水，另一部分则沿着断裂带与花岗岩裂隙向深部运移，在深循环过程中吸收地壳热量与岩石放射性生热，形成地热流体，最终通过断裂带的导水通道上升至地表，形成温泉或通过地热井开采。
3 样品采集与测试方法
样品采集
本次研究共布设12个采样点，涵盖研究区主要的温泉点（如芦溪新泉温泉、莲花三板桥温泉）与地热勘探井（如LX-1井、LH-2井），采样点分布均匀，能够代表研究区地热流体的整体特征（表1）。采样工作于2024年3—4月进行，采样前先排出管道内停滞水30min以上，确保采集的样品为新鲜地热流体。
水温、pH值、电导率（EC）等物理参数采用便携式多参数水质分析仪（哈希HQ40d）现场测定，测定精度分别为±℃、±、±1μS/cm。水样采集采用500mL聚乙烯塑料瓶，采样前用待测水样润洗3次，其中用于阳离子分析的水样加入硝酸调节pH<2，用于阴离子分析的水样不添加试剂，用于氢氧同位素分析的水样直接装满并密封，避免挥发。所有样品采集后均置于保温箱中（4℃）保存，并在24h内送至实验室进行测试。
测试方法
水样的阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，珀金埃尔默Optima 8300）测定，，相对标准偏差（RSD）<2%；阴离子（HCO₃⁻、CO₃²⁻、SO₄²⁻、Cl⁻）采用离子色谱仪（ICS-900，戴安）测定，HCO₃⁻与CO₃²⁻通过酸碱滴定法辅助验证，，RSD<3%；总溶解固体（TDS）通过重量法测定，即将水样蒸发至干后称重计算，精度为±。
氢氧同位素（δ²H、δ¹⁸O）测试采用稳定同位素比质谱仪（MAT 253，赛默飞世尔），测试结果以维也纳标准平均海水（VSMOW）为标准，δ值表示为‰，测试精度分别为±1‰（δ²H）与±‰（δ¹⁸O）。所有测试工作均在国土资源部地下水科学与工程重点实验室完成，测试过程严格按照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）与《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）进行质量控制。
4 水化学特征分析
物理参数特征
研究区地热流体的物理参数测试结果如表1所示。由表可知，~℃，℃，其中温度最高的样品为LH-2井（℃），最低的样品为新泉温泉1号点（℃），根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010），该温度范围属于中低温地热资源（25~90℃）。水温分布呈现明显的空间差异，沿新泉—温汤断裂主带分布的采样点（如LX-1井、LH-2井）水温普遍较高（>45℃），而远离主断裂的采样点（如莲花坊楼温泉）水温较低（<35℃），表明断裂带的导热作用对水温具有显著控制作用。
，，呈弱碱性，这与花岗岩地区地下水普遍呈弱碱性的特征一致，主要原因是花岗岩中的长石（如钾长石）发生水解反应，释放OH⁻离子，使水体pH值升高。电导率（EC）介于8502150μS/cm，平均EC为1520μS/cm，TDS介于520~1350mg/L，平均TDS为980mg/L，属于微咸水范畴（TDS 500~1000mg/L），部分样品（如LX-1井、LH-2井）TDS>1000mg/L，表明地热流体在深循环过程中与岩石发生了较强的溶滤作用，导致离子浓度升高。
离子组成特征
研究区地热流体的主要离子浓度测试结果如表2所示。从阳离子来看，Na⁺浓度最高，介于210480mg/L，平均浓度为325mg/L，占阳离子总量的75%85%；K⁺浓度次之，介于1535mg/L，平均浓度为25mg/L；Ca²⁺浓度介于3080mg/L，平均浓度为55mg/L；Mg²⁺浓度最低，介于5~15mg/L，平均浓度为10mg/L，阳离子组成总体表现为Na⁺>Ca²⁺>K⁺>Mg²⁺。
从阴离子来看，HCO₃⁻浓度最高，介于350680mg/L，平均浓度为520mg/L，占阴离子总量的65%75%；SO₄²⁻浓度次之，介于80220mg/L，平均浓度为150mg/L；Cl⁻浓度介于3080mg/L，平均浓度为55mg/L；CO₃²⁻浓度较低，多数样品未检出或浓度<10mg/L，阴离子组成总体表现为HCO₃⁻>SO₄²⁻>Cl⁻>CO₃²⁻。
为进一步明确地热流体的水化学类型，采用舒卡列夫分类法（按阴阳离子毫克当量百分比分类）对样品进行分类。结果显示，12个样品中，8个样品属于HCO₃⁻-Na⁺型水，%；3个样品属于HCO₃⁻·SO₄²⁻-Na⁺型水，占比25%；1个样品属于SO₄²⁻·HCO₃⁻-Na⁺型水，%。总体而言，研究区地热流体的水化学类型以HCO₃⁻-Na⁺型为主，这一类型通常与地下水在花岗岩地区深循环过程中发生的长石溶滤作用密切相关。
离子比例与水岩相互作用分析
为揭示地热流体与岩石的相互作用过程，对主要离子的比例关系进行分析。Na⁺/Cl⁻比值是判断水岩相互作用强度的重要指标之一，研究区地热流体的Na⁺/Cl⁻~，，远高于海水的Na⁺/Cl⁻比值（），且高于浅层地下水的Na⁺/Cl⁻比值（通常<3），表明地热流体中的Na⁺主要来源于岩石的溶滤作用，而非海水入侵或人类活动污染。花岗岩中的钾长石（KAlSi₃O₈）与钠长石（NaAlSi₃O₈）在地下水的作用下发生水解反应，生成Na⁺、K⁺与SiO₂，反应方程式如下：
2NaAlSi₃O₈ + 2H₂O + CO₂ → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2Na⁺ + 2HCO₃⁻ + 4SiO₂
KAlSi₃O₈ + H₂O + CO₂ → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + K⁺ + HCO₃⁻ + 2SiO₂
这一反应不仅是Na⁺的主要来源，也是HCO₃⁻的重要来源，与研究区地热流体中Na⁺与HCO₃⁻浓度较高的特征一致。
Ca²⁺/Mg²⁺比值可反映碳酸盐岩与硅酸盐岩的溶滤差异，研究区地热流体的Ca²⁺/Mg²⁺~，，高于碳酸盐岩地区地下水的Ca²⁺/Mg²⁺比值（通常<3），表明Ca²⁺与Mg²⁺主要来源于硅酸盐岩的溶滤作用，而非碳酸盐岩。花岗岩中含有少量的角闪石、辉石等镁铁质矿物，这些矿物在水解作用下释放Mg²⁺，而Ca²⁺则主要来源于斜长石的溶滤作用。
SO₄²⁻的来源通常与黄铁矿氧化作用有关，研究区花岗岩中含有少量的黄铁矿（FeS₂），在地下水深循环过程中，由于氧气含量较低，黄铁矿氧化作用较弱，但在断裂带浅部，随着地下水上升，氧气含量增加，黄铁矿发生氧化反应，生成SO₄²⁻，反应方程式如下：
4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂SO₄
这一过程导致部分靠近地表的温泉样品（如新泉温泉1号点）SO₄²⁻浓度较高，形成HCO₃⁻·SO₄²⁻-Na⁺型水，与测试结果一致。
氢氧同位素特征
研究区地热流体的氢氧同位素测试结果如表3所示，δ²H值介于-‰-‰，平均δ²H值为-‰；δ¹⁸O值介于-‰-‰，平均δ¹⁸O值为-‰。将所有样品的δ²H-δ¹⁸O数据投影到全球大气降水线（GMWL：δ²H=8δ¹⁸O+10）与中国东部大气降水线（ELMWL：δ²H=¹⁸O+）上（图2），结果显示，所有样品点均分布在大气降水线附近，且靠近中国东部大气降水线，表明地热流体的起源为大气降水，这与研究区地下水补给来源一致。
部分样品点（如LX-1井、LH-2井）的δ¹⁸O值相对于大气降水线略有富集（δ¹⁸O>-‰），这一现象被称为“氧漂移”，主要原因是地热流体在深循环过程中与岩石发生了同位素交换反应。花岗岩中的石英、长石等矿物富含¹⁸O，当地热流体与这些矿物长时间接触（温度>40℃）时，水体中的¹⁶O与矿物中的¹⁸O发生交换，导致水体中δ¹⁸O值升高，形成氧漂移。水温越高，同位素交换作用越强，氧漂移现象越明显