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水热流体的地球化学
腾冲地区现代活动的水热流体,云南省地矿局第二水文地质工程地质大队,北京大学,中国科学院地质所、地球化学所、兰州地质所,中国石油勘探研究院等许多单位相继进行了许多勘查和研究工作,并有多篇文献公开发表。作者在1992、1994、1999的三年中,也相继对该区20个有代表性的热温泉水进行了化学组分及相关研究工作。为便与对比,本节只对其中资料比较齐全的11个热泉化学组分及水化学类型进行论述。
一、水化学类型
热温泉水质分析,通常以8个主要组分,即阴离子CO3、HCO3、SO4、Cl和阳离子Na、K、Ca、Mg的相对含量大小,划分水化学类型。对其它次要组分以及微量元素,也视具体情况,分别作为重要参数进行研究。
表4-3所列11个热泉,除来凤山为低温泉(系地下钻孔涌泉),高田、黑泥塘、大塘中寨的中高温热泉外,大多为沸泉。出露处海拔为1119~1790m。表列各泉,在地理坐标上,大体方向为自北而南(表内为自左至右)排序。由表可知:本区沸泉多为Cl—HCO3—Na型和HCO3—Cl—Na型,中高温热泉为HCO3—Na和HCO3—Cl—Na型,低温热泉则为HCO3—Mg—Ca型。地表热泉,由高温?中温?低温,矿化度总体上呈递减的趋势;Li、Rb、Cs等稀碱金属组分,在高温沸泉中的含量,明显高于中低温热泉;F、Cl、SiO2的含量,在高温热泉中也比较偏高。
高温热泉中的Cl、HCO3、H2S组分的高含量,及其化学活动性,对围岩有强烈的蚀变交代作用,由其构成的络合物,更是重金属的携带剂,从而促进了矿化作用的进行。热田内的广泛酸性淋滤作用、水热蚀变岩石的形成、铀、金及其它贱金属的元素赋集,以及大的生态环境的形成,莫不与此关联。
在表4-3所列热温沸泉中,大滚锅、眼镜泉为氯—重碳酸—钠型,以高锂、低镁为特征,接近于深源水性质;热水塘、硝塘、石墙、腊辛等热泉为重碳酸—氯—钠型,具有热水与冷水的混合型性质;来凤山矿泉,则系地下深层冷温泉,为重碳酸—镁—钠型,以高镁含量为特征。此外,在腾冲地区,局部还有硫酸—钠型泉水,出露于蒸汽地面,系地表冷水受地热蒸汽加热所致,而重碳酸—钠型水质,在全区分布普遍,系含大量CO2的地下水与围岩反应所致,并含有较高丰度的Rb、Cs、As、Li等元素。
表4-3 腾冲地区温热沸泉水化学组分与类型
注:元素含量为mg/L。
(据云南省第二水文地质工程地质大队地热队资料汇编,1988)
二、热泉中的化学元素
由于腾冲地区硅华及硅质岩类含有较高的Au丰度,且区内已发现热泉型金矿化与小型金矿床,对热泉水中的Au含量测试自然成为大家关注的问题。天津地质调查院郭光裕等,于1993年发表了区内17个热泉化学元素的测试数值,其中Au平均值为0.06μg/L,As为218、Sb 16.9、U 8.23、Tl 4.3(均为μg/L)。大滚锅热沸泉Au为0.11μg/L,攀枝花硝塘Au为0.16μg/L。北京大学过国颖1994年发表了大滚锅泉Au含量为0.106μg/L、眼镜泉为0.089、狮子塘泉为0.047μg/L的数据。
作者对腾冲地区的热泉水化学元素含量,曾多次进行过采样分析,并在国家地质测试中心、云南省地矿局中心实验室、云南省地矿局物化探队实验室对同一水样进行外检测试,但所得数据差异较大,但均高于郭、过二位学者公布的数值。
作者1999年再次对一些热泉水进行取样,并进行酸化处理(使pH值为4),送经云南省地矿局中心实验室,以化学光谱法则Au、原子荧光光度法测As、Se、分光光度法测Si、原子吸收分光光度法测Li,获得一批新的数据,详见表4-4。
表4-4 腾冲热泉化学元素含量测试数据
注:1.Sb及St编号样品的As元素含量,为云南省地矿局物化探队实验室测试;2.表列其他各项元素的含量,均为云南省地矿局中心实验室测试;3.质量分数Si、Li、As、Sb为mg/L,Se、Au为μg/L。
由表列数据可知,本区热沸泉与热温泉中均含有甚高丰度的Se、Au元素。硫磺塘地段的热沸泉(大滚锅、眼镜泉、怀胎泉、鼓鸣泉)Au丰度平均值0.55μg/L、Se平均值14.7μg/L,除Au、Se高丰度外,并有Li(7.55mg/L)、As(0.613mg/L)元素的高含量。而区内中温热泉Au元素的均值为0.26μg/L、Se的均值为12.6μg/L,而Li、As元素的含量明显偏低,分别为1.17mg/L、0.001mg/L。硅元素的测定数值,换算成SiO2含量,与前述表4-3所列数据差异均在误差范围以内,如大滚锅泉SiO2换算值为147mg/L、眼镜泉为172、热水塘135等,由此也说明该区热温泉中多年来的Si元素丰度较为稳定。
坝派巨泉,为沿Q3玄武岩层(同位素年龄0.31Ma)涌出的低温位温泉,常年水温22℃(腾冲气温年平均温度为15℃),8个泉口的总流量4257L/s,依其高于该地年平均温度7℃和巨大水流量计算,其热值总量超过腾冲地区的热温、沸泉热值总和。泉水中CO2的质量浓度为250ml/L,Au元素丰度为0.35μg/l,Se为6.5μg/L,Li、As元素的含量低于检测限。
三、热温泉水的同位素分析
腾冲地区,特别是热海热田水热流体的同位素地球化学,王先彬、赵平、张知非、廖志杰、戴金星、上官志冠等学者曾发表过多篇文献,不一一赘述。本书引用上官志冠的研究成果,予以择要说明。
上官氏对热海热田的18个主要泉点的逸出气体,进行了气体化学和同位素组成的测试分析,还采集了马鞍山火山口附近泉点以及若干较老火山岩区出露泉点的逸出气体,以进行对比。测试数据表明,热海地区水热流体逸出气体的最主要成分是CO2,其次为N2、Ar、O2,匡算区内每天通过地热水释放的溶解CO2约有26.8t,大量深源CO2的经久不息释放,指示该区地壳相对浅部可能存在岩浆活动。区内SN向断裂沿线泉点逸出气体中的CO2平均含量最高,为95.12%。热海地区逸出He的3He/4He比值变化范围为1.42×10-6~6.12×10-6(1.01~4.37Ra),其比值多数大于空气值(Ra),应为有幔源He的加入,指示本区地壳浅部存在幔源岩浆的侵入活动。在SN向断裂中分布的泉点逸出气体中He的含量和3He/4He比值最高,反映了SN向断裂的切割较深,为幔源岩浆挥发分逸出的通道。基于SN向断裂分布的泉点气体3He/4He比值相对较低,以及δ13C值明显增高,从而表明了本区深部的幔源岩浆已被地壳物质混染。上官志冠关于热泉气体的化学和氦、碳同位素组成,见表4-5。
由表可知,出露在较老火山岩中的泉点(硝塘坝、扯雀塘、革家寨)所逸出He的3He/4He比值随He含量的增大而降低;而在水热流体活动强烈的硫磺塘地段,则总体上呈现相反的变化。
作者对腾冲地区不同期次火山岩岩石的He同位素分析表明,区内火山岩年龄越大,岩石中He的含量越高,其3He/4He比值越低。区内自上新世、至早更新世、晚更新世,以至全新世以来,火山岩岩石的He含量分别为51.14×10-8、6.85×10-8、2.38×10-8、1.44×10-8,呈现降低的趋势;而3He/4He比值则随火山岩年龄的更新进而增大,由0.027×10-6、而至0.14×10-6、1.5×10-6和3.0×10-6。于打莺山下采取的玄武岩样品,其He含量为4.15×10-8、3He/4He比值为1.5×10-6,与上述变化趋势呈现变异,是否因其年龄过于年轻(中国科学院地球化学所对该样点附近的测年为7×103a),以及岩源遭受放射性成因He混染的缘故,有待进一步研究。
腾冲地区新生代火山岩岩石中的He含量与3He/4He比值,均远低于分布于其周边的热温泉水逸出的He含量和3He/4He比值,说明区内水热流体的3He有幔源的来源,水热流体的活动与新生代火山岩的喷溢并无直接的渊源关系。
腾冲地区火山岩岩石He同位素分析见表4-6。
腾冲地区热温泉水的氢、氧同位素组成,中国科学院贵阳地球化学研究所、地质所、北京大学、云南省第二水文地质工程地质大队等许多单位都进行过研究工作。中科院地质所、北京大学联合在热海热田进行的系统采样和分析资料表明,区内的热水存在较小的“氧飘移”,δ18O和δD值大体靠近全球气体降水线δD、δ18O值的分布线,且远离岩浆水δD和δ18O的范围,由此论证区内水热流体的主要水源为大气降水。
表4-5 腾冲热海及邻近地区地热流体逸出气体的化学和氦、碳同位素组成
注:表中未给出氧气值的泉点样品为1997年8月采集,其余为1988年9月采集,采样点分组:1为热海地区南北向断裂沿线泉点;2 为北西向断裂沿线泉点;3 为澡塘河南蛤蟆嘴西侧泉群;4 为马鞍山火山口附近泉点;5 为区内老火山岩中出露的泉点。
(据上官志冠,2000)
表4-6 腾冲火山岩岩石惰性气体同位素分析
注:1.He同位素分析单位为中国地质科学院矿产资源所稳定同位素研究实验室;2.同位素年龄依据云南地矿局区调队1:5万腾冲幅资料。
表4-7 热海热田水热流体中氢、氧同位素的组成和氯含度
(据廖志杰等,1999)
热海热田水热流体中氢、氧同位素的组成和氯含度,见表4-7。
四、水热流体与地热的热源
基于本区深、浅钻孔测温资料,及水热流体的活动特征与地球化学特征,可知本区地下水热流体埋深较浅,分布主要受断裂构造的控制,基本上不存在深循环增温机制。同位素资料表明,水热流体逸出的CH4、CO2均为无机成因,3He/4He比值高于大气,反映了3He以及CH4、CO2,都是来自于幔源岩浆。热水是由深部热源直接加热渗流于壳层内的大气降水形成。
中国科学院地球物理所、国家地震局地质所、北大地质系、成都地院物探系,1995年对热海地区进行了大地电磁测探(MT)工作,获取7km以下约20km厚的高导层可能为一个正在冷却的岩浆囊,应是整个热海热田的深部热源。20世纪80年代初,刘宝诚等在热田进行了微震观测,认为该区地下存在7km厚的薄地壳,厚度向四周增大,构成伞状结构,具备存在热储构造或岩浆囊的条件。之后,地震局地质所在腾冲—南华的MT剖面中,发现在腾冲地区的石坪、大宽邑两测点的第三电性层电阻率约6~10Ω·m,厚约5km,埋深9~10km,推论该高导层为火山岩浆囊,这些认识多有相同之处,即地下浅部有岩浆囊存在的可能。由区域地球化学研究可知,本区Pb、Th元素丰度背景较高,新生代火山岩中放射性成因铅具有相当高的含量。在区内一些地段,更有U的高背景存在,故放射性热能也是本区应予考虑的热源。
据热红外与地球化学温标分析,热海热田的热储具多层结构,彼此有一定的沟通。上官志冠将其分为:浅层(热储温度为175±20℃)、中层(热储温度为215±25℃)、深层(250±7℃),推断深部岩浆热源的温度>514℃。廖志杰对热储的划分略有差异,且推断浅层热储的压力为0.7920MPa,埋深78m;热储上部的压力为2.798MPa,埋深314m;热储下部的压力为5.962MPa,埋深724m。
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