0 引言

地下热水化学与同位素分析是研究地球内部热水体化学性质及其与地质环境相互作用的重要方法（韩思航，2022），很多学者用来揭示地下水循环过程、地热资源潜力评估以及环境变化的评估。地下热水的成分受到地球内部地热作用、岩石溶解、气体开采以及地下水的交互作用等多种因素的影响（梅博等，2021；苏玉娟，2021），但因不同的地质构造贮存环境、沉积演化史及流体动力学特征，通常以一种或少数几种水化学作用为主。国内外学者们常用地下水化学的方法来推断热水形成的来源和形成环境的变化，从而对地下水体的资源潜力进行评估（杨少平等，2011；Bowers et al.，2012；吕苑苑等，2012；郭婷婷，2013；陈礼明，2019；Rezaei et al.，2019；Song et al.，2019）。而同时，同位素方法为水化学分析提供了重要补充，其已被广泛应用于追溯地下水的起源、揭示地下水循环路径等研究，特别是地下热水通常在较深的地下层中形成，温度较高，这种高温环境会导致水的稳定同位素比值变化（包为民等，2008；Oyuntsetseg et al.，2015），形成 “δ¹⁸O 漂移”（Ian，1997；马致远等，2018； Bahadori et al.，2019）。

湖南省地下热水资源丰富，但是受地质构造等方面的差异，不同区域地下热水形成机制有很大差别。本研究利用全省 84 处地下热水点的水化学及同位素监测数据，分析水化学及同位素的分异特征，并分析及内在的地热成因差异机制，丰富湖南省地下热水理论，为湖南地下热水资源勘查、开发提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 区域地质与水文地质条件

湖南境内自元古宇至新生界各时代地层发育齐全，出露完整，自冷家溪群至第四系均有地层出露，沉积类型有海相、陆相、海陆交互相、冰川沉积相。境内地下热水主要受岩浆分布与构造控制。

湖南省内岩浆岩发育中等，出露面积约18326 km²，占全省总面积的 8.65%，以侵入岩为主。出露岩浆岩主要为酸性—中酸性花岗岩类岩石，呈岩基或岩株状侵入白垩纪以前各时代地层中（图1）。湖南省内多个地热田均与岩浆岩体有关，包括沩山岩体的灰汤温泉、诸广山南岩体的热水温泉、骑田岭岩体的许家洞温泉。

大地构造位置上，湖南地跨扬子和华夏两大古陆块，处于南岭巨型纬向构造带的北缘，新华夏系第二沉降带和第三隆起带中段。境内构造复杂，大型断裂构造多以北东向、北西向为主（图1），如花垣 —慈利断裂带、城步—新化—桃江断裂带、常德— 安仁构造带等。北部为华夏系构造带斜贯全区，南部发育有南北向构造带及弧顶朝西的祁阳山字型构造，湘中及湘北尚分布区域性东西向构造带。湖南省地下热水主要与区域隐伏断裂构造带有密切关系，北东向隐伏断裂控制了地下热泉的分布，但高温地热异常主要分布在常德—桃江—衡东—资兴北西向断裂带与北东向构造交汇部位，推测高温热泉与北西向深大断裂导热活动有关。经综合分析推断，湖南省有 13 条区域控热隐伏断裂带，其中一级断裂构造带 5条、二级断裂构造 7条、三级断裂构造1条（图1）。

根据区域构造、地层、岩浆岩等特征，将湖南省地热点划分为湘东南、宁远—江华盆地、衡阳盆地、长株潭盆地、幕阜山、湘西北、雪峰山等 7 个区（图1），开展对比研究，并基于结果深入剖析湖南省地下热水的空间差异规律。

1.2 数据来源

本次研究共对湖南省 84 处地下热水点开展了水化学及氢氧稳定同位素采样工作，其中岳阳幕阜山隆起区（4 个）、长株潭盆地区（4 个）、衡阳盆地区 （10 个）、湘东南区（34 个）、宁远—江永盆地区（3 个）、邵阳雪峰山区（6 个）、湘西北区（22 个）。所有样品均由湖南省地质实验测试中心按照样品采集及检测的采样标准完成样品检测工作。

2 湖南省地下热水水化学分区特征分析

2.1 地下水化学类型分析

基于湖南省 84 处地下热水水化学数据，运用 Aq. QA 软件绘制 Piper 图（图2）。从图2 可以看出，湖南省地热水化学特征在空间上具有明显差异。从阳离子来看，省内地下热水主要以 Ca. Mg 型为主，但是幕阜山、湘西北、湘东南、宁远—江永盆地有多个地下热水点表现为 Na+K 型。从阴离子来看，虽然 HCO₃型仍然占据多数，但是在湘西北、湘东南、衡阳盆地等地有相当一部分地下热水表现为 SO₄型。

除通过地下水化学类型对地下热水径流过程中可能发生的水岩作用开展分析外，溶解性总固体 （TDS）与 Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）或 Cl^- /（Cl^- +SO₄ ^2-）的散点关系（Gibbs 图）也被广泛应用在水岩作用分析中 （Marandi and Shand，2018；张景涛等，2021）。

根据湖南省地下热水Gibbs图可知（图3），湖南省内地下热水水化学主要受岩石风化作用（水岩作用）的控制。TDS与Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）散点关系图与前者略有差异。岳阳幕阜山、长株潭盆地、宁远—江永盆地和邵阳雪峰山地热水水样阳离子主要分布于 Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）的比值大于 0.5 的范围内，湘东南、衡阳盆地、湘西北也有部分地下热水点表现为高Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）值。

2.2 地下热水水化学主成分空间差异对比

主成分分析法是在保证信息量损失最小的前提下，对高维变量空间进行降维处理。地下水的化学成分复杂，水质指标较多，主成分分析近年来被国内外学者广泛应用于地下水水化学分析中。一般可以根据水质的主导成分的数量和类型去判断地下水径流过程中围岩的岩性及复杂程度。

主成分分析法计算过程阐述如下：

设原始变量矩阵X，由n个样本的p个因子构成

（1）对原始变量矩阵X进行标准化处理，其标准化公式为

式（2）中：$x_{ij}=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{x}_{ij}{S}_j=\frac{1}{n-1}\sum _{i=1}^n{\left(x_{ij}-{\stackrel{-}{x}}_j\right)}^2$

（2）计算样本矩阵的相关系数R

（3）求R特征值与特征向量

$C^{（i）}=\left(C_1^{（i）}，C_2^{（i）}，\cdots ，C_p^{（i）}\right)$，其中i=1，2，···，

（4）选取m（m<p）个主成分。

对湖南省 84 处地下热水水化学检测数据按分区开展主成份分析，分析结果如表1和图4。

2.3 地下热水水化学相关分析空间分异

本次研究选择（Na⁺ +K⁺）/Cl^-、（Ca²⁺ +Mg²⁺）/ （SO₄ ^2- +HCO₃^-）以及 TDS 与主要阳离子开展相关分析，并在各区间开展对比研究。（Na⁺ +K⁺）/Cl^-的相互关系可论证研究区地热水的形成过程是否受硅酸盐矿物的影响，（Ca²⁺ +Mg²⁺）/（SO₄ ^2- +HCO₃^-）的相关关系则可以判别Ca²⁺ 和Mg²⁺ 的来源是否受含镁和钙的硅酸盐或碳酸盐矿物的溶解作用控制（王焰新， 1989）。

由图5 可以看出，湖南省地下热水的（Na⁺ +K⁺）/ Cl^-值绝大多数远大于1，这说明湖南省地热水中Na⁺ 和 K⁺ 多来源于硅酸矿物的溶解。从图6 可以看出，湖南省地下热水的（Ca²⁺ +Mg²⁺）/（SO₄ ^2- +HCO₃^-）主要沿斜率为 0.3 的直线分布，这说明湖南省地热水中的 Ca²⁺和 Mg²⁺来源于含镁和钙的硅酸盐矿物的溶解。

注：根据主成分分析的结果，雪峰山、湘东南、衡阳盆地表现为3个主因子，而湘西北和岳阳—长株潭盆地则表现为2个主因子。雪峰山、湘东南与幕阜山—长株潭区的地下热水，第一因子均表现与Si的高相关性，这说明这些区域岩浆岩对地下水化学成分起到了重要作用。湘西北第一因子与K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2- 具有较高相关性，这说明湘西北地区地下热水成因可能与硫酸盐矿物等有关；衡阳盆地主成分分析结构则表现出了明显的蒸发岩特性，这与衡阳的白垩系地层特性有关。

TDS与离子浓度的关系如图7所示。不同分区的关系散点变化具有明显差异。总体来看，衡阳盆地、湘东南、湘西北的Ca²⁺ 与TDS表现出较为一致的变化特征（递增斜率相近），湘东南和湘西北的 Mg²⁺ 与 TDS 的关系曲线也较为一致，但衡阳盆地的 Mg²⁺ 与 TDS 的递增斜率明显小于前两者，而 Na⁺ 与 TDS 的递增斜率明显大于前两者，这进一步反映出衡阳盆地白垩系红层特性。其他地区受样本数量的限制，很难细致区分TDS与各离子浓度的变化关系。

3 湖南省地下热水氢氧稳定同位素特征分析

根据全省 84 个地下热水点水样氢氧稳定同位素检测结果绘制湖南省地下热水 δD 和 δ¹⁸O 分区关系（图8）。岳阳幕阜山区的 δD 值为-38.2‰~-52.2‰，δ¹⁸O 值为-1.5‰~-5.3‰；长株潭盆地区的 δD 值为-38.5‰~-45.5‰，δ¹⁸O 值为-2.2‰~-3.7‰；衡阳盆地区的 δD 值为-35.8‰~-45.7‰， δ¹⁸O 值为-2.2‰~-4.4‰；湘东南区的 δD 值为-25.2‰~-54.9‰，δ¹⁸O 值为-0.6‰~-8.7‰；宁远 —江永盆地区的 δD 值为-45.7‰~-55.9‰，δ¹⁸O 值为-4.2‰~-4.6‰；邵阳雪峰山区的 δD 值为-49.1‰~-58.6‰，δ¹⁸O 值为-5.5‰~-8.1‰；湘西北区的δD值为-37.6‰~-63.3‰，δ¹⁸O值为-1.7‰~-9.6‰。

湖南省地热水氢氧同位素大多数分布在湖南大气降雨线右下方，说明湖南省地热水的补给直接或间接地来源于大气降水的补给，且在补给过程中均经历了不同程度的蒸发作用。从整体来看，湖南省内地下热水的δ¹⁸O和δD散点图具有明显“区内积聚”的特点。

湖南省内地下水热水 δ¹⁸O 和 δD 散点沿两条线分布，近水平线和蒸发线，其中近水平线上主要分布有湘东南大部分地下热水点、长株潭盆地部分热水点和衡阳盆地部分热水点。这说明，这些地下热水点发生了明显的“δ¹⁸O 飘移”现象，即这些地热水点曾经发生过非常强烈的水-岩同位素分馏作用。因此，可以推测这些地热点的热储温度大都在 80℃ 以上。其他地下热水的D-¹⁸O关系散点大都落在湖南地下水蒸发线上，这说明其他区域热储温度一般不超过80℃。

4 结论与建议

（1）湖南省地热水化学特征在空间上具有明显差异。省内地下热水阳离子类型主要以 Ca. Mg 型为主，但是幕阜山、湘西北、湘东南、宁远—江永盆地有多个地下热水点表现为 Na+K型。阴离子类型主要以 HCO₃型为主，但是在湘西北、湘东南、衡阳盆地等地有相当一部分地下热水表现为SO₄型。

（2）雪峰山、湘东南、衡阳盆地地下热水有 3 个主因子，而湘西北和岳阳—长株潭盆地则表现为 2个主因子。雪峰山、湘东南与幕阜山—长株潭区的地下热水，第一因子均表现与 Si 的高相关性，这些区域岩浆岩对地下水化学成分起到了重要作用。湘西北第一因子与 K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2- 具有较高相关性，这说明湘西北地区地下热水成因可能与硫酸盐矿物等有关；衡阳盆地主成分分析结构则表现出了明显的蒸发岩特性，这与衡阳的白垩系地层特性有关。

（3）湖南省地下热水的（Na⁺ +K⁺）/Cl^-值绝大多数远大于 1，（Ca²⁺ +Mg²⁺）/（SO₄ ^2- +HCO₃^-）主要沿斜率为 0.3的直线分布，这说明湖南省地热水中Na⁺ 和K⁺ 多来源于硅酸矿物的溶解，Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 来源于含镁和钙的硅酸盐矿物的溶解。

（4）湖南省地下热水的补给直接或间接地来源于大气降水的补给，且在补给过程中均经历了不同程度的蒸发作用。湖南省内地下热水的 δ¹⁸O 和 δD 散点图具有明显“区内积聚”的特点，湘东南大部分地下热水点、长株潭盆地部分热水点和衡阳盆地部分地下热水δ¹⁸O和δD散点沿近水平新分布，这些地下热水点发生明显“δ¹⁸O 飘移”，其他地下热水点 δ¹⁸O和δD散点沿蒸发线分布。

参考文献