广东省惠州市龙门县某覆盖型岩溶地热田地热流体水化学特征及其成因

何沛欣

摘要：地热流体成因机制涉及热力-水力-化学（THC）多过程耦合模式。探讨覆盖型岩溶地区地热流体成因，对地热科学开发利用，划分生态环境保护区具有重要意义。本文综合运用水化学组分和同位素示踪方法，探讨了惠州市某覆盖型岩溶地热田成因机制。

关键词：覆盖型岩溶地热田;水文地球化学;成因机制

1.引言

地热流体的水文地球化学信息指示着地下水补给来源、水-岩作用及地下水年龄等地热系统水循环特征[1]。气体含量变化与深部断裂构造的开闭属性、新构造运动、岩浆活动等密切相关[2];氚年龄测定可推算水循环周期，反映热储连通性及储水调节性[3];碳、氦同位素组分特征可用于判定热储层幔源物质是否混入起加热作用[4]。因此，分析地热流体的水文地球化学特征，查明其物质来源和形成机理，对可持续开发利用地热流体，合理划分地热资源远景区、有利区、目标区和开采区及充分发挥地热优越性、经济可行性、地域发展性都具有重要的意义。

本文以惠州市龙门县某覆盖型岩溶地热田热矿水和地下冷水为研究对象，主要通过水化学分析方法（Piper三线图、离子比值法、同位素示踪）的手段，基于地热田地热地质条件，探讨地热流体水循环特征，综合研究其成因机制，为该地热田地热资源可持续开发利用与水源保护提供重要数据支撑。

2.地热地质条件概况

某地热田地处东西向佛冈-丰良深大断裂带中段南侧，区域地层自泥盆系上统春湾组到第四系均有发育。热储层由C2sh碳酸盐岩组成，D3C1m和C1c砂岩、页岩和泥岩构成隔热盖层，局部地区缺失盖层。

3.数据来源及研究方法

水化学分析数据来源于2018年12月采集的枯水期19组地下水样（其中9个热矿水样，10个地下冷水样）。所有水样均在现场过0.45μm的微孔滤膜后装入预先酸泡并清洗干净的聚乙烯采样瓶中，HCO3-采用滴定法测定。分析测试均在广东省地质试验测试中心完成。

4.结果与讨论

4.1地下水水化学特征

地下水Piper三线图如图1所示。

A组分布在地热田，属地下岩溶热水，均为SO4?HCO3-Na?Ca型地热流体（包括地热井揭露和自然出露）。pH介于7.40～7.66，阳离子含量Na+>Ca2+>Mg2+，阴离子含量SO42->HCO3->Cl-，说明地热流体处于还原环境。

B组包括泉水和浅层地下水，包括层状裂隙型冷水和孔隙型冷水，以HCO3-Ca、HCO3-Ca?Na为主，HCO3-Ca?Mg、HCO3?SO4-Ca次之。pH介于6.55～7.38，主要离子为SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+和Mg2+。

C组分布在地热田外围，属HCO3-Ca?Na型地下岩溶热水。pH值介于7.29～7.75，与地热田热矿水的差异性在于HCO3-、Na+和Ca2+含量，阳离子Ca2+>Na+>Mg2+，阴离子HCO3->SO42->Cl-，说明地热田地热流体与其他龙门县地热田的热矿水成因机制具有一定的差异性。

D组包括零星分布的两个浅层地下冷水，HCO3?SO4-Ca?Na型，pH值在7.04～7.25之间，主要离子为SO42-、HCO3-、Na+和Ca2+。

由此可知，地热田内地热流体的补给径流背景和存储环境相似，水-岩相互作用具有同一性，所取水样属同一地热系统。为充分发挥地热可持续发展性和经济可行性，综合研究同一地热系统内群井开发的干扰程度、合理划分开采区和保护区具有重要意义。

4.2水-岩相互作用

Na-K-Mg三角图[5]是一种将地热流体划分为完全平衡水、部分平衡水和未成熟水的图解方法，可进一步研究地热田地热流体与围岩之间的平衡状态和水源混合趋势。由图2可以看出，所有地下热水样都位于Mg右下角端元处，属未成熟水。以含钠、钾为主的铝硅酸矿物如钠长石、钾长石、伊利石、云母等矿物均未达到饱和状态，说明地热流体来源于较热环境，沿断裂上升过程中受浅层未成熟冷水混合稀释，由饱和状态转化为未饱和状态。SiO2温标估算热储温度为156.8°C～161.1°C，均高于实测值，反映了地热田局部盖层缺失，且盖层较薄的地质条件，因此计算值仅代表地热田热储的深部温度背景值。

4.3地热流体的水文地球化学过程与特征

由图3a可知，地下冷水中HCO3-和Ca2+的摩尔浓度比介于2∶1至3∶1之间，以溶解方解石（CaCO3）为主;其比值接近2∶1，表明相比白云石（CaMg（CO3）2）溶解，方解石的溶解所占比重更大。地热流体中Ca2+含量远大于HCO3-，这是因为在较高平衡温度环境下，高浓度的Ca2+易与HCO3-形成Ca-CO3沉淀，热水中白云石、方解石、文石等碳酸盐矿物均为过饱和状态，碳酸盐岩矿物不再发生溶解，导致HCO3-含量下降。

由图3b可知，地下冷水样落在SO42-+HCO3-与Ca2++Mg2+的1∶1等量线上，说明浅层地下冷水中Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-主要来源于以方解石、白云石为主的碳酸盐岩和以石膏（CaSO4?2H2O）为主等硫酸盐岩的溶解[6]。地热流体中[Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-]比值均大于1，说明碳酸盐、硅酸盐，硫酸盐矿物的沉淀溶解平衡主导了地热流体离子形成，这与钻探揭露的地层岩性（砂岩、页岩、灰岩和炭质灰岩）和物探推测隐伏岩体的成果相一致。

如果地热流体中SO42-全部来源于石膏的溶解，Ca2+和SO42-具有很强的相关性，其比值应为1∶1。由图3c可知，水中[Ca2+]/[SO42-]比值多小于1，说明水中石膏矿物处于未饱和状态。SO42-含量增加，一方面可能是因为含硫铁矿氧化形成的SO42-沿断裂带运移进入地热系统（岩心溶蚀面上见团包状黄铁矿），另一方面可能是因为H2S气体从深部还原的环境到达浅部地壳时被氧化为SO42-。

由图3d可知，水中[Mg2+]/[Ca2+]比值均小于1，说明地热流体在地壳浅部径流过程中受贫镁矿物（如方解石）影响程度较大。热水中[Na+]/[Ca2+]比值很大，且Ca2+>Mg2+，作者认为热矿水在水文地球化学过程中以Ca-Na离子交换为主。

4.4地热田成因

采集的地热流体δ18O值为-6.6‰～-7.5‰，均值为6.9‰;δD值为-41.1‰～-45.6‰，均值为42.8‰。水样均落在广东沿海大气降水线附近，反映了该地热田属大气降水成因型地热系统。热水14C测年显示，地热流体年龄平均值为0.77ka～18.810ka。一般来说，在局部盖层缺失、盖层较薄的地质条件下，且地层产状较陡，一般50°～75°，地下水径流途径短，更新较快，与14C测年结果不符，这说明热水来源于经历长距离径流、经深循环加热的地下水。因此，该覆盖型岩溶地下热水成因不同于重庆地区温泉成因模式[7]，属常见的大气降水补给的断裂-深循环型地热模式。

5.结论

本文基于地热田地热地质条件，通过水化学分析方法，探讨了广东省某覆盖型岩溶地热田成因模式：在广东沿海高热流背景下，大气降水主要由天堂山-良坑顶一带补给区向下入渗，沿石磴子组溶隙及构造通道向深部径流，在坑潭-丫鬟山径流区进了深循环并获取大地热流加热，增温至62°C，形成热储;在水压和密度差作用下，沿断裂上升以温泉出露。

参考文献：

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[2]冯明扬，宋汉周，杨谦，etal.江苏部分地热水的气体成分和微量元素含量特征及其指示意义[J].水文地质工程地质，2016，43（01）：164-170.

[3]程先锋，徐世光，张世涛.云南省安宁温泉地热地质特征及成因模式[J].水文地质工程地质，2008，35（05）：124-128.

[4]拓明明，周训，郭娟，王昕昀，王源，徐中平.重庆温泉及地下热水的分布及成因[J].水文地质工程地质，2018，45（01）：165-172.

[5]Giggenbach，W F. Geothermal Solute Equilibria-Derivation of Na- K-Mg-Ca Geoindicators[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 1988，52（12）： 2749-2765.

[6]卓勇.貴州草海地区岩溶地下水化学特征及其指示意义[D].成都理工大学，2017.