东莞市地热流体的地球化学成因模式研究

邱向荣

(广东省地质技术工程咨询公司，广东 广州 510080)

地热系统的成因机制研究包括地质成因模式和水文地球化学成因模式两方面，其中地质成因模式的研究已比较深入(汪集旸 等，1993；叶建，2018；杨荣康 等，2014；张红红 等，2019；张磊，2020；曾一芳 等，2021)，但系统的水文地球化学成因模式研究目前仍处于探索阶段(季国松，2014；罗来钫，2019；杨元丽 等，2014)。本文试图以东莞塘厦大钟岭地热田为研究对象，对地热田开展地球化学研究，以研究清楚地热田的地球化学成因模式。在分析地质条件的基础上，通过对比分析地热流体和不同水体(地表水、泉水和井水等)的水化学特征，查明水化学主要组分来源，并进一步确定水—岩反应中的反应相，之后利用反向模拟来获得地热流体形成过程所发生的地球化学作用和反应相的摩尔转移。

广东地处我国东南沿海地热带中，地热资源丰富，已发现的地热田有三百多处(程文汉，2013；王钧，1985；王双，2013；广东省地质局第四地质大队，2015；吴玉婷 等，2019)。全省21个地级市(计划单列市)唯独东莞没有温泉出露，而东莞市民却非常喜欢温泉休闲养生，因此自改革开放以来，在东莞辖区内投入不少经费开展隐地热勘查，希望能够找到可供开发利用的地热资源，但结果均不理想。直至2020年底，东莞塘厦大钟岭地热田的发现，才结束了东莞没有温泉的历史。东莞酒店业非常发达，地热资源开发利用对酒店业的转型升级以及旅游产业发展具有重要促进作用，因此深入研究大钟岭地热田的形成机制，对东莞乃至华南地区寻找隐伏地热资源有重要借鉴意义。

1 地热田概况

图1 地热田地质图

2 地热流体水文地球化学过程分析

2.1 主要水化学组分的来源分析

同一地区不同水体化学成分的形成往往具有某些内在联系，故可将地热流体和其他水体的化学特征进行对比分析，从而评估水化学组分的来源，为进一步研究地热流体形成过程提供宏观判断依据。本项研究选择4组地热流体(3个开采井和1个勘探孔，图1)枯水期全分析样品，另代表性选择研究区内主要水体(泉水、水库水、鱼塘水、机井和民井水)的化学样品作为对比样品。

由图2(a)可见，地热流体的样品在Na-Cl坐标中明显偏离了1∶1比例线并集中在Na轴，提示地热流体中的钠除了来自岩盐外还有其他来源。通常地下水中非岩盐来源的Na+主要是来自硅酸盐矿物(如长石类)或离子交换的结果。除了地热流体以外的其他水体，样品点均落在1∶1比例线上，表示这些水体中的Cl-和Na+主要是来自岩盐的溶解。

图2(b)显示了地热流体的[Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-]偏离1∶1比例线并趋近于(HCO3+SO4)轴，提示地热流体中除了存在碳酸盐、硫酸盐矿物溶解外，阴离子还有其他来源。地热流体以外的水体样品点均落在1∶1比例线上，表示这些水体的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-基本上都是来自碳酸盐和硫酸盐的溶解。

图2(c)显示了地热流体偏离1∶1比例线并趋向于HCO3轴，提示HCO3-除了来自碳酸盐的溶解外还有其他来源。其他水体的样品基本落在1∶1比例线附近，表示方解石、文石是水中HCO3-和Ca2+的重要来源。

当水中的硫酸钙主要是来自石膏、硬石膏溶解时，SO42-和Ca2+的当量浓度比也是1∶1。图2(d)中主要水样点全部偏离1∶1比例线并集中于Ca轴，说明石膏、硬石膏溶解的占比小，钙有更多来源。

图2(e)、(f)可用于进一步判断水中的HCO3-、Ca2+、Mg2+是否与白云石溶解密切相关，如果这些组分主要来自白云石溶解，则水中HCO3-和Mg2+的当量浓度比接近2∶1，而HCO3-和(Ca2++Mg2+)的当量浓度比接近1∶1。由图示可见，地热流体偏离了比例线并趋向于HCO3轴，表示HCO3-有更多来源(和图2(c)具同样提示意义)。地热流体以外的水样则基本落在比例线上，即白云石的溶解是相关组分的重要来源。

图2 主要水体化学组分关系图Fig.2 Relation of chemical constituents in major water bodies

2.2 水文地球化学过程的反向模拟

反向模拟中下游水样选择开采区的地热流体样(RJ3井枯水期样品)。上游水样的选取具有一些不确定性，因为客观上要获得与开采区完全同属一个循环路径的水样有困难。考虑到沿F1断层走向向西地形高处的泉点(图1中的S4水样点)出露基岩是早侏罗世塘厦组亚公山岩楔，其岩性并非F1断层经过的主体地层，代表性有所欠缺，故选取开采区北边的ZK2孔水样。虽然该孔地理位置并不适宜，但这个孔的岩性与F1断层通过地段岩性相同，同时该孔地下水来自于浅部基岩裂隙，可以代表沿断裂带走向广大地区浅部基岩裂隙水的化学特征，故从水化学角度考虑则符合上游水的要求。有关反向模拟所采用的上、下游水质见表1。

表1 反向模拟所采用的上下游水质特征Table 1 Characteristics of upstream and downstream water quality used in reverse simulation 单位：mg/L

根据前文有关水中主要组分来源的分析可知，地热流体在循环过程中溶解了碳酸盐、硫酸盐和岩盐等矿物，参与反应的矿物可能包括岩盐、硬石膏、方解石和白云石，这些矿物在本区碎屑岩中广泛存在。分析结果也表明地热流体化学组分形成过程有二氧化碳和氧气积极参与，因此反应相可能包括二氧化碳和氧气。另外，分析认为钠的来源既可能是长石类矿物的水解、也可能是离子交换的结果，考虑到3个开采井下部均揭露到震旦纪混合岩，斜长石和石英是其主要矿物成分，因此将斜长石、石英和阳离子吸附综合体也列为可能的反应相。

由于碎屑岩地区或多或少存在铁质胶结物，因此基岩裂隙水往往含铁(如ZK2孔的水样)，但铁元素是以什么形态出现并不清楚。为了进一步确定水中未知的矿物成分，以便更合理确定反应相，故对ZK2水样进行矿物相分析，有关该水样的主要矿物的饱和指数见图3。图示表明铁元素呈针铁矿的形式出现，同时也可以看出前文所列的反应矿物基本都处于不饱和状态，这种水具备溶解相关矿物的可能。根据以上相关信息，通过比选最终确定反应相为：岩盐、硬石膏、方解石、萤石、天青石、针铁矿、白云石、CO2(g)、O2(g)、水铝矿、斜长石、石英和离子吸附综合体。

图3 ZK2水中部分矿物的饱和指数图Fig.3 Saturation index of some mineral in ZK2 water

模拟采用PHREEQC软件，计算过程中两种溶液及相关组分的不确定度均取0.05(pH取0.1)，并设置斜长石、石英为溶解，水铝矿为沉淀，其他反应相不做限制。通过求解获得唯一符合的反应模型，有关反应相及其摩尔转移见表2。根据模拟结果可见，地热流体的化学演化主要包括以下水文地球化学作用：

表2 反向模拟计算结果Table 2 Calculated results of reverse simulation 单位：mmol/L

(1)溶滤作用：发生溶滤(溶解)矿物有岩盐、硬石膏、方解石、萤石、天青石和白云石，这个过程中有多量的CO2(g)参与，溶滤的结果出现了水铝石等粘土矿物的沉淀。值得注意的是斜长石和石英并没有参加反应。

(2)阳离子交替吸附作用：这个作用主要是钾、钠和钙离子的交换。被围岩所吸附的钾、钠离子与水中的钙离子发生了交换，钾、钠离子出现解吸进入水中，水中的钙离子被围岩所吸附。从摩尔转移量来看，阳离子交替吸附作用发生得比较强烈。

(3)氧化还原作用：入渗水所携带的O2(g)氧化了水中的亚铁离子，并形成针铁矿沉淀。

以上述水文地球化学作用为基础可以做出进一步的推断：由于碳酸盐、硫酸盐等盐类的溶解是地热流体化学组分的重要来源，而这些反应需要CO2(g)的参与，表明地热流体的循环环境是相对开放的，否则难以维持反应所需的CO2(g)分压，即流体是循环在深度偏浅、偏氧化的环境中。阳离子交替吸附作用往往出现在含有粘土的吸附综合体中，地热流体在渗流过程中出现比较强烈的交替吸附作用，提示导水的基岩裂隙系统中存在粘土矿物，这种情况比较符合碎屑岩的裂隙特征，这提示了地热流体主要是在碎屑岩盖层中循环。另外，见于开采井深部的混合岩富含斜长石和石英，但这些矿物并没有参与水-岩反应(或水—岩作用很弱)，这同样提示地热流体主要是在沉积盖层中循环。

3 地热流体的水文地球化学成因模式

根据水文地球化学分析的结果，结合地热田的地质条件，可建立地热流体的的地球化学成因模式如图4。

图4 地热流体地球化学成因模式图

在控热断裂F1所经过的丘陵地区，大气降水进入浅部岩土层并形成低温、低矿化度的重碳酸钙、重碳酸钙镁型水，在重力势的作用下向低水头区渗流，其中部分水进入F1断裂所形成的裂隙系统。在沿断裂裂隙带逐渐向下渗流的过程中，因水中携带有大量的二氧化碳气体和氧气，故逐渐溶解围岩中的碳酸盐、硫酸盐和岩盐等矿物，并引起水铝石的沉淀，这些溶滤作用使水中的钠、钙、镁、重碳酸根和硫酸根离子浓度逐渐增加，铝离子则减少；水中的氧气则将亚铁离子氧化为针铁矿沉淀。同时，被岩石裂隙面吸附综合体所吸附的钾、钠离子与水中的钙离子发生了交替吸附作用，将钾、钠离子释放于水中并吸附水中的钙离子，从而引起水中钾、钠离子浓度升高并抑制钙离子的增长。在这些地球化学作用的共同影响下，地下水的矿化度逐渐提高，氧化电位则有所减弱，水化学类型演变为重碳酸钙型。随着地下水继续向低水头区渗流，上述溶滤、离子交替吸附和氧化还原等地球化学作用仍持续发生，因此地下水的矿化度不断升高，水化学类型演变为重碳酸钠钙或重碳酸钙钠型，氧化电位进一步降低，但仍处于相对偏氧化的环境中。由于渗流过程中受到大地热流的持续供热，因此地下水的温度也逐步升高，在经过最大循环深度近千米的缓慢渗流后，来自丘陵山区的大气降水最终形成了低温地热资源。

4 结论与讨论

东莞市大钟岭地热田的地热流体沿控热断裂渗流的过程中，出现了碳酸盐、硫酸盐等盐类的溶解，围岩所吸附的钾、钠离子与水中的钙离子出现交替吸附，同时水中的亚铁离子被氧化成为针铁矿沉淀，在这些地球化学作用共同控制下，入渗区低矿化度重碳酸钙、钙镁型水便逐渐演变为矿化度较高的重碳酸钙钠、钠钙型水。地热流体在演化过程中有较充足的二氧化碳和氧气参与，反映地热流体循环深度不太大、且处于偏氧化的环境。由于地热流体在循环过程中一直接受大地热流的持续供热，故最终形成具有开发利用价值的地热资源。

地球化学演化模式研究在地热勘查实践中应用得比较少，原因可能是认为这种研究主要用于后期分析，对勘查过程的指导作用较小。实际上地球化学演化模式研究除了可以掌握地热流体化学特征形成的内在机制外，对超前指导生产也有意义。比如本文在分析的过程中出现多个证据表明水循环的深度主要是发生在早侏罗世碎屑岩盖层，进入结晶基底的深度有限，这就可以超前指导勘查深度问题，对解决勘探深度这个勘查难点显然有良好指导意义。深部地热勘查并非越深越好，如果明显超过流体的循环深度，实际上就是无效工作。