西藏工布江达地热水水化学特征及农业利用潜力研究

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(1.西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队，西藏 拉萨 850000；2.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031；3.西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队，西藏 拉萨 850000；4.西藏自治区地质矿产勘查开发局区域地质调查大队，西藏 拉萨 850000；5.河北省水资源与可持续利用与产业结构优化协同创新中心，河北 石家庄 050031；6.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031；7.河北省水文学及水资源重点学科，河北 石家庄 050031)

在目前节能减排大环境下，能源发展战略行动计划提出要大力发展可再生能源。近年来，地热能由于具备不受地域、季节气象与昼夜影响，能源储量大等优点，越来越受到学者关注[1-3]。西藏水热活动区隶属于青藏高原地中海-喜马拉雅地热带，地热资源丰富。但是针对西藏水热活动研究主要集中在藏北、藏南的羊八井、搭格架等几个地热区，对于藏东的地热系统研究程度较低，尤其是林芝区工布江达县，对该区的研究主要集中在找矿方面，关于该区地热流体水化学特征的研究较少[4-7]。而这方面的研究对于合理评价利用区域地热资源具有重要意义。因此，本文以西藏林芝区工布江达县为研究对象，通过水化学方法，系统地对该区地热流体的水化学特征进行分析，试图揭示该区地热流体的水化学演变规律并对该区地热流体的农业利用潜力进行评价，从而为该区地热资源的合理开发利用提供理论支撑。

1 地质概况

研究区处于西藏东南部，该区地跨冈底斯-念青唐古拉地块中的隆格尔-工布江达复合岛弧带，为一强烈挤压、碰撞、旋扭走滑、急剧伸展隆升的造山带，地质构造极其复杂，见图1。区内沉积作用类型复杂、岩浆活动强烈，变形变质作用、构造样式复杂多样。研究区内出露的地层主要有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、第四系地层。

图1 研究区大地构造单元分区

2 数据采集及测试

本次研究于2021年3—10月进行地热水样品的采集工作，取样点分布图见图2。本次研究中水质全分析测试工作由西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室完成。其中，Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-、B、游离CO2、侵蚀性CO2和耗氧量等采用容量法检测；K+、Na+、Li+用原子吸收光谱法检测；SO42-用比浊法检测；F-用离子选择电极法检测；SiO2、Al3+、NH4+、NO3-、NO2-、Br-、I-、Cu2+、Pb2+、Zn2+、As2+、Fe2+、Fe3+、PO42-等组分用目视比色法检测。分析结果经闭合差计算检验，误差符合规定，可以满足水文地球化学调查的要求。

图2 研究区地热水样品采集分布图

3 结果分析与讨论

3.1 地热水水化学组分特征

研究区地热水主要化学组分中阳离子主要为Na+、Ca2+、K+、Mg2+，阴离子主要为HCO3-、Cl-、SO42-；微量组分主要有F、Li、Sr、HBO2、H2SiO3。

其中，Na+是阳离子中含量最丰富的组分，分布在184～280mg·L-1；HCO3-是阴离子中含量最丰富的组分，分布在480～630mg·L-1。Piper三线图可直观地显示样品的水质类型及一般水化学特征，本次研究中根据地热水的水质检测结果，利用Aquachem软件，绘制了研究区地热水样品的Piper三线图，见图3。由图3可以看出，研究区地热水样品点分布相对集中，说明水质差异较小、补给水源相近。水化学类型主要为HCO3-Na·Ca型、HCO3·Cl-Na型、HCO3-Na型。

图3 研究区地热水Piper三线图

微量组分中F的含量分布在2.8～4.2mg·L-1，均超过了《医疗热矿水水质标准》中医疗价值浓度(1mg·L-1)；Li含量分布在0.65～1mg·L-1，均达到了《饮用天然矿泉水》(GB 8537-2018)S中的界限指标(≥0.20mg·L-1)；r含量分布在0.65～2.5mg·L-1，均达到了《饮用天然矿泉水》(GB 8537-2018)中的界限指标(≥0.20mg·L-1)；HBO2含量分布在19～63mg·L-1，远远超过了《医疗热矿水水质标准》中医疗价值浓度(1.2mg·L-1)；H2SiO3含量分布在58～90mg·L-1，远远超过了《医疗热矿水水质标准》中医疗价值浓度(25mg·L-1)，达到命名矿水浓度(50mg·L-1)。反映出该区地热水利用开发价值较高。

3.2 地热水化学成因分析

地热水中各种化学组分之间的比例系数可以用来研究地热水的成因[8]。本次研究中，对地热水的变质系数、脱硫酸系数进行了研究，见图4、图5。由图4可以看出，研究区地热水的变质系数γNa/γCl分布在2.5～4.0，均大于标准海水的变质系数值0.85，说明研究区地热水主要为陆相成因，并且受到地表水渗入影响较大，变质程度较大。由图5可以看出，研究区的脱硫酸系数多分布在0.15左右，数值较小，反映出研究区地热水处在一个封闭的还原环境中。

图4 研究区地热水γNa/γCl与Cl关系图

图5 研究区γ(SO4)/γ(SO4+Cl)与Cl关系图

3.3 热储温度估算分析

热储温度是划分地热系统成因类型和评价地热资源潜力的重要参数[9，10]。在温泉出露区域，常用地球化学温标来估算热储温度，常用的地热温标有二氧化硅温标(玉髓、石英)，Na-K温标、K-Mg温标等[11，12]。根据研究区地热流体及地热地质条件，选取了石英温标、玉髓温标、Na-K温标、K-Mg温标、Na-K-Mg温标来研究热储温度，结果见表1。由估算结果可以看出，玉髓温标估算的结果相对于水温来说偏低，不是该区热储温度的真实反映；Na-K温标和Na-K-Ca温标计算结果较高，石英温标和Na-K-Ca温标估算结果相差较大，而石英温标估算结果高于K-Mg温标估算结果，故最终选取石英温标估算结果(97～118℃)作为该区的热储温度值，均值为107℃。

表1 研究区热储温度估算结果

为进一步了解研究区地热形成机制，根据上述讨论的热储温度估算结果(107℃)，利用式(1)对该区地热流体的循环深度进行了研究。

(1)

式中，H为地热流体循环深度，m；t1为地热流体所到达最深部的温度，取上文估算的热储温度的均值107℃；t2为研究区恒温带温度，取当地年平均气温8.3℃；I为研究区地温梯度，取值3.5℃·100m-1[13]；h为研究区恒温带厚度，取值30m。将上述数据代入公式(1)中，估算该区地热流体热循环深度约为2850m。

3.4 地热水农业利用评价

按照《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)对研究区地热水的化学组分进行了分析，分析结果显示，研究区地热水的水温和氟化物均超过《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)的评价标准，其它指标符合评价标准，见表2。而且地热流体一般矿化度较高，地热流体中含较多盐类，且含有害的元素如砷、汞、镉、氟、硼等，排入农田会造成严重的土壤板结和盐碱化，并污染下部地下含水层。综上分析结果，认为研究区地热水不宜直接用作农业用水。

表2 研究区地热水农业利用评价分析表

4 结论

研究区地热流体水化学组分阳离子以Na+为主，阴离子以HCO3-为主；微量组分F-、Li、Sr、HBO2等含量较高，很多微量组分超过了其医疗价值浓度，反映出该区地热流体医疗开发利用价值较高。

研究区的地热流体处于一个相对封闭的还原环境中，经过约2850m的热循环深度形成了97～118℃温度范围的热储温度。

研究区地热流体水温偏高，pH值均>7，F-等微量组分含量较高，医疗价值较高，但是不宜直接用作农业用水。