潮间带地热田水化学特征及成因机制分析

刘润方,李 理

(长江岩土工程有限公司,湖北 武汉 430010)

0 引 言

广东省地热资源丰富,近年众多学者集中对地热田开展了水化学特点和成因机制等研究工作[1-3]。国内外目前的研究方法主要有水化学特征元素法、同位素法和特征元素比例系数法等[4-7]。张光辉等利用同位素手段对黑河流域地下水的补、径、排的时空演变特征进行了研究[8]。冯建伟等利用地下水水化学特征和代表性矿物离子演化特性对西非凯凯水电站地下水水化学特征及演化趋势研究[9]。李鹭运用水化学特征系数法对江西省部分温泉的起源、热水年龄、水化学特征等方面进行了研究[10]。高胜强等通过针对Na,Cl,Ca,Mg等特征元素不同组合的比例系数分析和87Sr,86Sr同位素含量及其比例系数的分析,得到了明月山地区地热水的物质来源和后期演化特点[11]。李静荣等通过分析δD,δ18O,14C,δ13C和3He /4He等多种同位素,全面认识了碳酸泉形成过程[12]。

前人研究普遍认为,广东地区地热系统是在正常或略为偏高的区域热背景下形成的中低温地热系统[13],即地下水通过发育的断层深循环对流传热[14-15],而沿海地热也可能源于海水[16]。

一般前人针对地热水的研究,仅通过水化学特点定性分析了地热水成因机制[17-19],对地热资源开发规划的参考价值有限。广东省江门台山汶村地热田钻孔热水日涌量达300～500 t/d,储量丰富,地热资源潜力巨大,但仍尚未被开发利用。本文在定性分析地热水水化学特点和成因机制的基础上,利用氢氧同位素[20]定量计算了汶村地热水中不同季节淡水、咸水的混合比例,并估算了研究区地热田热储温度,为各行业合理开发利用汶村地热资源提供重要依据。

1 研究区概况

1.1 自然概况

研究区位于汶村镇南部镇海弯及海晏之间的海漫滩,东邻珠海特区,北靠江门,西连开平、恩平、阳江三市,南临南海。研究区属于亚热带海洋性气候,温湿多雨,水系发育,河流呈树枝状,具有明显的夏雨型和暴涨暴落特征。区域年最高气温36.9 ℃,最低气温-0.1 ℃;年平均降雨量2 297.3 mm,降雨不均。

1.2 地质概况

图1 区域地质示意Fig.1 Regional geological overview

区内的地下水总体自北部山区汇流补给,沿山区至平原区为径流,最终向南部滨海区排泄。研究区发育近南北走向断裂,是地下水的深部循环通道,为地热水的形成、运移和出露提供水文地质条件。

2 地下水水化学特征

2.1 水样分布与采集

本文针对研究区地热钻孔开展多次水样采集工作,并进行室内全分析试验,钻孔位置分布见图2。

图2 钻孔位置分布示意Fig.2 Borehole location distribution map

2.2 化学组分含量特征

根据室内试验成果,研究区地下水化学组分含量见表1。

表1 地下水水化学组分含量统计Tab.1 Statistics of chemical composition content of groundwater

图3 地下水Piper三线图Fig.3 Piper three-line diagram of groundwater

地热水电导率达14 ms/cm以上,一方面由于热水由深部地热流体通过断裂带上升而来;另一方面也由于其受海水侵袭的影响较大。地热水中Ca2+含量达600～800 mg/L,远高于海水、雨水和地下淡水中Ca2+含量。与此同时,地热水中Mg2+,Na2+含量远低于海水。这是因为地热水先与海水混合,使Mg2+,Na+含量增大,后又与岩层经历阳离子交换吸附的作用,热水中的Mg2+,Na+被岩层中Ca2+交换,导致热水中的Mg2+,Na+的含量低于海水,Ca2+含量高于海水。

地热水中K+,SiO2含量远高于海水,这是由于研究区地层为花岗岩,其所含主要矿物为钾长石(K2O·Al2O3·6SiO2)和石英,含量分别达25%～58%、8%～28%。高温流体流经花岗岩岩层时溶滤含钾硅酸盐或石英,使K+,SiO2含量增高。花岗岩Sr2+,F-含量较一般沉积岩高,所以地热水中Sr2+,F-的含量也有同样特点。

综上,研究区地热水为Na-Cl型水,受海水、降雨和地表淡水等的混合作用,并在径流过程中经历水-岩相互作用。

3 地热水成因机制和混合作用分析

3.1 地热水代表组分离子比例系数分析

根据水化学试验成果绘制不同组分间的离子比例系数,见图4。

注:水平线表示一般海水或与海水相关的沉积水中的离子比例系数。图4 地热水水化学离子比例系数分布Fig.4 Distribution diagram of chemical ion proportion coefficient of geothermal water

(1) Cl/Br系数。Cl/Br为地下水中Cl,Br质量浓度比值,是判定地下水盐分来源的重要依据,尤其是在区分陆相蒸发源和海相源方面[21]。大洋水中的Cl/Br一般约为300[22]。淡水的Br-含量低,Cl/Br一般大于880。由图4可知,本区地热水Cl/Br平均值为222,接近300。这说明地热水很可能是由海相沉积水组成,残余海水在长期地质历史过程中由于浓缩而产生NaCl沉淀,而溴化物溶解度更大,故残余海水或海相沉积水Cl/Br<300。

(2)γNa/γCl系数。γNa/γCl为地下水中Na+,Cl-毫克当量浓度比值。海相沉积水中γNa/γCl值一般小于0.85[23]。本区地热水γNa/γCl值平均为0.34,小于0.85,与海相沉积水特点相符。

(3) Ca/Sr系数。Ca/Sr为地下水中Ca2+,Sr2+质量浓度比值。当海水浓缩产生盐类沉淀时,SrSO4的沉淀在CaCO3之后,故海水中Ca/Sr系数较小,盐类浓缩沉淀后更小,约为33。本区地热水Ca/Sr系数为34～36。因此可得知汶村地热水是与海水沉积有关的地下热水。

(4)γMg/γCa系数。γMg/γCa为地下水中Mg,Ca毫克当量浓度比值。海水中Mg含量一般比Ca大,γMg/γCa系数约为5.5;淡水中Mg含量一般远比Ca小,γMg/γCa系数远小于1。因此,γMg/γCa系数常被用做计算判断海水的入侵范围和程度。本区地热水γMg/γCa系数为0.15～0.26,平均为0.2,小于0.55。这是由于淡水混合的作用,同时也是由于水-岩相互作用导致热水中Mg含量降低、Ca含量增加的结果。

3.2 地质条件分析

区域内断裂发育,对热水出露有显著的控制作用:① 断层及由断层形成岩体破碎带均是地热水的储存空间;② 热源可通过深大断裂从地球深部往地表运移。因此,地热温泉多沿断裂带呈条带状分布。研究区发育北西向断层f1,包含各次级断层,其组合构成了汶村地热田的储热构造和运移通道。

综上,汶村地热水属海相沉积水,与深部热源的混合加热后在上升过程中经历水-岩相互作用,并受到地下淡水和海水混合共同作用,主要补给来源为降雨,主要补给区为北部及东北部的山区,见图5。

图5 汶村地热水形成机制概化模型Fig.5 Schematic model of formation mechanism of Wencun geothermal water

3.3 地热水混合作用分析

Cl-是地下水中最稳定的元素,常用来分析地下水的混合作用及程度。本文对24 h和1个水文年内的钻孔地热水取样分析,Cl-含量日变化、年变化分别见图6,7。

图6 地热水Cl-含量随潮汐日变化动态Fig.6 Diurnal variation of geothermal water Cl- with tide

图7 地热水Cl-含量年变化动态Fig.7 Dynamic chart of Cl- content of geothermal water with year

由图6,7可知,研究区地热水Cl-含量与潮汐呈正相关关系。在潮汐减小时,Cl-含量减小明显,但潮汐增大时,Cl-含量增大相对不明显。这是由于海水Cl-含量为14 245.91 mg/L,降雨与地下冷水分别为2.87 mg/L和17.39 mg/L,地热水为5 500 mg/L 左右,相比海水的咸化作用,淡水稀释作用更明显,因此在潮汐增强时,Cl-含量变化相对不明显。Cl-含量与降雨量在年内呈较明显的负相关关系,随降雨量的增加而减少,表明了地热水有淡水的混合作用。

3.4 地热水咸、淡水混合比例计算

D和18O为水中较为稳定的同位素,对于确定地下水成因类型等具有重要意义。根据广州大气降水方程线,研究区地热水属大气降水成因[24-25]。地热水的淡水来源主要为降雨,咸水来源为海水、古海水。分别将淡水与咸水作为混合的两个端元,地热水为两个端元混合的结果,利用δD、δ18O计算不同端元的混合比例,见表2。

表2 汶村地热田热水氢氧同位素含量Tab.2 Hydrogen and oxygen isotope content of hot water in Wencun geothermal field ‰

由于δ18O值受混合作用以外的其他因素影响程度高于δD,本文取δD值作为计算混合比例的指标,计算公式为

δD(淡水)X+δD(海水)(1-X)=δD(地热水)

式中:X为混入淡水的比例,%;δD(淡水)取值-40.93‰;δD(海水)为研究区海水中的δD值,取值-23.74‰;δD(地热水)为研究区地热水中的δD值。

分别取2月、9月水样氢氧同位素数据进行咸、淡水混合比例估算,结果见表3。由计算结果可知,淡水混合比例高于海水。其中,9月丰水期的淡水混合比例达77.60%,2月枯水期的淡水混合比例降至58.76%。

表3 汶村潮间带地热水淡水与海水混合比例Tab.3 Mixing ratio of geothermal water,fresh water and sea water in Wencun intertidal zone %

4 地热田热储温度估算

热储温度一般难以直接测量,常用地热温标法估算,主要分两大类:① SiO2地热温标,适用于150 ℃以上热水;玉髓温标适用于温度低于150 ℃的低温热水。② 阳离子地热温标,适用于水-岩完全平衡的地热田,常见的有Na-K温标、K-Mg温标等,各温标公式见表4。目前,国内外常用Na-K-Mg三角图判断水-岩平衡样点,见图8。由图8可知,研究区地热水处于部分平衡区,更适宜采用石英温标或玉髓温标估算。

表4 地热温标公式Tab.4 Geothermal temperature scale formula

图8 地下水Na-K-Mg三角图Fig.8 Na-K-Mg triangle diagram of groundwater

根据不同钻孔水样数据计算得到热储温度,见表5。结果表明:玉髓温度本更适合计算热储温度低于150 ℃的低温热储,但计算结果达170 ℃,明显偏大。石英热储温度分布均匀,均在150 ℃左右。因此,综合Na-K-Mg三角图可以发现,由石英温标计算得到的热储温度更准确,平均热储温度为154.62 ℃。

表5 热储温度估算Tab.5 Thermal storage temperature estimation ℃

5 结 论

(1) 研究区地热水水化学类型为Na-Cl型,受海水影响大;淡水水化学类型一般为Ca-HCO3型、Ca-Cl型。

(2) 受潮汐影响,研究区地热水Cl-含量与潮汐呈一定的正相关关系;受降雨影响,Cl-含量与降雨量呈较明显的负相关关系。

(3) 研究区地热水为海相沉积水,与深部热源混合加热后在上升过程中经历水-岩相互作用,并受到地下淡水和咸水共同混合作用。

(4) 研究区地热水为淡水、咸水混合结果,其中,丰水期淡水混合比例为77.60%,枯水期淡水混合比例为58.76%。

(5) 根据石英温标法,估算汶村潮间带地热田热储温度为154.62 ℃。