广东阳江地区断裂带型地热水化学特征及形成条件

吴广翩

(广东省地质局第四地质大队(广东省湛江地质灾害应急抢险技术中心)广东 湛江 524000)

地热水作为可再生、无污染能源，应用前景广泛，具有良好的经济效益。断裂带作为地球的主要构造单元之一，常常是地热能的重要来源之一[1]。断裂带型地热水地下分布和地下水循环体系非常复杂，其形成机制和水文地质特征也存在很多未知之处。因此，对断裂带型地热水的水文化学特征及形成条件进行研究，对于地热资源的合理开发和利用具有重要意义。目前全球对清洁能源的需求不断增加，研究断裂带型地热水文化学特征及形成条件，不仅有助于优化地热资源的开发利用，还能为清洁能源的发展做出重要贡献。本文以广东阳江地区断裂带型地热水进行研究。分析其水文化学特征及形成条件。

1 样品采集和测试

1.1 样品采集

广东阳江地区断裂带型某热泉群采集16组水样品，9组岩石样品，包括沿海和靠近内陆四个区域。开展水化学、同位素测试及全岩和矿物元素化学测试，由阳江市检测检验中心完成。

1.2 样品测试

使用便携式水质分析仪进行水样温度、PH值和电导率测量，使用浓度0.05mol/L的HCl进行碱度滴定。热泉流量根据有无管道的情况，使用体积法或三角堰法进行测量[2]。将水样经过滤后保存到聚乙烯瓶内，对阳离子、阴离子和微量元素进行测试。岩样磨粉后，加入离子水并进行震荡，经三次处理后再进行烘干并干燥冷却[3]。酸溶法对岩样分解，岩样的元素测试方法和水样测试方法相同。液态水同位素分析仪测试δ2H、δ18O；液闪仪测试14C和13C；同位素质谱仪测试87Sr/86Sr；热电质谱仪测试δ11B。

2 断裂带型地热水文化学特征

2.1 水化学类型分布特征

研究区水样共分为四组，其中第一组和第二组主要是靠海区块状基岩裂缝水和海水，第三组为靠内陆区层状基岩裂缝水，第四组为地下冷水、河水、雨水。采样点如表1、表2、图1所示。各组水化学类型分布特征如表3所示。

图1 水样采样图

表1 采集水样点信息表

表2 采集岩样点信息表

表3 水化学类型分布特征表

2.2 各区水化学类型对比

与海水相比，地热水中含有大量的Ca2+，说明地热水化学特征还受到其他因素影响。

2.3 地热水化学演变途径分析

3 断裂带型地热水化学特征及形成条件分析

3.1 水岩作用程度

地热水根据Na、K、Mg离子相对含量，分为完全平衡区、部分平衡区和未成熟区三个区域，其反应过程为：

(1)K-长石+Na+=Na-长石+K+

(2)2.8K-长石+1.6H2O+Mg2+=0.8云母+0.2绿泥石+5.4SiO2+2K+

(3)2Na-长石+0.8K-长石+1.6H2O+2Mg2+=0.8云母+0.2绿泥石+5.4SiO2+2Na+

将采集的地热水和地下冷水中K、Na、Mg离子含量进行转换，地下冷水处于未成熟区域，水岩溶解作用还在进行阶段；地热水处于部分成熟区域，水岩作用程度还未达到平衡状态[6]。热水池的成熟度小于地热水，主要是地热水向地表上升过程中受地下冷水混合。对比与沿海与靠近内陆地区地热水，靠近沿海地区存在明显海水混入想象，部分处于非平衡区域。研究区所取的地热水都处于部分平衡区，说明地热水受到地下冷水混合作用较大。

3.2 矿物饱和指数

矿物平衡计算是用化学反应平衡原理，通过计算水体中各种离子的平衡状态，预测水体中某些矿物质的溶解度和生成潜力的计算方法，可以预测水体中某些矿物质的溶解度和生成潜力，从而分析水体的化学特征和水质问题。矿物饱和指数是指水中某种矿物质的溶解度与水中该矿物质的实际含量的比值。简单来说，矿物饱和指数是衡量水体中是否过饱和或欠饱和的量化指标。如果水中某种矿物质的饱和指数为正，表示水中该矿物质已经饱和，并可能形成沉淀；如果饱和指数为负，则表示水中该矿物质欠饱和，并可能溶解更多的矿物质。矿物饱和指数的计算公式：

SI=log(Q/K)

式中，SI为矿物饱和指数，Q为水中某种矿物质活度积，K为该矿物质平衡常数。

活度积是指水中各组分活度之积，是一个与浓度有关的指标。平衡常数是指矿物质在溶液中达到平衡状态时的溶解度常数。使用USGS水化学软件对地热水样相对各种矿物潜在饱和指数计算，第一组地热水中硬石膏、萤石、天青石饱和指数小于0，表明这类矿物还未达到饱和状态；方解石、文石饱和指数大于0，表明这类矿物达到饱和状态；白云石、石英、玉髓饱和指数在-0.5～0.5之间波动，表明这类矿物为平衡状态；第二组地热水中硬石膏、天青石饱和指数小于0，表明这类矿物还未达到饱和状态；方解石、白云石、文石饱和指数大于0，表明这类矿物达到饱和状态；萤石、石英、玉髓饱和指数在-0.5～0.5之间波动，表明这类矿物为平衡状态。研究区内地热水中，硬石膏和石膏为未饱和状态，表明硫酸盐溶解是持续过程；方解石、文石、白云石、石英、玉髓为过饱和或平衡状态，表明硅酸盐岩和碳酸盐岩矿物产生明显的沉淀。

3.3 主要离子形成的水文化学过程

(1)矿物的沉淀溶解作用

地热水中主要离子的水文化学过程主要是碳酸盐岩、硫酸盐岩和硅酸盐岩矿物的沉淀溶解作用[7]。地下冷水中Ca2+离子和HCO3-离子主要来自碳酸盐岩、硅酸盐岩矿物的溶解。地热水中Ca2+离子浓度含量高于HCO3-离子浓度含量，说明在地热水中Ca2+离子还有其他的来源。在地热水中，随着Ca2+离子浓度含量增加，HCO3-离子浓度含量减少，甚至比地下冷水中HCO3-离子浓度含量要小，原因是在高温度环境下，Ca2+离子与HCO3-离子结合生成CaCO3沉淀，造成地热水中HCO3-离子浓度含量减小。白云石等碳酸盐岩矿物为过饱和状态，不会再产生溶解现象。

地热水和地下冷水中，Mg2+离子和Ca2+离子比值小于1，表明在径流过程中受到贫镁矿物较大影响，由于方解石等贫镁矿物在深层含量较少，对于深层地热水化学组分影响较小。在地热水中，Na+离子和Ca2+离子比值较大，表明硅酸盐岩溶解作用影响了地热水水化学组分，碳酸盐沉淀作用增加。

(2)水热蚀变作用

研究区地热水中含主要矿物为硅酸盐和铝硅盐，含有多种水热蚀变矿物类型。在地热系统中按照从浅到深主要有高岭石、蒙脱石、混层黏土、伊利石和白云母等黏土矿物，在相互转化过程中，对于地热水在各离子的含量带来影响[11]。使用TOUGHREACT模拟软件，在假定固相和液相活度系数相同情况下，计算钠贝得石、三水铝石、方沸石、白云母、钾长石、高岭石、钠长石、叶蜡石等8种典型矿物之间任意化学方应在25℃和300℃下的平衡常数，进行低温和高温环境下地热水和矿物之间平衡关系研究[12]。为了对实际的水岩作用做出正确的计算和评价，需要校正温度对PH值的影响。地下冷水中，钾长石没有达到饱和还处于溶解状态，风化进入高岭石阶段；钠长石风化进入高岭石阶段。地热水中，钾长石和钠长石都比较稳定，与次生矿物都过饱和，为矿物的形成提供有利条件。

地热水经历过程：最初时，地热水在深循环过程中，与岩石中铝硅酸盐矿物形成溶滤作用，增加了地热水中Al3+浓度，生成三水铝石，随着岩石中石英溶解，地热水中SiO2浓度增加，三水铝石逐渐转化为高岭石，随着Na+、K+浓度升高，生成云母类矿物，最终生成稳定的长石矿物。此外，随着温度的升高，钾长石和钠长石逐渐变得不稳定，深度越深，矿物风化程度越快。

4 结语

本文通过对广东阳江地区断裂带型地热水的水化学特征和组分含量分布特征研究，及对水岩作用过程形成条件的分析，更加深入地了解地热资源产生和分布规律，为地热资源开发和利用提供更加科学的依据，为清洁能源的发展做出贡献，并且为地质构造和地下水循环研究提供参考。