西藏薩迦沖曲流域地下熱水成因及工程效應分析

2021-06-09 10:04:08孫會肖郎旭娟男達瓦李皓婷趙海華

安全與環境工程 2021年3期

關鍵詞：研究

孫會肖，郎旭娟，男達瓦，劉昭*，郭寧，李皓婷，趙海華

(1.河北地質大學水資源與環境學院，河北石家莊 050031；2.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，河北石家莊 050031；3.河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心,河北石家莊 050031；4.西藏自治區地質礦產勘查開發局地熱地質大隊，西藏拉薩 850032)

地熱資源作為一種新型的清潔能源，已受到越來越多人的關注。不少學者利用水文地球化學方法、水化學特征系數法、同位素分析法和古水文地質條件分析方法等手段，對地熱資源的水文地球化學特征及其成因進行了深入的研究。目前，一些學者在隧道高地溫方面，開展了一系列研究。如王爭鳴、楊新亮在分析地熱分布規律以及地熱成因的基礎上，結合區域地熱背景探討了高溫熱害對隧道工程建設的影響，總結并提出了地熱地區選線原則及相應的熱害防治措施。

西藏地區地熱資源豐富，眾多學者對該地區地熱的水文地球化學特征及其成因進行了一系列研究。如多吉通過鉆探資料探討了羊八井熱田的基本特征，發現羊八井熱田由3個不同能的熱儲層構成；趙平等研究了西藏地熱氣體的地球化學特征，發現西藏水熱活動區有CO型和N型兩類地熱氣體，且絕大多數地熱氣體以CO為主。本次研究區位于西藏南部的薩迦縣和拉孜縣，屬于西藏薩迦沖曲流域，該地區地熱成因復雜且研究程度低，因此本文在前人研究的基礎上，對西藏薩迦沖曲流域地下熱水的水化學特征及其成因進行分析，并在此基礎上對擬建中尼鐵路工程的地熱災害防治提出了合理的建議措施，為該地區地熱資源的合理開發與利用提供科學的理論依據。

1 研究區自然地理及地質概況

1.1 自然地理概況

研究區內的溫泉有卡烏、曲參崗和錫欽溫泉。卡烏溫泉位于薩迦縣，薩迦沖曲兩岸，海拔高程為4 620～4 700 m，溫泉為典型的沸泉，溫泉區兩岸谷坡均為碳質板巖，盆地東和東北部山體則為淺成侵入體。該區鈣化泉華發育，卡烏古泉華最厚處達50 m以上，許鵬等由此推測卡烏溫泉發育地質歷史時間長。曲參崗溫泉位于薩迦縣，海拔高程為4 066 m，溫泉圍巖為變花崗巖，中夾偉晶巖，巖石中有顆粒巨大的血紅色石榴石晶體,此外該區泉華發育，多屬鈣化泉華等。錫欽溫泉位于拉孜縣錫欽鄉錫欽村北，薩迦沖曲兩岸，海拔有3 995 m，溫泉多有氣泡逸出，水色清澈，微具硫醇味。

薩迦縣最主要的河流為沖曲河，發源于西藏自治區日喀則地區薩迦縣東南的長烏山，從東向西流經薩迦縣，流至拉孜縣匯入雅魯藏布江。

1.2 地質概況

卡烏、曲參崗溫泉區地層由北向南依次為：岡底斯巖漿巖、日喀則弧前盆地內的白堊紀沉積巖、昂仁蛇綠巖群(超基性巖為主)、晚侏羅世與早白堊世雜巖、三疊紀沉積巖和變質巖、薩迦穹隆中的拉軌崗日巖群和侵入的新近紀淡色花崗巖、高喜馬拉雅變質巖及花崗巖等,其中溫泉區附近的晚侏羅世與早白堊世雜巖基質為板巖、硅質巖等，巖塊為砂巖、玄武巖、橄欖巖等。卡烏溫泉出露在薩迦穹隆核部以西18 km 的三疊紀呂村組片巖中，曲參崗溫泉則出露在三疊紀呂村組片巖與薩迦穹隆淡色花崗巖的分界處，而錫欽溫泉出露于特提斯喜馬拉雅中生代大規模的沉積地層中，巖性以砂巖、粉砂巖為主。卡烏溫泉主要受控于北東向延伸的走滑斷裂，曲參崗溫泉則受控于薩迦穹隆中的弧形構造，而錫欽溫泉受控于近東西向的斷裂帶。

2 研究區地下熱水的水化學特征及其成因分析

2.1 水樣采集與分析

圖1 研究區采樣點分布圖(改編自文獻[9])Fig.1 Distribution diagram of sampling in the study area (adapted from the reference[9])

2.2 地下熱水的水化學特征分析

研究區水樣的水化學成分分析結果見表1。

由表1可知，卡烏溫泉泉口出露溫度為82～86℃，地下熱水的pH值為8.55～9.00，屬于堿性水，地下熱水的TDS為2 239.08～2 496.00 mg/L，為微咸水；曲參崗溫泉泉口出露溫度為34～37℃，地下熱水的pH值為5.20～7.90，呈中性偏弱酸性水，地下熱水的TDS為2 806.00～3 440.81 mg/L，為咸水；錫欽地下熱水的溫度為45～56℃，地下熱水的pH值為6.95～8.00，介于中性水與堿性水之間，地下熱水的TDS為250.00～391.14 mg/L，其平均值為337.00 mg/L；錫欽冷水的pH值為7.74～8.32，呈弱堿性水，冷水的TDS為260.86～296.74 mg/L，其平均值為275.00 mg/L，為淡水。

表1 研究區水樣的水化學成分分析結果表Table 1 Hydrochemical analysis result of water samples in the study area

將研究區的地下熱水、冷水、河水中主要離子組分繪制水化學組成的Piper三線圖，見圖2。

圖2 研究區水樣中主要離子組分的水化學組成Piper三線圖Fig.2 Piper graph for classification of all the water samples in the study area

由圖2可以看出：

(3) 薩迦縣兩個溫泉中HBO、F、Li的含量偏高，其中卡烏溫泉中HBO含量的平均值為447.85 mg/L、F含量的平均值為10.99 mg/L、Li含量的平均值為19.34 mg/L；曲參崗溫泉中HBO含量的平均值為524.35 mg/L、F含量的平均值為4.74 mg/L、Li含量的平均值為17.80 mg/L，根據《地熱資源地質勘查規范》，均達到理療熱礦水水質標準，具有理療保健的功效。

2.3 地下熱水的水化學成因

2.3.1 離子比例系數分析

通過分析地下水中主要離子成分和離子比例特征，可以判斷地下水的成因和地下水水化學成分的來源及其形成過程。研究區水樣中的離子比例系數，見圖3。

圖3 研究區水樣中的離子比例系數圖Fig.3 Ion ratio coefficient diagrams of all the water samples in the study area

γNa/γCl系數是地下水的成因系數。海水中γNa/γCl=0.85，若γNa/γCl接近于1，屬于鹽巖地層的溶濾水；若γNa/γCl大于1，說明Na還來源于硅酸鹽的溶解。由圖3(a)可見，研究區卡烏和曲參崗地下熱水水樣點落在γNa/γCl 的1∶1趨勢線上方，說明γNa/γCl系數大于1，表明地下熱水中的Na可能還來源于硅酸鹽巖的溶解，卡烏河水、錫欽地下熱水水樣點落在γNa/γCl的1∶1趨勢線附近，表明其來源于巖鹽地層的溶濾作用。

γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)值可用來表示地下水中碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解情況。如果地下水中的化學組分是來源于方解石、白云石和石膏的溶解，則γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)值應接近于1，硅酸鹽的溶解會增加Na的含量，因此硅酸鹽的溶解會造成水樣點分布于γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趨勢線下方。由圖3(b)可見，研究區地下熱水水樣點基本均落在γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趨勢線下方，表明地下水系統的反應中，硅酸鹽礦物的溶解占主導作用；錫欽冷水水樣點落在γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趨勢線附近，說明錫欽冷水中的化學組分主要是來自方解石、白云石和石膏的溶解。

γCa/γMg系數可以用來反映地下水中方解石和白云石的溶解情況，如果γCa/γMg接近于1，則表明Ca和Mg主要來自于白云石的溶解；如果γCa/γMg增大，說明方解石的溶解貢獻更大；如果γCa/γMg大于2，則表明Ca和Mg還來自于硅酸鹽礦物的溶解。由圖3(c)可見，研究區大多數水樣點均落在γCa/γMg的2∶1趨勢線以上，部分水樣點落在1∶1趨勢線與2∶1趨勢線之間和1∶1趨勢線下方[見圖3(b)]，表明研究區水樣中的Ca和Mg除了來自于白云石和方解石的溶解外，還來自于硅酸鹽礦物的溶解。

在水-巖系統中，因為氯不參與形成礦物鹽也不被吸附到礦物表面，具有累積作用，因此γHCO/γCl系數可以較好地反映地下熱水循環深度和水-巖反應程度。研究區卡烏、曲參崗地下熱水水樣點中γHCO/γCl值較低，反映出地下熱水的徑流路徑長，水-巖反應較強烈；錫欽地下熱水水樣點中γHCO/γCl值較高，說明地下熱水的徑流時間短，水-巖反應較弱。

2.3.2 主要控制機制分析

Gibbs圖可以用來定性地判斷水體中水化學組分的來源，其將水化學組分的成因類型劃分為巖石風化型、大氣降水型和蒸發/沉淀型。將研究區的水樣點繪制在水化學Gibbs圖上，見圖4。

圖4 研究區水樣的水化學Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagrams of all the water samples in the study area

2.4 地下熱水的補給來源分析

利用地下熱水的穩定同位素D和O組成可以用來判斷其補給來源。研究區水樣中氫氧同位素分析結果見表2。

由表2可知，薩迦縣卡烏地下熱水中

D和

表2 研究區水樣中氫氧同位素分析結果Table 2 Hydrogen and oxygen isotopic compositionsof the water samples in the study area

值分別為-163‰和-19.8‰，卡烏上游河水中

D和

O值分別為-150‰和-19.3‰，卡烏下游河水中

D和

O值分別為-150‰和-18.5‰；錫欽地下熱水中

D和

O值分別為-150‰和-19.5‰；谷露地熱水中

D值為-143‰，

O值為-16.5‰；羊八井地熱井水中

D值為-144‰，

O值為-17.3‰；古堆地熱水中

D值為-142‰，

O值為-15.7‰。本文將卡烏地下熱水、卡烏上下游河水和錫欽地下熱水水樣點的

O和

D值數據與西藏著名的地熱水中

O和

D值數據繪制在

D-

O的關系圖上，見圖5。

圖5 研究區水樣中氫氧同位素的關系圖Fig.5 Relation between hydrogen and oxygen stable isotope of water samples in the study area

由圖5可見，研究區水樣中

D和

O值數據點落在西南地區大氣降水線的右下方，說明地下熱水接受大氣降水補給的同時，可能還接受冰雪融水的補給；卡烏地下熱水

O和

D值較地表水偏低，說明卡烏地下熱水可能不是直接來源于當地大氣降水的就近入滲補給，而是接受海拔較高地區地下水的補給。卡烏地下熱水中

O和

D值數據點在圖5中表現出明顯的

O漂移現象，其原因可能是卡烏地下熱水溫度較高，加速了水-巖反應，促使地下熱水中的

O與圍巖中的

O發生了離子交換反應，從而導致地下熱水中的

O值增加。而錫欽地下熱水中

O和

D值數據點落在西南大氣降水線附近，反映出錫欽地下熱水來源于大氣降水。氘(H)是氫的天然放射性同位素，半衰期為12.32年。利用放射性同位素H，可估算地下水的年齡。根據法國J.Ch.來特的經驗估算結果：H含量(

)=0～5 TU表明1952年以前的“古水”占優勢；

=5～40 TU表明新近入滲水與古水之間有混合作用；

>40 TU表明新近入滲水占優勢。研究區卡烏地下熱水中

<0.1 TU，卡烏上游河水中

為3.6 TU，卡烏下游河水中

為2.4 TU，其H的含量均小于5 TU，而錫欽地下熱水中

為5.6 TU，因此可以推測，卡烏地下熱水為1952年以前的“古水”占優勢的水，錫欽地下熱水為新近入滲水與古水的混合水。

2.5 地下熱水的熱儲溫度估算

2.5.1 地下熱水溶液-礦物間的平衡狀態分析

目前應用最廣泛的估算地下熱儲溫度的方法是地球化學溫度計法。該方法的原理是在一定溫度下，一定時間內地下熱水與圍巖礦物的化學反應總體達到平衡，在到達地表過程中，這種平衡狀態可以保持，據此可計算其在地下熱儲時的平衡狀態。基于這一原理，運用地球化學溫度計法估算地下熱儲溫度時，首先需要確定地下熱水溶液-礦物間的平衡狀態。本文采用Na-K-Mg三角圖和SiO溶解度曲線來確定研究區地下熱水溶液-礦物間的平衡狀態。

(1) Na-K-Mg三角圖法。Na-K-Mg三角圖主要用來判斷地下熱水與巖石的平衡狀態。研究區地下熱水的Na-K-Mg三角圖，見圖6。

圖6 研究區地下熱水的Na-K-Mg三角圖Fig.6 Na-K-Mg giggenbach plot with samples from the geothermal fields in the study area

由圖6可見，研究區地下熱水水樣點均未落在完全平衡區。其中，錫欽地下熱水水樣點全部落在Na-K-Mg三角圖的Mg端，表明水-巖作用遠未達到平衡狀態，屬于未成熟水,其可能原因一是地下熱水溫度較低，地下水徑流時間短，水-巖反應弱，二是地下熱水受到地表水的混合作用；卡烏、曲參崗地下熱水水樣點基本落在部分平衡混合區，表明與錫欽地下熱水相比，卡烏、曲參崗地下熱水徑流路徑變長或受地表冷水混合的比例減小，水-巖作用加強，這也驗證了上文的研究結果。由于研究區地下熱水均未處于完全平衡狀態，因此不適合用陽離子溫度計估算研究區地下熱水的熱儲溫度，適合用SiO溫度計估算研究區地下熱水的熱儲溫度。

(2) SiO溶解度曲線。SiO溶解度是溫度的函數，可用來估算地下熱儲溫度。地熱研究中經常涉及到的二氧化硅(SiO)礦物，包括石英、玉髓和無定形二氧化硅，利用SiO溶解度曲線可以判斷礦物溶解狀態以及溶液中SiO含量受何種礦物控制。研究區地下熱水中SiO溶解度(

SiO)與溫度(

)的關系圖，見圖7。

圖7 研究區地下熱水中SiO2溶解度(ρSiO2)與溫度(T) 的關系圖Fig.7 Relation diagram between SiO2 concentration in the geothermal water and water temperature in the study area

由圖7可見，研究區卡烏、曲參崗和錫欽地下熱水水樣點基本均落在玉髓溶解線與無定形二氧化硅溶解線之間或無定形二氧化硅溶解線以上，表明玉髓、石英礦物處于平衡狀態，無定形二氧化硅礦物尚未達到平衡狀態，玉髓、石英可能是控制卡烏、曲參崗和錫欽溫泉地下熱水中SiO含量的礦物，而卡烏、曲參崗和錫欽地下熱水水樣點更靠近玉髓溶解線，因此運用玉髓溫度計估算地下熱水的熱儲溫度更合適。

2.5.2 地下熱水的熱儲溫度估算

本文利用玉髓-最大蒸汽損失溫度計計算公式(1)估算卡烏地下熱水的熱儲溫度，利用玉髓-無蒸汽損失溫度計計算公式(2)估算曲參崗和錫欽地下熱水的熱儲溫度，具體計算公式如下：

(

)

(

)

式中：

為地下熱水的熱儲溫度(℃)；

SiO為地下熱水中SiO的含量(mg/L)。

研究區地下熱水的熱儲溫度估算結果見表3，其中卡烏地下熱水的熱儲溫度可能為151.50 ℃，曲參崗地下熱水的熱儲溫度可能為98.51 ℃，錫欽地下熱水的熱儲溫度可能為68.37 ℃。根據地熱地質勘察規范可知，卡烏地下熱水屬于高溫地熱資源，曲參崗地下熱水屬于中溫地熱資源，錫欽地下熱水屬于低溫地熱資源。

表3 研究區地下熱水的熱儲溫度估算結果(單位：℃)Table 3 Reservoir temperature calculation results ofgeothermal water in the study area(unit:℃)

3 研究區地下熱水的腐蝕結垢趨勢預測與處理措施

地下熱水中因含有眾多化學成分而對金屬材料具有腐蝕性，一般地下熱水中溶解組分含量較高，地下熱水在向上運移的過程中，由于溫度或壓力改變導致溶解的某些物質析出，而地下熱水的腐蝕結垢會影響隧道工程施工材料的正常使用。因此，地下熱水腐蝕結垢趨勢的預測和判別對于鐵路的正常施工和運行至關重要。

3.1 雷茲諾指數判斷地下熱水的結垢趨勢

當地下熱水中Cl的摩爾當量小于25%時，可采用雷茲諾指數

來判斷地下熱水中碳酸鈣的結垢趨勢。雷茲諾指數的表達式如下：

=2pHs-pHa

(3)

利用雷茲諾指數判斷地下熱水結垢趨勢的具體判別標準如下：當

RI<

4.0時，結垢非常嚴重；當

RI=

4.0～5.0時，為結垢嚴重；當

RI=

5.0～6.0時，為結垢中等；當

RI=

6.0～7.0時，為結垢輕微；當

RI>

7.0時，為不結垢。研究區地下熱水腐蝕結垢趨勢的預測結果，見表4。

表4 研究區地下熱水腐蝕結垢趨勢的預測結果Table 4 Prediction of corrosion and scale trend of thermalgroundwater in the study area

3.2 拉伸指數判斷地下熱水的腐蝕結垢趨勢

本文采用拉伸指數

來判斷地下熱水的腐蝕性，當地下熱水中Cl的摩爾當量大于25%時，拉伸指數

也可用于判斷碳酸鈣結垢趨勢。拉伸指數

表達式如下：

(4)

利用拉伸指數

判斷地下熱水腐蝕結垢趨勢的具體判別標準如下：當

<0.5時，為結垢性水，沒有腐蝕；當

LI>

0.5時，為腐蝕性水；當0.5

<LI<

3.0時，為輕腐蝕性水；當3.0

<LI<

10.0時，為強腐蝕性水。利用拉伸指數

對研究區地下熱水腐蝕結垢趨勢的判別結果見表4。

3.3 擬建中尼鐵路通過研究區的處理措施

擬建中尼鐵路北方案途經拉孜縣和薩迦縣，距北方案最近的錫欽溫泉位于北方案AK130+000右側1.4 km處。研究區地熱資源豐富，對隧道工程的建設有一定的影響，為此提出以下處理措施。

(1) 由于研究區巖性多變，工程施工前需要做好超前地質預報工作，為隧道工程的熱害問題提供有效的防治措施。

(2) 薩迦縣和拉孜縣地熱發育，會影響隧道工程施工，降低施工效率，并會影響鐵路的安全和使用等，因此擬建線路應盡量繞避研究區地熱發育區，無法繞避時，盡量以橋梁形式通過。其中，卡烏溫泉發育地質歷史時間長，古泉華最厚處達50 m以上，泉口出露溫度達到當地沸點，目前國內外尚無處理高溫熱水的經驗，故隧道工程必須繞避卡烏溫泉區。

(3) 卡烏和曲參崗地下熱水具有腐蝕性，對施工建筑材料具有一定的腐蝕性，故應注意鐵路工程建設中選取材料的防腐性。

4 結論

(1) 研究區卡烏地下熱水的水化學類型為Cl-Na型，曲參崗地熱水為Cl·HCO-Na型，錫欽地熱水可能是受到冷水混合的影響，其水化學類型為HCO-Na·Ca型。

(2) 卡烏、曲參崗地下熱水的水化學組成主要受蒸發/沉淀作用的影響，錫欽地下熱水的水化學組成主要受蒸發/沉淀作用和水-巖相互作用的共同影響。

(3) 卡烏地下熱水為40年以前的“古水”占優勢的水，錫欽地下熱水為新近入滲水和古水的混合水。

(4) 研究區地下熱水中陽離子未達到平衡狀態，卡烏、曲參崗和錫欽地下熱水中玉髓礦物溶解達到平衡，根據SiO溫度計估算出卡烏地下熱水的熱儲溫度可能為151.50℃，曲參崗地下熱水的熱儲溫度可能為98.51℃，錫欽地下熱水的熱儲溫度可能為68.37℃。卡烏地下熱水屬于高溫地熱資源，曲參崗地下熱水屬于中溫地熱資源，錫欽地下熱水屬于低溫地熱資源。

(5) 研究區地熱資源豐富，可用于發電、工業利用等，建議地熱資源開發利用過程中要加強對地質環境問題的監督，為避免引起環境地質問題，可考慮對尾水進行回灌，以達到采灌均衡。

(6) 研究區地熱資源發育，擬建線路應盡量繞避研究區地熱發育地段，無法繞避時，盡量以橋梁形式通過。其中，卡烏溫泉為高溫地熱資源，泉口出露溫度達到當地沸點，目前國內外尚無處理高溫熱水的經驗，隧道工程必須繞避卡烏溫泉區。

致謝：感謝西藏自治區地質礦產勘查開發局地熱地質大隊在資料收集、野外樣品采集等方面提供的幫助。