潮間帶地熱田水化學特征及成因機制分析

2023-10-18 07:02:08劉潤方

水利水電快報 2023年10期

劉潤方,李理

(長江巖土工程有限公司,湖北武漢 430010)

0 引言

廣東省地熱資源豐富,近年眾多學者集中對地熱田開展了水化學特點和成因機制等研究工作[1-3]。國內外目前的研究方法主要有水化學特征元素法、同位素法和特征元素比例系數法等[4-7]。張光輝等利用同位素手段對黑河流域地下水的補、徑、排的時空演變特征進行了研究[8]。馮建偉等利用地下水水化學特征和代表性礦物離子演化特性對西非凱凱水電站地下水水化學特征及演化趨勢研究[9]。李鷺運用水化學特征系數法對江西省部分溫泉的起源、熱水年齡、水化學特征等方面進行了研究[10]。高勝強等通過針對Na,Cl,Ca,Mg等特征元素不同組合的比例系數分析和87Sr,86Sr同位素含量及其比例系數的分析,得到了明月山地區地熱水的物質來源和后期演化特點[11]。李靜榮等通過分析δD,δ18O,14C,δ13C和3He /4He等多種同位素,全面認識了碳酸泉形成過程[12]。

前人研究普遍認為,廣東地區地熱系統是在正常或略為偏高的區域熱背景下形成的中低溫地熱系統[13],即地下水通過發育的斷層深循環對流傳熱[14-15],而沿海地熱也可能源于海水[16]。

一般前人針對地熱水的研究,僅通過水化學特點定性分析了地熱水成因機制[17-19],對地熱資源開發規劃的參考價值有限。廣東省江門臺山汶村地熱田鉆孔熱水日涌量達300～500 t/d,儲量豐富,地熱資源潛力巨大,但仍尚未被開發利用。本文在定性分析地熱水水化學特點和成因機制的基礎上,利用氫氧同位素[20]定量計算了汶村地熱水中不同季節淡水、咸水的混合比例,并估算了研究區地熱田熱儲溫度,為各行業合理開發利用汶村地熱資源提供重要依據。

1 研究區概況

1.1 自然概況

研究區位于汶村鎮南部鎮海彎及海晏之間的海漫灘,東鄰珠海特區,北靠江門,西連開平、恩平、陽江三市,南臨南海。研究區屬于亞熱帶海洋性氣候,溫濕多雨,水系發育,河流呈樹枝狀,具有明顯的夏雨型和暴漲暴落特征。區域年最高氣溫36.9 ℃,最低氣溫-0.1 ℃;年平均降雨量2 297.3 mm,降雨不均。

1.2 地質概況

圖1 區域地質示意Fig.1 Regional geological overview

區內的地下水總體自北部山區匯流補給,沿山區至平原區為徑流,最終向南部濱海區排泄。研究區發育近南北走向斷裂,是地下水的深部循環通道,為地熱水的形成、運移和出露提供水文地質條件。

2 地下水水化學特征

2.1 水樣分布與采集

本文針對研究區地熱鉆孔開展多次水樣采集工作,并進行室內全分析試驗,鉆孔位置分布見圖2。

圖2 鉆孔位置分布示意Fig.2 Borehole location distribution map

2.2 化學組分含量特征

根據室內試驗成果,研究區地下水化學組分含量見表1。

表1 地下水水化學組分含量統計Tab.1 Statistics of chemical composition content of groundwater

圖3 地下水Piper三線圖Fig.3 Piper three-line diagram of groundwater

地熱水電導率達14 ms/cm以上,一方面由于熱水由深部地熱流體通過斷裂帶上升而來;另一方面也由于其受海水侵襲的影響較大。地熱水中Ca2+含量達600～800 mg/L,遠高于海水、雨水和地下淡水中Ca2+含量。與此同時,地熱水中Mg2+,Na2+含量遠低于海水。這是因為地熱水先與海水混合,使Mg2+,Na+含量增大,后又與巖層經歷陽離子交換吸附的作用,熱水中的Mg2+,Na+被巖層中Ca2+交換,導致熱水中的Mg2+,Na+的含量低于海水,Ca2+含量高于海水。

地熱水中K+,SiO2含量遠高于海水,這是由于研究區地層為花崗巖,其所含主要礦物為鉀長石(K2O·Al2O3·6SiO2)和石英,含量分別達25%～58%、8%～28%。高溫流體流經花崗巖巖層時溶濾含鉀硅酸鹽或石英,使K+,SiO2含量增高。花崗巖Sr2+,F-含量較一般沉積巖高,所以地熱水中Sr2+,F-的含量也有同樣特點。

綜上,研究區地熱水為Na-Cl型水,受海水、降雨和地表淡水等的混合作用,并在徑流過程中經歷水-巖相互作用。

3 地熱水成因機制和混合作用分析

3.1 地熱水代表組分離子比例系數分析

根據水化學試驗成果繪制不同組分間的離子比例系數,見圖4。

注:水平線表示一般海水或與海水相關的沉積水中的離子比例系數。圖4 地熱水水化學離子比例系數分布Fig.4 Distribution diagram of chemical ion proportion coefficient of geothermal water

(1) Cl/Br系數。Cl/Br為地下水中Cl,Br質量濃度比值,是判定地下水鹽分來源的重要依據,尤其是在區分陸相蒸發源和海相源方面[21]。大洋水中的Cl/Br一般約為300[22]。淡水的Br-含量低,Cl/Br一般大于880。由圖4可知,本區地熱水Cl/Br平均值為222,接近300。這說明地熱水很可能是由海相沉積水組成,殘余海水在長期地質歷史過程中由于濃縮而產生NaCl沉淀,而溴化物溶解度更大,故殘余海水或海相沉積水Cl/Br<300。

(2)γNa/γCl系數。γNa/γCl為地下水中Na+,Cl-毫克當量濃度比值。海相沉積水中γNa/γCl值一般小于0.85[23]。本區地熱水γNa/γCl值平均為0.34,小于0.85,與海相沉積水特點相符。

(3) Ca/Sr系數。Ca/Sr為地下水中Ca2+,Sr2+質量濃度比值。當海水濃縮產生鹽類沉淀時,SrSO4的沉淀在CaCO3之后,故海水中Ca/Sr系數較小,鹽類濃縮沉淀后更小,約為33。本區地熱水Ca/Sr系數為34～36。因此可得知汶村地熱水是與海水沉積有關的地下熱水。

(4)γMg/γCa系數。γMg/γCa為地下水中Mg,Ca毫克當量濃度比值。海水中Mg含量一般比Ca大,γMg/γCa系數約為5.5;淡水中Mg含量一般遠比Ca小,γMg/γCa系數遠小于1。因此,γMg/γCa系數常被用做計算判斷海水的入侵范圍和程度。本區地熱水γMg/γCa系數為0.15～0.26,平均為0.2,小于0.55。這是由于淡水混合的作用,同時也是由于水-巖相互作用導致熱水中Mg含量降低、Ca含量增加的結果。

3.2 地質條件分析

區域內斷裂發育,對熱水出露有顯著的控制作用:① 斷層及由斷層形成巖體破碎帶均是地熱水的儲存空間;② 熱源可通過深大斷裂從地球深部往地表運移。因此,地熱溫泉多沿斷裂帶呈條帶狀分布。研究區發育北西向斷層f1,包含各次級斷層,其組合構成了汶村地熱田的儲熱構造和運移通道。

綜上,汶村地熱水屬海相沉積水,與深部熱源的混合加熱后在上升過程中經歷水-巖相互作用,并受到地下淡水和海水混合共同作用,主要補給來源為降雨,主要補給區為北部及東北部的山區,見圖5。

圖5 汶村地熱水形成機制概化模型Fig.5 Schematic model of formation mechanism of Wencun geothermal water

3.3 地熱水混合作用分析

Cl-是地下水中最穩定的元素,常用來分析地下水的混合作用及程度。本文對24 h和1個水文年內的鉆孔地熱水取樣分析,Cl-含量日變化、年變化分別見圖6,7。

圖6 地熱水Cl-含量隨潮汐日變化動態Fig.6 Diurnal variation of geothermal water Cl- with tide

圖7 地熱水Cl-含量年變化動態Fig.7 Dynamic chart of Cl- content of geothermal water with year

由圖6,7可知,研究區地熱水Cl-含量與潮汐呈正相關關系。在潮汐減小時,Cl-含量減小明顯,但潮汐增大時,Cl-含量增大相對不明顯。這是由于海水Cl-含量為14 245.91 mg/L,降雨與地下冷水分別為2.87 mg/L和17.39 mg/L,地熱水為5 500 mg/L 左右,相比海水的咸化作用,淡水稀釋作用更明顯,因此在潮汐增強時,Cl-含量變化相對不明顯。Cl-含量與降雨量在年內呈較明顯的負相關關系,隨降雨量的增加而減少,表明了地熱水有淡水的混合作用。

3.4 地熱水咸、淡水混合比例計算

D和18O為水中較為穩定的同位素,對于確定地下水成因類型等具有重要意義。根據廣州大氣降水方程線,研究區地熱水屬大氣降水成因[24-25]。地熱水的淡水來源主要為降雨,咸水來源為海水、古海水。分別將淡水與咸水作為混合的兩個端元,地熱水為兩個端元混合的結果,利用δD、δ18O計算不同端元的混合比例,見表2。

表2 汶村地熱田熱水氫氧同位素含量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響程度高于δD,本文取δD值作為計算混合比例的指標,計算公式為

δD(淡水)X+δD(海水)(1-X)=δD(地熱水)

式中:X為混入淡水的比例,%;δD(淡水)取值-40.93‰;δD(海水)為研究區海水中的δD值,取值-23.74‰;δD(地熱水)為研究區地熱水中的δD值。

分別取2月、9月水樣氫氧同位素數據進行咸、淡水混合比例估算,結果見表3。由計算結果可知,淡水混合比例高于海水。其中,9月豐水期的淡水混合比例達77.60%,2月枯水期的淡水混合比例降至58.76%。

表3 汶村潮間帶地熱水淡水與海水混合比例Tab.3 Mixing ratio of geothermal water,fresh water and sea water in Wencun intertidal zone %

4 地熱田熱儲溫度估算

熱儲溫度一般難以直接測量,常用地熱溫標法估算,主要分兩大類:① SiO2地熱溫標,適用于150 ℃以上熱水;玉髓溫標適用于溫度低于150 ℃的低溫熱水。② 陽離子地熱溫標,適用于水-巖完全平衡的地熱田,常見的有Na-K溫標、K-Mg溫標等,各溫標公式見表4。目前,國內外常用Na-K-Mg三角圖判斷水-巖平衡樣點,見圖8。由圖8可知,研究區地熱水處于部分平衡區,更適宜采用石英溫標或玉髓溫標估算。