廣東陽江地區斷裂帶型地熱水化學特征及形成條件

吳廣翩

(廣東省地質局第四地質大隊(廣東省湛江地質災害應急搶險技術中心)廣東 湛江 524000)

地熱水作為可再生、無污染能源，應用前景廣泛，具有良好的經濟效益。斷裂帶作為地球的主要構造單元之一，常常是地熱能的重要來源之一[1]。斷裂帶型地熱水地下分布和地下水循環體系非常復雜，其形成機制和水文地質特征也存在很多未知之處。因此，對斷裂帶型地熱水的水文化學特征及形成條件進行研究，對于地熱資源的合理開發和利用具有重要意義。目前全球對清潔能源的需求不斷增加，研究斷裂帶型地熱水文化學特征及形成條件，不僅有助于優化地熱資源的開發利用，還能為清潔能源的發展做出重要貢獻。本文以廣東陽江地區斷裂帶型地熱水進行研究。分析其水文化學特征及形成條件。

1 樣品采集和測試

1.1 樣品采集

廣東陽江地區斷裂帶型某熱泉群采集16組水樣品，9組巖石樣品，包括沿海和靠近內陸四個區域。開展水化學、同位素測試及全巖和礦物元素化學測試，由陽江市檢測檢驗中心完成。

1.2 樣品測試

使用便攜式水質分析儀進行水樣溫度、PH值和電導率測量，使用濃度0.05mol/L的HCl進行堿度滴定。熱泉流量根據有無管道的情況，使用體積法或三角堰法進行測量[2]。將水樣經過濾后保存到聚乙烯瓶內，對陽離子、陰離子和微量元素進行測試。巖樣磨粉后，加入離子水并進行震蕩，經三次處理后再進行烘干并干燥冷卻[3]。酸溶法對巖樣分解，巖樣的元素測試方法和水樣測試方法相同。液態水同位素分析儀測試δ2H、δ18O；液閃儀測試14C和13C；同位素質譜儀測試87Sr/86Sr；熱電質譜儀測試δ11B。

2 斷裂帶型地熱水文化學特征

2.1 水化學類型分布特征

研究區水樣共分為四組，其中第一組和第二組主要是靠海區塊狀基巖裂縫水和海水，第三組為靠內陸區層狀基巖裂縫水，第四組為地下冷水、河水、雨水。采樣點如表1、表2、圖1所示。各組水化學類型分布特征如表3所示。

圖1 水樣采樣圖

表1 采集水樣點信息表

表2 采集巖樣點信息表

表3 水化學類型分布特征表

2.2 各區水化學類型對比

與海水相比，地熱水中含有大量的Ca2+，說明地熱水化學特征還受到其他因素影響。

2.3 地熱水化學演變途徑分析

3 斷裂帶型地熱水化學特征及形成條件分析

3.1 水巖作用程度

地熱水根據Na、K、Mg離子相對含量，分為完全平衡區、部分平衡區和未成熟區三個區域，其反應過程為：

(1)K-長石+Na+=Na-長石+K+

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

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

將采集的地熱水和地下冷水中K、Na、Mg離子含量進行轉換，地下冷水處于未成熟區域，水巖溶解作用還在進行階段；地熱水處于部分成熟區域，水巖作用程度還未達到平衡狀態[6]。熱水池的成熟度小于地熱水，主要是地熱水向地表上升過程中受地下冷水混合。對比與沿海與靠近內陸地區地熱水，靠近沿海地區存在明顯海水混入想象，部分處于非平衡區域。研究區所取的地熱水都處于部分平衡區，說明地熱水受到地下冷水混合作用較大。

3.2 礦物飽和指數

礦物平衡計算是用化學反應平衡原理，通過計算水體中各種離子的平衡狀態，預測水體中某些礦物質的溶解度和生成潛力的計算方法，可以預測水體中某些礦物質的溶解度和生成潛力，從而分析水體的化學特征和水質問題。礦物飽和指數是指水中某種礦物質的溶解度與水中該礦物質的實際含量的比值。簡單來說，礦物飽和指數是衡量水體中是否過飽和或欠飽和的量化指標。如果水中某種礦物質的飽和指數為正，表示水中該礦物質已經飽和，并可能形成沉淀；如果飽和指數為負，則表示水中該礦物質欠飽和，并可能溶解更多的礦物質。礦物飽和指數的計算公式：

SI=log(Q/K)

式中，SI為礦物飽和指數，Q為水中某種礦物質活度積，K為該礦物質平衡常數。

活度積是指水中各組分活度之積，是一個與濃度有關的指標。平衡常數是指礦物質在溶液中達到平衡狀態時的溶解度常數。使用USGS水化學軟件對地熱水樣相對各種礦物潛在飽和指數計算，第一組地熱水中硬石膏、螢石、天青石飽和指數小于0，表明這類礦物還未達到飽和狀態；方解石、文石飽和指數大于0，表明這類礦物達到飽和狀態；白云石、石英、玉髓飽和指數在-0.5～0.5之間波動，表明這類礦物為平衡狀態；第二組地熱水中硬石膏、天青石飽和指數小于0，表明這類礦物還未達到飽和狀態；方解石、白云石、文石飽和指數大于0，表明這類礦物達到飽和狀態；螢石、石英、玉髓飽和指數在-0.5～0.5之間波動，表明這類礦物為平衡狀態。研究區內地熱水中，硬石膏和石膏為未飽和狀態，表明硫酸鹽溶解是持續過程；方解石、文石、白云石、石英、玉髓為過飽和或平衡狀態，表明硅酸鹽巖和碳酸鹽巖礦物產生明顯的沉淀。

3.3 主要離子形成的水文化學過程

(1)礦物的沉淀溶解作用

地熱水中主要離子的水文化學過程主要是碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和硅酸鹽巖礦物的沉淀溶解作用[7]。地下冷水中Ca2+離子和HCO3-離子主要來自碳酸鹽巖、硅酸鹽巖礦物的溶解。地熱水中Ca2+離子濃度含量高于HCO3-離子濃度含量，說明在地熱水中Ca2+離子還有其他的來源。在地熱水中，隨著Ca2+離子濃度含量增加，HCO3-離子濃度含量減少，甚至比地下冷水中HCO3-離子濃度含量要小，原因是在高溫度環境下，Ca2+離子與HCO3-離子結合生成CaCO3沉淀，造成地熱水中HCO3-離子濃度含量減小。白云石等碳酸鹽巖礦物為過飽和狀態，不會再產生溶解現象。

地熱水和地下冷水中，Mg2+離子和Ca2+離子比值小于1，表明在徑流過程中受到貧鎂礦物較大影響，由于方解石等貧鎂礦物在深層含量較少，對于深層地熱水化學組分影響較小。在地熱水中，Na+離子和Ca2+離子比值較大，表明硅酸鹽巖溶解作用影響了地熱水水化學組分，碳酸鹽沉淀作用增加。

(2)水熱蝕變作用

研究區地熱水中含主要礦物為硅酸鹽和鋁硅鹽，含有多種水熱蝕變礦物類型。在地熱系統中按照從淺到深主要有高嶺石、蒙脫石、混層黏土、伊利石和白云母等黏土礦物，在相互轉化過程中，對于地熱水在各離子的含量帶來影響[11]。使用TOUGHREACT模擬軟件，在假定固相和液相活度系數相同情況下，計算鈉貝得石、三水鋁石、方沸石、白云母、鉀長石、高嶺石、鈉長石、葉蠟石等8種典型礦物之間任意化學方應在25℃和300℃下的平衡常數，進行低溫和高溫環境下地熱水和礦物之間平衡關系研究[12]。為了對實際的水巖作用做出正確的計算和評價，需要校正溫度對PH值的影響。地下冷水中，鉀長石沒有達到飽和還處于溶解狀態，風化進入高嶺石階段；鈉長石風化進入高嶺石階段。地熱水中，鉀長石和鈉長石都比較穩定，與次生礦物都過飽和，為礦物的形成提供有利條件。

地熱水經歷過程：最初時，地熱水在深循環過程中，與巖石中鋁硅酸鹽礦物形成溶濾作用，增加了地熱水中Al3+濃度，生成三水鋁石，隨著巖石中石英溶解，地熱水中SiO2濃度增加，三水鋁石逐漸轉化為高嶺石，隨著Na+、K+濃度升高，生成云母類礦物，最終生成穩定的長石礦物。此外，隨著溫度的升高，鉀長石和鈉長石逐漸變得不穩定，深度越深，礦物風化程度越快。

4 結語

本文通過對廣東陽江地區斷裂帶型地熱水的水化學特征和組分含量分布特征研究，及對水巖作用過程形成條件的分析，更加深入地了解地熱資源產生和分布規律，為地熱資源開發和利用提供更加科學的依據，為清潔能源的發展做出貢獻，并且為地質構造和地下水循環研究提供參考。