新疆布爾津縣沖乎爾盆地地熱資源水化學特征及地下熱水成因分析

喜 英,張同良,齊志龍

(1.新疆地質礦產勘查開發局第一水文工程地質大隊,新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆工程學院地熱研究中心,新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

地熱作為一種新型綠色環保能源,具有資源量豐富、對環境污染小、運營成本低等特點,其潛在的開發利用價值已被越來越多的人所關注。我國是世界上地熱資源儲量較為豐富的國家之一[1]。近年來,不少學者針對我國地熱資源做了相關的研究,尤其是在地熱資源賦存規律、水文地球化學特征及其成因模式等方面做了大量研究[2-5]。新疆布爾津縣沖乎爾盆地地熱資源開發利用具有很廣闊的前景,研究區以沖乎爾鎮為中心,北至托馬爾德布拉克為界,南至庫木托別鄉山前地帶附近為界,東至沙爾扎克山區一帶為界,西至沖乎爾斷裂一帶為界,運用舒卡列夫分類和派珀三線圖解分類,通過對比和分析不同區域地下水組分和化學特征,探討了地熱水的來源和成因。根據區內水體的δ18O-D穩定同位素、放射性同位素碳-14年代測定組成特征,結合該區水文地質條件、同位素組成背景,定性、定量分析了地下水體的來源、補給高程、滯留時間,加深了對地下水形成條件的認識,為地下熱水成因的研究提供了有意義的參考。本文從水文地球化學角度分析和研究沖乎爾盆地地熱水的特征和成因,以其為勘探、開發沖乎爾盆地地熱資源提供技術參考。

1 研究區地質背景

研究區以沖乎爾鎮為中心,北至托馬爾德布拉克為界,南至庫木托別鄉山前地帶附近為界,東至沙爾扎克山區一帶為界,西至沖乎爾斷裂一帶為界,研究區區內交通便利,其中重點研究區以沖乎爾盆地為中心,呈東西向長條狀布置,面積140 km2。地理坐標:經度87°00′23.12″～87°15′5.29″,緯度48°3′8.66″～48°14′39.97″。

研究區四面環山,屬于沖乎爾盆地中心地帶,盆地腹地海拔654 m,四周海拔814～1 606 m,地貌類型有低中山區、山間盆地區2個地貌單元。(圖1)低中山區地勢北高南低,北部巖石裸露,陰坡森林密布,樹枝狀的地表徑流十分發育,南部地形漸緩,溝谷底部水草茂盛,灌木叢生;山間盆地地貌由布爾津河沖洪積扇組成,地勢由北向南傾斜,第四紀沉積物厚,表層土淺,多粗粒物質為其主要特征。

圖1 研究區地貌分區圖

布爾津縣沖乎爾屬北溫帶大陸性氣候,其特點是氣候寒冷,春季干旱升溫快,秋季降溫快,冬季嚴寒而漫長,夏季短少炎熱,多風少雨,蒸發強烈,年際變化大,光照充足,晝夜溫差大,其趨勢是東西差別小,南北變化大。全縣多年平均氣溫5.18℃,降水量為181.68 mm,蒸發量為1 578.6 mm,相對濕度72.1%。研究區內主要發育的河流為布爾津河,發源于阿爾泰山南麓,以友誼峰為源頭,自北向南縱貫沖乎爾鎮,至布爾津縣城西匯入額爾齊斯河。流程全長269.5 km,年徑流量42.73億 m3,豐水年年徑流量48.45億 m3,枯水年年徑流量28.15億 m3。

2 水樣測試與分析

本次調查取得3個水樣分析資料(表1)。本次工作中的水樣樣均按《地熱資源地質勘查規范》[6]及地熱評價方法及估算規程等要求。樣品測試由具有相關資質的新疆地礦局第一水文工程地質大隊、美國BETA實驗室完成,樣品測試數據真實、可靠。

表1 水化學基本特征一覽表

3 地下水水化學特征

3.1 地下水水化學組分特征

3.1.1 水化學類型

1)舒卡列夫分類

本次調查取得3個水樣分析資料(表1),采用舒卡列夫分類水化學類型方法進行劃分,該分類方法是根據含量大于25%毫克當量的陰離子和陽離子進行組合[7]。

研究區水化學類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型。因地表與與地下熱水混入量的差異,其化學成類型有所不同。

2)派珀三線圖解分類

用 AqQA 軟件繪制 Piper 三線圖,Piper 圖常被用來進行地下水水化學類型判別及主要離子組成特征描述[8]。派珀(A.M.Piper)圖解法是由兩個三角形和一個菱形組成,從三角形中可以看出各種離子的相對含量,從菱形中可以看出水樣中的一般化學特征,將研究區水樣標在圖上(圖2),可以較直觀地揭示各泉點陰、陽離子含量及交換等有關地下水演化現象。

3.1.2 水化學組分特征

1)Q1為下降泉,地下水屬于潛水,Q3、Q4分別位于構造交匯區域,呈點狀分布,其pH值在7.60～7.97之間,總體為中性,無色無味。Cl-含量在3.5～21.3 mg/L,SO42-含量在0～96.1 mg/L,HCO32-含量在170.9～207.5 mg/L;F-含量在0.2～0.5 mg/L;Na+含量在8.0～58.1 mg/L,Ca2+含量均為32.1 mg/L;Mg2+含量在14.6～19.4 mg/L;H2SiO3含量在20.9～24.9 mg/L;HBO2含量在0.3～0.9 mg/L;總溶解固體量在178.0～363.8 mg/L之間。

2)Na+/K+值與熱儲溫度背景有關,低比率代表著相對高溫,并與熱流體上流帶或滲透帶相關,比值介于20/1到8/1,一般為重要地熱田;本次調查水樣Na+/K+值4～10.9之間,其中Q3的Na+/K+比值為10.9,說明研究區地下水具有一定熱異常顯示。

3.1.3 Na-K-Mg三角圖

Na-Mg-K 三角圖是 Giggenbach 提出的用于評價地熱水水-巖平衡狀態的一種方法,將地熱水分為完全平衡水、部分平衡水和未成熟水三種類[9]。將研究區所采集的地下水中Na、K、Mg質量分數值投影到Na-K-Mg三角圖(圖3)中。由Na-K-Mg三角圖可以看出研究區的所水樣點(Q1、Q3、Q4)均靠近右下角頂點處Mg端元,屬淺層水區域,這反映了水-巖反應的平衡溫度偏低,陽離子在這種環境下不能達到平衡;也可能是研究區地下熱水來自較熱的環境,在熱水向地表上升過程中受到淺層冷水的強烈稀釋,熱水中原本的礦物溶解平衡被打破。

3.2 同位素化學與地下熱水成因分析

同位素分析是研究地下水的一種有效方法,在水文地質學的各個領域得到了廣泛的應用。其理論和方法可解決地下水年齡、起源、形成和分布,地下水運動,測定水文地質參數等問題。Craig 統計了全球各地數百個地區大氣降水、地表水及地下水中同位素 δD 與 δ18O 值,發現它們之間存在線性關系,建立了全球大氣降水線方程 Craig 方程式[10]:

δD = 8δ18O + 10

(1)

在δD-δ18O 圖上,這條直線又被稱為全球大氣降水線。

根據區內水體的δ18O-D穩定同位素、放射性同位素碳-14年代測定組成特征,結合該區水文地質條件、同位素組成背景,定性、定量分析了地下水體的來源、補給高程、滯留時間,加深了對地下水形成條件的認識,為地下熱水成因的研究提供了有意義的參考。

3.2.1 補給來源

工作內3個泉點進行穩定同位素δ18O和δD測試,表2。

表2 同位素測試一覽表

根據圖4、表3可以看出,研究區地下水的δ18O和δD值均在大氣降水線附近,說明其補給源均為大氣降水[11]。其中Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大氣降水線的下方,δ18O發生正漂移,大氣降水發生了水-巖氧同位素交換,說明基底溫度較高,具有一定的熱顯示。

表3 各種類型天然水的δ18O和δD值

圖4 δD和δ18O關系圖

3.2.2 補給高程

研究區地下水來源于大氣降水,利用δ值的高度效應(大氣降水的δ值隨地形高程增加隨地形高程增加而降低,可以計算出補給區的海拔高度[12]。中國大氣降水的高程效應公式:

(2)

式中:H為同位素滲入高度;δs為水點(泉)的δ18O或δD值;δp為大氣降水的δ18O值(取-9.15‰)或δD值(取-66‰);h為水點高程;k為同位素高度梯度,相應于海拔高度每變化100 m的δ18O值的變化(δ18O取-0.58‰/100 m,δD取-3‰/100 m)。

計算結果表4所示,研究區地下水補給高程在2 361.85～3 277.19 m,結合研究區周邊地形、地貌及水文地質條件推斷,Q3補給區在研究區東側44 km阿勒泰市北部山區一帶;Q1、Q4補給區在研究區東北部77 km阿勒泰山一帶。

表4 地下水補給高程計算統計表

3.2.3 滯留時間

根據對研究區水點進行碳-14年代測定,發現地下水年齡在95～1 460 a之間(見表5)。說明Q4地下水從大氣降水滲入地表開始通經歷了漫長的時間(大于1 000 a)地下水年齡較老,屬于深循環地下水,因此可以斷定該地下水通過大氣降水入滲水后必然順構造裂隙向深部運動,經過深循環大地熱流加熱密度降低,再通過深大斷裂上涌。該部分水成為研究區地熱資源主要補給源。

表5 研究區C14年齡計算表

3.3 研究區熱儲特性

3.3.1 熱儲特征

當熱儲在某一區域內以對流傳熱為主,平面上呈條帶狀延伸,具有有效空隙率和滲透性的斷裂帶構成的熱儲時則稱為帶狀熱儲。結合目前勘查精度表明,研究區熱儲屬于帶狀熱儲,較高溫度的泉點(Q3、Q4)呈點狀分布于兩組斷裂交匯處或巖漿巖脈出露區域;研究區內不同走向斷裂縱橫交錯,構造裂隙極其發育,加上巖漿巖冷凝過程中于圍巖形成的大量裂隙,在理想的構造部位形成熱儲(圖5)。

圖5 熱儲概念模型圖

即:大氣降水(冷水)入滲下潛→地下水深循環加熱(大地熱流)、密度降低→(地熱流體)沿深大構造上升,在上地表一定區域富集。

3.3.2 熱儲巖性

研究區熱儲巖性主要為泥盆系、震旦系蝕變黑云母斜長片麻巖、蝕變黑云母斜長變粒巖、霏細巖、花崗巖、火山凝灰巖、英安質火山凝灰巖、英安巖、流紋巖、中酸性晶屑凝灰巖。

3.3.3 熱儲溫度

地熱溫標是在地熱流體礦物質的化學平衡的基礎上建立,是指與地下熱儲溫度相關的熱水化學濃度或濃度比值,地熱流體與礦物在一定溫度、壓力條件下達到平衡,地熱流體上涌至地表溫度降低時,這種平衡任然存在,利用地熱流體這一特性,通過水質分析結果,采用適用的地熱溫標法對研究區進行地溫估算(表6)。研究區無地熱露頭,地下水最高溫度12.9℃,初步判斷為低溫地熱系統(25℃～90℃),本次采集水樣溫度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4溫度高于平均水溫,說明地下熱水運移至上地表一定區域混入大量冷水混入;pH值在7.6～7.97之間;由Na-K-Mg三角圖可以看出Q1、Q3、Q4屬淺層水區域,陽離子未能達到平衡,因此以二氧化硅溫標估算研究區熱儲溫度較為科學合理。

表6 地熱溫標適用性判別條件

二氧化硅地熱溫標公式如下[13]:

(3)

式中:S為溶液中溶解的SiO2的質量分數,單位為mg/L。

計算結果見表7,熱交換溫度為68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃,說明研究區基礎溫度較高具有較大的開發潛力。

表7 二氧化硅溫標熱儲溫度統計表

4 結語

(1)研究區水化學類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型,因地表與與地下熱水混入量的差異,其化學成類型有所不同。

(2)本次調查取得3個水樣其中Q4水年齡為1 460 a之間,說明地下水從大氣降水滲入地表開始通經歷了漫長的時間,可以斷定該地下水通過大氣降水入滲水后必然順構造裂隙向深部運動,經過深循環大地熱流加熱密度降低,再通過深大斷裂上涌,而且Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大氣降水線的下方,δ18發生正漂移,大氣降水發生了水-巖氧同位素交換,說明基底溫度較高,具有一定的熱顯示。

(3)研究區熱儲屬于帶狀熱儲,無地熱露頭,地下水最高溫度12.9℃,初步判斷為低溫地熱系統(25℃～90℃),本次采集水樣溫度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4溫度高于平均水溫;pH值在7.6～7.97之間;由Na-K-Mg三角圖可以看出Q1、Q3、Q4屬淺層水區域,陽離子未能達到平衡,二氧化硅地熱溫標估算工作區熱儲溫度在68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃;說明工作區具有較好的可進一步勘查的前景。