新疆曲曼高溫地熱田水文地球化學特征研究

史 杰,乃尉華,李 明,王 帥,馬小軍,張 靜

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊,新疆 昌吉 831100；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊,新疆 喀什 844099；3.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院,湖北 武漢 430074)

曲曼地熱田位于新疆塔什庫爾干縣提孜那甫鄉(xiāng)曲曼村一帶,處于帕米爾高原塔合曼及塔什庫爾干兩個斷陷谷地的接合部位,地熱資源豐富。多年來,由新疆維吾爾自治區(qū)國土資源廳出資,我單位在塔合曼、曲曼以及縣城附近開展了地熱地質(zhì)勘查和研究工作,曲曼一帶在700 m深度范圍內(nèi)成功鉆取熱儲溫度為161 ℃的地熱流體,取得了帕米爾地區(qū)構造裂隙型高溫地熱資源勘查和研究的重大突破。大量水化學測試結果表明,地熱流體中“攜帶”了豐富的深部地球化學信息。已有研究[1～2]對該區(qū)域個別鉆孔揭露的地熱流體進行了分析,初步了解了該區(qū)域地熱流體的基本化學組成,計算了熱田深部熱儲溫度,并與西藏羊八井、羊易高溫地熱田流體化學特征進行了對比,研究表明曲曼地熱田流體化學組成與西藏高溫地熱流體相類似,表現(xiàn)出高溫地熱流體的基本化學特征。

本文在前人研究的基礎上,對曲曼地熱田地熱流體化學測試結果進行了系統(tǒng)分析,研究了地熱流體的來源、基本徑流特征以及深部熱儲溫度等問題,為熱田資源儲量計算、形成機理分析及開采利用等提供了依據(jù)。同時,本文的研究成果將為“滇—藏”高溫地熱帶向帕米爾構造結延伸提供了又一證據(jù)[3]。

1 地熱田地熱地質(zhì)概況

曲曼地熱田位于青藏高原西北、帕米爾構造區(qū)的中東部,處于喀喇昆侖構造帶塔什庫爾干陸塊內(nèi)[4]。新生代以來,印度板塊持續(xù)向北俯沖和推擠,帕米爾地區(qū)構造活動強烈,總體呈快速隆升狀態(tài),形成整體向北突出和高原內(nèi)部差異升降的弧形構造格局,并伴隨區(qū)域斷裂的繼承、發(fā)育和巖漿的侵入活動[5～8]。構造上地熱田處于塔什庫爾干斷裂、塔合曼斷裂和唐蓋河—新迭村構造混雜帶的交匯部位,位于塔什庫爾干谷地北端、托爾推其山前洪積平原上,受北、東、西三側高山限制,整體地形為南高北低、西高東低(圖1)。

圖1 曲曼地熱田地質(zhì)地貌及采樣點位置Fig.1 Geomorphology of the Quman geothermal field and location of the sampling points

熱田受塔什庫爾干斷裂及其次級斷裂控制,熱儲具帶狀分布特征。這些斷裂呈張性或張扭性,晚第四紀以來表現(xiàn)出較強的活動性[9～13]。斷裂組合為帚狀和網(wǎng)狀形態(tài),并具地壘-地塹相間發(fā)育特征,為地熱流體的運移、儲集等提供了空間條件。熱儲圍巖為元古代片麻巖、片巖,大理巖和石英巖等,地層整體南西傾,角度較緩,片理化和壓碎作用明顯,熱蝕變現(xiàn)象普遍。

熱田蓋層為侏羅系、新近系泥巖、泥質(zhì)砂巖和礫巖以及上覆的第四系含粉土砂礫石層。侏羅系和新近系泥質(zhì)沉積發(fā)育,透水條件差,熱導率低,具有較好的隔水及保溫效果,具備良好的蓋層條件。受斷裂活動影響,侏羅系和新近系發(fā)育厚度變化較大,在5～430 m之間不等,且局部存在“天窗”。

熱源為喜山期花崗巖和正長巖,巖漿結晶年齡在11 Ma左右[14～16]。研究認為,該套巖體中富含U、Th、K等長壽命放射性元素,放射性衰變生熱的熱能是該區(qū)地熱形成的主要熱量來源。地熱田西側出露大面積的侵入巖,初步估算[17]年生熱量可達9.91×1011MJ,深部還未完全冷卻結晶的熔融物質(zhì)也不斷向周圍提供穩(wěn)定的熱量。受斷裂帶長期活動影響,地下水經(jīng)深部循環(huán)加溫后沿斷裂破碎帶及裂隙系統(tǒng)運移上涌形成地熱田。

2 地熱田水文地球化學特征

與淺表水體相比,曲曼地熱田熱水的化學組分及其含量、水質(zhì)類型等均有所不同,同時還含有一些特殊組分。這里對地熱田及其附近不同水體的水質(zhì)測試結果進行了對比分析,反映了曲曼地熱田流體基本化學特征和運移規(guī)律。

本次在曲曼地熱田及其附近采取的水樣常規(guī)化學成分測試結果見表1,采樣位置見圖1。對部分樣品進行了重復樣的對比測試。

2.1 水文地球化學基本特征

表1 曲曼地熱田及其鄰區(qū)水化學測試結果Table 1 Hydrochemical results of the Quman geothermal field and its adjacent areas

基于此變化規(guī)律,采用蘭格利爾-路德維奇圖解法對不同水體進行初步劃分[1,18](圖2)。由圖可知,地熱水、冷-熱過渡水和淺表冷水中陰、陽離子含量分布在三個不同的區(qū)域：地熱水位于圖解的左上方區(qū)域,淺表冷水則位于圖解的右下方,兩個區(qū)域之間為冷-熱過渡水區(qū)域。從分布趨勢上來看,三者具有可能的混合關系。為了確認這種關系,沿“可能的混合線”垂直紙面切下去,切出一個蘭格利爾-路德維奇剖面圖解(圖3),標示出“可能的混合線”上及其附近各水點化學類型位置和總溶解固體量的關系。圖中顯示,熱田及其鄰區(qū)地熱水、冷-熱過渡水和淺層冷水均分布在實際混合線上及其附近,三者具有較明確的混合關系,屬同源水。

按照蘭格利爾-路德維奇圖解的劃分結果,對不同水體的化學特征進行分析。

圖2 蘭格利爾-路德維奇圖解Fig.2 Langelier-Ludwig profile diagram

圖3 蘭格利爾-路德維奇剖面圖解Fig.3 Langelier-Ludwig profile diagram

2.1.1地熱水

圖4 曲曼地熱田地熱水化學分區(qū)圖Fig.4 Chemical zoning map of the geothermal fluids in the Quman Geothermal field

2.1.2淺表冷水

2.1.3冷-熱過渡水

2.2 地熱流體特殊組分

上述分析表明,曲曼地熱田及其鄰區(qū)地熱水和淺表冷水、冷-熱過渡水的水質(zhì)類型、總溶解固體量等存在明顯的差異,這與它們不同的徑流條件有關。一般來講,地熱水因其循環(huán)深度較大,在深部與圍巖發(fā)生了較為充分的反應,“攜帶”了較多的深部高溫、高壓環(huán)境下的地球化學信息,往往含有一些特殊組分,如偏硅酸、氟、鋰等[19]。這些組分遠高于各類淺表冷水中的相應含量,被稱為地熱水的標性組分,可以直觀地用于區(qū)別淺、表冷水。

根據(jù)各類水體中化學組分含量的對比,地熱水中偏硅酸(H2SiO3)和氟(F-)含量遠遠高于淺表冷水(表2),為地熱田地熱水的標性組分。

表2 地熱水標性組分結果Table 2 Standard compositions analyses in the geothermal water

相比較來看,地熱水中的偏硅酸和氟含量普遍偏高,而淺表冷水最低,冷熱過渡水介于二者之間。地熱水偏硅酸和氟含量均值分別是冷-熱過渡水和淺表冷水的3.8～10.5倍和1.4～5.4倍,差異明顯(圖5)。

圖5 地熱水標性組分Fig.5 Comparison of special components in the geothermal water

2.3 地熱流體化學組分來源及其基本運移特征

Cl-和Na+是地熱水中最穩(wěn)定的可溶組分,在地熱水中的含量普遍較高。熱田內(nèi)ZK10、ZK7、ZK8等6眼井揭露的地熱水Cl-和Na+均具有較高的毫克當量百分比和總溶解固體量,代表了地熱流體的直接上涌狀態(tài)。這些井孔分布在熱田中西部,深部熱儲流體在垂向運移過程中受淺表水的混合影響較小。

分析表明,曲曼地熱田中部地熱水的地球化學特征代表了深部熱儲地熱流體的直接上涌狀態(tài),而南部、北部和東部地熱流體在垂向徑流后發(fā)生了明顯的側向徑流過程。與該區(qū)域地質(zhì)地貌發(fā)育和淺表水體的分布情況對比來看,地熱水化學特征的指示與地熱流體的運移方向整體較為對應,總體具由西向東的徑流特征。

3 水巖平衡與熱儲溫度

地球化學溫標是對地下水恢復其溫度“記憶”的一種方法,采用熱水中化學成分對熱儲溫度進行估算時,宜對水樣進行水-巖平衡分析。

3.1 水-巖平衡分析

據(jù)本次ZK7孔全微量、地熱流體特殊組分檢測成果資料,運用WATCH3計算程序,對熱田內(nèi)揭露熱儲條件最好的ZK7孔地熱水進行了水-巖平衡分析,推斷該區(qū)地熱水在深部循環(huán)過程中的物理、化學環(huán)境。可以看出：曲曼地熱田深部熱儲為還原環(huán)境,具有中等偏高的溫度背景以及較強的滲透性,適合采用鈉鉀溫標方法計算熱儲溫度(表3)。

表3 ZK7孔地熱水水-巖平衡特征Table 3 Water-rock equilibrium state of the geothermal water in ZK7 well

為了進一步研究熱田不同區(qū)域地熱流體在深部的平衡狀態(tài),這里采用Na-K-Mg三角圖解[22]進行分析(圖6)。如圖所示,熱田內(nèi)大部分井地熱水在“未平衡”區(qū)內(nèi),而ZK7、ZK10、ZK18和KH6井地熱水在“部分平衡”區(qū)內(nèi)。結合WATCH3程序的分析結果對比來看,ZK7孔地熱水中所有示溫礦物和代表溫度背景的石英、玉髓達到了溶解平衡,這里采用二氧化硅地熱溫標法對ZK7、ZK10、ZK18和KH6井采樣點進行地熱田熱儲溫度試算。上述采樣點取樣均在井口進行,采樣時已發(fā)生了沸騰閃蒸,因此采用最大蒸汽損失的石英溫標法。

3.2 熱儲溫度計算

最大蒸汽損失的石英溫標計算公式[23]如下：

(2)

式中：C1——SiO2含量/(mg·L-1)。

計算結果見表4。計算熱儲溫度在114～ 186 ℃之間,均值為154 ℃。與孔內(nèi)實測溫度相比,除ZK18計算值較實際低外,其余計算值均高于或接近實測值。ZK18孔中地熱流體在上升過程中可能與淺表冷水發(fā)生了明顯的混合,反映出了曲曼地熱田局部蓋層缺失的地質(zhì)條件。因此,按照計算最高溫度取值,曲曼地熱田的深部熱儲溫度在186 ℃以上,這里計算的熱儲溫度基本代表了曲曼地熱田熱儲的溫度背景。

表4 K-Na溫標法計算熱儲溫度結果Table 4 Reservoir temperature calculated with the K-Na geothermometer

4 結論

(2)水化學成分的差異反映了曲曼地熱田不同區(qū)域地熱流體的徑流特征。熱田中部地熱流體呈直接的上涌狀態(tài),未發(fā)生長距離的側向滲流；熱田南部、東部及北部地熱流體經(jīng)深部垂向上涌后發(fā)生了明顯的側向徑流,與該區(qū)域地質(zhì)地貌條件所反映的地下水徑流條件基本一致。

(3)水巖平衡研究表明,曲曼地熱田深部熱儲為還原環(huán)境,示溫礦物和代表溫度背景的礦物基本達到了溶解平衡,滲透性較強,具中強的地熱活動背景。經(jīng)試算,熱田深部熱儲溫度在114～186 ℃之間,結合熱田蓋層條件分析,推測深部熱儲溫度在186 ℃以上,溫度背景中等偏高。

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