廣東省惠州市龍門縣某覆蓋型巖溶地熱田地熱流體水化學特征及其成因

何沛欣

摘要：地熱流體成因機制涉及熱力-水力-化學（THC）多過程耦合模式。探討覆蓋型巖溶地區(qū)地熱流體成因，對地熱科學開發(fā)利用，劃分生態(tài)環(huán)境保護區(qū)具有重要意義。本文綜合運用水化學組分和同位素示蹤方法，探討了惠州市某覆蓋型巖溶地熱田成因機制。

關(guān)鍵詞：覆蓋型巖溶地熱田;水文地球化學;成因機制

1.引言

地熱流體的水文地球化學信息指示著地下水補給來源、水-巖作用及地下水年齡等地熱系統(tǒng)水循環(huán)特征[1]。氣體含量變化與深部斷裂構(gòu)造的開閉屬性、新構(gòu)造運動、巖漿活動等密切相關(guān)[2];氚年齡測定可推算水循環(huán)周期，反映熱儲連通性及儲水調(diào)節(jié)性[3];碳、氦同位素組分特征可用于判定熱儲層幔源物質(zhì)是否混入起加熱作用[4]。因此，分析地熱流體的水文地球化學特征，查明其物質(zhì)來源和形成機理，對可持續(xù)開發(fā)利用地熱流體，合理劃分地熱資源遠景區(qū)、有利區(qū)、目標區(qū)和開采區(qū)及充分發(fā)揮地熱優(yōu)越性、經(jīng)濟可行性、地域發(fā)展性都具有重要的意義。

本文以惠州市龍門縣某覆蓋型巖溶地熱田熱礦水和地下冷水為研究對象，主要通過水化學分析方法（Piper三線圖、離子比值法、同位素示蹤）的手段，基于地熱田地熱地質(zhì)條件，探討地熱流體水循環(huán)特征，綜合研究其成因機制，為該地熱田地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用與水源保護提供重要數(shù)據(jù)支撐。

2.地熱地質(zhì)條件概況

某地熱田地處東西向佛岡-豐良深大斷裂帶中段南側(cè)，區(qū)域地層自泥盆系上統(tǒng)春灣組到第四系均有發(fā)育。熱儲層由C2sh碳酸鹽巖組成，D3C1m和C1c砂巖、頁巖和泥巖構(gòu)成隔熱蓋層，局部地區(qū)缺失蓋層。

3.數(shù)據(jù)來源及研究方法

水化學分析數(shù)據(jù)來源于2018年12月采集的枯水期19組地下水樣（其中9個熱礦水樣，10個地下冷水樣）。所有水樣均在現(xiàn)場過0.45μm的微孔濾膜后裝入預(yù)先酸泡并清洗干凈的聚乙烯采樣瓶中，HCO3-采用滴定法測定。分析測試均在廣東省地質(zhì)試驗測試中心完成。

4.結(jié)果與討論

4.1地下水水化學特征

地下水Piper三線圖如圖1所示。

A組分布在地熱田，屬地下巖溶熱水，均為SO4?HCO3-Na?Ca型地熱流體（包括地熱井揭露和自然出露）。pH介于7.40～7.66，陽離子含量Na+>Ca2+>Mg2+，陰離子含量SO42->HCO3->Cl-，說明地熱流體處于還原環(huán)境。

B組包括泉水和淺層地下水，包括層狀裂隙型冷水和孔隙型冷水，以HCO3-Ca、HCO3-Ca?Na為主，HCO3-Ca?Mg、HCO3?SO4-Ca次之。pH介于6.55～7.38，主要離子為SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+和Mg2+。

C組分布在地熱田外圍，屬HCO3-Ca?Na型地下巖溶熱水。pH值介于7.29～7.75，與地熱田熱礦水的差異性在于HCO3-、Na+和Ca2+含量，陽離子Ca2+>Na+>Mg2+，陰離子HCO3->SO42->Cl-，說明地熱田地熱流體與其他龍門縣地熱田的熱礦水成因機制具有一定的差異性。

D組包括零星分布的兩個淺層地下冷水，HCO3?SO4-Ca?Na型，pH值在7.04～7.25之間，主要離子為SO42-、HCO3-、Na+和Ca2+。

由此可知，地熱田內(nèi)地熱流體的補給徑流背景和存儲環(huán)境相似，水-巖相互作用具有同一性，所取水樣屬同一地熱系統(tǒng)。為充分發(fā)揮地熱可持續(xù)發(fā)展性和經(jīng)濟可行性，綜合研究同一地熱系統(tǒng)內(nèi)群井開發(fā)的干擾程度、合理劃分開采區(qū)和保護區(qū)具有重要意義。

4.2水-巖相互作用

Na-K-Mg三角圖[5]是一種將地熱流體劃分為完全平衡水、部分平衡水和未成熟水的圖解方法，可進一步研究地熱田地熱流體與圍巖之間的平衡狀態(tài)和水源混合趨勢。由圖2可以看出，所有地下熱水樣都位于Mg右下角端元處，屬未成熟水。以含鈉、鉀為主的鋁硅酸礦物如鈉長石、鉀長石、伊利石、云母等礦物均未達到飽和狀態(tài)，說明地熱流體來源于較熱環(huán)境，沿斷裂上升過程中受淺層未成熟冷水混合稀釋，由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為未飽和狀態(tài)。SiO2溫標估算熱儲溫度為156.8°C～161.1°C，均高于實測值，反映了地熱田局部蓋層缺失，且蓋層較薄的地質(zhì)條件，因此計算值僅代表地熱田熱儲的深部溫度背景值。

4.3地熱流體的水文地球化學過程與特征

由圖3a可知，地下冷水中HCO3-和Ca2+的摩爾濃度比介于2∶1至3∶1之間，以溶解方解石（CaCO3）為主;其比值接近2∶1，表明相比白云石（CaMg（CO3）2）溶解，方解石的溶解所占比重更大。地熱流體中Ca2+含量遠大于HCO3-，這是因為在較高平衡溫度環(huán)境下，高濃度的Ca2+易與HCO3-形成Ca-CO3沉淀，熱水中白云石、方解石、文石等碳酸鹽礦物均為過飽和狀態(tài)，碳酸鹽巖礦物不再發(fā)生溶解，導(dǎo)致HCO3-含量下降。

由圖3b可知，地下冷水樣落在SO42-+HCO3-與Ca2++Mg2+的1∶1等量線上，說明淺層地下冷水中Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-主要來源于以方解石、白云石為主的碳酸鹽巖和以石膏（CaSO4?2H2O）為主等硫酸鹽巖的溶解[6]。地熱流體中[Ca2++Mg2+]/[HCO3-+SO42-]比值均大于1，說明碳酸鹽、硅酸鹽，硫酸鹽礦物的沉淀溶解平衡主導(dǎo)了地熱流體離子形成，這與鉆探揭露的地層巖性（砂巖、頁巖、灰?guī)r和炭質(zhì)灰?guī)r）和物探推測隱伏巖體的成果相一致。

如果地熱流體中SO42-全部來源于石膏的溶解，Ca2+和SO42-具有很強的相關(guān)性，其比值應(yīng)為1∶1。由圖3c可知，水中[Ca2+]/[SO42-]比值多小于1，說明水中石膏礦物處于未飽和狀態(tài)。SO42-含量增加，一方面可能是因為含硫鐵礦氧化形成的SO42-沿斷裂帶運移進入地熱系統(tǒng)（巖心溶蝕面上見團包狀黃鐵礦），另一方面可能是因為H2S氣體從深部還原的環(huán)境到達淺部地殼時被氧化為SO42-。

由圖3d可知，水中[Mg2+]/[Ca2+]比值均小于1，說明地熱流體在地殼淺部徑流過程中受貧鎂礦物（如方解石）影響程度較大。熱水中[Na+]/[Ca2+]比值很大，且Ca2+>Mg2+，作者認為熱礦水在水文地球化學過程中以Ca-Na離子交換為主。

4.4地熱田成因

采集的地熱流體δ18O值為-6.6‰～-7.5‰，均值為6.9‰;δD值為-41.1‰～-45.6‰，均值為42.8‰。水樣均落在廣東沿海大氣降水線附近，反映了該地熱田屬大氣降水成因型地熱系統(tǒng)。熱水14C測年顯示，地熱流體年齡平均值為0.77ka～18.810ka。一般來說，在局部蓋層缺失、蓋層較薄的地質(zhì)條件下，且地層產(chǎn)狀較陡，一般50°～75°，地下水徑流途徑短，更新較快，與14C測年結(jié)果不符，這說明熱水來源于經(jīng)歷長距離徑流、經(jīng)深循環(huán)加熱的地下水。因此，該覆蓋型巖溶地下熱水成因不同于重慶地區(qū)溫泉成因模式[7]，屬常見的大氣降水補給的斷裂-深循環(huán)型地熱模式。

5.結(jié)論

本文基于地熱田地熱地質(zhì)條件，通過水化學分析方法，探討了廣東省某覆蓋型巖溶地熱田成因模式：在廣東沿海高熱流背景下，大氣降水主要由天堂山-良坑頂一帶補給區(qū)向下入滲，沿石磴子組溶隙及構(gòu)造通道向深部徑流，在坑潭-丫鬟山徑流區(qū)進了深循環(huán)并獲取大地熱流加熱，增溫至62°C，形成熱儲;在水壓和密度差作用下，沿斷裂上升以溫泉出露。

參考文獻：

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