谷露地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

郝偉林，謝迎春，周鵬，張松，孫國強，劉軍，蔣執(zhí)俊，許海洲

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團地?zé)峥辈榧夹g(shù)研究中心，北京 100029；2.中核坤華能源發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311113；3.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地?zé)岬刭|(zhì)大隊，西藏 拉薩 850032）

西藏地?zé)豳Y源非常豐富、分布廣，已知的溫泉及溫泉遺跡600 多處，主要分布在喜馬拉雅構(gòu)造帶與班公錯-怒江構(gòu)造帶之間，其間的NE 向、NW 向、近SN 向活動構(gòu)造基本控制了地?zé)峄顒拥目臻g分布［1-3］。眾多的活動構(gòu)造中，那曲-羊八井-多慶錯地?zé)峄顒訕?gòu)造延伸長、規(guī)模大，該構(gòu)造帶上人口相對集中、經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高、交通便利、地?zé)豳Y源最豐富，具備開發(fā)利用地?zé)豳Y源的優(yōu)越條件［4］。羊八井和羊易均已建成地?zé)岚l(fā)電廠，谷露地?zé)崽镆簿哂休^大的開發(fā)潛力。

1974 年以來，前人完成了西藏溫泉調(diào)查，總結(jié)了區(qū)域水熱地球化學(xué)特征［2］；那曲-羊八井-多慶錯地?zé)釒系难蛞椎責(zé)崽?、羊八井淺層熱儲、拉多崗熱田西段、那曲熱田淺層開展過勘查評價工作，地質(zhì)工作程度較高［4］；在谷露地?zé)崽镩_展了水文地球化學(xué)［5-7］、氣體地球地球化學(xué)特征［8］、化探技術(shù)方法等方面的研究工作［9-10］。

地?zé)崽锏臏責(zé)崴蔷植克牡刭|(zhì)單元內(nèi)大氣降水補給，經(jīng)過深循環(huán)加熱后在地表的出露，其水化學(xué)組分、特征元素濃度和比例等指示了熱儲的深部信息，對評價地?zé)岬刭|(zhì)條件，指導(dǎo)熱田開發(fā)具有很重要的作用［11］。本文以谷露地?zé)崽餅檠芯繉ο?，通過地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)研究，分析地下水來源、熱異常分布和深部熱儲溫度等信息，為地?zé)崽锟辈榧斑x區(qū)提供水文地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

谷露地?zé)崽镂挥谀乔猩釁^(qū)古露鎮(zhèn)，溫?zé)崛雎队诠嚷读压扰璧氐奈鱾?cè)山前，總體呈北高南低、西高東低的態(tài)勢，盆內(nèi)多被沼澤草甸所覆蓋，海拔4 700 m 左右。盆地兩側(cè)為中低山區(qū)，西側(cè)為花崗閃長巖體和灰?guī)r與砂巖互層的變質(zhì)巖，東側(cè)地勢較為平坦，主要為第四系松散堆積物（圖1）。谷露地?zé)崽镂挥谀乔?羊八井-多慶錯地?zé)釒У闹斜辈?，近NS 向或NNE 向延伸的谷露盆地是上新世至早更新世強烈活動構(gòu)造形成的地塹型裂谷，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造、褶皺及新構(gòu)造較為發(fā)育［9］。

2 取樣及分析測試

2017 年以來多次在谷露地?zé)崽镩_展水文地質(zhì)調(diào)查工作，2019 年對該區(qū)河水、冷泉、溫?zé)崛_展了系統(tǒng)水文地質(zhì)調(diào)查和取樣，野外水文地質(zhì)調(diào)查和取樣工作按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）［12］執(zhí)行。熱礦水全分析由西藏地勘局中心實驗室完成，測試儀器為Optima 5300DV、Elan DRC-e、AFS-820 和ICS-1000；水簡、微量由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成，測試儀器為883 Basic IC pluse、AT-510、ICS-1100 和ICP-MS 2000。

3 谷露地?zé)崽锼牡刭|(zhì)條件

3.1 地表熱異常與泉華特征

地?zé)犸@示主要以溫?zé)崛腿A的形式出露于桑曲兩側(cè)，核心熱顯示區(qū)面積約0.7 km2，在谷露熱顯示區(qū)共有熱（溫）泉口60 余處，大部分為熱、沸泉，且泉口處多有氣泡逸出，并伴有H2S 氣味。泉水溫度在23.1～88.2 ℃之間，流量介于0.001～0.482 L·s-1之間，溫?zé)崛目偭髁繛?.95 L·s-1。

熱田范圍內(nèi)大小泉華丘有7 處（圖1），較大規(guī)模的有兩處，一處為古泉華丘，在熱田西南部，泉華丘上有古泉口殘留，東側(cè)較低海拔處多個熱泉呈半環(huán)狀出露；另一處在中西部，發(fā)育噴氣孔、沸泉和冒氣裂隙等，是地表熱活動的中心。泉華主要成分為硅質(zhì)，桑曲東側(cè)部分泉口出現(xiàn)褐鐵礦化和白色鹽華。

圖1 谷露地?zé)崽锼牡刭|(zhì)簡圖Fig.1 Hydrogeological sketch of Gulu geothermal field

3.2 地下水動力條件

谷露地?zé)崽镂挥谏Ｇ嫌?，地表水分水嶺位于熱顯示區(qū)北側(cè)6 km，西側(cè)為念青唐古拉山，東側(cè)地勢較平緩，地?zé)崽锷嫌螀R水面積約350 km2。其地下水具有完整的地下水補-徑-排體系，淺層地下水補給于東西兩側(cè)山區(qū)，通過基巖裂隙和盆地周邊的沖洪積物孔隙匯集到斷陷盆地中部，以沼澤和泉水的形式在熱顯示區(qū)附近排泄于地表。

深部高溫?zé)崴a給于西側(cè)念青唐古拉山的雨水和冰雪融水，沿著山前深大斷裂向下滲流，被深部熱源加熱后沿著盆內(nèi)主構(gòu)造破碎帶以對流的形式向上運動［13］，運移至中淺層混入來自于盆地上游的地下冷水，在熱顯示區(qū)以溫?zé)崛蜏厮訚傻男问脚判梗▓D2）。受到盆地淺層地下水向南徑流的影響，地下熱水的深部通道在熱顯示區(qū)的北部或北側(cè)，并被構(gòu)造交匯帶所控制。

4 水文地球化學(xué)特征

4.1 地下水常量組分特征

熱水中Cl-主要來自深部物質(zhì)［14］，是高溫地?zé)崽锏闹甘驹?，與溫度和礦化度具有較強的正相關(guān)性（圖3a 和b），熱泉是地下水的排泄區(qū)，礦化度隨溫度升高而增加，顯示了地下熱水在上升過程中與淺層冷水混合的特征。Na+與Cl-變化趨勢較為一致（圖2c），高Na+和Cl-濃度是典型地?zé)崴男再|(zhì)，谷露溫?zé)崛蠳a+的濃度介于735～1 036 mg·L-1之間，平均為910 mg·L-1，Cl-濃度介于560～917 mg·L-1之間，平均為710 mg·L-1，其高值區(qū)均在桑曲西側(cè)，是地表熱顯示的主要分布區(qū)。在熱水中HCO3-濃度增加的情況下，地?zé)崃黧w中的Ca2+易形成碳酸鹽礦物，與Cl-相關(guān)性很差（圖3d）。

圖2 谷露地?zé)崽锏叵滤h(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater circulation in Gulu geothermal field

HCO3-與SO42-為地下水中的常見組分（圖3e 和f），HCO3-與Cl-具有一定的相關(guān)性，這是因為深部高溫流體在壓力和溫度降低后，CO2脫氣導(dǎo)致的HCO3-組分增加［15］，熱水中HCO3-和CO32-還有一部分來源于碳酸鹽圍巖的溶濾作用。SO42-與Cl-的相關(guān)性較差，溫?zé)崴腟O42-濃度與冷水基本一致，谷露熱泉水中的硫化物（以S2-計）平均濃度為0.22 mg·L-1，深部熱流體中的H2S 沒有明顯改變熱水的SO42-濃度。

4.2 地下水微量學(xué)組分特征

根據(jù)微量元素和Cl-關(guān)系圖（圖3）可見，Sr2+與Cl-相關(guān)性較差（圖3g），這是由于Sr2+與Ca2+的地球化學(xué)性質(zhì)近似，受碳酸鹽類礦物結(jié)晶沉淀的影響較大。F-的濃度與Cl-具有正相關(guān)關(guān)系（圖3h），F(xiàn)-來源于含氟礦物［5］和深部地?zé)崃黧w的升流混合作用［6］，在高溫作用下氟的溶解度更高，高濃度的F-是判斷熱儲通道的重要標志。谷露熱泉F-濃度介于5.22～14.3 mg·L-1之間，且桑曲西側(cè)高于東側(cè)，熱田北部高于南部，在噴氣孔和古泉華丘附近水中的F-濃度具有增高的趨勢，也是谷露地?zé)崽餆嶙饔玫闹行膮^(qū)域。Li+與Cl-呈正相關(guān)關(guān)系（圖3i），最高值出現(xiàn)在噴氣孔的水樣中，是追索水熱上升通道的一種標志。谷露熱泉中Cs+濃度平均為4.2 mg·L-1［16］，谷露地?zé)崴械匿C也是一種含礦熱水資源。

圖3 Cl 與地下水主要組分關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Cl and main components of groundwater

4.3 水化學(xué)類型

據(jù)分析測試數(shù)據(jù)，谷露地?zé)崽镏苓吅铀V化度一般小于0.2 g·L-1，熱顯示區(qū)上游河水的水化學(xué)類型為HCO3-Ca。由于高礦化度熱泉水的補給，熱顯示區(qū)下游桑曲河水的礦化度略高于上游，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na。

熱顯示區(qū)周邊冷水以沼澤水和冷泉的形式出露，水化學(xué)類型介于HCO3-Ca（Na）或HCO3·Cl-Na，礦化度介于57～1 263 mg·L-1之間，部分冷水具有混合水的特征（圖4）。

圖4 谷露地?zé)崽锼瘜W(xué)piper 三線圖Fig.4 Piper diagram of groundwater in Gulu geothermal field

溫?zé)崛乃瘜W(xué)類型為HCO3·Cl-Na 或Cl·HCO3-Na 型，礦化度介于2.0～2.9 g·L-1之間（圖1），在熱顯示區(qū)有兩處礦化度超過2.5 g·L-1，一處位于谷露噴氣孔所在的泉華及周邊，位于桑曲西岸，熱泉的水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na 型，是深部地下熱水的直接出露通道；另外一處位于古泉華丘周邊及桑曲東岸部分地區(qū)，分布范圍較大，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na 型，溫?zé)崴牧髁肯鄬^小，推測該區(qū)域還有其他熱通道存在。

4.4 典型高溫地?zé)崽锼瘜W(xué)特征對比

為了更好地反映出谷露地?zé)崽锏乃牡厍蚧瘜W(xué)特點，對比分析了那曲-尼木構(gòu)造帶典型高溫地?zé)崽锏乃牡厍蚧瘜W(xué)特征［17］。由表1可見，高溫地?zé)崽餆崴年栯x子中Na+和K+占絕對優(yōu)勢，而陰離子中HCO3-和Cl-濃度最高。其中，Cl-濃度最高的是羊八井地?zé)崽锏纳顚訜醿?，其次是谷露地?zé)崽锖脱虬司責(zé)崽锏臏\層熱儲，接著是寧中地?zé)崽锖脱蛞椎責(zé)崽?，顯示谷露溫?zé)崛?jīng)歷了較強的水巖作用過程。HCO3-濃度最高的是谷露地?zé)崽?，其熱水的礦化度也最高，這與其周邊分布的碳酸巖地層有關(guān)。

表1 那曲-尼木構(gòu)造帶典型高溫地?zé)崽锼瘜W(xué)測試結(jié)果表/（mg·L-1）Table 1 Hydrochemical test results of typical high temperature geothermal field in Naqu-Nimu structural belt

4.5 谷露熱水特征系數(shù)

溫?zé)崛臒崴卣飨禂?shù)反應(yīng)了地下水的封閉程度、變質(zhì)程度和水-巖平衡狀態(tài)［18］，常用的有變質(zhì)系數(shù)γ（Na）/γ（Cl）、脫硫系數(shù)100×γ（SO4）/γ（Cl）、γ（Na）/γ（K）比等。

谷露地?zé)崽餆崴冑|(zhì)系數(shù)γ（Na）/γ（Cl）值介于1.74～2.09 之間，谷露沸泉的變質(zhì)系數(shù)最小，為1.74，由補給區(qū)到熱顯示區(qū)，變質(zhì)程度逐漸增加，谷露沸泉的熱水保留了其深部變質(zhì)作用的特征。

脫硫系數(shù)［100×γ（SO4）/γ（Cl）］反映了地層水封閉性，溫?zé)崛疄?.35～1.40，平均為1.01，南部古泉華丘及其周邊的熱泉水脫硫系數(shù)要明顯小于其他區(qū)域熱泉水脫硫系數(shù)，并且桑曲東岸脫硫系數(shù)小于西岸脫硫系數(shù)（圖5），指示了桑曲東岸熱儲通道相對閉合。

圖5 谷露地?zé)崽餆崴卣飨禂?shù)等值線圖Fig.5 Contour map of characteristic coefficient in groundwater of Gulu geothermal field

在地下水遷移過程中，K+容易被植物吸收和膠體吸附，其穩(wěn)定性較差，γ（Na）/γ（K）比用于判斷兩者平衡狀態(tài)，谷露地?zé)崽餆崴茫∟a）/γ（K）比值為12.94～18.33，位于8～20之間，Na+和K+已經(jīng)處于一個相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)［11］，因此Na-K 溫標計算的熱儲溫度是可信的。

5 深部熱儲溫度計算和辨別

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）推薦的計算公式，采用SiO2石英溫標、Na-K 溫標和K-Mg 溫標分別計算了深部熱儲溫度，結(jié)果見表3。

谷露地?zé)崽锏乇砀采w了大面積的硅華，SiO2溫標采用最大蒸汽損失的石英溫標計算公式，估算的熱儲溫度范圍介于181～206℃之間；采用Na-K 溫標，根據(jù)適用于高溫地?zé)崽锏膬蓚€公式，計算出的平均熱儲溫度介于215～228℃之間；K-Mg溫標計算出的熱儲溫度介于140～243℃之間，部分計算結(jié)果小于150℃，該計算公式不適應(yīng)。

根據(jù)Na-K-Mg 三線圖［19］，表3 中熱泉水樣品均位于“部分平衡”區(qū)域（圖6），由此判斷SiO2溫標和陽離子溫標均可作為參考。

圖6 谷露地區(qū)地下水Na-K-Mg 平衡圖解Fig.6 Giggenbach triangle diagram of the groundwater in Gulu geothermal field

表3 地球化學(xué)溫標計算結(jié)果表/℃Table 3 Calculation results of geochemical temperature scale

根據(jù)上文分析，谷露地?zé)崽镌谌谝呀?jīng)出現(xiàn)硅華，SiO2溫標計算的熱儲溫度偏低，代表了400～1 000 m 淺層熱儲溫度。根據(jù)羊八井深部熱儲化學(xué)溫標與實測值的關(guān)系，Na-K 溫標與實測值接近［20］。通過γ（Na）/γ（K）比值的計算得知，谷露地?zé)崴c和鉀處于相對平衡狀態(tài)，大于1 000 m 深部基巖裂隙熱儲的溫度可采用Na-K 溫標計算的結(jié)果，即215～228℃。

6 結(jié) 論

1）谷露地?zé)崽锞哂型暾牡叵滤a-徑-排體系，熱水儲集于主構(gòu)造及其次級構(gòu)造的破碎帶和基巖風(fēng)化殼中，熱儲呈帶狀。熱水的深部通道在熱顯示區(qū)的北部或北側(cè)，中淺層整體向南遷移，在熱顯示區(qū)以溫?zé)崛蜏厮訚傻男问脚判埂?/p>

2）谷露地?zé)崽镏苓吚淙?、河水、混合水和溫?zé)崴哂械叵滤蛩瘜W(xué)演化的特征。熱 水 的 水 化 學(xué) 類 型 為HCO3·Cl-Na 或Cl·HCO3-Na 型，F(xiàn)、Si、Li 和Cs 等元素濃度較高，具有深循環(huán)熱水的特征。

3）根據(jù)熱水特征系數(shù)、水化學(xué)特征和微量元素推斷熱水作用強度中心由東向西遷移，桑曲以東還有熱通道存在。

4）通過計算和分析，谷露地?zé)崽餃\層熱儲溫度介于180～206℃之間，深部熱儲溫度介于215～228℃之間。

5）谷露地?zé)崽锼瘜W(xué)特征分析可以提供地下水來源、熱異常分布和深部熱儲溫度等信息，并為鉆探驗證以及回灌工程的實施提供依據(jù)。