粵港澳大灣區(qū)地下熱水地球化學(xué)特征及其熱儲(chǔ)含義

魏正安, 黃少鵬*, 王成善, 張 敏

1)深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 深地科學(xué)與綠色能源研究院, 廣東深圳 518060;2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;3)廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì), 廣東惠州 516001

粵港澳大灣區(qū)(簡(jiǎn)稱大灣區(qū))由七個(gè)地級(jí)市(惠州市、東莞市、佛山市、肇慶市、江門(mén)市、中山市、珠海市)、兩個(gè)特大城市(深圳市、廣州市)以及兩個(gè)特別行政區(qū)(香港和澳門(mén))構(gòu)成, 是我國(guó)開(kāi)放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一, 也是對(duì)低碳清潔能源需求最旺盛的地區(qū)之一。近年來(lái), 在大灣區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中, 煤炭占比持續(xù)下降, 石油占比相對(duì)穩(wěn)定, 天然氣與非化石能源占比逐漸提高(孫文娟等,2021)。但是, 以石油、天然氣和核電為主體的能源結(jié)構(gòu)仍面臨由復(fù)雜多變的國(guó)際地緣政治沖突和潛在地震災(zāi)害帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。切爾諾貝利核電站事件、福島核電站事故和當(dāng)前俄烏沖突引發(fā)的歐洲天然氣危機(jī)再度凸顯核電和氣電的不安全性。此外, 實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)是一場(chǎng)廣泛而深刻的社會(huì)經(jīng)濟(jì)變革, 開(kāi)發(fā)包括地?zé)嵩趦?nèi)的低碳能源將是確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本保證, 這對(duì)于社會(huì)發(fā)展迅猛的大灣區(qū)也尤為重要。

大灣區(qū)是我國(guó)大陸地?zé)峄顒?dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一, 處于華南褶皺系南部(圖1), 受西太平洋板塊和菲律賓海板塊俯沖、弧后裂谷作用和南海海底擴(kuò)張等構(gòu)造事件的影響, 形成了明顯的高熱背景和地?zé)岙惓?。Hu et al.(2001)在大灣區(qū)測(cè)得的5個(gè)大地?zé)崃髦捣謩e為 72.2、63.5、73.7、83.9和 81.6 mW/m2, 其平均值為 75 mW/m2, 顯著高于中國(guó)大陸地區(qū)平均大地?zé)崃髦?1.5 mW/m2(Jiang et al., 2019)。中—新生代以來(lái)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)和深部構(gòu)造為包括整個(gè)大灣區(qū)在內(nèi)的廣東省提供了有利的地?zé)豳Y源富集條件(張珂等, 2002; 袁玉松等, 2006; 曹新文等, 2018;Xi et al., 2018; Tannock et al., 2019)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),廣東省25℃以上的天然溫泉約310處, 溫泉點(diǎn)數(shù)排全國(guó)第三。諸多跡象表明, 大灣區(qū)地下可能存在具有重大經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值的地?zé)崮苜Y源, 然而其開(kāi)發(fā)利用的程度并不高。

圖1 華南地區(qū)大地構(gòu)造圖及粵港澳大灣區(qū)位置(Xi et al., 2018)Fig. 1 Tectonic map of south China showing the location of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area (GBA) (Xi et al., 2018)

近年來(lái), 水化學(xué)和同位素等地球化學(xué)技術(shù)手段在地?zé)嵯嚓P(guān)研究中被廣泛應(yīng)用, 尤其在揭示地下熱水補(bǔ)給和起源、推演水巖反應(yīng)過(guò)程、追溯循環(huán)演化等方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。眾多學(xué)者利用地球化學(xué)方法初步探索了大灣區(qū)局部地區(qū)(如廣州從化、江門(mén)、惠州)地?zé)崴奈锢?化學(xué)性質(zhì)、補(bǔ)給來(lái)源、熱儲(chǔ)溫度以及地下水混合等關(guān)鍵問(wèn)題(周海燕等, 2007,2008; 葉青, 2012; 袁建飛, 2013; Chen et al., 2016;Xi et al., 2018; 閆曉雪等, 2019; 甘浩男等, 2020;林韻等, 2020; Wei et al., 2021)。然而, 整個(gè)大灣區(qū)及其地下熱水地球化學(xué)特征缺少綜合性的研究, 同時(shí)在地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源和熱儲(chǔ)溫度的認(rèn)識(shí)等方面還存在一定的爭(zhēng)議。

本文在系統(tǒng)搜集和梳理前人成果的基礎(chǔ)上, 選取大灣區(qū)地下熱水作為研究對(duì)象, 分析熱水化學(xué)和氫-氧同位素(δ2H、δ18O)組成, 判別地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源,刻畫(huà)地?zé)崃黧w與海水和地下冷水的混合過(guò)程, 并利用經(jīng)典地球化學(xué)溫標(biāo)、礦物平衡狀態(tài)模擬以及硅-焓混合模型估算地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)溫度, 進(jìn)一步研究地下熱水的地球化學(xué)特征, 以期為大灣區(qū)地?zé)豳Y源形成機(jī)理、地?zé)釢摿υu(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)決策提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

大 灣 區(qū) ( 北 緯 21°25'—24°30', 東 經(jīng)111°12'—115°35')瀕臨中國(guó)南海。由于受到地殼運(yùn)動(dòng)、大規(guī)模巖漿活動(dòng)、褶皺以及斷裂構(gòu)造等因素的影響, 地形地貌復(fù)雜多樣, 集谷地、平原、臺(tái)地、丘陵和山地于一體(袁建飛, 2013)。北部、東北部和西北部多山地和丘陵, 南部和中部多平原和臺(tái)地,總體上地勢(shì)呈現(xiàn)北高南低、東西兩側(cè)向腹部?jī)A斜的特點(diǎn)。

研究區(qū)的氣候主要受熱帶-亞熱帶東亞季風(fēng)的影響和控制, 夏季炎熱潮濕, 降雨量大, 降雨日多,冬季溫暖干燥, 霜雪少, 常有大霧(張奇鶯, 2010),年平均氣溫約為 21.8℃, 年平均降雨量在1500～2200 mm之間, 年平均蒸發(fā)量高達(dá)1100 mm(Pei et al., 2018)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

大灣區(qū)的構(gòu)造演化可總結(jié)為以下 3個(gè)階段(Chen et al., 2016): (1)前古生代—志留紀(jì)時(shí)期的地槽階段; (2)泥盆紀(jì)—中三疊紀(jì)時(shí)期的地臺(tái)階段;(3)晚三疊紀(jì)—第四紀(jì)的活動(dòng)大陸邊緣階段。斷裂構(gòu)造的展布方向主要呈三組: 北東—南西向、東—西向和北西—南東向。斷裂構(gòu)造的性質(zhì)以沿走向滑動(dòng)的正斷層為主。北東—南西向、東—西向斷裂帶出露規(guī)模較大, 構(gòu)成了大灣區(qū)主體構(gòu)造格架; 北西—南東向的斷裂帶出露規(guī)模相對(duì)較小, 是次級(jí)斷裂,發(fā)育程度較低, 形成時(shí)間較晚, 往往與北東—南西向和東—西向的斷裂帶相交。

地層序列由下而上為深變質(zhì)和強(qiáng)變形的前寒武紀(jì)結(jié)晶基底, 早古生代—中生代不連續(xù)的陸相碳酸鹽巖, 晚中生代—第三紀(jì)被大規(guī)模巖漿侵入和火山活動(dòng)沖破了的沉積層序和第四紀(jì)的海-陸交互相沉積物填充了整個(gè)凹陷區(qū)。受燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 頻繁且規(guī)模巨大的巖漿活動(dòng)在大灣區(qū)內(nèi)形成一條400 km寬、呈北東—南西向展布的中生代侵入巖帶。侵入巖主要由過(guò)鋁質(zhì)花崗巖、偏鋁質(zhì)的I型和A型花崗巖組成(Darbyshire and Sewell, 1997; Lin et al., 2006)。據(jù)含水層的巖性和巖石孔(裂)隙度, 可將大灣區(qū)地下水劃分成4個(gè)類型(Wei et al., 2021): 淺層沉積物中的孔隙水、深層基巖中的裂隙水、碳酸鹽巖中的巖溶裂隙水以及紅層裂隙水。

3 取樣與測(cè)試

為了研究大灣區(qū)地?zé)崃黧w的地球化學(xué)特征, 我們于2019年3月至5月進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查和取樣, 采樣點(diǎn)分布及其地質(zhì)背景見(jiàn)圖2。27組地?zé)崴畼悠分?19組取自地?zé)峋? 8組取自天然溫泉。樣品類型、取樣地點(diǎn)和日期見(jiàn)表1。在每個(gè)采樣點(diǎn), 取了三種不同類型的地?zé)崴畼悠? (1)500 mL陽(yáng)離子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Li+、Sr2+)濃度測(cè)試樣品, 加入1:1的HNO3使樣品的pH值小于2; (2)500 mL陰離子和溶解性 SiO2含量測(cè)試樣品; (3)100 mL氫氧同位素組成(δ2H、δ18O)分析樣品。

圖2 粵港澳大灣區(qū)地質(zhì)圖(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 2018)Fig. 2 Geological map of the GBA, showing the location of the sampling site (Guangzhou Marine Geological Survey, 2018)

表1 粵港澳大灣區(qū)地下熱水樣品信息Table 1 Information of geothermal water samples in the GBA

在采集各類樣品時(shí)使用0.45 μm的濾膜濾去水樣中的懸浮物, 然后放入用蒸餾水清洗過(guò)的高密度聚乙烯(HDPE)瓶中保存, 瓶口用石蠟密封。由于所有水化學(xué)樣品流體溫度均沒(méi)有達(dá)到 100℃, 現(xiàn)場(chǎng)未作稀釋和冷卻。

地下熱水中的氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率(EC)、溶解性總固體(TDS)、pH值以及熱水實(shí)測(cè)溫度(T)容易受空氣和環(huán)境溫度等因素的影響, 極不穩(wěn)定, 因此需對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試采用的儀器為多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x(HQ4300, 美國(guó)HACH公司)。陰陽(yáng)離子和溶解性SiO2濃度、同位素組成分析測(cè)試工作均由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所完成。水化學(xué)組分的濃度測(cè)定采用的儀器為電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES, iCAP6300,美國(guó)ThermoFisher公司), 檢測(cè)精度為0.02 mg/L。地?zé)崴畼悠返碾姾善胶庹`差(CBE)均低于5%, 表明測(cè)試結(jié)果的可靠性(表2)。

氫氧同位素組成(δ2H、δ18O)由光腔衰蕩光譜儀(CRDS, L2130i, 美國(guó) Picarro公司)測(cè)定, 利用波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩原理, 采用的標(biāo)準(zhǔn)物為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(VSMOW), 精度分別為0.1‰和0.3‰。氧、氫同位素組成測(cè)試分別采用國(guó)際上通用的CO2-H2O平衡法和H2-H2O平衡法。

4 結(jié)果

本次研究所采集的27組地下熱水樣品總體呈弱堿性, pH值為7.23～9.33, 平均值為8.2。熱水樣在泉口或井口的溫度為 42.4～93℃, 平均溫度為65.9℃。位于廣東省惠州市黃沙洞村的惠熱一井,井深3000 m, 取自該井的地?zé)崴畼?編號(hào)HR)在井口的溫度最高(93℃), 2018年在2900 m處測(cè)得的水溫高達(dá)128℃, 至今仍是整個(gè)廣東省地?zé)峋袦囟茸罡叩?。地?zé)崴碾妼?dǎo)率(EC)和溶解性總固體(TDS)含量差異較大, 分別為 408～22 783 μS/cm(平均值 3 422.9 μS/cm)和 216～11 452 mg/L(平均值1 743.3 mg/L)。

大灣區(qū)熱水樣品化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。陽(yáng)離子中, Na+的含量總體上最高, 23.82～2936 mg/L,平均值 435.3 mg/L; 陰離子中, Cl-的濃度最高,2.45～6775 mg/L, 平均值771.4 mg/L。溶解性SiO2的含量為45.9～173.2 mg/L, 平均值90.8 mg/L。微量元素 F-、Li+、Sr2+的含量分別為 0.13～14.81 mg/L(平均值為8 mg/L)、 0.02～5.93 mg/L(平均值為0.9 mg/L)、0.03～32.26 mg/L(平均值 3.5 mg/L)。大灣區(qū)熱水樣品同位素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。地?zé)崴摩?H 和δ18O 值分別為-48‰ ～ -30‰、-7.5‰～ -4.5‰,平均值分別為-41.7‰、-6.6‰。

表2 大灣區(qū)地下熱水的水化學(xué)組成Table 2Hydrochemical compositions of geothermal water in the GBA

表3 大灣區(qū)地下熱水的氫氧同位素組成Table 3 Hydrogen and oxygen isotopic compositions of geothermal water in the GBA

5 討論

5.1 水化學(xué)特征

5.1.1 水化學(xué)相

按照國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)(IAH)的分類原則(IAH, 1979), 大灣區(qū)內(nèi)陸熱水水化學(xué)類型主要為HCO3-Na型, 沿海熱水主要呈Cl-Na-Ca型, 從內(nèi)陸到沿海地區(qū), 地?zé)崴械年庪x子有從HCO-3到Cl-過(guò)渡的趨勢(shì)(圖3)。由于內(nèi)陸和沿海地?zé)崴憩F(xiàn)出迥異的水化學(xué)組成和水化學(xué)相, 后面的討論將大灣區(qū)的地下熱水分成兩組進(jìn)行。

圖3 大灣區(qū)地?zé)崴畼覲iper圖Fig. 3 Piper diagram of the geothermal water samples in the GBA

5.1.2 混合作用和水巖反應(yīng)

地?zé)嵯到y(tǒng)中的冷水和熱水混合是一種非常普遍的現(xiàn)象, 研究混合作用對(duì)于認(rèn)識(shí)地?zé)崴男纬蓷l件及其化學(xué)組成的演化規(guī)律至關(guān)重要。由于表現(xiàn)出相對(duì)保守的地球化學(xué)行為, 氯離子被認(rèn)為是一種有效的流體起源和混合作用示蹤劑(Michard, 1990;Panno et al., 2006)。圖4展示了氯離子與地?zé)崴衅渌M分的相關(guān)關(guān)系。沿海熱水中的Cl-與EC、Na+、K+、Li+之間存在較強(qiáng)的正相關(guān), 與和SiO2含量呈較弱的正相關(guān), 與呈較明顯的負(fù)相關(guān)。內(nèi)陸熱水中氯離子與這些組分不存在相關(guān)關(guān)系。沿海地?zé)崴械?Cl-與 EC、SiO2、Na+、K+、Mg2+、Li+、之間的線性關(guān)系被認(rèn)為是冷的海水混入沿海地?zé)崴鸬?Al?i?ek et al.,2016, 2019; Tarcan and Gemici, 2003), 也就是說(shuō),大灣區(qū)沿海地帶的地?zé)崴呛Ｋ偷責(zé)崴旌系漠a(chǎn)物。

圖4 地?zé)崴新入x子與主要組分之間的關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between chloride and major components in geothermal water

內(nèi)陸地?zé)崴哂休^高的Na+/Cl-比和比(表4), 表明內(nèi)陸熱水中基本不含海水組分。內(nèi)陸和沿海熱水樣品均呈現(xiàn)出高 Na+/K+比值(大于 20),這是地下熱水與近地表水發(fā)生了混合的結(jié)果(Nicholson, 1993)。內(nèi)陸熱水中比較高(3.98～32.87, 平均值 16.2), 表明上升的內(nèi)陸熱水與冷的地下水之間發(fā)生了混合, 同時(shí)揭示了內(nèi)陸熱水較短的流通路徑和相對(duì)快速的水循環(huán); 而沿海地?zé)崴斜戎递^低(0.01～2.35, 平均值 0.31),表明沿海熱水可能經(jīng)歷了較深的慢速水循環(huán)。水巖作用是地?zé)嵯到y(tǒng)形成過(guò)程中最重要的地質(zhì)過(guò)程之一,深入了解地?zé)嵯到y(tǒng)中的水巖作用特征將有助于確定地?zé)崃黧w的物質(zhì)來(lái)源和成因。與沿海熱水相比,內(nèi)陸熱水的高 Na+/Cl-比(3～14.48, 均值 6.80)和K+/Cl-比(0.13～1.14, 均值 0.4)表明其可能受到較強(qiáng)水巖反應(yīng)(尤其是鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的溶解過(guò)程)的控制(Al?i?ek et al., 2016)。鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的風(fēng)化作用可能引起地下水中鈉(Na+)、鉀(K+)濃度上升。內(nèi)陸熱水中的Na+/Cl-比值遠(yuǎn)大于1, 這是硅酸鹽風(fēng)化作用釋放鈉的典型特征, 研究區(qū)內(nèi)大面積出露的中酸性侵入巖佐證了這一推論。內(nèi)陸熱水和沿海熱水的Ca2+/Na+比值相對(duì)較低, 平均值分別為0.3和0.5, 這可能反映了大灣區(qū)地下熱水系統(tǒng)中較強(qiáng)的離子交換過(guò)程(Af?in et al., 2006)。內(nèi)陸和沿海熱水中的 Ca2+/Mg2+比值非常高, 平均值分別為320.9和228.8, 可能是由于地?zé)崴到y(tǒng)中黏土礦物的形成消耗了大量的 Mg2+(Yurteri and Simsek,2017)。

表4 地下熱水中的主要離子比率Table 4 Ratios of major elements in the geothermal water

5.2 地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源

5.2.1 氫氧同位素

氫氧穩(wěn)定同位素是理解地下水補(bǔ)給來(lái)源和演化的重要依據(jù)(徐彥澤, 2009)。研究區(qū)內(nèi)陸和沿海熱水的δ18O和δ2H值見(jiàn)表3。作為參照, 本文搜集了研究區(qū)內(nèi)雨水、河水和海水樣品的氫氧同位素?cái)?shù)據(jù), 兩個(gè)河水樣品的δ2H 和δ18O 值分別為-43.2‰、-6.9‰以及-41.6‰、-6.8‰, 雨水樣品的δ2H 和δ18O 值分別為-53.0‰和-7.7‰(Chen et al.,2016), 海水樣品的δ2H 和δ18O 值分別為-1.7‰和-0.2‰(Wang and Jiao, 2012)。

本文用香港的大氣降水線代表大灣區(qū)的大氣降水線, 相應(yīng)的大氣降水方程為δ2H=8.1δ18O+11.4(Wang and Jiao, 2012)。為了反映地?zé)崴?8O和δ2H數(shù)據(jù)點(diǎn)與大灣區(qū)大氣降水線之間的關(guān)系, 將大灣區(qū)大氣降水線、地?zé)崴摩?8O和δ2H數(shù)據(jù)、河水和雨水以及海水的δ18O和δ2H數(shù)據(jù)投到δ18O-δ2H關(guān)系圖中(圖5)?？梢钥吹? 輕同位素相對(duì)富集的地?zé)崴饕獮閮?nèi)陸地?zé)崴? 這些內(nèi)陸熱水點(diǎn)基本都落在大灣區(qū)大氣降水線上或者兩側(cè),δ2H和δ18O值呈現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明內(nèi)陸地?zé)崴醋援?dāng)?shù)卮髿饨邓a(bǔ)給。

圖5 大灣區(qū)地?zé)崴畼又袣溲跬凰仃P(guān)系圖Fig. 5 Relationship between δ18O and δ2H compositions of the geothermal water samples from the GBA

相反, 僅部分沿海熱水樣的δ2H和δ18O值落在大灣區(qū)大氣降水線上, 重同位素富集的樣品僅在沿海熱水的采樣點(diǎn)被觀察到, 且越靠近海岸線,δ18O和δ2H值越偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€, 這種變化趨勢(shì)可用地?zé)崴秃Ｋg的保守混合線來(lái)表示。這說(shuō)明沿海熱水源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓秃Ｋ餐a(bǔ)給。此外,沿海熱水的δ18O值表現(xiàn)出較強(qiáng)的“正漂移”, 揭示了沿海地?zé)崴谙鄬?duì)較高的溫度下存在強(qiáng)烈的同位素交換和表面蒸發(fā)(Truesdell and Hulston, 1980;Chen et al., 2016; Wang et al., 2018a, b; Al?i?ek et al.,2019)。

5.2.2 氘盈余

氘盈余(d=δ2H-δ18O)也可以作為地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源的一個(gè)指標(biāo)(Bouchaou et al., 2009)。大灣區(qū)內(nèi)陸熱水的氘盈余為-40.5‰ ～ -31.8‰(平均值-36.1‰),沿海地?zé)崴碾酁?38.7‰ ～ -25.5‰(平均值-32.8‰)(表3)。內(nèi)陸地?zé)崴碾嗟陀谘睾崴?這種現(xiàn)象可以用大氣降水的海拔效應(yīng)來(lái)解釋, 即氘盈余越小水源海拔越高, 氘盈余越大水源海拔越低。也就是說(shuō), 與沿海地?zé)崴啾? 內(nèi)陸地?zé)崴难a(bǔ)給可能發(fā)生在大灣區(qū)北部海拔較高的低山或丘陵區(qū)。

5.2.3 氧同位素與Cl-的關(guān)系

大灣區(qū)沿海地?zé)崴新然?Cl-)濃度和氧同位素(δ18O)值呈明顯的正相關(guān)關(guān)系, 而內(nèi)陸地?zé)崴蠧l-和δ18O值卻沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)性(見(jiàn)圖6)。圖6中沿海熱水 Cl-與δ18O線性回歸直線在 Cl-濃度為 0時(shí)得到的δ18O 外推值為-6.85‰, 與研究區(qū)兩個(gè)河水樣品的δ18O平均值(-6.9‰)基本一致。這種現(xiàn)象也見(jiàn)于世界上其他沿海地?zé)嵯到y(tǒng)(Tarcan and Gemici,2003), 以土耳其Seferihisar地?zé)崽餅槔? 地?zé)崴瓹l-濃度與δ18O值之間的回歸直線在Cl-濃度為0時(shí)的δ18O外推值為-6.28‰, 與該研究區(qū)地表冷水樣品的δ18O 值(-5.93‰)接近, 該現(xiàn)象指示 Seferihisar地?zé)嵯到y(tǒng)的地?zé)崴艿胶Ｋc當(dāng)?shù)卮髿饨邓墓餐a(bǔ)給。我們也可得出相似結(jié)論, 即大灣區(qū)沿海地?zé)崴呛Ｋ彤?dāng)?shù)卮髿饨邓旌涎a(bǔ)給的產(chǎn)物。

圖6 地?zé)崴畼又笑?8O與Cl-的關(guān)系Fig. 6 Relationship between δ18O values and Cl- contents of the geothermal water samples

5.3 熱儲(chǔ)溫度

熱儲(chǔ)溫度是研究地?zé)豳Y源成因、評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源潛力和開(kāi)發(fā)利用條件不可或缺的參數(shù)。在沒(méi)有鉆孔或者鉆孔深度未達(dá)熱儲(chǔ)層的情況下, 可以采用地球化學(xué)溫標(biāo)來(lái)評(píng)估熱儲(chǔ)溫度。基于地?zé)嵯到y(tǒng)多組分化學(xué)平衡模擬的化學(xué)熱力學(xué)溫度計(jì)以及考慮淺層水混合的硅-焓混合模型可以修正和彌補(bǔ)經(jīng)典地?zé)釡貥?biāo)的不足, 因此在估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)也被廣泛采用。

5.3.1 水-巖平衡狀態(tài)判別

采用陽(yáng)離子溫標(biāo)(比如K-Na、K-Mg和K-Na-Ca溫標(biāo))計(jì)算熱儲(chǔ)溫度的前提是地?zé)崴须x子與巖石已達(dá)到平衡狀態(tài), 而基于Na/1000、K/100以及Mg1/2的相對(duì)含量構(gòu)建的 Na-K-Mg三線圖(Giggenbach,1988)可對(duì)流體-巖石的平衡狀態(tài)進(jìn)行判別?？梢钥闯? 內(nèi)陸和沿海地?zé)崴畼悠肪湓诜侨胶馑?部分平衡或混合水、未成熟水)區(qū)域, 說(shuō)明所有地?zé)崴催_(dá)到水-巖平衡狀態(tài)(圖7)。這可能是地?zé)崃黧w向上運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生了再平衡或淺層冷水混入稀釋了地?zé)崴斐傻摹？傮w上, 沿海地?zé)崴畼痈拷胶鈪^(qū)域, 表明沿海地?zé)崴兴畮r作用程度更強(qiáng)、淺層冷水混入比例可能更低, 內(nèi)陸熱水受到混合作用的影響可能更大。因此, 對(duì)于未達(dá)到水-巖平衡狀態(tài)的地?zé)崴? 利用陽(yáng)離子溫標(biāo)評(píng)估深部?jī)?chǔ)層溫度時(shí)會(huì)存在一定的偏差。

圖7 地下熱水的Na-K-Mg三線圖Fig. 7 Distribution of geothermal water in the Na-K-Mg ternary diagram

5.3.2 經(jīng)典地球化學(xué)溫標(biāo)

由于陽(yáng)離子溫標(biāo)的局限性, 本文主要采用二氧化硅溫標(biāo)評(píng)估熱儲(chǔ)溫度, 包括石英(無(wú)蒸汽損失)溫標(biāo)、石英(最大蒸汽損失)溫標(biāo)和玉髓溫標(biāo)(Fournier,1977)。不同溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。內(nèi)陸熱水樣HR取自惠熱一井, 井深3000 m, 2907 m處的熱水實(shí)測(cè)溫度約為128 ℃。盡管沒(méi)有更大孔深的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù), 但毫無(wú)疑問(wèn)深部?jī)?chǔ)層的溫度勢(shì)必會(huì)高于128 ℃。就熱水樣 HR而言, 玉髓溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果為 147 ℃, 石英溫標(biāo)(無(wú)蒸汽損失)和石英溫標(biāo)(最大蒸汽損失)的計(jì)算結(jié)果相近, 分別為170 ℃和160 ℃。顯然, 玉髓溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果更接近惠熱一井 2907 m處的實(shí)測(cè)水溫, 因此我們認(rèn)為玉髓溫標(biāo)比石英溫標(biāo)的適用性更好。地?zé)崃黧w與石英之間的化學(xué)平衡是在更高的溫度下獲得的, 而在低于180 ℃的地?zé)嵯到y(tǒng)中, 主要是玉髓而不是石英控制了地?zé)崃黧w與二氧化硅反應(yīng)的相平衡(Arnórsson, 1983), 這也證實(shí)了玉髓溫標(biāo)更可靠。玉髓溫標(biāo)估算的大灣區(qū)內(nèi)陸和沿海地區(qū)熱儲(chǔ)溫度分別為 74～148 ℃和 68～128 ℃。

表5 地球化學(xué)溫標(biāo)的熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果/℃Table 5 Temperature results obtained with chemical geothermometers (values in ℃)

5.3.3 礦物平衡狀態(tài)模擬

地?zé)嵯到y(tǒng)中, 流體與礦物之間的平衡狀態(tài)是與溫度相關(guān)的函數(shù), 因此可通過(guò)計(jì)算不同礦物的飽和指數(shù)(SI)來(lái)評(píng)價(jià)和估算地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)溫度, 尤其是未達(dá)到水-巖平衡的熱水(Av?aret al., 2016)。其原理是多種礦物的飽和指數(shù)在某一特定溫度同時(shí)趨近于飽和指數(shù)的零點(diǎn)(SI=0), 該溫度被認(rèn)為是流體-礦物的平衡溫度, 即熱儲(chǔ)溫度。礦物飽和指數(shù)模擬采用軟件PHREEQC完成(Parkhurst and Appelo, 1999),模擬使用的溫度范圍為 25～200 ℃, 溫度間隔為25 ℃。模擬選取的礦物及不同溫度下的SI連續(xù)模擬結(jié)果見(jiàn)圖8和9。

圖8 內(nèi)陸熱水樣JS(a)、JK(b)、HR(c)、TQ(d)中礦物飽和指數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig. 8 Temperature vs. SI diagrams for inland thermal water samples JS (a), JK (b), HR (c) and TQ (d)

圖9 沿海熱水樣SYL(a)、SZ(b)、MJ(c)、HQW(d)中礦物飽和指數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig. 9 Temperature vs. SI diagrams for coastal thermal water samples SYL (a), SZ (b), MJ (c) and HQW (d)

以JS、JK、HR和TQ樣品為典型代表的內(nèi)陸熱水的平衡溫度為 106～176 ℃(圖8); 以SYL、SZ、MJ、HQW 樣品為代表的沿海地?zé)崴钠胶鉁囟葹?0～134 ℃(圖9)。值得注意的是, 碳酸鹽礦物(方解石和文石)的飽和指數(shù)在 25～200 ℃范圍內(nèi)均為正值, 這是一種典型的過(guò)飽和現(xiàn)象, 與 CO2氣體逸散有關(guān)。CO2氣體逃逸迫使地?zé)嵯到y(tǒng)中的碳酸鹽礦物發(fā)生沉淀, 可能會(huì)在一定程度上干擾對(duì)平衡溫度的判斷。

地?zé)崴杏彩?玉髓礦物對(duì)的飽和指數(shù)也可用于估算地?zé)嵯到y(tǒng)中地?zé)崴钠胶鉁囟?Al?i?ek et al., 2016; Pastorellia et al., 1999)。同樣, 硬石膏和玉髓的飽和指數(shù)(SI)曲線在同一溫度下聚攏并接近于SI零值線, 該溫度就代表了流體-礦物化學(xué)平衡時(shí)的溫度。選取具代表性的內(nèi)陸地?zé)崴畼?HL、HR、SS、JK、TQ、JS)和沿海地?zé)崴畼?XYL、SZ、MJ、HQW、SYL、ZHY)進(jìn)行模擬。硬石膏-玉髓礦物對(duì)飽和指數(shù)模擬給出了更具約束性的溫度范圍, 即內(nèi)陸地?zé)崴钠胶鉁囟葹?05～154 ℃, 沿海地?zé)崴钠胶鉁囟葹?104～131 ℃(圖10)。

圖10 內(nèi)陸熱水樣(a)以及沿海熱水樣(b)中硬石膏-玉髓礦物對(duì)飽和指數(shù)(SI)與溫度之間的關(guān)系Fig. 10 Temperature vs. saturation indices of anhydrite and chalcedony in relation to inland t (a)and coastal thermal water samples (b)

5.3.4 硅-焓混合模型

研究區(qū)地?zé)崴嬖谏顚恿黧w與近地表冷水或海水混合的現(xiàn)象。硅-焓混合模型可在一定程度上消除混合作用對(duì)熱儲(chǔ)溫度的影響(Nicholson, 1993)。Wei et al.(2021)對(duì)硅-焓混合模型的主要構(gòu)成要素和構(gòu)建過(guò)程做了詳細(xì)介紹, 模型揭示的焓值和溫度代表理論上地?zé)崃黧w發(fā)生混合作用之前的最大焓值和最高熱儲(chǔ)溫度。

如圖11和12所示, 內(nèi)陸和沿海地?zé)崃黧w的最高熱儲(chǔ)溫度分別為 137～167℃和 136～156℃。需要注意的是, 兩個(gè)熱水點(diǎn)置于同一模型中, 如圖11b中的樣品 JK和 ZX, 僅僅是因?yàn)閮蓚€(gè)樣品的 SiO2濃度和焓值恰好落在同一條直線上, 并不代表兩個(gè)樣品之間發(fā)生過(guò)混合作用。

圖11 內(nèi)陸地?zé)崴畼親R和HL(a)、JK和ZX(b)、YFX和TQ(c)、JS(d)、TS(e)的硅-焓混合模型Fig. 11 Silica-enthalpy models for inland geothermal water samples HR and HL (a),JK and ZX (b), YFX and TQ (c), JS (d), and TS (e)

圖12 沿海地?zé)崴畼覯J和GD(a)、SZ和KQ(b)、HB和HQW(c)、XYL(d)、SYL(e)的硅-焓混合模型Fig. 12 Silica-enthalpy models for coastal geothermal water samples MJ and GD (a), SZ and KQ (b), HB and HQW (c),XYL (d), and SYL (e)

本文利用經(jīng)典地球化學(xué)溫標(biāo)、多礦物飽和指數(shù)模擬、硬石膏-玉髓礦物對(duì)平衡狀態(tài)模擬以及硅-焓混合模型對(duì)大灣區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行了評(píng)估。經(jīng)對(duì)比分析, 我們認(rèn)為, 玉髓溫標(biāo)所揭示的熱儲(chǔ)溫度值可能代表了大灣區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)溫度的下限, 而通過(guò)硅-焓混合模型計(jì)算得到的熱儲(chǔ)溫度值很可能代表了大灣區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)溫度的上限。在適當(dāng)考慮地球化學(xué)溫標(biāo)、礦物平衡狀態(tài)模擬以及硅-焓混合模型應(yīng)用條件和熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上, 105～154℃和104～156℃被認(rèn)為是內(nèi)陸和沿海地?zé)崴淖羁赡艿臒醿?chǔ)溫度(圖13)。由于二者并未表現(xiàn)出顯著差異, 我們認(rèn)為粵港澳大灣區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)最可能的熱儲(chǔ)溫度范圍是104～156℃。

圖13 大灣區(qū)內(nèi)陸(a)和沿海(b)熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 13 Comparison of reservoir temperature for inland (a) and coastal geothermal water (b) in the GBA

5.4 循環(huán)深度

大灣區(qū)的地下熱水是大氣降水滲入地下, 經(jīng)過(guò)深循環(huán)在較高的大地?zé)崃鞅尘跋录訜? 上升過(guò)程中與近地表冷水或海水混合形成的。根據(jù)上述熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果, 地?zé)崴难h(huán)深度可采用公式D=D0+(Tc-T0)/G來(lái)估算。式中D為循環(huán)深度,D0為恒溫層的深度, 取15 m(Qiu et al., 2018),Tc為熱儲(chǔ)溫度,T0為恒溫層溫度, 近似取為研究區(qū)的年平均氣溫21.8 ℃(Pei et al., 2018),G為大灣區(qū)的地溫梯度, 取28.4 ℃/km(Hu et al., 2001)。計(jì)算結(jié)果顯示(表6), 大灣區(qū)內(nèi)陸和沿海地?zé)崴难h(huán)深度為3367～4758 m 和 3173～4247 m。

表6 內(nèi)陸和沿海地?zé)崴难h(huán)深度Table 6 Circulation depths of inland and coastal geothermal water

5.5 混合比例

近地表冷水的混入量可采用公式Xc=(Hs-Hi)/(H-Hi)×100(Guo et al., 2017)計(jì)算。式中Xc代表冷水混合比例,Hs為熱水樣品實(shí)測(cè)溫度對(duì)應(yīng)的焓值,Hi為地?zé)崃黧w的初始焓值(硅-焓混合模型揭示的最大焓值),H為地表冷水的焓值(水溫24.1 ℃, 對(duì)應(yīng)的焓值為 660 kJ/kg)。計(jì)算結(jié)果顯示(表7), 大灣區(qū)內(nèi)陸地?zé)崴欣渌旌媳壤秊?2%～84%。

表7 地?zé)崴泻Ｋ虻叵吕渌幕旌媳壤齌able 7 Mixing ratios of seawater and cold water with the coastal and inland geothermal water

沿海地?zé)崴泻Ｋ呢暙I(xiàn)可以用地球化學(xué)行為相對(duì)保守的氯離子進(jìn)行計(jì)算(Wang and Jiao, 2012)Xs=(C-Cc)/(Cs-Cc)×100。式中,Xs代表海水的混入比例,C代表沿海地?zé)崴蠧l-的濃度,Cs和Cc分別代表海水和地表冷水中 Cl-濃度(Cs=18 132.7 mg/L,Cc=6.2 mg/L)。結(jié)果表明(表7), 沿海地?zé)崴泻Ｋ幕旌媳壤秊?1%～37%。更靠近海岸線的熱水樣(SZ、MJ、HQW、ZHY)中海水混合比例相對(duì)較高, 為18%～37%, 距離海岸線越遠(yuǎn)的沿海熱水樣(SYL、KQ、XYL、GD、HB)中海水的貢獻(xiàn)則相對(duì)較低, 為1%～4%, 這表明越靠近海岸線, 地?zé)崴芎Ｋ旌系挠绊懜蟆?/p>

6 結(jié)論

(1)粵港澳大灣區(qū)內(nèi)陸地?zé)崴乃瘜W(xué)相為重碳酸鹽型, 沿海地?zé)崴畡t主要呈氯離子型。大灣區(qū)內(nèi)陸地?zé)崴饕獊?lái)源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓a(bǔ)給, 沿海地?zé)崴从诋?dāng)?shù)卮髿饨邓秃Ｋ旌涎a(bǔ)給。

(2)粵港澳大灣區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)最可能的熱儲(chǔ)溫度范圍是104～156 ℃。內(nèi)陸和沿海地?zé)崴难h(huán)可達(dá)4800 m和4200 m。內(nèi)陸地?zé)崴械牡叵吕渌幕烊肓恳约把睾５責(zé)崴泻Ｋ呢暙I(xiàn)分別可達(dá)84%和37%。

(3)大灣區(qū)地下熱水的地球化學(xué)行為主要受水巖反應(yīng)和地下冷水/海水混合作用共同控制。

致謝:衷心感謝深圳大學(xué)深空深地學(xué)科交叉研究中心的碩士研究生徐講灣和唐科在本文寫(xiě)作過(guò)程中給予的建設(shè)性意見(jiàn)和建議。感謝審稿專家和編輯審閱本文并提出寶貴的修改意見(jiàn)。

Acknowledgements:

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. U20A2096),Shenzhen Research Foundation for Basic Research(No. 20200827003238001), and Shenzhen Natural Science Foundation (No. 20220292).