溫泉縣北圣泉一帶地熱流體化學特征分析

齊志龍，陸建國，喜 英，王亞璐

（新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091）

溫泉縣是我國唯一以“溫泉”命名的縣，地熱資源較豐富，縣城形成以博格達爾溫泉（圣泉）為主的一系列溫泉與低溫水井[1]，在該區(qū)開展了大量的基礎水文地質(zhì)調(diào)查工作，并取得了一些認識。乃尉華等探討了溫泉縣博格達爾溫泉的成因，并對其利用前景進行了分析[2]；顧新魯?shù)葘厝h地熱的成因及成因模式進行分析，并建立了其成因模式；王文昌等運用可控源音頻大地電磁測深獲取地層物理信息，綜合圈定帶狀熱儲構(gòu)造[3]。王亞璐等運用流量測井為溫泉縣地熱資源儲量計算提供科學依據(jù)[4]。總結(jié)前人的研究成果，對于溫泉縣地熱資源的流體地球化學特征方面的研究開展工作較少，且認識不一。隨著國家生態(tài)文明建設和能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，逐漸由傳統(tǒng)能源逐漸向清潔可再生能源轉(zhuǎn)變，地熱資源的綜合利用再次提出新高度。鑒于次，本次研究以溫泉縣北圣泉一帶地熱為研究對象，運用流體地球化學圖解等技術，為溫泉縣旅游資源開發(fā)規(guī)劃提供了理論依據(jù)[5-6]。

1 地熱流體化學組分特征

1.1 水化學類型分類

本次研究系統(tǒng)收集了2003～2011年研究區(qū)水化學資料及近期測試數(shù)據(jù)進行了區(qū)域內(nèi)水類型劃分（見表1），分析結(jié)果如下：

表1 2003～2009年主要流體化學特征一覽表

舒卡列夫分類顯示研究區(qū)潛水水化學類型多以HCO3-Ca（Mg）、HCO3·SO4-Ca 型為主，次為其它類型，地熱水水化學類型多以SO4·Cl-Na、SO4-Na 型為主，次為SO4·Cl-Na·Ca、HCO3-Ca·Na。

在派珀（A.M.Piper）圖中（見圖1），所有溫泉縣水樣中陽離子集中在Ca 角附近，陰離子集中在HCO3角附近。水化學類型以HCO3-Ca型居多。

圖1 水樣Piper圖

1.2 離子含量組分特征

本次研究在研究區(qū)實測取得17個水樣分析資料主要離子、次要離子、微量成分進行分析，具體如下：

水化學分析數(shù)據(jù)顯示：水樣中主要陽離子為Na+、K+、Ca2+、Mg2+，主要陰離子為HCO3-、Cl-、SO42-。研究區(qū)Ca2+含量普遍比其它陽離子含量高，陰離子含量以HCO3-較高。陽離子含量除J46、J49、J35水樣中Ca2+含量在10%～30%之間，多數(shù)水樣中Ca2+所占陽離子比例都超過50%，有些高達70%以上。水樣陰離子，除J35水樣中以SO42-離子含量為75%外，其余水樣的HCO3-含量占陰離子比例很高，都在60%以上J11 水樣中HCO3-含量在90%以上。

次要離子NH4+除J35水樣為0.2mg/L，其它水樣含量均小于0.1mg/L,NO3-除J35 水樣含量較低為0.8mg/L 外，其它水樣含量在2.1～31.6mg/L。微量成分主要有F和Si。以往研究顯示：鈉、鉀鹽類占優(yōu)勢的水體中，氟的活性較高，含量較多。研究區(qū)水樣氟含量，除J35的F-含量為15.8mg/L，其余水樣的F-含量均小于1mg/L，含量較低。

Si 在J35 熱水井偏硅酸含量為84.3mg/L，明顯高于其它冷水井的水樣，溫泉水中的硅的含量基本上都與溫度以及pH值大體上呈正相關。

2 地熱流體化學組分動態(tài)變化

2.1 地熱流體化學組分平面變化

首先，以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)流體特征與周邊沖洪積平原區(qū)流體特征不同：以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)水化學類型為SO4-Na 型、SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl-Na·Ca 型，礦化度均大于600mg/L，最高可達4210.4mg/L；而周邊沖洪積平原區(qū)以HCO3-Ca 型或HCO3-Ca·Na 為主，礦化度均在90～510.6mg/L之間[7-9]。周邊沖洪積平原區(qū)地下水中Na+、Ca2+及SO42-等離子含量只有溫泉療養(yǎng)院一帶的地熱異常區(qū)的百分之一至千分之一左右，而HCO3-離子卻高于地熱異常區(qū)2～5 倍。Cl-離子含量也只有地熱異常區(qū)十分之一至百分之一。另外，研究區(qū)平面上存在一個呈北東—南西向由北部山前沖洪積平原中下部至中部毗鄰地熱異常區(qū)，一直延伸至南部與花崗巖區(qū)接觸過渡帶，水化學類型以HCO3·SO4-Ca型為主。

其次，研究區(qū)地下潛水流體化學類型由HCO3-Ca型過渡為HCO3·SO4-Ca，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)槌袎簾崴甋O4-Na、SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl-Na·Ca 型，礦化度由134.6mg/L增加到1479.6mg/L，SO42-離子的含量由22.1mg/L 猛增到662.8mg/L 以上，F(xiàn)-離子的含量由0.4mg/L 猛增到15.9mg/L 以上，反映研究區(qū)承壓熱水流體和周邊平原區(qū)潛水流體屬于不同的地下水循環(huán)系統(tǒng)。但在二者的過渡帶，潛水水化學類型有所改變，很可能是深部地下熱水攜帶大量硫酸根離子改變過渡帶地下水循環(huán)所致。

以溫泉療養(yǎng)院為中心地熱異常區(qū)F-離子含量增大可能是酸性脈巖中氟元素含量高所致。據(jù)前人資料分析，酸性脈巖本身就富含較高氟元素，并且酸性脈巖對地下水F-含量富集也起到很大的作用。一方面在構(gòu)造運動的作用下，斷裂帶為氟的聚集、遷移提供了空間，使其成為斷層脈狀水的儲存空間和水化學組成條件；另一方面，酸性脈巖本身富氟時，它就成為溶液中氟的提供者。硫酸鈉型水中氟濃度會隨著鈉含量升高而升高（鈉含量增高與地下溫度的升高有關）；鈉的富集導致地熱異常區(qū)CaF2的溶解度增加，水中pH 值相應增加，導致水含氟量增高。

再次，地下水中H2SiO3富集的最有利地質(zhì)環(huán)境是中酸性侵入巖地層，其次是區(qū)域變質(zhì)巖、噴出巖、碎屑巖地層。地熱異常區(qū)H2SiO3相對富集，其含量最高可達85.7mg/L。因此，可以進一步從水文地球化學的角度證明：研究區(qū)以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)局部出露酸性脈巖是深部巖漿活動頻繁所致的論斷是正確的。同時，H2SiO3含量可以作為確定地熱異常區(qū)參考性指標元素。

最后，地下水中硼酸（H3BO3）的富集也是地熱異常的指示劑，周邊沖洪積平原H3BO3含量明顯偏低，僅在0.1mg/L 左右，但在以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)H3BO3含量卻高達14.3mg/L。同時西側(cè)J28 號鉆孔處于圈定熱儲范圍西側(cè)邊緣部位，H3BO3含量為7mg/L，而東側(cè)Q2 號溫泉處于圈定熱儲范圍東側(cè)邊緣部位，H3BO3含量達14.3mg/L。由此，將硼酸（H3BO3）作為尋找研究區(qū)地熱異常區(qū)一個指示劑能起到良好效果。

2.2 流體一般化學組份分析

（1）元素離子含量分析。地熱異常區(qū)地熱流水中Na+、SO42-、Cl-等含量較高，這也決定了該地區(qū)的水化學類型。J35 號鉆孔和Q5 號冷泉水化學特征不同，說明上述井泉屬于不同的構(gòu)造蓄水空間，各自的導水通道和循環(huán)深度不同，導致其水溫的差異及離子成分含量略有差異。

（2）Na+含量偏高的原因及其來源分析。研究區(qū)熱儲呈帶狀，受斷裂構(gòu)造控制，屬于深循環(huán)地熱流體成因，在深部高溫高壓的條件下，結(jié)晶巖被淋濾時，鈉向溶液中轉(zhuǎn)移的強度將超過鈣，水質(zhì)變?yōu)殁c型水。同時，硫酸鈉的溶解度隨著溫度的升高呈一定規(guī)律變化：10℃時為8.3%；30℃時為24%；50℃為31.8%；溫度再升高，其溶解度反而降低。這是硫酸鈉的溶解度特征，也是以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)水化學類型呈現(xiàn)為SO4-Na型或SO4·Cl-Na型的原因。

（3）研究區(qū)其它元素成分對比分析。在水文地球化學中，往往通過水中的某些微量元素比值來確定其水化學特征的相似性，以及確定地熱的溫標，如：鈉與鉀比值、硫酸根和鈣比值等等。研究區(qū)水體中的化學元素比值Na+/K+、Na+/Ca2+、Mg2+/Ca2+、Cl-/F-、Cl-/HCO3-、SO42-/Ca2存在一定規(guī)律。對比分析后總體上可將研究區(qū)水體歸納為二組：第一組為山前沖洪積平原地下水系統(tǒng)；第二組為溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)地下水系統(tǒng)。對比分析可以看出，區(qū)內(nèi)Na+/K+、Mg2+/Ca2+、Cl-/HCO3-溫標指示比較典型。地熱異常區(qū)J35號鉆孔地段（相當于第二組）Na+/K+和Cl-/HCO3-比值高表示高溫，Mg2+/Ca2+比值低表示高溫；而周邊平原區(qū)一般井水地段（相當于第一組）則恰恰相反。這也從另一個側(cè)面驗證了第二組地段出露溫泉的論斷。

3 元素含量偏高的原因及其來源分析

地熱異常區(qū)地熱流水中Na+、SO42-、F-、Cl-、H2SiO3、H3BO3等含量較高，這也決定了區(qū)內(nèi)的水化學類型。冷、熱水化學特征不同，說明冷、熱水屬于不同的構(gòu)造蓄水空間，各自的導水通道和循環(huán)深度不同，導致其水溫的差異及離子成分含量略有差異。

3.1 Na+含量偏高的原因及其來源分析

工作區(qū)熱儲呈帶狀，受斷裂構(gòu)造控制，屬于深循環(huán)地熱流體成因，在深部高溫高壓的條件下，基底地幔柱主要為花崗巖，其礦物成分主要為斜長石（約占60%～80%），其中含鈉礦物風化溶解，在CO2和H2O 的作用下，形成低礦化的Na+離子為主的地下水；其次因為地熱水從深部循環(huán)上升至地表，溫度和壓力下降，致使部分CO2從水中游離溢出，水中的HCO3-就與Ca2+、Mg2+使部形成CaCO3沉淀，形成脫碳酸作用，因此水中Na+離子含量偏高，也是HCO3-離子含量偏低的原因。

3.2 F-含量偏高的原因及其來源分析

相關研究表明，地熱水中氟含量一般不超過10mg/L，其含量受螢石（CaF2）在水巖反應中的退化溶解度限制，高溫地熱流體中F-含量普遍較低，這與螢石隨溫度升高而溶解度降低的特性有關。但如果水中富含CO2氣體，由于分壓作用將水中大量Ca2+移去，析出CaCO3沉淀，水中F-則會過剩。區(qū)內(nèi)熱水中F-含量相對較高，與CO2的分壓作用有直接的關系。

3.3 偏硅酸含量偏高的原因及其來源分析

一般認為，水體中的偏硅酸主要來源于硅酸鹽和二氧化硅礦物的水巖反應，其反應受溫度、CO2含量、酸堿度和壓力等條件的制約，在同等酸堿度條件下，溫度越高、壓力越大、游離CO2濃度越高，偏硅酸溶解度越大。相比淺表冷水而言，區(qū)內(nèi)地熱水具備溫度高、二氧化碳含量高和深循環(huán)條件，偏硅酸含量也呈現(xiàn)出明顯的高值異常，因此地熱田基礎溫度越高，其值就越大。

3.4 硼酸（H3BO3）含量偏高的原因及其來源分析

相關研究表明，硼酸在自然界以硼酸鹽（鎂硼酸鹽、鈣—鎂硼酸鹽和鈣—鈉硼酸鹽）的形式分布較廣，其在高溫狀態(tài)下易溶解，在水中富集。硼酸的溶解度隨著溫度的升高而增大。溫泉縣地熱田熱礦水H3BO3含量在10.2～19.8mg/L，表明工作區(qū)熱礦水溫度在70℃～80℃之間，工作區(qū)揭露鉆孔最高溫度70.1℃，與推測一致。

3.5 SO42-含量偏高的原因及其來源分析

工作區(qū)主要受地質(zhì)構(gòu)造作用，巖漿活動，其含水層受熱液侵蝕，含大量硫及硫化（黃鐵礦）物被氧化后，使得難溶于水的S 以SO42-離子形式進入地下水，另外地熱水受脫碳酸作用，使得Ca2+以CaCO3形式沉淀，因此SO42-離子含量增多。

3.6 Cl-含量偏高的原因及其來源分析

工作區(qū)中熱礦水中的Cl-相對淺層冷水含量較高。因為溶濾作用，巖層中原有的氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽等各種礦物會逐漸轉(zhuǎn)入地下水中，其中氯化物最容易轉(zhuǎn)入地下水，隨著時間的推移，巖層中的氯化物不斷被水帶走而貧化，因此一個地區(qū)溶濾作用越強烈，地下水更新越快則水中Cl-含量越少。經(jīng)過計算熱礦水的滯留時間約13294～20958 年之間，其溶濾作用相對較弱，則Cl-含量相對較高。

4 結(jié)論

（1）總體上看研究區(qū)地熱異常區(qū)與其周邊區(qū)域流體特征區(qū)別明顯，東西向斷裂和北東—南西向斷裂控制中石炭統(tǒng)東圖精河組地層地下水補給和運移。

（2）以溫泉療養(yǎng)院為中心的地熱異常區(qū)J35號鉆孔區(qū)域具有顯著的熱儲意義。

（3）地熱異常區(qū)地熱流水中Na+、SO42-、F-、Cl-、H2SiO3、H3BO3等含量較高。

（4）研究區(qū)水體中的化學元素比值Na+/K+、Na+/Ca2+、Mg2+/Ca2+、Cl-/F-、Cl-/HCO3-、SO42-/Ca2存在一定規(guī)律，地熱異常區(qū)Na+/K+和Cl-/HCO3-比值高表示高溫，Mg2+/Ca2+比值低表示高溫。