上官拴通，齊曉飛，張國斌

(河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺　054000)

地?zé)嶙鳛橐环N寶貴的綠色環(huán)保能源，以其穩(wěn)定、可再生等特點越來越受到關(guān)注。隨著傳統(tǒng)能源所引發(fā)的一系列環(huán)境問題，增加了后期治理成本。地?zé)崮荛_發(fā)利用越來越受到重視。而開展地下熱水地球化學(xué)及地?zé)釡貥?biāo)的基礎(chǔ)研究對地?zé)豳Y源的合理開發(fā)保護至關(guān)重要。如在水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)開發(fā)初期,利用水井或地?zé)峋厍蚧瘜W(xué)調(diào)查,研究地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型并評價深部地?zé)崃黧w的溫度和化學(xué)特征[1-3]。利用地球化學(xué)溫標(biāo)來估算熱儲溫度[4-5]等。

柏鄉(xiāng)背斜軸部區(qū)具備高地溫特征[6]，淺部地?zé)崴Y源利用價值不高[7]，但深部干熱巖資源潛力巨大[8]，開發(fā)利用價值較高。鑒于此，在鉆探前期，利用熱水地球化學(xué)特征了解深部的熱儲溫度，熱源及地?zé)崃黧w補給來源，可為后期淺層熱水資源以及深部干熱巖資源的開發(fā)利用提供基礎(chǔ)參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

柏鄉(xiāng)縣位于河北省邢臺市北部，華北平原中心，晉冀魯三省之中。據(jù)已有資料分析，本區(qū)背斜軸部區(qū)地?zé)峄顒訌娏遥乇頍崃髅黠@[9]，構(gòu)造區(qū)具有較高地溫梯度，背斜軸部區(qū)地溫梯度可以超過60℃/1km[10]。據(jù)本區(qū)物探勘查資料顯示[11]，本區(qū)較周圍山區(qū)地殼較薄，居里面埋深較淺[12]，來自深源的幔源熱流為該區(qū)地?zé)豳Y源提供了熱源。地?zé)豳Y源的分布按其區(qū)域地質(zhì)特征、地?zé)犸@示特征，大致劃分為兩大區(qū)域：背斜軸部高溫地?zé)犸@示區(qū)，背斜兩翼中溫地?zé)犸@示區(qū)。

研究區(qū)內(nèi)以平原為主，森林覆蓋率11%，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)型氣候。研究區(qū)地勢西高東低，區(qū)內(nèi)僅有一條由中南部自西向東橫貫而過的河流組成，該河流稱為午河，屬于海河流域子牙河系。研究區(qū)范圍包括河北省柏鄉(xiāng)縣、趙縣沙河店鄉(xiāng)和寧晉縣河渠鄉(xiāng)(圖1)。

2　樣品采集和測試

此次工作主要針對背斜軸部高溫異常區(qū)(圖1)，其中軸部區(qū)域柏17孔在226.15m處，水溫31℃，地溫梯度達6.9℃/100m；背斜兩翼區(qū)趙36在2317m處，試油溫度92.51℃，趙61孔在1915m處，試油溫度約78℃。本次對研究區(qū)內(nèi)高地溫背斜軸部區(qū)進行了采樣化驗，基于前人的研究成果，通過水化學(xué)地球化學(xué)手段，揭示了地下熱儲層信息，為下一步勘查、開發(fā)利用工作提供地質(zhì)依據(jù)。主要收集和現(xiàn)場采集民用水井12組，共計22件樣品。采樣點的分布見圖1。

本次研究所取水樣為從水井直接抽取的地下水，采樣操作過程依據(jù)《地下水質(zhì)檢驗方法》(DZ/T0064.1～.80-93)進行了樣品采集工作，避免樣品的二次污染。在采樣同時，每一個采樣點現(xiàn)場測定水溫和pH值， 并描述地?zé)崃黧w的外觀物理性質(zhì)。樣品采集完后當(dāng)天送至國土資源部地下水科學(xué)與工程重點實驗室進行化驗測試，水化學(xué)分析的測定方法參照《地下水質(zhì)檢驗方法》 (DZ/T0064-93)以及天然礦泉水檢驗方法(GB/T8538-2008)進行檢測。

3　討論

本次野外地球化學(xué)調(diào)查采集到均為第四系地下水， 且水溫普遍小于25℃。為了便于討論， 水化學(xué)分析皆按照熱水進行分析。

圖1　研究區(qū)地質(zhì)圖Figure 1　Study area geological map

3.1　各組分間相互關(guān)系

采集到的11組地?zé)崴瘜W(xué)特征如表1所示，研究區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴畃H為7.8～8.3，大部分取樣點為弱堿性，按照舒卡列夫分類法，區(qū)內(nèi)涉及到的水化學(xué)類型為HCO3-Na，HCO3-Na·Ca型，這可能與區(qū)內(nèi)地下熱水的補給來源于大氣降水因素相關(guān)。

表1　研究區(qū)典型地?zé)崴責(zé)針悠匪瘜W(xué)測試結(jié)果

表2　研究區(qū)地下水主要離子、礦化度相關(guān)關(guān)系表

注：各離子間的相關(guān)系數(shù)為置信度為0.01時的相關(guān)性。

在自然的水巖系統(tǒng)中，氯常被用于示蹤地下熱水中其他物質(zhì)的來源[12-13]。低的HCO3/Cl比值，體現(xiàn)了較長的徑流路徑和較慢的水循環(huán)[15-16]，研究區(qū)表3顯示，本區(qū)西部地下水的HCO3/Cl比值較東部大，除了南陽村之外南部較北部大，總體上與地表水徑流相吻合。其中李家營、南郝村、南陽村一帶因其體系中高的C1-濃度和相對較低的HCO3，使得HCO3/C1極低，再一次表明該區(qū)域地下水流循環(huán)緩慢、循環(huán)程度較深、為地下水滯留區(qū)，交替周期較長，屬地下水徑流的末端。

綜上所述，李家營、南郝村和南陽村一帶可能是因為地下水流循環(huán)緩慢，為地下水滯留區(qū)，交替周期較長，屬地下水徑流的末端。淺層熱水利用應(yīng)合理規(guī)劃。

3.2　主要離子與礦化度趨勢分析

表3　研究區(qū)一覽表

鈉離子(Na+)在本區(qū)是高含量的離子，隨著礦化度的增加，離子含量增加；鈣離子(Ca2+)雖然在本區(qū)是較高含量的離子，但隨著礦化度的增加，離子含量變化不明顯。鉀離子(K+)在本區(qū)是低含量的離子，隨著礦化度的增加，離子含量增加；(Mg2+)在本區(qū)是低含量的離子，與礦化度的變化無明顯的關(guān)系(見圖2a、圖2d、圖2e、圖2f)。

3.3　微量元素特征

由表1看出，本區(qū)微量元素含量極低，基本接近淺層地冷水含量，因此只對微量元素做簡要分析。

由于地下熱水流經(jīng)圍巖流程上的水巖相互作用、溶濾作用等因素，地下熱水中較地表冷水常含有較高濃度B、F、Li、Sr等微量元素。同地下水中的主要離子分析方法一樣，本處利用C1-的穩(wěn)定性，對研究區(qū)地下水的微量元素進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。

表4　研究區(qū)微量元素、溫度與Cl相關(guān)關(guān)系表

注:各離子間的相關(guān)系數(shù)為置信度為0.01時的相關(guān)性。

圖2　研究區(qū)主要離子濃度與礦化度關(guān)系及井口溫度與SiO2含量關(guān)系圖Figure 2　Relationships between main ionic concentration and mineralization, wellhead temperature and SiO2 content

研究區(qū)地下水中Li濃度為0～0.021mg/L，平均值為0.009mg/L，體系中Li+濃度與C1-的關(guān)系表明(表4)二者大體上呈正相關(guān)關(guān)系，表明Li和Cl具有相同的物源；研究區(qū)F濃度為0.2～0.7mg/L，平均值0.36mg/L，表4表明F與C1有不同的物質(zhì)來源，推測氟主要來源于地下熱液循環(huán)過程中沿途圍巖上的溶濾作用。

地下水中的SiO2常被用于計算熱儲層的溫度，關(guān)于熱儲溫度的計算，后面將討論，研究區(qū)地下水中的SiO2濃度為26.38～35.23mg/L，平均值30.83mg/L，異常高值出現(xiàn)在背斜軸部附近。體系中SiO2含量與C1-的相關(guān)關(guān)系同C1-與溫度相互關(guān)系相似，表明研究區(qū)地下水的熱源主要來自深部熱流，弱的相互關(guān)系可能由于第四系地表冷水循環(huán)或混合稀釋作用等。

B是一種易溶性元素，在巖石圈、水圈和生物圈中普遍存在，能夠在地下水流經(jīng)圍巖時的水巖作用過程中進入液相，高值點分布常與大斷裂相關(guān)，研究區(qū)地下水中B的含量為0.05～0.089mg/l，平均值0.054mg/L，最高點為崔家莊，推測崔家莊附近可能存在大斷裂；另外，C1-濃度與B的關(guān)系呈現(xiàn)出不一致的相互關(guān)系(表4)，表明B可能與C1-的來源不一致。

上文中提及：含硅酸鹽礦物的圍巖溶解SiO2的過程與溫度相關(guān)，如圖2(k)所示，二氧化硅礦物在水中的溶解度與溫度呈正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，溫度越高，水中SiO2的濃度越大。硅質(zhì)化合物在高溫高壓條件下在與水相互作用時，可大量進入地下水中，地下水溫度的升高，加快了化學(xué)反應(yīng)速度，提高了水對巖石的溶濾和硅酸鹽的富集程度，區(qū)內(nèi)地下水中SiO2含量與溫度基本呈正相關(guān)關(guān)系。

3.4　地球化學(xué)溫標(biāo)

在進行地?zé)豳Y源的成因機制和開發(fā)利用潛力研究過程中，地下熱儲溫度是一個十分重要的評價參數(shù)。利用地?zé)崃黧w溫標(biāo)可以用來估算熱儲溫度。但由于熱儲溫度低、淺層冷水的混和作用等，使得熱水體系中化學(xué)組分并未達到真正的水一巖平衡狀態(tài)，因此，地?zé)釡貥?biāo)在實際使用中常常存在誤差，為了縮小估算誤差，筆者將通過Na-K-Mg三角圖解法對區(qū)內(nèi)地下水水巖平衡狀態(tài)進行判斷，在此基礎(chǔ)上利用地球化學(xué)溫標(biāo)來估算研究區(qū)地下熱儲的溫度。

將研究區(qū)所有水樣投射到Na-K-Mg三角圖中，從圖3中可以看出研究區(qū)大部分的水樣點均落在了未成熟區(qū)，僅有少數(shù)的水樣點(背斜軸部地下水樣)落于部分成熟區(qū)或混合區(qū)或完全平衡線上，體現(xiàn)了背斜軸部區(qū)部分水一巖作用已經(jīng)達到平衡，具有較深的熱水循環(huán)特征，或者地表冷水的混入比例相對較小，深部熱源混合比例較大等，因此選擇合適的陽離子地溫計可以較準(zhǔn)確的估算熱儲層熱儲溫度；而大部分地下水屬于未成熟熱水，體現(xiàn)了地下水中大部分水一巖作用尚未達到平衡，或者是不成熟的地表水混入比例大，地下水循環(huán)較快。鑒于地?zé)崴畼悠匪?巖作用尚未達到平衡，因此利用地?zé)釡貥?biāo)估算該區(qū)地?zé)崴疅醿囟葍H作為本研究的參考。

圖3　研究區(qū)地下水Na-K-Mg平衡三角圖Figure 3　Study area groundwater Na-K-Mg Giggenbach geoindicator diagram

利用地?zé)釡貥?biāo)估算的地下熱儲溫度如下表5所示。結(jié)果顯示， Na—K地溫計計算的熱儲溫度為79.29～104.53℃， K—Mg地溫計計算的熱儲溫度為9.49～28.58℃，因系統(tǒng)中離子反應(yīng)尚未達到平衡，因此陽離子Na—K地溫計計算的溫度結(jié)果偏高； K—Mg地溫計計算結(jié)果偏低。結(jié)合趙36深部地層測溫結(jié)果，以石英、玉髓地?zé)釡貥?biāo)估算地下熱儲溫度結(jié)果偏低，但可作為較保守的溫度估測方法，其計算熱儲溫度為69～86℃。其中趙36，在2317m處，試油溫度為92.51℃， 計算結(jié)果接近深部溫度。故該結(jié)果可作為深部熱液與淺部冷水混合后溫度。從表5中還可以看出，區(qū)內(nèi)背斜軸部區(qū)熱儲在85℃左右，向背斜兩翼熱儲溫度有逐漸降低的趨勢。

表5　研究區(qū)地球化學(xué)溫標(biāo)計算結(jié)果

4　結(jié)論

(1)研究區(qū)11個主要取樣點地下水水化學(xué)類型復(fù)雜，李家營、南郝村和南陽村背斜軸部一帶具有較低的HCO3/Cl比值，體現(xiàn)了弱的更新和交替能力；背斜兩翼區(qū)具有較高的HCO3/Cl比值，體現(xiàn)了地下水徑流交替能力較強， Li與Cl具有較好的正相關(guān)性，體現(xiàn)熱源可能來源深部；Cl與Sr的相關(guān)性較差，體現(xiàn)了地下熱水中的鹽分主要來源于深部熱液；而SiO2與Cl、溫度的正相關(guān)性更進一步印證了研究區(qū)為深部熱源。

(2)由地下熱水地球化學(xué)溫標(biāo)綜合分析研究，認(rèn)為區(qū)內(nèi)深部熱液與熱水含水層混合溫度為69～86℃。

(3)經(jīng)分析，區(qū)內(nèi)背斜軸部區(qū)具備高地溫異常特征。區(qū)內(nèi)淺部熱水資源開發(fā)利用應(yīng)合理規(guī)劃，但深部具備干熱巖資源開發(fā)潛力。

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