馬致遠，李嘉祺，翟美靜，吳 敏，2，許 勇，2

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西，西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西，西安 710054)

隨著我國經濟的迅猛發(fā)展、能源供需關系日益緊張以及生態(tài)文明建設戰(zhàn)略的持續(xù)深入推進，探索新型、可持續(xù)、綠色能源尤為重要。地熱能作為一種清潔、可再生、安全且具有高利用率的能源，其獨特優(yōu)勢日益受到關注。利用地熱能發(fā)電，其利用率是風能及太陽能發(fā)電的4～5倍，平均利用率高達70%以上。地球的地熱總能量雖然巨大，但其分布很不均勻且類型各異，因此需要對沉積型和火山型兩種不同的地熱系統(tǒng)進行系統(tǒng)的對比研究，才能實現(xiàn)有針對性且有效的利用。一般而言，在地質歷史時期，火山型地熱帶火山活動較為頻繁，具有較大規(guī)模的巖漿侵入活動，區(qū)內有大面積的火山巖覆蓋，地表熱顯示特征較多。而沉積盆地型一般指地殼沉降區(qū)，沿基底或蓋層內構造斷裂帶展布的地熱帶[1]。國內外學者分別對兩種地熱系統(tǒng)地質構造、地熱水起源及成因模式做了一定的研究[2-7]，但缺乏對沉積型和火山型地熱流體的同位素水文地球化學系統(tǒng)性的分析及對比研究，尤其我國典型的火山型地熱系統(tǒng)騰沖熱海地熱系統(tǒng)和典型沉積盆地型地熱系統(tǒng)關中盆地腹部地熱系統(tǒng)兩種不同成因類型地熱流體的同位素水文地球化學的同異性及可持續(xù)開發(fā)利用的特點未做研究。前人的研究成果一般認為火山型地熱流體主要來源于現(xiàn)代水的補給，熱儲環(huán)境較為開放。然而，此次研究發(fā)現(xiàn)，實際情況并非如此，火山型熱儲流體在一定程度上具有與沉積盆地型相類似的同位素水文地球化學特征。鑒于此，本文針對沉積型和火山型兩種不同的地熱類型，分別以關中盆地及騰沖熱海地熱系統(tǒng)為典型代表，在對比分析兩區(qū)域自然地理、地質構造的基礎上，應用水文地球化學結合環(huán)境同位素的方法[8-9]，系統(tǒng)地對兩個典型地熱系統(tǒng)熱儲流體的同位素水文地球化學特征進行對比研究，揭示其地熱流體起源及成因、熱儲開放程度等方面的異同之處，為我國不同類型地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關中盆地為三面環(huán)山，東面敞開的盆地(圖1)，位于陜西省中部。盆地從東到西總長約340 km，東西寬度不均一，東部最寬達70 km，總占地面積約為3.4×104km2。

圖1 關中盆地自然地理圖

在關中盆地研究區(qū)內，新構造運動頻繁，具有較強的運動性及明顯的繼承性。第四系伊始，相對于其北部鄂爾多斯地塊及南部秦嶺山區(qū)，盆地內部呈強烈的下降態(tài)勢。通過不同的斷裂規(guī)模及其活動程度與方向、基底及沉積相特征等方面的差異性，可以將關中盆地劃分為六個構造單元(圖4)。由于西安凹陷與咸禮斷階處于關中盆地腹部，對于沉積型地熱系統(tǒng)代表性更強，因此本次對關中盆地的研究主要集中在兩個構造單元。關中盆地腹部地層發(fā)育不完全，缺失古生界、中生界地層，發(fā)育有新生界古進系、新近系及第四系(圖2)。

圖2 關中盆地典型地段剖面圖

騰沖縣位于云南省西南部，地處保山市西部，俯視呈倒三角狀。東西寬約70 km，南至龍陵縣、梁河縣，南北跨度較大，約為140 km，占地總面積約5 800 km2。熱海熱田位于西南轉角處，介于荷花傣族佤族鄉(xiāng)與清水鎮(zhèn)之間。

圖4 關中盆地區(qū)域構造及取樣點位置圖

騰沖屬于板緣地熱帶，位于歐亞板塊與印度板塊碰撞帶的東側，自古近紀以來，經歷了多期次火山構造活動，形成了發(fā)育的斷裂構造，為該區(qū)域地熱活動提供了良好的地質構造條件。其巖漿活動、變質作用均存在明顯的沿著區(qū)內大斷裂帶頻繁侵入的特征，并產生多期次變質作用，尤其是燕山—喜山期，印度板塊與歐亞板塊發(fā)生劇烈碰撞，使其產生破碎帶及剪切帶，受板塊俯沖重熔而貯藏在地殼深部的高熔物質和高熱流沿斷裂帶不斷上涌，形成區(qū)內大面積巖漿侵入活動[10]。這一過程的不間斷進行，使得本區(qū)斷裂構造非常發(fā)育，尤其在熱海地熱田斷裂密布，存在兩組近南北及東西向斷裂帶(圖3)。騰沖熱海地熱田地層有部分缺失，主要發(fā)育的地層自下而上分別為元古界高黎貢山群(Ptgl)，上古生界石炭系(C)、二疊系(P)，新生界新近系(N)與第四系(Q)，不發(fā)育地層為下古生界、中生界以及新生界古近系。

圖3 騰沖熱海地熱田斷裂構造圖

2 樣品的采集與測試

本次研究所用水樣主要取自關中盆地腹部的西安凹陷、咸禮斷階的深層地下熱水和騰沖熱海地熱系統(tǒng)出露的泉水，且均嚴格按照取樣標準進行取樣，取樣點位置見圖4、圖5。

本次研究水樣共計23組，包括關中盆地腹部水樣14組，騰沖熱海地熱系統(tǒng)水樣9組，其中收集水樣點5組[11-12](見表1)。采集的水樣裝于用蒸餾水及原水潤洗過至少3次的500 mL聚乙烯瓶內，并經密封處理后，送往陜西省工程勘察研究院水土檢測中心進行水樣的水化學組分測試，測試儀器為AA-100原子吸收儀，測試前不需要進行特殊的預處理。

表1 研究區(qū)各水樣點水化學組分

注：(*)為收集樣點

圖5 騰沖熱海地熱田取樣點位置圖

本次研究水樣共計32組，包括關中盆地腹部水樣17組，騰沖熱海地熱田水樣15組，其中收集水樣點12組(見表2)。采集的水樣均裝于用蒸餾水及原水潤洗三次以上的500 mL聚乙烯瓶內，并經密封處理后，送往中國地質大學(武漢)環(huán)境學院同位素液閃儀實驗室，通過穩(wěn)定同位素氣體質譜儀MAT-253與超低本底液體閃爍能譜儀Quantulus 1220儀器分別對氘(D)、氧-18(18O)及氚(3H)同位素進行定量測定。測試前不需要特殊的預處理。所有測試結果均采用VSMOW國家標準。

表2 研究區(qū)各水樣點氫氧同位素

注：(*)為收集樣點

3 水文地球化學特征對比研究

不同成因類型的地熱流體其熱儲環(huán)境存在一定的差異，因此地熱流體在與環(huán)境介質發(fā)生相互作用的過程中，會形成不同的水化學特征、元素組成及其分布規(guī)律。

3.1 水化學類型對比分析

關中盆地與騰沖熱海地熱系統(tǒng)均具有良好的地熱儲備環(huán)境。前者熱儲層為沉積巖，以松散的砂巖、砂礫巖為主；后者熱儲巖性以富含鋁硅酸鹽礦物的巖漿巖為主，如安山巖、英安巖及殼源花崗巖等。組成沉積巖的常見礦物有石英、白云母、黏土礦物、鉀長石、酸性斜長石，方解石、白云石、石膏、硬石膏、赤鐵礦、褐鐵礦、玉髓、蛋白石、鋁土礦、磷礦物、錳礦物等。其中石英、鉀長石、酸性斜長石、白云母也是巖漿巖的常見礦物，其是巖漿巖與沉積巖共有的礦物。此外，巖漿巖中常見的橄欖石、輝石、角閃石、黑云母、中性及基性斜長石在沉積巖中很少見，而巖漿巖中一般難以出現(xiàn)或不存在的礦物，如方解石、白云石、黏土礦物、石膏、硬石膏等，在沉積巖中相當普遍[13]。

圖6 騰沖熱海熱田及關中盆地腹部水樣Piper對比圖

圖7 騰沖熱海熱田及關中盆地腹部水樣指紋對比圖

由圖8可以看出，關中盆地腹部熱水樣點均落在部分平衡區(qū)，且接近完全平衡，而騰沖熱海地熱田熱水樣點大部分落在部分平衡區(qū)，由此可以推斷，與關中盆地腹部地熱水相比，騰沖熱海地熱田熱儲開啟性較關中盆地好，且其地熱流體熱儲年齡較小，水巖反應處于初—中級演化階段。

圖8 騰沖熱海熱田及關中盆地腹部水樣Na-K-Mg對比圖

3.2 離子比例系數(shù)對比分析

圖9 騰沖熱海熱田及關中盆地腹部水樣關系對比圖

3.3 熱儲溫度及冷水混入比的估算

熱儲溫度及地熱流體的冷水混入量是一個區(qū)域地熱資源評估的重要指標[15]。通過對比關中盆地腹部及騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體多礦物平衡法得出其熱儲溫度。不同溫度下，礦物在水中的溶解沉淀規(guī)律不同。當?shù)V物飽和指數(shù)SI=0時，流體與礦物達到平衡狀態(tài)。多礦物平衡法模擬熱儲溫度是利用了流體中多種礦物的溶解沉淀規(guī)律與其熱儲環(huán)境溫度之間的關系。當溶液中一組礦物同時接近平衡時，可判斷地熱流體與熱儲環(huán)境中的這組礦物達到了化學平衡，此時的溫度即為該處的熱儲溫度[16]。利用PHREEQC軟件計算不同溫度下的飽和指數(shù)SI，并構建SI-T函數(shù)關系圖，利用多礦物平衡法模擬出的熱儲溫度見表3。

由表3可知關中盆地腹部平均熱儲溫度為98.2℃，平均冷水混入比為22.1%；騰沖熱海地熱田熱儲溫度均值為198.4℃，明顯高于關中盆地，平均冷水混入比為53.5%，亦明顯高于關中盆地，說明火山型地熱系統(tǒng)熱源足且補給好，其開發(fā)利用更為高效。

表3 多礦物平衡法模擬熱儲溫度及冷水混入比

3.4 地熱流體循環(huán)深度的計算

根據(jù)關中盆地腹部及騰沖熱海地熱系統(tǒng)各樣點的熱儲溫度可計算出兩區(qū)域各樣點地熱流體的循環(huán)深度。關中盆地腹部及騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體循環(huán)深度見表4。

關中盆地腹部及騰沖熱海地熱田地下熱水平均熱儲循環(huán)深度分別為2 727 m、1 156 m，即在關中盆地腹部，大氣降水循環(huán)到2 727 m時才能達到熱儲的溫度。在騰沖熱海地熱田構造背景下，地熱流體熱儲埋藏較淺，地熱水向下運移到約1 156 m就能被加熱，進而返回地表，說明火山型地熱系統(tǒng)更易于開發(fā)利用。

表4 研究區(qū)地下熱水熱儲循環(huán)深度

4 環(huán)境同位素特征對比研究

4.1 氫氧同位素特征對比分析

由圖10可知，關中盆地腹部地熱水δ18O 值為-11.3‰～-3.75‰，δD值為-85‰～-66.02‰，氘剩余d值為-40‰～0，揭示了關中盆地腹部熱水樣點較大程度的偏離了當?shù)卮髿饨邓€。且熱水混合年齡偏大，最大36Cl年齡達1 051.09 ka[17]，足見其在較封閉的熱儲環(huán)境下的滯留狀態(tài)，說明關中盆地腹部地熱流體在接受補給時，鮮有現(xiàn)代大氣降水補給，以古大氣降水的補給為主。騰沖熱海地熱田地熱水δ18O 值為-9.69‰～-5.38‰，δD值為-70.7‰～-60.52‰，剩余d值為-20‰～-10‰。令人感興趣的是騰沖熱海地熱流體存在比較顯著的“氧漂移”現(xiàn)象，這與認為騰沖熱海地熱田熱儲流體δ18O-δD值可能落在大氣降水線附近的假設相悖。表明其地熱流體賦存期間發(fā)生了較為明顯的水巖反應，具有相對較長的滯留時間，最大14C年齡為12.43ka，接受部分古大氣降水補給。此外，較大的氚值(3.6～21.8TU)顯示其亦存在部分現(xiàn)代大氣降水的補給。而騰沖熱海地熱田熱儲流環(huán)境具有一定的封閉性，且其熱儲巖性為花崗巖、變質巖，其巖性δD的背景值小于沉積層，在一定程度上影響了地熱水δ18O富集，但較大的熱儲溫度(198.4℃)是其發(fā)生“氧漂移”的主控因素。

圖10 研究區(qū)地熱水氫氧同位素關系對比圖

4.2 放射性同位素特征對比分析

氚(T或3H)具有較短的半衰期，T1/2為12.43a。在地下水體中，氚含量一般僅受控于其衰變規(guī)律，因此被視為受現(xiàn)代大氣降水補給的地下水的理想示蹤劑[18-19]，被廣泛的應用到對地下水年齡小于50a的淺層年輕水體的測年中。

根據(jù)關中盆地14C年齡與3H值進行數(shù)值模擬，模擬結果見圖11。將騰沖熱海地熱田熱水樣點3H值代入式(1)可得其14C估算年齡(表5)。關中盆地腹部地熱流體14C年齡為12.27～23.65ka，平均年齡為17.44ka，騰沖熱海地熱田地熱流體14C估算年齡為0.08～12.43ka，平均年齡為5.41ka。

y=33850·e-0.27884xR2=0.69

(1)

式中：y——14C年齡；

x——3H值。

圖11 3H與14C年齡關系圖

4.3 鍶同位素特征對比分析

鍶同位素其組成不受蒸發(fā)作用、化學交換、生物作用等過程影響，因而不失為一種研究地熱流體的有效手段。不同的礦物具有不同的87Sr/86Sr比值，當?shù)叵滤鹘洸煌牡V物體時，在礦物溶解的過程中，部分Sr由礦物轉入水體，從而使水體具有與巖石相似的87Sr/86Sr比值。因此，可將穩(wěn)定的87Sr/86Sr比值作為地熱流體水源及其水流路徑的理想示蹤劑[20]。不同水體的87Sr/86Sr比值背景值為：鋁硅酸鹽溶濾水87Sr/86Sr比值大于0.720；新、古近系油田水的87Sr/86Sr比值介于0.7112～0.7119之間；河水為0.7110；雨水為0.709；海相沉積水為0.708。

表5 研究區(qū)3H(TU)與14C/ka、36Cl/ka匯總表

注：(*)為收集樣點

由圖12可以看出，大多數(shù)關中盆地熱水的87Sr/86Sr比值落在0.709和0.711之間，揭示其源于古代大氣降水及河水的混合水；低于0.709的87Sr/86Sr比值結合構造特征說明該區(qū)域部分地熱水儲熱位置距地幔較近，存在一定比例深部過渡性花崗巖類水的混入。騰沖熱海地熱田地熱流體的87Sr/86Sr比值均大于0.711，且大多接近硅鋁酸鹽背景值，結合殼源火成巖高硅鋁酸鹽的特征及當?shù)氐刭|構造環(huán)境，推測其來源不完全為大氣降水，而是與高黎貢山群火成巖中賦存的流體相關。此外，熱水87Sr/86Sr比值存在明顯差異，推測其具有不同的水流路徑。

圖12 研究區(qū)地下熱水87Sr/86Sr-Na關系對比圖

4.4 硫同位素特征對比分析

在不同水文地質背景下，地熱流體含硫組分與熱儲環(huán)境中的其他硫化物發(fā)生硫同位素的交換反應，尤其在還原環(huán)境中，硫同位素的強烈分餾會導致熱儲流體中34S的富集，因此可以根據(jù)地熱流體中34S的含量揭示其熱儲環(huán)境的封閉程度。結合其他同位素及離子組分，還可以定性的說明水中硫酸根的來源。此外，將流體34S含量與地質歷史時期34S含量對比，可辨識硫酸鹽的其他來源[2, 21]。

由圖13可以看出，關中盆地腹部地熱水δ34S值為8‰～15‰，且與δ18O呈正相關關系；騰沖熱海地熱田地熱水δ34S值為1‰～6‰。前者δ34S值較后者更大，且在關中盆地腹部咸陽城區(qū)的δ34S值略大于西安城區(qū)，揭示其封閉性較西安城區(qū)更好。與關中盆地腹部相比，騰沖熱海地熱田熱儲流體的δ34S值較低，且未與δ18O呈正相關關系，揭示其熱儲封閉程度較關中盆地腹部略差，脫硫酸作用較弱。

圖13 研究區(qū)地下熱水δ18O與δ34S關系對比圖

5 結論

(1)關中盆地與騰沖熱海地熱系統(tǒng)均具有良好的地熱儲備環(huán)境。前者熱儲環(huán)境更為封閉，熱儲層更厚；后者熱儲巖性以破碎的變質巖及花崗巖為主，裂隙、節(jié)理發(fā)育良好。兩個區(qū)域均受控于大型斷裂構造，前者自新生代以來構造活動頻繁，后者多為新近系以來多期次火山構造活動所致，熱源通道更為暢通。較淺的莫霍面埋深，導致關中盆地出現(xiàn)地熱異常，為該區(qū)良好熱源；后者在地下7 km左右存在厚度約為20 km的巖漿囊，構成該區(qū)可持續(xù)利用的地熱流體熱源。

(2)騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體部分來源于現(xiàn)代大氣降水，補給條件較關中盆地好。此次研究發(fā)現(xiàn)，火山型熱儲流體在一定程度上具有與沉積盆地型相類似的水文地球化學特征。因此，可以推測，不論熱儲巖性是沉積巖還是巖漿巖，在漫長的地質歷史時期，水巖反應的程度是決定熱儲流體水化學類型的主控因素。

(3)關中盆地腹部及騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體均存在比較明顯的δ18O富集現(xiàn)象。前者表現(xiàn)更為顯著，更為封閉的熱儲環(huán)境及更長的地熱流體滯留時間是其δ18O富集的主控因素。后者的熱儲環(huán)境亦具有一定的封閉性，較高的熱儲溫度(198.4℃)是發(fā)生δ18O富集的主控因素。

(4)騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體水化學類型與關中盆地西安城區(qū)具有一定的相似性?？蓪㈥P中盆地腹部及騰沖熱海地熱系統(tǒng)地熱流體分別分為兩大類型：關中盆地腹部為沉積—半封閉型、封閉型，騰沖熱海地熱系統(tǒng)為火山—半封閉型。建議在騰沖熱海開發(fā)利用中實施梯級利用并開展地下熱水的回灌工作，以確保地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用?；鹕叫偷責嵯到y(tǒng)熱儲溫度高，埋藏更淺，熱水循環(huán)更快，更易于開發(fā)利用。建議嘗試性的開展地熱發(fā)電工作，實施“西電東送、南電北送”工程，緩解我國燃煤發(fā)電壓力，為綠色發(fā)電、治污減霾提供新能源。