田 超, 杜 藺, 黃凱平, 鄭明泓, 肖憲國

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局七總隊,貴州 貴陽 550000;2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,貴州 貴陽 550000;3.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局,貴州 貴陽 550000)

0 引言

地熱資源不僅是一種潔凈的能源資源,還是一種可提供工業(yè)原料的熱鹵水資源和天然水資源,同時還是寶貴的醫(yī)療熱礦水和生活供水水源。合理的利用地熱資源,是緩解資源約束和環(huán)境壓力,實現(xiàn)節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略舉措[1]。貴陽市作為貴州省中低溫地熱資源富集區(qū)之一,地熱水資源分布面積廣、水量大、水溫高,且富含多種對人體有益的微量元素。自20世紀80年代以來,先后在區(qū)內(nèi)勘查和開發(fā)了御溫泉、泉天下、天邑井、市南局、多彩貴州等10多口地熱井。陳履安[2]對包括黔中在內(nèi)的貴州省大部分地熱水采用地球化學溫標估算熱儲溫度的適用性和可靠性進行了探討,并指出通過涌出地表的熱礦水的有關(guān)化學組分來判斷深部水-巖平衡與否,對于地熱溫標的運用和估算結(jié)果可靠性的判斷至關(guān)重要;楊榮康等[3-4]在分析貴州省水熱型地熱資源分布特征和水化學特征后,認為貴陽市地熱資源類型為隆起(褶皺)斷裂型,地熱流體富集和出露受構(gòu)造控制明顯;趙璐等[5]分析了貴陽市烏當區(qū)地熱田埋藏和補徑排條件及地溫場特征,認為深循環(huán)為地熱水的主要形成原因。

前人對貴陽市開展的研究工作多限于地熱水資源賦存條件、地熱井的資源評價及控制因素分析,未系統(tǒng)地開展過地熱水水文地球化學特征以及地熱水來源的研究工作,存在地熱水來源、補給區(qū)域、熱儲溫度等特征不清等問題,而這方面的研究對了解地熱水的成因和評價地熱資源潛力等有著不可替代的作用[6]。本文以貴陽市雙龍航空港經(jīng)濟區(qū)老街地熱為研究對象,分析地熱水的水化學測試數(shù)據(jù)及流體的氫氧位素組成特征,結(jié)合地熱地質(zhì)特征,揭示區(qū)內(nèi)地熱水的起源及熱儲溫度,為該區(qū)地熱水資源的勘查、開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

老街地熱地處省會貴陽近郊,在貴陽市航空港經(jīng)濟區(qū)內(nèi),距市中心約6 km,離龍洞堡機場僅3 km,區(qū)位條件十分優(yōu)越。在系統(tǒng)研究區(qū)內(nèi)地熱地質(zhì)、構(gòu)造等成礦條件基礎上,采用大功率極電、可控音頻電磁測深等勘查工作方法,在有利地段設計了孔深2800 m的地熱井,施工過程中,鉆至1488.92 m時發(fā)生8.2 m掉鉆事故,且泥漿全部失返性漏失,使用清水頂漏鉆進至井深1520.36 m后抽水,水溫達48℃,水量超2000 m3。不僅水量、水溫遠超預期目標,而且縮短了工期,節(jié)約施工了成本。因此,加強對該地熱井的研究對區(qū)內(nèi)其他地區(qū)地熱井勘查具有極大的參考價值。

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

大地構(gòu)造處于揚子準地臺黔北臺隆貴陽復雜構(gòu)造變形區(qū),羊場司向斜北西翼與貴陽向斜東翼斜交復合部位、SN向構(gòu)造系與NE向構(gòu)造系的交匯地帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,斷裂構(gòu)造以NE向小宅吉斷層、云井莊斷層、趙家溝斷層、谷腳新街斷層及SN向馬王廟斷層、黔靈山斷層、圖云關(guān)斷層等壓性斷層為主,其余斷裂多為主斷裂派生次級斷裂,具有多期復合特征,早期斷裂多被后期斷層錯動(圖1)。斷層野外識別特征明顯,多見拖褶皺、羽狀裂隙、撓曲、擦痕、階步、斷層角礫巖等構(gòu)造現(xiàn)象。

圖1 貴陽市雙龍航空港經(jīng)濟區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

區(qū)域上已發(fā)現(xiàn)的熱異常點均沿主干斷層或次一級斷層分布。其中烏當斷裂為一條區(qū)域性深斷裂,沿走向長約120 km,傾向南及南東,傾角約70°,地層斷距達2000多米,斷裂帶寬數(shù)米至數(shù)十米,斷裂破碎帶有角礫化碎裂巖。經(jīng)研究,斷裂為一條多期活動的斷裂,該斷裂直到喜山期仍有活動,是一條地震斷裂,為區(qū)內(nèi)地熱田主要的導熱、導水構(gòu)造。近南北走向的葉家莊斷層,長約10 km,為壓扭性斷層,傾向東,傾角75°,斷距約100 m,為研究區(qū)主要含水斷裂。

1.2 地層及熱儲特征

區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有寒武系、奧陶系、中—上志留統(tǒng)、泥盆系、下—中石炭統(tǒng)、二疊系、三疊系、侏羅系,第四系有零星分布。巖性以白云巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r、燧石灰?guī)r、細砂巖、黏土巖及砂質(zhì)頁巖等巖性為主。據(jù)調(diào)查評價結(jié)果,區(qū)內(nèi)兼具層狀地熱水和帶狀構(gòu)造地熱水特點,按照《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB11615—2010),地熱勘查類型為Ⅱ-3型。區(qū)內(nèi)有三層熱儲層(表1),第三熱儲層為下石炭統(tǒng)擺佐組—中二疊統(tǒng)茅口組,主要巖性為鈣質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、燧石灰?guī)r夾少量泥質(zhì)灰?guī)r,埋藏較淺,部分地層已出露地表,熱儲溫度低;隱伏的泥盆系蟒山群、志留系高寨田組和下奧陶統(tǒng)湄潭組的泥、頁巖為隔水層,巖石的導熱率低 [(2.52～8.4)×10-3J/cm·s·℃][7],形成良好的隔熱保溫蓋層,其厚度達839 m。下部的下奧陶統(tǒng)紅花園組、桐梓組、寒武系婁山關(guān)群、清虛洞組碳酸鹽巖厚度大,795～1068 m,則成為良好的喀斯特裂隙含水儲熱層,巖石的導熱率較高 [(12.6～17.64×10-3J/cm·s·℃][7],該儲層和蓋層屬于貴州省第二大熱儲構(gòu)造系統(tǒng),埋深1800～2800 m,為區(qū)內(nèi)最有利開發(fā)價值的熱儲層;第一熱儲層為震旦系燈影組,主要巖性為厚層白云巖,含少量白云質(zhì)灰?guī)r,埋深大于3000 m,不經(jīng)濟。

表1 雙龍航空港經(jīng)濟區(qū)地熱異常區(qū)熱水儲、蓋層特征

2 樣品采集與檢測方法

水質(zhì)全分析樣于2021年12月13日在老街地熱井抽水實驗過程中采集水樣3組,樣品用2.5 L塑料瓶采集,氫氧同位素分析樣品用500 mL塑料瓶采集。所取樣品的水質(zhì)全分析由貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室完成,氫氧同位素分析由貴州同微測試科技有限公司完成。水質(zhì)全分析是按照《食品安全國家標準飲用天然礦泉水檢驗方法》(GB8538—2016),利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢測;利用TC/EA-IRMS法測定氫同位素,精度為±0.3‰,利用激光光譜法測定氧同位素,精度為±0.04‰。

3 地下熱水水文地球化學特征

表2 老街地熱水水樣分析結(jié)果

圖2 老街地熱水水化學Pipe圖

(717 mg/L),其次是HCO3-(141 mg/L),水化學類型為SO4·HCO3-Ca·Mg。此外,地熱水中還富含F(xiàn)-、Sr2+、偏硅酸等微量元素,含量達到理療熱礦泉水水質(zhì)標準。這些元素與流體流經(jīng)圍巖中的天青石、石膏、菱鍶礦及硅酸鹽礦物等有著密切的關(guān)系。

4 熱儲溫度的計算分析

4.1 地球化學溫標計算熱儲溫度

在進行地熱資源成因劃分和評價地熱資源潛力過程中,地下熱儲溫度是一個十分重要的評價參數(shù),對科學合理有效利用地熱資源具有重要意義。目前利用地熱流體溫標來估算熱儲溫度已成為一種常用方法。主要有陽離子溫標(Na-K、K-Mg、Na-K-Ca、Na-K-Mg)、二氧化硅溫標、同位素溫標等[13]。理論上,受溫度控制的化學反應中的組分都可以用來作為地熱溫標,但必須滿足深部發(fā)生的反應只與溫度相關(guān),反應物充足,熱儲溫度下水-巖反應達到平衡,地熱水從熱儲流向取樣點運移時未發(fā)生再平衡等條件[14]。因此,使用地熱溫標法估算熱儲溫度前,必須研究地熱水和礦物的平衡狀態(tài),檢驗選用地熱溫標的可靠性[15-17]。

Giggenbach于1988年提出的Na-K-Mg三角圖常被用來判斷水-巖平衡狀態(tài)。將研究區(qū)水樣投影到Na-K-Mg三角圖中(圖3),可以看出老街地熱水樣點落在Mg1/2角附近,屬于未成熟水。說明水樣中Mg2+含量較高,水-巖反應的平衡溫度不高,地下熱水可能發(fā)生了淺部地下室混合作用,用陽離子地熱溫標來估算未成熟水樣點平衡溫度原則上不合理,適合用SiO2地熱溫標來估算熱儲溫度[14]。

圖3 雙龍經(jīng)濟區(qū)老街地熱水Na-K-Mg三角圖

從地下熱水的現(xiàn)場取樣情況看,水溫48℃,屬低溫地熱資源,井口無沸騰,pH值接近中性,地熱水受淺層地下水的混和稀釋作用可能性大。因此,用SiO2地熱溫標估算熱儲溫度時,應考慮地熱水中SiO2的某些部分可能是與玉髓平衡的[18]。據(jù) Giggenbach (1984) 研究,在水-巖系統(tǒng)中,即使溫度變化條件下,K-Mg溶質(zhì)偶亦能快速達到平衡最。為了便于對比,根據(jù)老街地熱水SiO2及K+、Mg2+的含量,應用石英傳導冷卻溫標、玉髓溫標及K-Mg溫標方程,計算出熱礦水熱儲溫度(表3)。

表3 有關(guān)地熱溫標方程計算結(jié)果

計算結(jié)果顯示,K-Mg溫標計算結(jié)果低于石英傳導冷卻溫標的計算結(jié)果,表明在低溫熱水中K-Mg溫標的有關(guān)離子反應達到平衡較快,反映溫度可能是深部混合后熱儲溫度下的再平衡溫度[18]。因低溫地熱水中的SiO2含量部分是與玉髓相平衡的,且玉髓溶解度較石英高,故玉髓溫標計算出的溫度一般偏低。前人對貴州熱礦水熱儲溫度的統(tǒng)計研究表明,對于未達水-巖平衡,而K-Mg溫標溫度大于35℃且大于井口溫度者,可取石英溫標和K-Mg溫標溫度的平均值為熱儲溫度[18],估算地熱井熱儲溫度值約為60℃,與測井溫度基本一致。

4.2 硅-焓混合模型估算熱儲溫度

根據(jù)Na-K-Mg三角平衡圖判斷出老街地熱水落在未成熟水區(qū)域,即存在淺層地下冷水混合作用,因此采用地球化學溫標計算地熱水的熱儲溫度會產(chǎn)生一定偏差[6]。通過建立混合水的硅-焓模型,結(jié)合地熱水及當?shù)乩渌臏囟群投趸韬?可以估算地熱水的熱儲溫度和混合過程中冷水的混合比例。該模型假設絕熱冷卻形成的蒸汽在地熱水與淺部冷水混合前沒有分離出來,地熱水在上升過程中,SiO2溶解的含量不會因溫度降低而迅速沉淀析出,而是具有一定的遲緩性,“滯后記憶”記錄相對較長時間的地下熱水溫度,即熱儲環(huán)境溫度[13]。

地熱水在深部循環(huán)過程中溶解的SiO2遵循溶解含量的對應曲線,溫度越高,溶解的SiO2越多,焓值越高。為確定地下熱水混合前熱水溫度和地下冷水混入的比例,Rybach and Muffler于1987構(gòu)建來了硅-焓函數(shù)方程:

HcX+Hh(1-X)=Xs

(1)

SicX+Sih(1-X)=Sis

(2)

式中:Hh為深部地熱水的初焓,J/g;Hc為淺部冷水的焓,J/g;Xs為混合后溫泉的終焓,J/g;X為淺部冷水混合的比例;Sic為深部地熱水中SiO2的初始濃度,mg/L;Sic為淺部冷水中SiO2的濃度,mg/L;Sis為溫泉水中SiO2的濃度,mg/L。

曹云云等[19]對貴陽市泉水資源評價結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)冷泉中SiO2濃度平均5.5 mg/L,水溫14.5℃,熱焓60.71 J/g。將不同溫度下的SiO2含量和焓值帶入式(1)和(2)中,計算出一系列的X值,根據(jù)計算結(jié)果繪制冷水混入比例曲線圖(圖4),得到老街地熱井熱儲溫度102℃,冷水混入比例為60%。由于地熱井不存在蒸汽損失,假設混合之前質(zhì)量和熱量不變,混合后未發(fā)生明顯的化學作用[20],將老街地熱水及冷泉的SiO2含量和溫度(焓)投影至硅-焓圖中(圖5),同樣也可從圖5中得到地熱水混合前的溫度100℃左右,冷水混入比例約為59%。這與貴州省碳酸鹽巖溶地區(qū)采用溫泉水中氚含量研究淺部滲入和補給冷水比例結(jié)論吻合[21]。綜合來看,地球化學溫標估算的溫度均低于硅-焓混合模型估算溫度,這是由于前種方法估算的是混入淺部冷水后的熱儲溫度,而后一種方法消除了冷水作用的影響,反映的是深部地熱水混合前的熱儲溫度,是地熱水熱儲溫度的極大值[6,22]。

圖4 老街深部熱水溫度與混入冷水比例圖

圖5 老街地熱硅-焓模型

4.3 地熱水循環(huán)深度

老街地熱屬構(gòu)造隆起區(qū)熱對流深循環(huán)類型。地熱水的補、逕、排是在區(qū)域循環(huán)系統(tǒng)范圍內(nèi)形成的。大氣降水沿斷裂破碎帶向地下深部入滲,其熱源主要靠低溫梯度增溫。為進一步了解老街地熱水成因,可按公式(3)對地熱水的循環(huán)深度進行估算。

H=(t-t0)/k+H0

(3)

式中:H為地熱水循環(huán)深度,m;t為熱儲溫度,℃,取硅-焓混合模型所計算得出的熱儲溫度;t0為恒溫點溫度,℃,研究區(qū)為14℃;H0為恒溫點深度,研究區(qū)為30 m;k為地溫梯度,查貴州省區(qū)域地熱增溫率等值線圖,研究區(qū)地熱增溫率為1.8℃/100 m。計算得循環(huán)深度約為3700 m。

5 地熱水同位素特征

5.1 地熱水補給來源

H、O作為水的組成元素,氫穩(wěn)定同位素氘和氧穩(wěn)定同位素18O所構(gòu)成的水,因蒸汽張力小于普通水,在蒸發(fā)凝結(jié)等相轉(zhuǎn)變過程中,由于同位素分餾作用,在液相中重同位素富集,因此,經(jīng)歷不同水循環(huán)過程的地下水,氫、氧重同位素含量不同[23],是研究地下熱水來源及其成因的理想天然示蹤劑[24]。所以地質(zhì)學者在地熱能的勘探和開發(fā)研究中,對地熱水中的氫、氧同位素組成進行了大量的研究,試圖弄清楚地熱水的起源,這對于判斷地熱的成因和對開發(fā)潛力的評估都有十分重要的意義[23]。

從表4和圖6可以看出,雙龍航空港經(jīng)濟區(qū)大氣降水及老街地熱氫氧同位素值總體波動較小,δD值為-29.47‰～-82.20‰,δ18O值為-5.91‰～-9.05‰,均分布在中國大陸大氣雨水線及貴州安順雨水線[26]附近,說明區(qū)內(nèi)地熱水的補給直接或間接來源于大氣降水入滲補給,地熱水熱儲溫度應小于150℃[27]。地下熱水中的δ18O發(fā)生了明顯的漂移,根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示,碳酸鹽和大氣降水之間的同位素差異達36‰,在為在高溫條件下碳酸鹽占主導的系統(tǒng)中往往會發(fā)生最大程度的18O交換現(xiàn)象[28],造成18O值的增大。但是大部分造巖礦物中 含氫的化學組分很少,地熱水和巖石之間氫同位素交換的影響小。因此,引入d=δD-8δ18O 的氘盈余參數(shù)來衡量水巖反應中18O同位素交換程度。d值越小,表明水巖反應越強烈。根據(jù)表4計算結(jié)果,老街地熱d值為-9.80,說明地下熱水進行了深部循環(huán),滯留時間較長,所處的地質(zhì)環(huán)境相對封閉。因此,推測氧同位素漂移是地熱水與碳酸鹽圍巖進行同位素交換的結(jié)果。

表4 區(qū)內(nèi)大氣降水和地熱水同位素分析結(jié)果

圖6 老街地熱水δD 與δ18O 的關(guān)系

從圖6可以看出,老街地熱水中δD -δ18O的含量明顯比現(xiàn)代大氣降水中含量值低,其漂移線與大氣降水線交點值為(-82.20‰,-11.40‰),基本就是補給它的大氣降水的氫氧同位數(shù)含量,該值與貴陽市現(xiàn)代降水平均值(-37.51‰,-6.76‰)相差加大,據(jù)此推斷老街地熱水補給源為非現(xiàn)代大氣降水。

5.2 地熱水補給區(qū)溫度

大氣降水中的氫氧同位素含量隨溫度增高而增加,總體上存在正相關(guān)關(guān)系。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于在溫度升高后,降水過程中雨滴的再蒸發(fā)引起的重同位素濃縮作用[29]。Dansgaard(1964)建立了全球平均年降水中δD和δ18O值與溫度間的線性關(guān)系:

δ18O=0.695T-13.6

(4)

δD=5.61T-100

(5)

由于地下圍巖中氘含量相較地熱水中的氘含量太少,地下水和巖石之間的氫同位素交換的影響小,可以忽略不計。H·Craig等明確指出,地熱水的氘含量就是補給它的大氣降水的氘含量,地熱水的δD值和補給它的降水或地表水的δD值一致,因此,利用δD值估算補給區(qū)水溫或平均氣溫是合理的。將老街地熱水δD含量帶入式(5),經(jīng)計算補給區(qū)水溫為3.99℃,較現(xiàn)代平均氣溫約低10℃,這一溫度差范圍與全球末次冰期與現(xiàn)代地表溫度差4℃～9℃相吻合,與中國北方孢粉研究記錄末次冰期至今地表溫度變化為12℃接近[30],推斷老街地下熱水補給為距今1萬～6萬年的末次冰期降水的補給。

5.3 地熱水補給區(qū)高程

根據(jù)地熱流體補給來源分析得知,老街地熱地熱水來自大氣降水。按照H、O穩(wěn)定同位素的高程效應原理,地熱水中δD和δ18O隨大氣降水補給高程增大而減小。其原因是隨高度增加氣溫逐漸降低,加速了水汽冷凝成雨和同位素的動力學分餾,減少了雨滴的蒸發(fā)。對于大氣降水氫氧同位素組成與高程之間的關(guān)系在很多地區(qū)地熱勘查中做過研究,雖然各地區(qū)梯度值不盡相同,但總的來說高程每增高100 m,δ18O減少0.3‰,δD下降1.3‰[31-32]。于津生等[32]研究川、黔、藏一帶大氣降水氫、氧同位素含量與地形高度之間的關(guān)系,認為西藏東部和川黔一帶大氣降水δ18O值與高程(H)之間呈負相關(guān)關(guān)系:

-δ18O(‰)=0.0029H+7.75

(6)

根據(jù)式(6)估算出老街地熱水的補給區(qū)高程約為1350 m,結(jié)合地熱井所處區(qū)域地形地貌及水文地質(zhì)特征,推測老街地熱水補給區(qū)位于百花湖森林公園北西一帶。

6 結(jié)論

(1)通過分析地下水樣品的水化學測試數(shù)據(jù)得出雙龍航空港經(jīng)濟區(qū)老街地熱水化學類型主要為SO4·HCO3- Ca·Mg。對水化學特征分析認為,老街地下熱水中的化學組分主要受地下水流經(jīng)地層巖性及水-巖作用影響,接觸地層多,徑流途徑相對較長,水動力條件相對較差,使圍巖中的化學組分轉(zhuǎn)移到地下熱水中,形成微咸水,且偏硅酸、鍶、氟等微量元素含量豐富,達到理療熱礦泉水水質(zhì)標準。

(2)研究得出老街地熱水屬于未成熟水。利用多種地球化學溫標計算了老街地熱的熱儲溫度為60℃,反映地下熱水有發(fā)生混合作用的可能;采用硅-焓模型分析出冷水混入前的熱儲溫度約為100℃,地熱流體中的冷水混入比例為60%作用,反映的是深部地熱水混合前的熱儲溫度,熱循環(huán)深度約為3700 m。

(3)地下熱水δD、δ18O 值明顯比現(xiàn)代大氣降水中含量值低,推斷地熱水其補給源非現(xiàn)代大氣降水;δ18O發(fā)生了明顯的漂移,氘盈余參數(shù)值低,表明地下熱水補給路徑長,地熱水與含氧巖石發(fā)生了氧同位素交換。估算出老街地熱水的補給區(qū)高程約為1350 m,結(jié)合水文地質(zhì)條件,推測地熱水補給區(qū)位于百花湖森林公園北西一帶。

(4)利用δD值估算老街地熱水補給區(qū)水溫為3.99℃,較現(xiàn)代平均氣溫約低10℃。其溫度差范圍跟全球末次冰期與現(xiàn)代地表溫度差以及與中國北方孢粉研究記錄末次冰期至今地表溫度變化范圍一致,推斷下熱水補給為距今1萬～6萬年的末次冰期降水的補給。

(5)地熱井勘查過程中,因?qū)嶋H地質(zhì)條件及熱儲層分布具有復雜性,特別對于隆起(褶皺)斷裂型地熱資源,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,淺部地下水與深部熱儲水力聯(lián)系較好,往往實際測井溫度會偏低。因此把鉆孔測井資料作為評價熱儲溫度的唯一標準是不合理的,需要結(jié)合實際水文地質(zhì)情況,采用多種地熱指標來綜合評價。