武漢市某地熱田地熱流體化學特征分析

蘇 呈, 李 嶸, 王 辛, 楊 威

((1.湖北省地質環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質災害防治中心,湖北 武漢 430034; 3.湖北省地質實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

武漢市某地熱田地熱流體化學特征分析

蘇 呈1, 李 嶸2, 王 辛1, 楊 威3

((1.湖北省地質環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質災害防治中心,湖北 武漢 430034; 3.湖北省地質實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

在武漢市某地熱田地質和地熱背景條件的基礎上,根據(jù)室內實驗測試成果,分析地熱流體的主要化學成分特征,探討其形成機制。研究表明,地熱流體屬于中性偏堿性中硬水,水化學類型為HCO3-Ca型水,與相鄰地段一般地下水水化學成分無明顯的差異,地熱流體同位素特征與大氣降水類似。地熱流體主要是由大氣降水入滲后經深部循環(huán),然后與淺部一般地下水混合而形成。

地熱流體;水化學特征;氫氧同位素

地熱是一種清潔無污染、綠色的資源,具有清潔、價廉、易開采、用途廣等特點,湖北省地熱資源蘊藏較為豐富,目前開發(fā)利用程度相對較高,但武漢市地熱資源勘查評價工作程度低。該地熱田位于武漢市西南,距武漢中心城區(qū)約24 km。2012—2014年先后在該地區(qū)開展了勘查評價工作,2個孔的孔口出水溫度最高26～28℃,采集水樣進行了測試分析。根據(jù)所獲取的熱水化學常規(guī)分析及同位素測試資料,分析地熱田地熱流體的水化學特征,進而探討地熱流體的成因。

1 地熱田地質、地熱背景

1.1 地質背景條件

研究區(qū)位于武漢市西南,地貌為剝蝕殘丘、低丘與崗地的過渡地帶,低丘與崗地相間分布,低丘、崗地總體呈近東西向展布,崗地寬緩,多呈箱狀。地層屬下?lián)P子地層區(qū),區(qū)內志留紀—第四紀地層均有分布,基巖多隱伏于第四系松散堆積層之下,僅在低山丘陵地帶可見基巖出露。區(qū)內主要構造形跡有淮陽山字型前弧西翼、新華夏系構造體系和緯向構造體系。其中以淮陽山字型前弧西翼為主要構造,它幾乎控制了全區(qū)構造輪廓。該地熱田熱異常分布與出露明顯受淮陽山字型構造和新華夏系構造控制,主要與北東向五通口—湯遜湖斷裂帶和北西向斷裂帶F4有關(圖1)。

1.2 熱儲層特征

該地熱田的熱儲層主要為石炭系—二疊系下統(tǒng)棲霞組的含生物碎屑灰?guī)r、白云質灰?guī)r、灰?guī)r、含碳質灰?guī)r等,石炭系—二疊系下統(tǒng)的地層分布于貓耳洞背斜—官家畈向斜的翼部,地熱田范圍內該地層隱伏于第四系地層之下,未見露頭,在地熱田的北西和東部可見該地層露頭出露,在地熱田北東,該地層沿著貓耳洞背斜的北東翼逐漸隱伏于二疊系茅口組—三疊系下統(tǒng)的硅質巖、碎屑巖之下,埋深逐漸增大。熱儲層底板埋深為330～412 m,由南西往北東逐漸增厚,符合貓耳洞背斜南翼的構造形態(tài)。

圖1 武漢市某地熱田地熱地質圖Fig.1 Geothermal geological map of geothermal field in Wuhan City

1.3 熱儲蓋層

該地熱田的熱儲蓋層,主要為第四系松散堆積層以及二疊系炭質頁巖以上的基巖。二疊系棲霞組的炭質灰?guī)r、炭質頁巖具有一定的隔水性,一定程度上隔絕了上部冷水對地熱流體的影響,其分布受到褶皺形態(tài)的控制,由南往北埋深逐漸增大,深度為140～266 m,在官家畈向斜的核部埋深可能超過500 m。

1.4 導水導熱構造

地熱田的形成與褶皺、斷層構造關系密切,區(qū)內北東向斷裂發(fā)育,即五通口—湯遜湖斷裂為張扭性斷裂,屬新華夏構造體系,成生時間較晚,斷裂帶膠結程度較差,斷裂影響深度較大,在研究區(qū)一帶影響深度達600多米,且斷裂帶具有一定的透水性,溝通深部熱源,淺部地下水在靜水壓力作用下由北向南沿北東向斷裂進行深循環(huán),吸取圍巖熱量,逐漸加熱形成地熱流體。因此五通口—湯遜湖斷裂是區(qū)內的導熱導水構造。

鉆孔揭露的北東向斷裂破碎帶附近溫度變化明顯,斷裂帶上部地熱增溫率一般為4℃/100 m,下部地熱增溫率降至1～2℃/100 m,表明斷裂破碎帶是地熱田內的導熱構造。

1.5 補給、徑流及排泄條件

從區(qū)域地質環(huán)境分析,地熱流體補給區(qū)位于向斜的北翼,出露地層為石炭系—二疊系碳酸鹽巖,補給區(qū)受淮陽山字型構造及新華夏構造體系影響,碳酸鹽巖地層中發(fā)育一系列NE向斷裂及NW向的褶皺,大氣降水通過這些斷裂及碳酸鹽巖裂隙巖溶入滲形成地下水。同時地熱流體同位素測試分析表明,區(qū)內地下水的主要補給來源為大氣降水。

區(qū)內地熱流體是由北部的深部地熱流體與南部的淺層一般地下水混合而成,兩者共同的補給源都是大氣降水。區(qū)內受地形高差及地層控制,深部地熱流體由向斜北翼的淺層地下水徑流至地熱田北部轉向南東沿五通口—湯遜湖斷裂進行深部循環(huán)形成深部地熱田,南部的淺層地下水沿淺部巖溶系統(tǒng)徑流至地熱田內與深部地熱流體混合,二者受北西向的F4斷裂及北東展布的隔水巖層控制出露形成溫泉。

1.6 動態(tài)特征

地熱田地熱流體水位動態(tài)監(jiān)測資料表明:豐枯水期水位差異較大,6—10月為豐水期,水位相對較高,埋深4.02～4.25 m,最高水位在10月,約為4.02 m;11月—次年2月為枯水期,埋深4.85～4.96 m;年水位波動幅度在1 m左右,豐枯水期水位變化周期與該地區(qū)降雨周期基本一致。

地熱田地熱流體溫度變化不大,變化幅度一般在1～2℃,ZK1水溫一般為25.5～26.5℃,10月—次年12月,水溫相對略高,原因可能是冬季枯水期,降水量小,地表冷水混入量較小,淺層地下冷水補給量減小,即地熱流體中混入的地下冷水減少,避免了溫度降低。

2 地熱田地熱流體化學特征

2.1 水化學特征

通過對該地熱田2個孔采集的水樣室內實驗測試,地熱流體的主要離子含量結果如表1。由表可見,地熱田地熱流體的水化學類型為HCO3-Ca型,溫度為26.5～28℃,無色無味,pH值7.67～8.05呈中性偏堿性,溶解性總固體295.92～318.42 mg/L,總硬度273.82～280.95 mg/L,屬中性偏堿性中硬水。此外,地熱流體中還含有多種對人體有益的微量元素,如鍶、硒、鋅等[1]。

表1 地熱田地熱流體主要離子含量一覽表

2.2 同位素地球化學特征

根據(jù)D、18O穩(wěn)定同位素檢測結果,該地熱田地熱流體的D、18O含量較穩(wěn)定,變化幅度較小,D含量-41.48‰～-41.09‰,18O含量為-6.75‰～-6.34‰;當?shù)卮髿饨邓械腄含量為-34.8‰,18O含量為-5.83‰。D、18O的坐標點與全球降水線的關系[2]見圖1。從中可以看出地熱流體的同位素組成十分接近全球降水線δD=8δ18O+10,表明地熱田的地熱流體來源于大氣降水補給。

氚的半衰期為12.623年,此值的高低可以提供關于大氣降水向地熱系統(tǒng)補給時間的信息。

根據(jù)法國J.Ch.豐特的經驗[3]估算結果:氚T=0～5 TU,表明40年以前的“古水”占優(yōu)勢;T=5～40 TU,表明新近入滲水和古水之間有混合作用;T>40 TU,表明新近入滲水占優(yōu)勢。地熱流體氚含量在2.9～3.2 TU,推測地熱流體為40年以前的“古水”占優(yōu)勢。

圖2 地熱田地熱流體和雨水δD-δ18O分布圖Fig.2 Distribution sketch of δD-δ18O between geothermal

3 地熱流體形成條件

3.1 成生環(huán)境分析

通過圖2可以看出,地熱流體(地熱鉆孔采樣)陽離子落在1區(qū),表征的化學特征為堿土金屬離子大于堿金屬離子;陰離子落在3區(qū),表征的化學特征為弱酸根大于強酸根;在菱形區(qū)落在5區(qū),表征的化學特征為碳酸鹽硬度>50%。

圖3 地熱田地下水化學類型皮帕爾圖Fig.3 Piper diagram of the hydrochemical type of groundwater

3.2 水質對比分析

3.3 形成條件

該地熱田地熱流體主要來源于兩個方面:即深循環(huán)、溫度相對較高的地熱流體和淺部一般地下水。

表2 地熱流體與一般地下水主要離子含量一覽表

4 結語

通過對研究區(qū)地熱流體的形成及其水化學成分進行分析,得到如下結論:

(2) 地熱流體同位素測試分析表明,該地熱田的主要補給水源是大氣降水,地熱流體動態(tài)表現(xiàn)為豐期高、枯期低,與大氣降水周期基本一致。

(3) 根據(jù)上述分析,淺部一般地下水沿東西向淺層巖溶系統(tǒng)運移,深部地熱流體沿北東向深部巖溶系統(tǒng)運移,二者在地熱田區(qū)域混合,若要獲取更高溫度的地熱流體應避開混合區(qū),向北東方向進行深部地熱流體的勘查。

[1] 陳軍鋒,鄭秀清,侯燕軍,等.玄中寺地熱水化學特征分析 [J].太原理工大學學報,2006,37(3):369-371.

[2] 任加國,武倩倩.水文地球化學基礎[M].北京:地質出版社,2014.

[3] 張保健,沈照理,喬增寶,等.聊城市東部巖溶地熱田地下熱水化學特征及成因分析 [J].中國巖溶,2009,28(3):263-268.

[4] 張人權,梁杏,靳孟貴,等.水文地質學基礎[M].第六版.北京:地質出版社,2011.

(責任編輯：陳姣霞)

Analysis on the Chemical Characteristics of Geothermal Fluidsin the Geothermal Field in Wuhan City

SU Cheng1， LI Rong2， WANG Xin1, YANG Wei3

(1.GeologicalEnvironmentalCenterofHubeiProvince，Wuhan，Hubei430034； 2.GeologicalHazardPreventionandManagementCenterofHubeiProvince，Wuhan，Hubei430034;3.HubeiProvinceGeologicalExperimentalTestingGenter,Wuhan,Hubei430034)

On the basis of summarizing the geological and geothermal background conditions of the geothermal field in Wuhan city，combining the laboratory test results，the authors analyzed the characteristics of the main chemical composition of the geothermal fluids，and discussed its formation mechanism.Research results show that the geothermal fluid belongs to the kind of neutral-alkaline hard water，the hydrogenchemical types is HCO3-Ca，and the hydrochemical composition has no obvious difference between it and the groundwater in adjacent areas；and the isotopic characteristics of geothermal fluids are similar to that of atmospheric precipitation. This geothermal fluids is mainly formed by the deep circulation of meteoric water，and then mixed with the shallow groundwater.

geothermal fluids； hydrochemical characteristics； hydrogen-oxygen isotopes

2016-06-14;改回日期:2016-08-02

蘇呈(1988-),女,助理工程師,水工環(huán)專業(yè),從事地熱調查工作。E-mail:1652976693@qq.com

P314

A

1671-1211(2016)05-0738-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.016

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1454.016.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 14:54