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

（新疆地質礦產勘查開發局第一水文工程地質大隊，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]，在該區開展了大量的基礎水文地質調查工作，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]；顧新魯等對溫泉縣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[4]。總結前人的研究成果，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。隨著國家生態文明建設和能源結構戰略性調整，逐漸由傳統能源逐漸向清潔可再生能源轉變，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規劃提供了理論依據[5-6]。

1 地熱流體化學組分特征

1.1 水化學類型分類

本次研究系統收集了2003～2011年研究區水化學資料及近期測試數據進行了區域內水類型劃分（見表1），分析結果如下：

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：

水化學分析數據顯示：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、鉀鹽類占優勢的水體中，氟的活性較高，含量較多。研究區水樣氟含量，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變化

2.1 地熱流體化學組分平面變化

首先，以溫泉療養院為中心的地熱異常區流體特征與周邊沖洪積平原區流體特征不同：以溫泉療養院為中心的地熱異常區水化學類型為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]。周邊沖洪積平原區地下水中Na+、Ca2+及SO42-等離子含量只有溫泉療養院一帶的地熱異常區的百分之一至千分之一左右，而HCO3-離子卻高于地熱異常區2～5 倍。Cl-離子含量也只有地熱異常區十分之一至百分之一。另外，研究區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，一直延伸至南部與花崗巖區接觸過渡帶，水化學類型以HCO3·SO4-Ca型為主。

其次，研究區地下潛水流體化學類型由HCO3-Ca型過渡為HCO3·SO4-Ca，然后再轉變為承壓熱水SO4-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-離子的含量由0.4mg/L 猛增到15.9mg/L 以上，反映研究區承壓熱水流體和周邊平原區潛水流體屬于不同的地下水循環系統。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所致。

以溫泉療養院為中心地熱異常區F-離子含量增大可能是酸性脈巖中氟元素含量高所致。據前人資料分析，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富集的最有利地質環境是中酸性侵入巖地層，其次是區域變質巖、噴出巖、碎屑巖地層。地熱異常區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：研究區以溫泉療養院為中心的地熱異常區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，但在以溫泉療養院為中心的地熱異常區H3BO3含量卻高達14.3mg/L。同時西側J28 號鉆孔處于圈定熱儲范圍西側邊緣部位，H3BO3含量為7mg/L，而東側Q2 號溫泉處于圈定熱儲范圍東側邊緣部位，H3BO3含量達14.3mg/L。由此，將硼酸（H3BO3）作為尋找研究區地熱異常區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。地熱異常區地熱流水中Na+、SO42-、Cl-等含量較高，這也決定了該地區的水化學類型。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造蓄水空間，各自的導水通道和循環深度不同，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。研究區熱儲呈帶狀，受斷裂構造控制，屬于深循環地熱流體成因，在深部高溫高壓的條件下，結晶巖被淋濾時，鈉向溶液中轉移的強度將超過鈣，水質變為鈉型水。同時，硫酸鈉的溶解度隨著溫度的升高呈一定規律變化：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，也是以溫泉療養院為中心的地熱異常區水化學類型呈現為SO4-Na型或SO4·Cl-Na型的原因。

（3）研究區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存在一定規律。對比分析后總體上可將研究區水體歸納為二組：第一組為山前沖洪積平原地下水系統；第二組為溫泉療養院為中心的地熱異常區地下水系統。對比分析可以看出，區內Na+/K+、Mg2+/Ca2+、Cl-/HCO3-溫標指示比較典型。地熱異常區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；而周邊平原區一般井水地段（相當于第一組）則恰恰相反。這也從另一個側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

地熱異常區地熱流水中Na+、SO42-、F-、Cl-、H2SiO3、H3BO3等含量較高，這也決定了區內的水化學類型。冷、熱水化學特征不同，說明冷、熱水屬于不同的構造蓄水空間，各自的導水通道和循環深度不同，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

工作區熱儲呈帶狀，受斷裂構造控制，屬于深循環地熱流體成因，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。區內熱水中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，區內地熱水具備溫度高、二氧化碳含量高和深循環條件，偏硅酸含量也呈現出明顯的高值異常，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，表明工作區熱礦水溫度在70℃～80℃之間，工作區揭露鉆孔最高溫度70.1℃，與推測一致。

3.5 SO42-含量偏高的原因及其來源分析

工作區主要受地質構造作用，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入地下水中，其中氯化物最容易轉入地下水，隨著時間的推移，巖層中的氯化物不斷被水帶走而貧化，因此一個地區溶濾作用越強烈，地下水更新越快則水中Cl-含量越少。經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 結論

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

（2）以溫泉療養院為中心的地熱異常區J35號鉆孔區域具有顯著的熱儲意義。

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

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