西藏萨迦冲曲流域地下热水成因及工程效应分析

2021-06-09孙会肖郎旭娟男达瓦李皓婷赵海华

安全与环境工程 2021年3期

孙会肖，郎旭娟，男达瓦，刘昭*，郭宁，李皓婷，赵海华

(1.河北地质大学水资源与环境学院，河北石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北石家庄 050031；3.河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心,河北石家庄 050031；4.西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队，西藏拉萨 850032)

地热资源作为一种新型的清洁能源，已受到越来越多人的关注。不少学者利用水文地球化学方法、水化学特征系数法、同位素分析法和古水文地质条件分析方法等手段，对地热资源的水文地球化学特征及其成因进行了深入的研究。目前，一些学者在隧道高地温方面，开展了一系列研究。如王争鸣、杨新亮在分析地热分布规律以及地热成因的基础上，结合区域地热背景探讨了高温热害对隧道工程建设的影响，总结并提出了地热地区选线原则及相应的热害防治措施。

西藏地区地热资源丰富，众多学者对该地区地热的水文地球化学特征及其成因进行了一系列研究。如多吉通过钻探资料探讨了羊八井热田的基本特征，发现羊八井热田由3个不同能的热储层构成；赵平等研究了西藏地热气体的地球化学特征，发现西藏水热活动区有CO型和N型两类地热气体，且绝大多数地热气体以CO为主。本次研究区位于西藏南部的萨迦县和拉孜县，属于西藏萨迦冲曲流域，该地区地热成因复杂且研究程度低，因此本文在前人研究的基础上，对西藏萨迦冲曲流域地下热水的水化学特征及其成因进行分析，并在此基础上对拟建中尼铁路工程的地热灾害防治提出了合理的建议措施，为该地区地热资源的合理开发与利用提供科学的理论依据。

1 研究区自然地理及地质概况

1.1 自然地理概况

研究区内的温泉有卡乌、曲参岗和锡钦温泉。卡乌温泉位于萨迦县，萨迦冲曲两岸，海拔高程为4 620～4 700 m，温泉为典型的沸泉，温泉区两岸谷坡均为碳质板岩，盆地东和东北部山体则为浅成侵入体。该区钙化泉华发育，卡乌古泉华最厚处达50 m以上，许鹏等由此推测卡乌温泉发育地质历史时间长。曲参岗温泉位于萨迦县，海拔高程为4 066 m，温泉围岩为变花岗岩，中夹伟晶岩，岩石中有颗粒巨大的血红色石榴石晶体,此外该区泉华发育，多属钙化泉华等。锡钦温泉位于拉孜县锡钦乡锡钦村北，萨迦冲曲两岸，海拔有3 995 m，温泉多有气泡逸出，水色清澈，微具硫醇味。

萨迦县最主要的河流为冲曲河，发源于西藏自治区日喀则地区萨迦县东南的长乌山，从东向西流经萨迦县，流至拉孜县汇入雅鲁藏布江。

1.2 地质概况

卡乌、曲参岗温泉区地层由北向南依次为：冈底斯岩浆岩、日喀则弧前盆地内的白垩纪沉积岩、昂仁蛇绿岩群(超基性岩为主)、晚侏罗世与早白垩世杂岩、三叠纪沉积岩和变质岩、萨迦穹隆中的拉轨岗日岩群和侵入的新近纪淡色花岗岩、高喜马拉雅变质岩及花岗岩等,其中温泉区附近的晚侏罗世与早白垩世杂岩基质为板岩、硅质岩等，岩块为砂岩、玄武岩、橄榄岩等。卡乌温泉出露在萨迦穹隆核部以西18 km 的三叠纪吕村组片岩中，曲参岗温泉则出露在三叠纪吕村组片岩与萨迦穹隆淡色花岗岩的分界处，而锡钦温泉出露于特提斯喜马拉雅中生代大规模的沉积地层中，岩性以砂岩、粉砂岩为主。卡乌温泉主要受控于北东向延伸的走滑断裂，曲参岗温泉则受控于萨迦穹隆中的弧形构造，而锡钦温泉受控于近东西向的断裂带。

2 研究区地下热水的水化学特征及其成因分析

2.1 水样采集与分析

图1 研究区采样点分布图(改编自文献[9])Fig.1 Distribution diagram of sampling in the study area (adapted from the reference[9])

2.2 地下热水的水化学特征分析

研究区水样的水化学成分分析结果见表1。

由表1可知，卡乌温泉泉口出露温度为82～86℃，地下热水的pH值为8.55～9.00，属于碱性水，地下热水的TDS为2 239.08～2 496.00 mg/L，为微咸水；曲参岗温泉泉口出露温度为34～37℃，地下热水的pH值为5.20～7.90，呈中性偏弱酸性水，地下热水的TDS为2 806.00～3 440.81 mg/L，为咸水；锡钦地下热水的温度为45～56℃，地下热水的pH值为6.95～8.00，介于中性水与碱性水之间，地下热水的TDS为250.00～391.14 mg/L，其平均值为337.00 mg/L；锡钦冷水的pH值为7.74～8.32，呈弱碱性水，冷水的TDS为260.86～296.74 mg/L，其平均值为275.00 mg/L，为淡水。

表1 研究区水样的水化学成分分析结果表Table 1 Hydrochemical analysis result of water samples in the study area

将研究区的地下热水、冷水、河水中主要离子组分绘制水化学组成的Piper三线图，见图2。

图2 研究区水样中主要离子组分的水化学组成Piper三线图Fig.2 Piper graph for classification of all the water samples in the study area

由图2可以看出：

(3) 萨迦县两个温泉中HBO、F、Li的含量偏高，其中卡乌温泉中HBO含量的平均值为447.85 mg/L、F含量的平均值为10.99 mg/L、Li含量的平均值为19.34 mg/L；曲参岗温泉中HBO含量的平均值为524.35 mg/L、F含量的平均值为4.74 mg/L、Li含量的平均值为17.80 mg/L，根据《地热资源地质勘查规范》，均达到理疗热矿水水质标准，具有理疗保健的功效。

2.3 地下热水的水化学成因

2.3.1 离子比例系数分析

通过分析地下水中主要离子成分和离子比例特征，可以判断地下水的成因和地下水水化学成分的来源及其形成过程。研究区水样中的离子比例系数，见图3。

图3 研究区水样中的离子比例系数图Fig.3 Ion ratio coefficient diagrams of all the water samples in the study area

γNa/γCl系数是地下水的成因系数。海水中γNa/γCl=0.85，若γNa/γCl接近于1，属于盐岩地层的溶滤水；若γNa/γCl大于1，说明Na还来源于硅酸盐的溶解。由图3(a)可见，研究区卡乌和曲参岗地下热水水样点落在γNa/γCl 的1∶1趋势线上方，说明γNa/γCl系数大于1，表明地下热水中的Na可能还来源于硅酸盐岩的溶解，卡乌河水、锡钦地下热水水样点落在γNa/γCl的1∶1趋势线附近，表明其来源于岩盐地层的溶滤作用。

γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)值可用来表示地下水中碳酸盐矿物和硫酸盐矿物的溶解情况。如果地下水中的化学组分是来源于方解石、白云石和石膏的溶解，则γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)值应接近于1，硅酸盐的溶解会增加Na的含量，因此硅酸盐的溶解会造成水样点分布于γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趋势线下方。由图3(b)可见，研究区地下热水水样点基本均落在γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趋势线下方，表明地下水系统的反应中，硅酸盐矿物的溶解占主导作用；锡钦冷水水样点落在γ(Ca+Mg)/γ(HCO+SO)的1∶1趋势线附近，说明锡钦冷水中的化学组分主要是来自方解石、白云石和石膏的溶解。

γCa/γMg系数可以用来反映地下水中方解石和白云石的溶解情况，如果γCa/γMg接近于1，则表明Ca和Mg主要来自于白云石的溶解；如果γCa/γMg增大，说明方解石的溶解贡献更大；如果γCa/γMg大于2，则表明Ca和Mg还来自于硅酸盐矿物的溶解。由图3(c)可见，研究区大多数水样点均落在γCa/γMg的2∶1趋势线以上，部分水样点落在1∶1趋势线与2∶1趋势线之间和1∶1趋势线下方[见图3(b)]，表明研究区水样中的Ca和Mg除了来自于白云石和方解石的溶解外，还来自于硅酸盐矿物的溶解。

在水-岩系统中，因为氯不参与形成矿物盐也不被吸附到矿物表面，具有累积作用，因此γHCO/γCl系数可以较好地反映地下热水循环深度和水-岩反应程度。研究区卡乌、曲参岗地下热水水样点中γHCO/γCl值较低，反映出地下热水的径流路径长，水-岩反应较强烈；锡钦地下热水水样点中γHCO/γCl值较高，说明地下热水的径流时间短，水-岩反应较弱。

2.3.2 主要控制机制分析

Gibbs图可以用来定性地判断水体中水化学组分的来源，其将水化学组分的成因类型划分为岩石风化型、大气降水型和蒸发/沉淀型。将研究区的水样点绘制在水化学Gibbs图上，见图4。

图4 研究区水样的水化学Gibbs图Fig.4 Gibbs diagrams of all the water samples in the study area

2.4 地下热水的补给来源分析

利用地下热水的稳定同位素D和O组成可以用来判断其补给来源。研究区水样中氢氧同位素分析结果见表2。

由表2可知，萨迦县卡乌地下热水中

D和

表2 研究区水样中氢氧同位素分析结果Table 2 Hydrogen and oxygen isotopic compositionsof the water samples in the study area

值分别为-163‰和-19.8‰，卡乌上游河水中

D和

O值分别为-150‰和-19.3‰，卡乌下游河水中

D和

O值分别为-150‰和-18.5‰；锡钦地下热水中

D和

O值分别为-150‰和-19.5‰；谷露地热水中

D值为-143‰，

O值为-16.5‰；羊八井地热井水中

D值为-144‰，

O值为-17.3‰；古堆地热水中

D值为-142‰，

O值为-15.7‰。本文将卡乌地下热水、卡乌上下游河水和锡钦地下热水水样点的

O和

D值数据与西藏著名的地热水中

O和

D值数据绘制在

D-

O的关系图上，见图5。

图5 研究区水样中氢氧同位素的关系图Fig.5 Relation between hydrogen and oxygen stable isotope of water samples in the study area

由图5可见，研究区水样中

D和

O值数据点落在西南地区大气降水线的右下方，说明地下热水接受大气降水补给的同时，可能还接受冰雪融水的补给；卡乌地下热水

O和

D值较地表水偏低，说明卡乌地下热水可能不是直接来源于当地大气降水的就近入渗补给，而是接受海拔较高地区地下水的补给。卡乌地下热水中

O和

D值数据点在图5中表现出明显的

O漂移现象，其原因可能是卡乌地下热水温度较高，加速了水-岩反应，促使地下热水中的

O与围岩中的

O发生了离子交换反应，从而导致地下热水中的

O值增加。而锡钦地下热水中

O和

D值数据点落在西南大气降水线附近，反映出锡钦地下热水来源于大气降水。氘(H)是氢的天然放射性同位素，半衰期为12.32年。利用放射性同位素H，可估算地下水的年龄。根据法国J.Ch.来特的经验估算结果：H含量(

)=0～5 TU表明1952年以前的“古水”占优势；

=5～40 TU表明新近入渗水与古水之间有混合作用；

>40 TU表明新近入渗水占优势。研究区卡乌地下热水中

<0.1 TU，卡乌上游河水中

为3.6 TU，卡乌下游河水中

为2.4 TU，其H的含量均小于5 TU，而锡钦地下热水中

为5.6 TU，因此可以推测，卡乌地下热水为1952年以前的“古水”占优势的水，锡钦地下热水为新近入渗水与古水的混合水。

2.5 地下热水的热储温度估算

2.5.1 地下热水溶液-矿物间的平衡状态分析

目前应用最广泛的估算地下热储温度的方法是地球化学温度计法。该方法的原理是在一定温度下，一定时间内地下热水与围岩矿物的化学反应总体达到平衡，在到达地表过程中，这种平衡状态可以保持，据此可计算其在地下热储时的平衡状态。基于这一原理，运用地球化学温度计法估算地下热储温度时，首先需要确定地下热水溶液-矿物间的平衡状态。本文采用Na-K-Mg三角图和SiO溶解度曲线来确定研究区地下热水溶液-矿物间的平衡状态。

(1) Na-K-Mg三角图法。Na-K-Mg三角图主要用来判断地下热水与岩石的平衡状态。研究区地下热水的Na-K-Mg三角图，见图6。

图6 研究区地下热水的Na-K-Mg三角图Fig.6 Na-K-Mg giggenbach plot with samples from the geothermal fields in the study area

由图6可见，研究区地下热水水样点均未落在完全平衡区。其中，锡钦地下热水水样点全部落在Na-K-Mg三角图的Mg端，表明水-岩作用远未达到平衡状态，属于未成熟水,其可能原因一是地下热水温度较低，地下水径流时间短，水-岩反应弱，二是地下热水受到地表水的混合作用；卡乌、曲参岗地下热水水样点基本落在部分平衡混合区，表明与锡钦地下热水相比，卡乌、曲参岗地下热水径流路径变长或受地表冷水混合的比例减小，水-岩作用加强，这也验证了上文的研究结果。由于研究区地下热水均未处于完全平衡状态，因此不适合用阳离子温度计估算研究区地下热水的热储温度，适合用SiO温度计估算研究区地下热水的热储温度。

(2) SiO溶解度曲线。SiO溶解度是温度的函数，可用来估算地下热储温度。地热研究中经常涉及到的二氧化硅(SiO)矿物，包括石英、玉髓和无定形二氧化硅，利用SiO溶解度曲线可以判断矿物溶解状态以及溶液中SiO含量受何种矿物控制。研究区地下热水中SiO溶解度(

SiO)与温度(

)的关系图，见图7。

图7 研究区地下热水中SiO2溶解度(ρSiO2)与温度(T) 的关系图Fig.7 Relation diagram between SiO2 concentration in the geothermal water and water temperature in the study area

由图7可见，研究区卡乌、曲参岗和锡钦地下热水水样点基本均落在玉髓溶解线与无定形二氧化硅溶解线之间或无定形二氧化硅溶解线以上，表明玉髓、石英矿物处于平衡状态，无定形二氧化硅矿物尚未达到平衡状态，玉髓、石英可能是控制卡乌、曲参岗和锡钦温泉地下热水中SiO含量的矿物，而卡乌、曲参岗和锡钦地下热水水样点更靠近玉髓溶解线，因此运用玉髓温度计估算地下热水的热储温度更合适。

2.5.2 地下热水的热储温度估算

本文利用玉髓-最大蒸汽损失温度计计算公式(1)估算卡乌地下热水的热储温度，利用玉髓-无蒸汽损失温度计计算公式(2)估算曲参岗和锡钦地下热水的热储温度，具体计算公式如下：

(

)

(

)

式中：

为地下热水的热储温度(℃)；

SiO为地下热水中SiO的含量(mg/L)。

研究区地下热水的热储温度估算结果见表3，其中卡乌地下热水的热储温度可能为151.50 ℃，曲参岗地下热水的热储温度可能为98.51 ℃，锡钦地下热水的热储温度可能为68.37 ℃。根据地热地质勘察规范可知，卡乌地下热水属于高温地热资源，曲参岗地下热水属于中温地热资源，锡钦地下热水属于低温地热资源。

表3 研究区地下热水的热储温度估算结果(单位：℃)Table 3 Reservoir temperature calculation results ofgeothermal water in the study area(unit:℃)

3 研究区地下热水的腐蚀结垢趋势预测与处理措施

地下热水中因含有众多化学成分而对金属材料具有腐蚀性，一般地下热水中溶解组分含量较高，地下热水在向上运移的过程中，由于温度或压力改变导致溶解的某些物质析出，而地下热水的腐蚀结垢会影响隧道工程施工材料的正常使用。因此，地下热水腐蚀结垢趋势的预测和判别对于铁路的正常施工和运行至关重要。

3.1 雷兹诺指数判断地下热水的结垢趋势

当地下热水中Cl的摩尔当量小于25%时，可采用雷兹诺指数

来判断地下热水中碳酸钙的结垢趋势。雷兹诺指数的表达式如下：

=2pHs-pHa

(3)

利用雷兹诺指数判断地下热水结垢趋势的具体判别标准如下：当

RI<

4.0时，结垢非常严重；当

RI=

4.0～5.0时，为结垢严重；当

RI=

5.0～6.0时，为结垢中等；当

RI=

6.0～7.0时，为结垢轻微；当

RI>

7.0时，为不结垢。研究区地下热水腐蚀结垢趋势的预测结果，见表4。

表4 研究区地下热水腐蚀结垢趋势的预测结果Table 4 Prediction of corrosion and scale trend of thermalgroundwater in the study area

3.2 拉伸指数判断地下热水的腐蚀结垢趋势

本文采用拉伸指数

来判断地下热水的腐蚀性，当地下热水中Cl的摩尔当量大于25%时，拉伸指数

也可用于判断碳酸钙结垢趋势。拉伸指数

表达式如下：

(4)

利用拉伸指数

判断地下热水腐蚀结垢趋势的具体判别标准如下：当

<0.5时，为结垢性水，没有腐蚀；当

LI>

0.5时，为腐蚀性水；当0.5

<LI<

3.0时，为轻腐蚀性水；当3.0

<LI<

10.0时，为强腐蚀性水。利用拉伸指数

对研究区地下热水腐蚀结垢趋势的判别结果见表4。

3.3 拟建中尼铁路通过研究区的处理措施

拟建中尼铁路北方案途经拉孜县和萨迦县，距北方案最近的锡钦温泉位于北方案AK130+000右侧1.4 km处。研究区地热资源丰富，对隧道工程的建设有一定的影响，为此提出以下处理措施。

(1) 由于研究区岩性多变，工程施工前需要做好超前地质预报工作，为隧道工程的热害问题提供有效的防治措施。

(2) 萨迦县和拉孜县地热发育，会影响隧道工程施工，降低施工效率，并会影响铁路的安全和使用等，因此拟建线路应尽量绕避研究区地热发育区，无法绕避时，尽量以桥梁形式通过。其中，卡乌温泉发育地质历史时间长，古泉华最厚处达50 m以上，泉口出露温度达到当地沸点，目前国内外尚无处理高温热水的经验，故隧道工程必须绕避卡乌温泉区。

(3) 卡乌和曲参岗地下热水具有腐蚀性，对施工建筑材料具有一定的腐蚀性，故应注意铁路工程建设中选取材料的防腐性。

4 结论

(1) 研究区卡乌地下热水的水化学类型为Cl-Na型，曲参岗地热水为Cl·HCO-Na型，锡钦地热水可能是受到冷水混合的影响，其水化学类型为HCO-Na·Ca型。

(2) 卡乌、曲参岗地下热水的水化学组成主要受蒸发/沉淀作用的影响，锡钦地下热水的水化学组成主要受蒸发/沉淀作用和水-岩相互作用的共同影响。

(3) 卡乌地下热水为40年以前的“古水”占优势的水，锡钦地下热水为新近入渗水和古水的混合水。

(4) 研究区地下热水中阳离子未达到平衡状态，卡乌、曲参岗和锡钦地下热水中玉髓矿物溶解达到平衡，根据SiO温度计估算出卡乌地下热水的热储温度可能为151.50℃，曲参岗地下热水的热储温度可能为98.51℃，锡钦地下热水的热储温度可能为68.37℃。卡乌地下热水属于高温地热资源，曲参岗地下热水属于中温地热资源，锡钦地下热水属于低温地热资源。

(5) 研究区地热资源丰富，可用于发电、工业利用等，建议地热资源开发利用过程中要加强对地质环境问题的监督，为避免引起环境地质问题，可考虑对尾水进行回灌，以达到采灌均衡。

(6) 研究区地热资源发育，拟建线路应尽量绕避研究区地热发育地段，无法绕避时，尽量以桥梁形式通过。其中，卡乌温泉为高温地热资源，泉口出露温度达到当地沸点，目前国内外尚无处理高温热水的经验，隧道工程必须绕避卡乌温泉区。

致谢：感谢西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队在资料收集、野外样品采集等方面提供的帮助。