谷露地热田水文地球化学特征

2022-09-01郝伟林谢迎春周鹏张松孙国强刘军蒋执俊许海洲

世界核地质科学 2022年2期

郝伟林，谢迎春，周鹏，张松，孙国强，刘军，蒋执俊，许海洲

（1.核工业北京地质研究院中核集团地热勘查技术研究中心，北京 100029；2.中核坤华能源发展有限公司，浙江杭州 311113；3.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）

西藏地热资源非常丰富、分布广，已知的温泉及温泉遗迹600 多处，主要分布在喜马拉雅构造带与班公错-怒江构造带之间，其间的NE 向、NW 向、近SN 向活动构造基本控制了地热活动的空间分布［1-3］。众多的活动构造中，那曲-羊八井-多庆错地热活动构造延伸长、规模大，该构造带上人口相对集中、经济发展水平相对较高、交通便利、地热资源最丰富，具备开发利用地热资源的优越条件［4］。羊八井和羊易均已建成地热发电厂，谷露地热田也具有较大的开发潜力。

1974 年以来，前人完成了西藏温泉调查，总结了区域水热地球化学特征［2］；那曲-羊八井-多庆错地热带上的羊易地热田、羊八井浅层热储、拉多岗热田西段、那曲热田浅层开展过勘查评价工作，地质工作程度较高［4］；在谷露地热田开展了水文地球化学［5-7］、气体地球地球化学特征［8］、化探技术方法等方面的研究工作［9-10］。

地热田的温热水是局部水文地质单元内大气降水补给，经过深循环加热后在地表的出露，其水化学组分、特征元素浓度和比例等指示了热储的深部信息，对评价地热地质条件，指导热田开发具有很重要的作用［11］。本文以谷露地热田为研究对象，通过地热田水文地球化学研究，分析地下水来源、热异常分布和深部热储温度等信息，为地热田勘查及选区提供水文地质依据。

1 研究区概况

谷露地热田位于那曲市色尼区古露镇，温热泉出露于谷露裂谷盆地的西侧山前，总体呈北高南低、西高东低的态势，盆内多被沼泽草甸所覆盖，海拔4 700 m 左右。盆地两侧为中低山区，西侧为花岗闪长岩体和灰岩与砂岩互层的变质岩，东侧地势较为平坦，主要为第四系松散堆积物（图1）。谷露地热田位于那曲-羊八井-多庆错地热带的中北部，近NS 向或NNE 向延伸的谷露盆地是上新世至早更新世强烈活动构造形成的地堑型裂谷，区内断裂构造、褶皱及新构造较为发育［9］。

2 取样及分析测试

2017 年以来多次在谷露地热田开展水文地质调查工作，2019 年对该区河水、冷泉、温热泉开展了系统水文地质调查和取样，野外水文地质调查和取样工作按照《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）［12］执行。热矿水全分析由西藏地勘局中心实验室完成，测试仪器为Optima 5300DV、Elan DRC-e、AFS-820 和ICS-1000；水简、微量由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，测试仪器为883 Basic IC pluse、AT-510、ICS-1100 和ICP-MS 2000。

3 谷露地热田水文地质条件

3.1 地表热异常与泉华特征

地热显示主要以温热泉和泉华的形式出露于桑曲两侧，核心热显示区面积约0.7 km2，在谷露热显示区共有热（温）泉口60 余处，大部分为热、沸泉，且泉口处多有气泡逸出，并伴有H2S 气味。泉水温度在23.1～88.2 ℃之间，流量介于0.001～0.482 L·s-1之间，温热泉的总流量为7.95 L·s-1。

热田范围内大小泉华丘有7 处（图1），较大规模的有两处，一处为古泉华丘，在热田西南部，泉华丘上有古泉口残留，东侧较低海拔处多个热泉呈半环状出露；另一处在中西部，发育喷气孔、沸泉和冒气裂隙等，是地表热活动的中心。泉华主要成分为硅质，桑曲东侧部分泉口出现褐铁矿化和白色盐华。

图1 谷露地热田水文地质简图Fig.1 Hydrogeological sketch of Gulu geothermal field

3.2 地下水动力条件

谷露地热田位于桑曲上游，地表水分水岭位于热显示区北侧6 km，西侧为念青唐古拉山，东侧地势较平缓，地热田上游汇水面积约350 km2。其地下水具有完整的地下水补-径-排体系，浅层地下水补给于东西两侧山区，通过基岩裂隙和盆地周边的冲洪积物孔隙汇集到断陷盆地中部，以沼泽和泉水的形式在热显示区附近排泄于地表。

深部高温热水补给于西侧念青唐古拉山的雨水和冰雪融水，沿着山前深大断裂向下渗流，被深部热源加热后沿着盆内主构造破碎带以对流的形式向上运动［13］，运移至中浅层混入来自于盆地上游的地下冷水，在热显示区以温热泉和温水沼泽的形式排泄（图2）。受到盆地浅层地下水向南径流的影响，地下热水的深部通道在热显示区的北部或北侧，并被构造交汇带所控制。

4 水文地球化学特征

4.1 地下水常量组分特征

热水中Cl-主要来自深部物质［14］，是高温地热田的指示元素，与温度和矿化度具有较强的正相关性（图3a 和b），热泉是地下水的排泄区，矿化度随温度升高而增加，显示了地下热水在上升过程中与浅层冷水混合的特征。Na+与Cl-变化趋势较为一致（图2c），高Na+和Cl-浓度是典型地热水的性质，谷露温热泉中Na+的浓度介于735～1 036 mg·L-1之间，平均为910 mg·L-1，Cl-浓度介于560～917 mg·L-1之间，平均为710 mg·L-1，其高值区均在桑曲西侧，是地表热显示的主要分布区。在热水中HCO3-浓度增加的情况下，地热流体中的Ca2+易形成碳酸盐矿物，与Cl-相关性很差（图3d）。

图2 谷露地热田地下水循环示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater circulation in Gulu geothermal field

HCO3-与SO42-为地下水中的常见组分（图3e 和f），HCO3-与Cl-具有一定的相关性，这是因为深部高温流体在压力和温度降低后，CO2脱气导致的HCO3-组分增加［15］，热水中HCO3-和CO32-还有一部分来源于碳酸盐围岩的溶滤作用。SO42-与Cl-的相关性较差，温热水的SO42-浓度与冷水基本一致，谷露热泉水中的硫化物（以S2-计）平均浓度为0.22 mg·L-1，深部热流体中的H2S 没有明显改变热水的SO42-浓度。

4.2 地下水微量学组分特征

根据微量元素和Cl-关系图（图3）可见，Sr2+与Cl-相关性较差（图3g），这是由于Sr2+与Ca2+的地球化学性质近似，受碳酸盐类矿物结晶沉淀的影响较大。F-的浓度与Cl-具有正相关关系（图3h），F-来源于含氟矿物［5］和深部地热流体的升流混合作用［6］，在高温作用下氟的溶解度更高，高浓度的F-是判断热储通道的重要标志。谷露热泉F-浓度介于5.22～14.3 mg·L-1之间，且桑曲西侧高于东侧，热田北部高于南部，在喷气孔和古泉华丘附近水中的F-浓度具有增高的趋势，也是谷露地热田热作用的中心区域。Li+与Cl-呈正相关关系（图3i），最高值出现在喷气孔的水样中，是追索水热上升通道的一种标志。谷露热泉中Cs+浓度平均为4.2 mg·L-1［16］，谷露地热水中的铯也是一种含矿热水资源。

图3 Cl 与地下水主要组分关系图Fig.3 Relationship between Cl and main components of groundwater

4.3 水化学类型

据分析测试数据，谷露地热田周边河水矿化度一般小于0.2 g·L-1，热显示区上游河水的水化学类型为HCO3-Ca。由于高矿化度热泉水的补给，热显示区下游桑曲河水的矿化度略高于上游，水化学类型为HCO3-Ca·Na。

热显示区周边冷水以沼泽水和冷泉的形式出露，水化学类型介于HCO3-Ca（Na）或HCO3·Cl-Na，矿化度介于57～1 263 mg·L-1之间，部分冷水具有混合水的特征（图4）。

图4 谷露地热田水化学piper 三线图Fig.4 Piper diagram of groundwater in Gulu geothermal field

温热泉的水化学类型为HCO3·Cl-Na 或Cl·HCO3-Na 型，矿化度介于2.0～2.9 g·L-1之间（图1），在热显示区有两处矿化度超过2.5 g·L-1，一处位于谷露喷气孔所在的泉华及周边，位于桑曲西岸，热泉的水化学类型为Cl·HCO3-Na 型，是深部地下热水的直接出露通道；另外一处位于古泉华丘周边及桑曲东岸部分地区，分布范围较大，水化学类型为HCO3·Cl-Na 型，温热水的流量相对较小，推测该区域还有其他热通道存在。

4.4 典型高温地热田水化学特征对比

为了更好地反映出谷露地热田的水文地球化学特点，对比分析了那曲-尼木构造带典型高温地热田的水文地球化学特征［17］。由表1可见，高温地热田热水的阳离子中Na+和K+占绝对优势，而阴离子中HCO3-和Cl-浓度最高。其中，Cl-浓度最高的是羊八井地热田的深层热储，其次是谷露地热田和羊八井地热田的浅层热储，接着是宁中地热田和羊易地热田，显示谷露温热泉经历了较强的水岩作用过程。HCO3-浓度最高的是谷露地热田，其热水的矿化度也最高，这与其周边分布的碳酸岩地层有关。

表1 那曲-尼木构造带典型高温地热田水化学测试结果表/（mg·L-1）Table 1 Hydrochemical test results of typical high temperature geothermal field in Naqu-Nimu structural belt

4.5 谷露热水特征系数

温热泉的热水特征系数反应了地下水的封闭程度、变质程度和水-岩平衡状态［18］，常用的有变质系数γ（Na）/γ（Cl）、脱硫系数100×γ（SO4）/γ（Cl）、γ（Na）/γ（K）比等。

谷露地热田热水变质系数γ（Na）/γ（Cl）值介于1.74～2.09 之间，谷露沸泉的变质系数最小，为1.74，由补给区到热显示区，变质程度逐渐增加，谷露沸泉的热水保留了其深部变质作用的特征。

脱硫系数［100×γ（SO4）/γ（Cl）］反映了地层水封闭性，温热泉水为0.35～1.40，平均为1.01，南部古泉华丘及其周边的热泉水脱硫系数要明显小于其他区域热泉水脱硫系数，并且桑曲东岸脱硫系数小于西岸脱硫系数（图5），指示了桑曲东岸热储通道相对闭合。

图5 谷露地热田热水特征系数等值线图Fig.5 Contour map of characteristic coefficient in groundwater of Gulu geothermal field

在地下水迁移过程中，K+容易被植物吸收和胶体吸附，其稳定性较差，γ（Na）/γ（K）比用于判断两者平衡状态，谷露地热田热水γ（Na）/γ（K）比值为12.94～18.33，位于8～20之间，Na+和K+已经处于一个相对稳定的平衡状态［11］，因此Na-K 温标计算的热储温度是可信的。

5 深部热储温度计算和辨别

根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）推荐的计算公式，采用SiO2石英温标、Na-K 温标和K-Mg 温标分别计算了深部热储温度，结果见表3。

谷露地热田地表覆盖了大面积的硅华，SiO2温标采用最大蒸汽损失的石英温标计算公式，估算的热储温度范围介于181～206℃之间；采用Na-K 温标，根据适用于高温地热田的两个公式，计算出的平均热储温度介于215～228℃之间；K-Mg温标计算出的热储温度介于140～243℃之间，部分计算结果小于150℃，该计算公式不适应。

根据Na-K-Mg 三线图［19］，表3 中热泉水样品均位于“部分平衡”区域（图6），由此判断SiO2温标和阳离子温标均可作为参考。

图6 谷露地区地下水Na-K-Mg 平衡图解Fig.6 Giggenbach triangle diagram of the groundwater in Gulu geothermal field

表3 地球化学温标计算结果表/℃Table 3 Calculation results of geochemical temperature scale

根据上文分析，谷露地热田在泉口已经出现硅华，SiO2温标计算的热储温度偏低，代表了400～1 000 m 浅层热储温度。根据羊八井深部热储化学温标与实测值的关系，Na-K 温标与实测值接近［20］。通过γ（Na）/γ（K）比值的计算得知，谷露地热水钠和钾处于相对平衡状态，大于1 000 m 深部基岩裂隙热储的温度可采用Na-K 温标计算的结果，即215～228℃。