温泉县北圣泉一带地热流体化学特征分析

2023-07-31齐志龙陆建国王亚璐

西部探矿工程 2023年7期

齐志龙，陆建国，喜英，王亚璐

（新疆地质矿产勘查开发局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091）

温泉县是我国唯一以“温泉”命名的县，地热资源较丰富，县城形成以博格达尔温泉（圣泉）为主的一系列温泉与低温水井[1]，在该区开展了大量的基础水文地质调查工作，并取得了一些认识。乃尉华等探讨了温泉县博格达尔温泉的成因，并对其利用前景进行了分析[2]；顾新鲁等对温泉县地热的成因及成因模式进行分析，并建立了其成因模式；王文昌等运用可控源音频大地电磁测深获取地层物理信息，综合圈定带状热储构造[3]。王亚璐等运用流量测井为温泉县地热资源储量计算提供科学依据[4]。总结前人的研究成果，对于温泉县地热资源的流体地球化学特征方面的研究开展工作较少，且认识不一。随着国家生态文明建设和能源结构战略性调整，逐渐由传统能源逐渐向清洁可再生能源转变，地热资源的综合利用再次提出新高度。鉴于次，本次研究以温泉县北圣泉一带地热为研究对象，运用流体地球化学图解等技术，为温泉县旅游资源开发规划提供了理论依据[5-6]。

1 地热流体化学组分特征

1.1 水化学类型分类

本次研究系统收集了2003～2011年研究区水化学资料及近期测试数据进行了区域内水类型划分（见表1），分析结果如下：

表1 2003～2009年主要流体化学特征一览表

舒卡列夫分类显示研究区潜水水化学类型多以HCO3-Ca（Mg）、HCO3·SO4-Ca 型为主，次为其它类型，地热水水化学类型多以SO4·Cl-Na、SO4-Na 型为主，次为SO4·Cl-Na·Ca、HCO3-Ca·Na。

在派珀（A.M.Piper）图中（见图1），所有温泉县水样中阳离子集中在Ca 角附近，阴离子集中在HCO3角附近。水化学类型以HCO3-Ca型居多。

图1 水样Piper图

1.2 离子含量组分特征

本次研究在研究区实测取得17个水样分析资料主要离子、次要离子、微量成分进行分析，具体如下：

水化学分析数据显示：水样中主要阳离子为Na+、K+、Ca2+、Mg2+，主要阴离子为HCO3-、Cl-、SO42-。研究区Ca2+含量普遍比其它阳离子含量高，阴离子含量以HCO3-较高。阳离子含量除J46、J49、J35水样中Ca2+含量在10%～30%之间，多数水样中Ca2+所占阳离子比例都超过50%，有些高达70%以上。水样阴离子，除J35水样中以SO42-离子含量为75%外，其余水样的HCO3-含量占阴离子比例很高，都在60%以上J11 水样中HCO3-含量在90%以上。

次要离子NH4+除J35水样为0.2mg/L，其它水样含量均小于0.1mg/L,NO3-除J35 水样含量较低为0.8mg/L 外，其它水样含量在2.1～31.6mg/L。微量成分主要有F和Si。以往研究显示：钠、钾盐类占优势的水体中，氟的活性较高，含量较多。研究区水样氟含量，除J35的F-含量为15.8mg/L，其余水样的F-含量均小于1mg/L，含量较低。

Si 在J35 热水井偏硅酸含量为84.3mg/L，明显高于其它冷水井的水样，温泉水中的硅的含量基本上都与温度以及pH值大体上呈正相关。

2 地热流体化学组分动态变化

2.1 地热流体化学组分平面变化

首先，以温泉疗养院为中心的地热异常区流体特征与周边冲洪积平原区流体特征不同：以温泉疗养院为中心的地热异常区水化学类型为SO4-Na 型、SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl-Na·Ca 型，矿化度均大于600mg/L，最高可达4210.4mg/L；而周边冲洪积平原区以HCO3-Ca 型或HCO3-Ca·Na 为主，矿化度均在90～510.6mg/L之间[7-9]。周边冲洪积平原区地下水中Na+、Ca2+及SO42-等离子含量只有温泉疗养院一带的地热异常区的百分之一至千分之一左右，而HCO3-离子却高于地热异常区2～5 倍。Cl-离子含量也只有地热异常区十分之一至百分之一。另外，研究区平面上存在一个呈北东—南西向由北部山前冲洪积平原中下部至中部毗邻地热异常区，一直延伸至南部与花岗岩区接触过渡带，水化学类型以HCO3·SO4-Ca型为主。

其次，研究区地下潜水流体化学类型由HCO3-Ca型过渡为HCO3·SO4-Ca，然后再转变为承压热水SO4-Na、SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl-Na·Ca 型，矿化度由134.6mg/L增加到1479.6mg/L，SO42-离子的含量由22.1mg/L 猛增到662.8mg/L 以上，F-离子的含量由0.4mg/L 猛增到15.9mg/L 以上，反映研究区承压热水流体和周边平原区潜水流体属于不同的地下水循环系统。但在二者的过渡带，潜水水化学类型有所改变，很可能是深部地下热水携带大量硫酸根离子改变过渡带地下水循环所致。

以温泉疗养院为中心地热异常区F-离子含量增大可能是酸性脉岩中氟元素含量高所致。据前人资料分析，酸性脉岩本身就富含较高氟元素，并且酸性脉岩对地下水F-含量富集也起到很大的作用。一方面在构造运动的作用下，断裂带为氟的聚集、迁移提供了空间，使其成为断层脉状水的储存空间和水化学组成条件；另一方面，酸性脉岩本身富氟时，它就成为溶液中氟的提供者。硫酸钠型水中氟浓度会随着钠含量升高而升高（钠含量增高与地下温度的升高有关）；钠的富集导致地热异常区CaF2的溶解度增加，水中pH 值相应增加，导致水含氟量增高。

再次，地下水中H2SiO3富集的最有利地质环境是中酸性侵入岩地层，其次是区域变质岩、喷出岩、碎屑岩地层。地热异常区H2SiO3相对富集，其含量最高可达85.7mg/L。因此，可以进一步从水文地球化学的角度证明：研究区以温泉疗养院为中心的地热异常区局部出露酸性脉岩是深部岩浆活动频繁所致的论断是正确的。同时，H2SiO3含量可以作为确定地热异常区参考性指标元素。

最后，地下水中硼酸（H3BO3）的富集也是地热异常的指示剂，周边冲洪积平原H3BO3含量明显偏低，仅在0.1mg/L 左右，但在以温泉疗养院为中心的地热异常区H3BO3含量却高达14.3mg/L。同时西侧J28 号钻孔处于圈定热储范围西侧边缘部位，H3BO3含量为7mg/L，而东侧Q2 号温泉处于圈定热储范围东侧边缘部位，H3BO3含量达14.3mg/L。由此，将硼酸（H3BO3）作为寻找研究区地热异常区一个指示剂能起到良好效果。

2.2 流体一般化学组份分析

（1）元素离子含量分析。地热异常区地热流水中Na+、SO42-、Cl-等含量较高，这也决定了该地区的水化学类型。J35 号钻孔和Q5 号冷泉水化学特征不同，说明上述井泉属于不同的构造蓄水空间，各自的导水通道和循环深度不同，导致其水温的差异及离子成分含量略有差异。

（2）Na+含量偏高的原因及其来源分析。研究区热储呈带状，受断裂构造控制，属于深循环地热流体成因，在深部高温高压的条件下，结晶岩被淋滤时，钠向溶液中转移的强度将超过钙，水质变为钠型水。同时，硫酸钠的溶解度随着温度的升高呈一定规律变化：10℃时为8.3%；30℃时为24%；50℃为31.8%；温度再升高，其溶解度反而降低。这是硫酸钠的溶解度特征，也是以温泉疗养院为中心的地热异常区水化学类型呈现为SO4-Na型或SO4·Cl-Na型的原因。

（3）研究区其它元素成分对比分析。在水文地球化学中，往往通过水中的某些微量元素比值来确定其水化学特征的相似性，以及确定地热的温标，如：钠与钾比值、硫酸根和钙比值等等。研究区水体中的化学元素比值Na+/K+、Na+/Ca2+、Mg2+/Ca2+、Cl-/F-、Cl-/HCO3-、SO42-/Ca2存在一定规律。对比分析后总体上可将研究区水体归纳为二组：第一组为山前冲洪积平原地下水系统；第二组为温泉疗养院为中心的地热异常区地下水系统。对比分析可以看出，区内Na+/K+、Mg2+/Ca2+、Cl-/HCO3-温标指示比较典型。地热异常区J35号钻孔地段（相当于第二组）Na+/K+和Cl-/HCO3-比值高表示高温，Mg2+/Ca2+比值低表示高温；而周边平原区一般井水地段（相当于第一组）则恰恰相反。这也从另一个侧面验证了第二组地段出露温泉的论断。

3 元素含量偏高的原因及其来源分析

地热异常区地热流水中Na+、SO42-、F-、Cl-、H2SiO3、H3BO3等含量较高，这也决定了区内的水化学类型。冷、热水化学特征不同，说明冷、热水属于不同的构造蓄水空间，各自的导水通道和循环深度不同，导致其水温的差异及离子成分含量略有差异。

3.1 Na+含量偏高的原因及其来源分析

工作区热储呈带状，受断裂构造控制，属于深循环地热流体成因，在深部高温高压的条件下，基底地幔柱主要为花岗岩，其矿物成分主要为斜长石（约占60%～80%），其中含钠矿物风化溶解，在CO2和H2O 的作用下，形成低矿化的Na+离子为主的地下水；其次因为地热水从深部循环上升至地表，温度和压力下降，致使部分CO2从水中游离溢出，水中的HCO3-就与Ca2+、Mg2+使部形成CaCO3沉淀，形成脱碳酸作用，因此水中Na+离子含量偏高，也是HCO3-离子含量偏低的原因。

3.2 F-含量偏高的原因及其来源分析

相关研究表明，地热水中氟含量一般不超过10mg/L，其含量受萤石（CaF2）在水岩反应中的退化溶解度限制，高温地热流体中F-含量普遍较低，这与萤石随温度升高而溶解度降低的特性有关。但如果水中富含CO2气体，由于分压作用将水中大量Ca2+移去，析出CaCO3沉淀，水中F-则会过剩。区内热水中F-含量相对较高，与CO2的分压作用有直接的关系。

3.3 偏硅酸含量偏高的原因及其来源分析

一般认为，水体中的偏硅酸主要来源于硅酸盐和二氧化硅矿物的水岩反应，其反应受温度、CO2含量、酸碱度和压力等条件的制约，在同等酸碱度条件下，温度越高、压力越大、游离CO2浓度越高，偏硅酸溶解度越大。相比浅表冷水而言，区内地热水具备温度高、二氧化碳含量高和深循环条件，偏硅酸含量也呈现出明显的高值异常，因此地热田基础温度越高，其值就越大。

3.4 硼酸（H3BO3）含量偏高的原因及其来源分析

相关研究表明，硼酸在自然界以硼酸盐（镁硼酸盐、钙—镁硼酸盐和钙—钠硼酸盐）的形式分布较广，其在高温状态下易溶解，在水中富集。硼酸的溶解度随着温度的升高而增大。温泉县地热田热矿水H3BO3含量在10.2～19.8mg/L，表明工作区热矿水温度在70℃～80℃之间，工作区揭露钻孔最高温度70.1℃，与推测一致。

3.5 SO42-含量偏高的原因及其来源分析

工作区主要受地质构造作用，岩浆活动，其含水层受热液侵蚀，含大量硫及硫化（黄铁矿）物被氧化后，使得难溶于水的S 以SO42-离子形式进入地下水，另外地热水受脱碳酸作用，使得Ca2+以CaCO3形式沉淀，因此SO42-离子含量增多。

3.6 Cl-含量偏高的原因及其来源分析

工作区中热矿水中的Cl-相对浅层冷水含量较高。因为溶滤作用，岩层中原有的氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物会逐渐转入地下水中，其中氯化物最容易转入地下水，随着时间的推移，岩层中的氯化物不断被水带走而贫化，因此一个地区溶滤作用越强烈，地下水更新越快则水中Cl-含量越少。经过计算热矿水的滞留时间约13294～20958 年之间，其溶滤作用相对较弱，则Cl-含量相对较高。