新疆布尔津县冲乎尔盆地地热资源水化学特征及地下热水成因分析

喜 英,张同良,齐志龙

(1.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;2.新疆工程学院地热研究中心,新疆 乌鲁木齐 830023)

0 引言

地热作为一种新型绿色环保能源,具有资源量丰富、对环境污染小、运营成本低等特点,其潜在的开发利用价值已被越来越多的人所关注。我国是世界上地热资源储量较为丰富的国家之一[1]。近年来,不少学者针对我国地热资源做了相关的研究,尤其是在地热资源赋存规律、水文地球化学特征及其成因模式等方面做了大量研究[2-5]。新疆布尔津县冲乎尔盆地地热资源开发利用具有很广阔的前景,研究区以冲乎尔镇为中心,北至托马尔德布拉克为界,南至库木托别乡山前地带附近为界,东至沙尔扎克山区一带为界,西至冲乎尔断裂一带为界,运用舒卡列夫分类和派珀三线图解分类,通过对比和分析不同区域地下水组分和化学特征,探讨了地热水的来源和成因。根据区内水体的δ18O-D稳定同位素、放射性同位素碳-14年代测定组成特征,结合该区水文地质条件、同位素组成背景,定性、定量分析了地下水体的来源、补给高程、滞留时间,加深了对地下水形成条件的认识,为地下热水成因的研究提供了有意义的参考。本文从水文地球化学角度分析和研究冲乎尔盆地地热水的特征和成因,以其为勘探、开发冲乎尔盆地地热资源提供技术参考。

1 研究区地质背景

研究区以冲乎尔镇为中心,北至托马尔德布拉克为界,南至库木托别乡山前地带附近为界,东至沙尔扎克山区一带为界,西至冲乎尔断裂一带为界,研究区区内交通便利,其中重点研究区以冲乎尔盆地为中心,呈东西向长条状布置,面积140 km2。地理坐标:经度87°00′23.12″～87°15′5.29″,纬度48°3′8.66″～48°14′39.97″。

研究区四面环山,属于冲乎尔盆地中心地带,盆地腹地海拔654 m,四周海拔814～1 606 m,地貌类型有低中山区、山间盆地区2个地貌单元。(图1)低中山区地势北高南低,北部岩石裸露,阴坡森林密布,树枝状的地表径流十分发育,南部地形渐缓,沟谷底部水草茂盛,灌木丛生;山间盆地地貌由布尔津河冲洪积扇组成,地势由北向南倾斜,第四纪沉积物厚,表层土浅,多粗粒物质为其主要特征。

图1 研究区地貌分区图

布尔津县冲乎尔属北温带大陆性气候,其特点是气候寒冷,春季干旱升温快,秋季降温快,冬季严寒而漫长,夏季短少炎热,多风少雨,蒸发强烈,年际变化大,光照充足,昼夜温差大,其趋势是东西差别小,南北变化大。全县多年平均气温5.18℃,降水量为181.68 mm,蒸发量为1 578.6 mm,相对湿度72.1%。研究区内主要发育的河流为布尔津河,发源于阿尔泰山南麓,以友谊峰为源头,自北向南纵贯冲乎尔镇,至布尔津县城西汇入额尔齐斯河。流程全长269.5 km,年径流量42.73亿 m3,丰水年年径流量48.45亿 m3,枯水年年径流量28.15亿 m3。

2 水样测试与分析

本次调查取得3个水样分析资料(表1)。本次工作中的水样样均按《地热资源地质勘查规范》[6]及地热评价方法及估算规程等要求。样品测试由具有相关资质的新疆地矿局第一水文工程地质大队、美国BETA实验室完成,样品测试数据真实、可靠。

表1 水化学基本特征一览表

3 地下水水化学特征

3.1 地下水水化学组分特征

3.1.1 水化学类型

1)舒卡列夫分类

本次调查取得3个水样分析资料(表1),采用舒卡列夫分类水化学类型方法进行划分,该分类方法是根据含量大于25%毫克当量的阴离子和阳离子进行组合[7]。

研究区水化学类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型。因地表与与地下热水混入量的差异,其化学成类型有所不同。

2)派珀三线图解分类

用 AqQA 软件绘制 Piper 三线图,Piper 图常被用来进行地下水水化学类型判别及主要离子组成特征描述[8]。派珀(A.M.Piper)图解法是由两个三角形和一个菱形组成,从三角形中可以看出各种离子的相对含量,从菱形中可以看出水样中的一般化学特征,将研究区水样标在图上(图2),可以较直观地揭示各泉点阴、阳离子含量及交换等有关地下水演化现象。

3.1.2 水化学组分特征

1)Q1为下降泉,地下水属于潜水,Q3、Q4分别位于构造交汇区域,呈点状分布,其pH值在7.60～7.97之间,总体为中性,无色无味。Cl-含量在3.5～21.3 mg/L,SO42-含量在0～96.1 mg/L,HCO32-含量在170.9～207.5 mg/L;F-含量在0.2～0.5 mg/L;Na+含量在8.0～58.1 mg/L,Ca2+含量均为32.1 mg/L;Mg2+含量在14.6～19.4 mg/L;H2SiO3含量在20.9～24.9 mg/L;HBO2含量在0.3～0.9 mg/L;总溶解固体量在178.0～363.8 mg/L之间。

2)Na+/K+值与热储温度背景有关,低比率代表着相对高温,并与热流体上流带或渗透带相关,比值介于20/1到8/1,一般为重要地热田;本次调查水样Na+/K+值4～10.9之间,其中Q3的Na+/K+比值为10.9,说明研究区地下水具有一定热异常显示。

3.1.3 Na-K-Mg三角图

Na-Mg-K 三角图是 Giggenbach 提出的用于评价地热水水-岩平衡状态的一种方法,将地热水分为完全平衡水、部分平衡水和未成熟水三种类[9]。将研究区所采集的地下水中Na、K、Mg质量分数值投影到Na-K-Mg三角图(图3)中。由Na-K-Mg三角图可以看出研究区的所水样点(Q1、Q3、Q4)均靠近右下角顶点处Mg端元,属浅层水区域,这反映了水-岩反应的平衡温度偏低,阳离子在这种环境下不能达到平衡;也可能是研究区地下热水来自较热的环境,在热水向地表上升过程中受到浅层冷水的强烈稀释,热水中原本的矿物溶解平衡被打破。

3.2 同位素化学与地下热水成因分析

同位素分析是研究地下水的一种有效方法,在水文地质学的各个领域得到了广泛的应用。其理论和方法可解决地下水年龄、起源、形成和分布,地下水运动,测定水文地质参数等问题。Craig 统计了全球各地数百个地区大气降水、地表水及地下水中同位素 δD 与 δ18O 值,发现它们之间存在线性关系,建立了全球大气降水线方程 Craig 方程式[10]:

δD = 8δ18O + 10

(1)

在δD-δ18O 图上,这条直线又被称为全球大气降水线。

根据区内水体的δ18O-D稳定同位素、放射性同位素碳-14年代测定组成特征,结合该区水文地质条件、同位素组成背景,定性、定量分析了地下水体的来源、补给高程、滞留时间,加深了对地下水形成条件的认识,为地下热水成因的研究提供了有意义的参考。

3.2.1 补给来源

工作内3个泉点进行稳定同位素δ18O和δD测试,表2。

表2 同位素测试一览表

根据图4、表3可以看出,研究区地下水的δ18O和δD值均在大气降水线附近,说明其补给源均为大气降水[11]。其中Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大气降水线的下方,δ18O发生正漂移,大气降水发生了水-岩氧同位素交换,说明基底温度较高,具有一定的热显示。

表3 各种类型天然水的δ18O和δD值

图4 δD和δ18O关系图

3.2.2 补给高程

研究区地下水来源于大气降水,利用δ值的高度效应(大气降水的δ值随地形高程增加随地形高程增加而降低,可以计算出补给区的海拔高度[12]。中国大气降水的高程效应公式:

(2)

式中:H为同位素渗入高度;δs为水点(泉)的δ18O或δD值;δp为大气降水的δ18O值(取-9.15‰)或δD值(取-66‰);h为水点高程;k为同位素高度梯度,相应于海拔高度每变化100 m的δ18O值的变化(δ18O取-0.58‰/100 m,δD取-3‰/100 m)。

计算结果表4所示,研究区地下水补给高程在2 361.85～3 277.19 m,结合研究区周边地形、地貌及水文地质条件推断,Q3补给区在研究区东侧44 km阿勒泰市北部山区一带;Q1、Q4补给区在研究区东北部77 km阿勒泰山一带。

表4 地下水补给高程计算统计表

3.2.3 滞留时间

根据对研究区水点进行碳-14年代测定,发现地下水年龄在95～1 460 a之间(见表5)。说明Q4地下水从大气降水渗入地表开始通经历了漫长的时间(大于1 000 a)地下水年龄较老,属于深循环地下水,因此可以断定该地下水通过大气降水入渗水后必然顺构造裂隙向深部运动,经过深循环大地热流加热密度降低,再通过深大断裂上涌。该部分水成为研究区地热资源主要补给源。

表5 研究区C14年龄计算表

3.3 研究区热储特性

3.3.1 热储特征

当热储在某一区域内以对流传热为主,平面上呈条带状延伸,具有有效空隙率和渗透性的断裂带构成的热储时则称为带状热储。结合目前勘查精度表明,研究区热储属于带状热储,较高温度的泉点(Q3、Q4)呈点状分布于两组断裂交汇处或岩浆岩脉出露区域;研究区内不同走向断裂纵横交错,构造裂隙极其发育,加上岩浆岩冷凝过程中于围岩形成的大量裂隙,在理想的构造部位形成热储(图5)。

图5 热储概念模型图

即:大气降水(冷水)入渗下潜→地下水深循环加热(大地热流)、密度降低→(地热流体)沿深大构造上升,在上地表一定区域富集。

3.3.2 热储岩性

研究区热储岩性主要为泥盆系、震旦系蚀变黑云母斜长片麻岩、蚀变黑云母斜长变粒岩、霏细岩、花岗岩、火山凝灰岩、英安质火山凝灰岩、英安岩、流纹岩、中酸性晶屑凝灰岩。

3.3.3 热储温度

地热温标是在地热流体矿物质的化学平衡的基础上建立,是指与地下热储温度相关的热水化学浓度或浓度比值,地热流体与矿物在一定温度、压力条件下达到平衡,地热流体上涌至地表温度降低时,这种平衡任然存在,利用地热流体这一特性,通过水质分析结果,采用适用的地热温标法对研究区进行地温估算(表6)。研究区无地热露头,地下水最高温度12.9℃,初步判断为低温地热系统(25℃～90℃),本次采集水样温度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4温度高于平均水温,说明地下热水运移至上地表一定区域混入大量冷水混入;pH值在7.6～7.97之间;由Na-K-Mg三角图可以看出Q1、Q3、Q4属浅层水区域,阳离子未能达到平衡,因此以二氧化硅温标估算研究区热储温度较为科学合理。

表6 地热温标适用性判别条件

二氧化硅地热温标公式如下[13]:

(3)

式中:S为溶液中溶解的SiO2的质量分数,单位为mg/L。

计算结果见表7,热交换温度为68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃,说明研究区基础温度较高具有较大的开发潜力。

表7 二氧化硅温标热储温度统计表

4 结语

(1)研究区水化学类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型,因地表与与地下热水混入量的差异,其化学成类型有所不同。

(2)本次调查取得3个水样其中Q4水年龄为1 460 a之间,说明地下水从大气降水渗入地表开始通经历了漫长的时间,可以断定该地下水通过大气降水入渗水后必然顺构造裂隙向深部运动,经过深循环大地热流加热密度降低,再通过深大断裂上涌,而且Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大气降水线的下方,δ18发生正漂移,大气降水发生了水-岩氧同位素交换,说明基底温度较高,具有一定的热显示。

(3)研究区热储属于带状热储,无地热露头,地下水最高温度12.9℃,初步判断为低温地热系统(25℃～90℃),本次采集水样温度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4温度高于平均水温;pH值在7.6～7.97之间;由Na-K-Mg三角图可以看出Q1、Q3、Q4属浅层水区域,阳离子未能达到平衡,二氧化硅地热温标估算工作区热储温度在68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃;说明工作区具有较好的可进一步勘查的前景。