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碳酸盐岩热储隐伏型中低温热水的成因与水—岩相互作用研究

马瑞  
【摘要】: 地热以其资源丰富、污染小、运营成本低等优势,正成为受人们青睐的一种新能源,具有重要的经济意义。长期以来,我国的地热研究及开发主要集中在具有地表热显示的中、高温地热田,中低温隐伏型地热资源未受到足够重视。随着传统能源日益短缺及对清洁能源需求量的增大,隐伏型中、低温地热的开发变得目益迫切。而开展隐伏型中、低温热水的成因、机理和水—岩相互作用等基础研究,对该类型地热能源的开发利用具有重要的指导意义。 在太原地区,1995年前只开展过地热资源的零星勘查工作。1995年至今,陆续钻探出17眼热水井。山西省地质工程勘察院曾于2004年和2005年分别完成《山西省太原市西边山热矿水勘查》和《太原市地热水资源调查评价》工作,但以传统的探测手段为主,未对太原岩溶地下热水的形成机理进行过系统的研究。目前为止,对太原地下热水的成因尚未形成统一的认识,对热水分布和形成机制也有待进一步的研究。 本研究对太原岩溶冷、热水进行了全面的调查,尤其是对热水进行了迄今最新最系统的一次调查、采样及测试工作,并深入分析了太原岩溶热水资源的形成机制。论文首先通过研究区地质、水文地质条件,特别是构造特征及其水文地质学意义的分析,对岩溶水系统进行了划分,分析了其水动力特征;借助物探、热红外遥感、钻探测温等技术,分析了岩溶水的温度分布特征,完成了地热水异常区的圈划;然后基于岩溶冷水与热水的温度、水化学和同位素测试数据,从水文地球化学、水—岩相互作用和同位素地球化学三个方面,分析了热水的流动模式;最后,对上述研究成果进行总结,提出太原碳酸盐岩热储陷伏型中低温热水形成的水文地质概念模型。 1.岩溶水温度分布特征 根据热红外遥感解译结果、CSMAT物探工作成果和钻探测温结果,分析了太原奥陶系中统地层岩溶水温度分布情况,发现: (1)从边山到盆地区,整个岩溶水系统的水温呈不断增高的趋势。 (2)不同的岩溶水系统,水温的变化有所不同。①对北山岩溶水系统,从补给区→径流区→排泄区,水温一般都小于15℃,局部排泄区可达18℃。②西山岩溶水系统的水温,总体上呈西北向东南增高趋势,但不同构造区增温程度不同。在汾河以北,水温小于15℃;在镇城底—清徐向斜的东南侧,有明显的水温高值异常区;在王封地垒—三给—西铭主径流带,出现低温异常;在石相—原千峰地区,沿径流方向缓慢增温,至山前断裂带水温变高。③对东山岩溶水系统,沿东北方向至山前排泄带,水温逐渐增大。④在盆地区,亲贤地垒岩溶水温度较高,西温庄、小店区都显示出较高的水温异常。 (3)凹陷区为岩溶热水的赋存提供了良好条件,但巨厚的盖层,对岩溶热水开采的经济性有影响。 2.岩溶水水文地球化学特征 在研究区不同地点和不同深度,分4次共采集地下水(冷、热水)、地表水、大气降水样67组,进行了水化学常量元素、微量元素、气体成分等指标的测试,通过各岩溶水系统不同区段水文地球化学测试数据的对比分析,发现: (1)从补给区→径流区→排泄区,岩溶水水化学类型按HCO_3→HCO_3·SO_4→SO_4的顺序转变,矿化度依次增大,由<0.5 g/l增至~1 g/l,再增至>2 g/l,SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)离子浓度不断增大,HCO_3~-含量基本不变;随岩溶水的温度增高,Sr、Si、Fe、F及一些微量元素含量不断增大。 (2)在水化学三线图上,冷水样与热水样位于不同区域,而位于两者之间的点则显示了冷、热水混合作用的存在。 (3)水化学数据的空间分布特征表明,较冷的排泄区岩溶水可能来自局部流动系统;深部温度较高的岩溶水可能来自于区域流动系统。 3.水—岩作用过程 选择地球化学温标进行热储温度的计算,并由地温梯度推算热水的最大循环深度;利用PHREEQC软件计算所有水样中各种矿物的饱和指数,结合各组分与温度间、不同组分间关系的分析,推断Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)离子及氟、硅、锶的水文地球化学过程,发现: (1)太原热水属“未成熟水”,即水—岩相互作用尚未达到平衡;石英温标比较适于推断热储温度;水文地球化学温标的计算结果表明,太原热储温度介于35℃~68℃,岩溶热水循环深度介于898~2192 m。 (2)热水水化学特征的形成过程主要受碳酸盐溶解及冷、热水混合作用影响。①各岩溶水系统补给区的Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3主要是由碳酸盐和白云岩溶解生成,排泄区的Ca~(2+)则有其他来源,即径流过程中石膏的不断溶解而成。②岩溶水水化学演变存在白云石化作用,即石膏的溶解而引起方解石的沉淀,方解石的沉淀又促进白云石的溶解。③从补给区到排泄区,无论是岩溶冷水还是热水,过剩SO_4~(2-)始终存在且不断增高,表明除石膏的溶解外,SO_4~(2-)必然还有其他来源,可能是地层深部H_2S气体的氧化及黄铁矿的氧化形成。 (3)在太原热水中,氟、硅、锶、铁含量偏高是其共同特征。其中,F离子浓度主要受控于萤石的溶解;硅含量主要受控于石英和玉髓矿物的溶解;锶离子浓度主要受控于天青石矿物的溶解。 4.同位素地球化学特征 与上述水化学分析配套,采集了45组水样用于δD、~3H、δ~(18)O分析,28组水样用于~(14)C和δ~(13)C分析,53组水样用于~(87)Sr/~(86)Sr分析,13组水样用于硫酸盐中硫同位素分析、15组水样用于硫酸盐中氧同位素分析,18组样品用于惰性气体同位素的测试,通过同位素化学测试数据的分析,发现: (1)氢、氧同位素 ①δD—δ~(18)O图中水样点与现代大气降水线的关系表明,岩溶水起源于古大气降水,并且经受了不同程度的蒸发浓缩作用。②岩溶水D、~(18)O同位素存在分层现象,说明处于不同流动系统的地下水,其补给时期不同。③δD、~3H、δ~(18)O的空间分布都证明了冷、热水混合作用的存在。④地下水补给高程的D、~(18)O同位素计算结果表明,西山热水的补给高程为1700~2000 m,西山岩溶冷水的补给高程大约为1500~1700 m,东山热水的补给高程为1700~1900 m。⑤EC—δ~(18)O关系显示,相对于岩溶冷水,排泄区热水经历了较长的水—岩作用过程,证明存在着不同层次的流动系统。 (2)碳同位素 ①~(14)C测试数据表明,西山岩溶水系统热水年龄为13000~18000 a,东山岩溶热水年龄为10000~20000 a,岩溶热水由温度较低的晚更新世大气降水补给。②δ~(13)C测试数据表明,岩溶水中CO_2起源于生物成因或碳酸盐变质作用。 (3)锶同位素 ①锶同位素来源的分析表明:岩溶水~(87)Sr/~(86)Sr比值的分布是典型的碳酸盐中水—岩作用的结果,其空间差异证明存在着不同的流动系统。②~(87)Sr/~(86)Sr—1/Sr关系、~(87)Sr/~(86)Sr—Sr/Ca关系、~(87)Sr/~(86)Sr—δ~(18)O关系的分析表明:热水中可能有寒武系岩溶水的混入;不同岩溶水系统在排泄区深部存在着一定的水力联系;裂隙水与孔隙水之间有混合作用,但两者与岩溶水基本无水联系。③锶同位素冷、热水二元混合模型的计算结果表明,排泄区岩溶冷水中有较大比例的热水混入。 (4)硫酸盐中的硫、氧同位素 ①硫酸盐中硫同位素来源的分析表明:岩溶水硫酸盐中的δ~(34)S值与碳酸盐岩地区常见蒸发岩石膏的δ~(34)S(SO_4~(2-))值比较接近,为石膏来源,黄铁矿氧化来源很少,没有幔源物质的混入;深部岩溶热水硫酸盐中的δ~(34)S值稍大于常见蒸发岩石膏的δ~(34)S,可能有寒武系地层水的混入。②SO_4~(2-)—硫酸盐中δ~(34)S关系及~(14)C—硫酸盐中δ~(34)S关系的分析表明,热水处于强还原环境。 (5)氦同位素 ~3He/~4He比值(即R)及R/Ra比值的分析表明,岩溶热水的氦同位素主要为大气、壳源氦混合而成,无明显三元混合特征,指示了当地热水中不存在岩溶水与幔源热水的混合。 5.热水的流动模式 以岩溶水动力条件、温度场、水化学场和同位素特征研究结果为基础,对三个岩溶水系统的地下水流动模式进行了综合分析,发现: (1)东山、西山岩溶水系统 两者具有类似的流动模型,即在补给区接受补给,随后沿几个径流带,形成局部、中间和区域三个不同层次的流动系统。①局部流动系统的补给高程较低,循环深度最浅,水流途径短,流速快,在岩溶水局部区排泄,水温多低于15℃,水化学类型主要为HCO_3·SO_4型,矿化度小,地下水年龄小,水—岩作用时间最短。②中间流动系统循环深度变深,水流途径较长,流速较缓,形成边山排泄带岩溶冷水,水温多介于15~25℃,水化学类型主要为HCO_3·SO_4或SO_4·HCO_3型,矿化度较高,地下水年龄较大,水一岩作用时间较长。③区域流动系统的岩溶水由更新世古大气降水补给,补给高程高,地下水循环深度最深,水流途径最长,流动缓慢,尤其在靠近排泄区时流动滞缓,使地下水有充足的时间加热,形成岩溶热水,水化学类型主要为SO_4·HCO_3或SO_4型,矿化度高,地下水年龄达10000多a,水—岩作用时间最长;热水在山前断裂带的上升过程中与岩溶冷水混合。 (2)北山岩溶水系统 相对于东山、西山岩溶水系统,具有如下特点:构造发育,具有较好的径流条件;接受较晚时期的降水补给,流动途径短,流速大,交替快;水温多低于15℃;从补给区→径流区→排泄区,水化学类型均为HCO_3—Ca·Mg型,矿化度较低;地下水年龄较小,水—岩作用时间短。 6.热水形成的水文地质概念模型 岩溶热水是由区域流动系统形成,其水文地质概念模型为:在高程较高处的灰岩裸露区,岩溶水系统接受降水入渗或地表水渗漏补给;补给区的岩溶冷水通过区域循环系统,经过较长的渗流途径到达边山排泄带;在流动滞缓,无幔源物质混入的情况下,受较大热流的加热,温度增高;部分岩溶热水在构造断裂带上升,与浅部冷水混合,形成低温水,另有部分岩溶热水深排入盆地隐伏型岩溶区,盆地中的巨厚砂、页岩和第四系、第三系松散堆积物为热水提供了保温盖层,形成了较高温度的岩溶热水。在重力势能和深部热能的双源作用下,区域流动系统中的岩溶水可能存在湍流运动。


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