重庆三叠系碳酸盐岩热储成因与水—岩作用过程研究

【摘要】：在石油、煤炭、天然气等传统能源面临枯竭的今天,新能源和可再生能源的开发成为世界经济可持续发展的前提。浅层地热能作为一种可再生的新型环保能源和特殊矿产资源,其开发利用对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的意义。重庆是中国西部唯一的直辖市,其浅层地热资源丰富,主要集中分布在重庆都市圈内的川东平行岭谷地区,其浅层地热资源的开发主要以温泉休闲旅游为主。2011年,重庆市被评为“中国温泉之都”,2012年,重庆市欲打造成为“世界温泉之都”。因此,对重庆地区的浅层地热水的来源、水—岩作用过程以及水中各离子的来源和转换等基础性工作的研究显得尤为重要。本研究对川东平行岭谷地区的地下热水(包括温泉出露和人工钻井)进行野外监测、取样和室内分析,并通过对重庆三叠系碳酸盐岩热储的补给区域、径流过程、物质来源的研究建立重庆三叠系碳酸盐岩热储补、径、排概念模型。 重庆主城区浅层地热水主要为重庆三叠系碳酸盐岩热储热水,其地质特征表现为储水层为下三叠统嘉陵江组的碳酸盐岩。上覆盖层为上三叠统须家河组的致密性砂页岩,下伏底层为下三叠统飞仙关组的碎屑岩夹碳酸盐岩。合理的储水储热构造使得重庆川东平行岭谷地区形成了“山山有资源、峡峡有温泉”的热水库。 重庆三叠系碳酸盐岩储热系统内所有的地下热水水化学性质相近,其基本特征为pH值呈中性,电导率较高,水温30℃～50℃之间,属浅层中低温地下热水,水化学类型为S04-Ca(Mg)型,是典型的碳酸盐岩热储地下热水。其主要阳离子为Ca2+和Mg2+,主要阴离子为S042-和HC03-,除青木关温泉外,S042-和Ca2+、Mg2+随时空变化较小。热水中的方解石和白云石都处于饱和与不饱和的临界状态,没有明显钙华沉积的现象；Na-K-Mg-Ca图解显示地下热水没有达到水岩平衡状态且各个季节地下热水的物质来源基本—致。 重庆三叠系碳酸盐岩热储热水的δD值分布在-63.08%o--48.62%o之间,δ18O的值在-9.5%o--6.47%o之间,δD(‰)和δ18O(‰)值的线性关系为δD=(7.666±0.283)δ180+(6.88±2.35)δD,与全球大气降水线接近,表明其补给来源为大气降水。地下热水δD值的d-excess值都落在d-excess=0‰和d-excess=20‰之间,且主要集中在d-excess=10‰附近,表明在水—岩作用中,没有发生明显的δ180漂移。根据氢氧同位素的高程效应,计算得出重庆三叠系碳酸盐岩热储热水的补给区主要是位于海拔460m-1613m的地区。结合长江、嘉陵江对川东平行岭谷背斜内地下水循环的控制,可以认为地下热水的补给来源为川东平行岭谷北端的岩溶出露区域和川东平行岭谷内岩溶槽谷区,主要是北端的岩溶出露区。 使用高分辨率的自动检测仪器CDTP在线监测北温泉2009-2010年降雨量、北温泉水流量、pH值、水温以及电导率等并分析统计,发现自然出露点地下热水的流量、水温、电导率、以及pH值总体上稳定,但是在一年中,温泉水的流量与当地降雨量存在一定的滞后关系,雨季温泉水流量小,旱季温泉水流量偏大。此外,2008年5.12地震期间对北温泉的水化学特征的监测表明极端地质事件导致北温泉砂岩盖层和含水层裂隙增多、增大,以致盖层裂隙与含水层裂隙贯通,地表或上覆盖层低温水汇入含水层,引起北温泉泉群水温、水量以及水化学特征的变化。 重庆三叠系碳酸盐岩热储地下热水高SO42-而低HCO3-是其最显著的特征,也是研究其水—岩作用的关键。HC03-与Ca2+、Mg2+、Sr2+成负相关关系,HCO3-与SO42-也存在很强的负相关关系,表明Ca2+、Mg2+、Sr2+以及SO42-的存在对HCO3-有一定的抑制作用。 通过HC03-的δ13C和He同位素分析发现重庆三叠系碳酸盐岩热储热水存在幔源来源。其中地下热水中HC03-的δ13C值为-9.73%o-3.12‰,表明参与水—岩反应的C02可能既有生物成因,又可能有幔源成因。地下热水的(3He/4He)的比值R与空气的标准气样3He/4He的比值Ra相比,均大于1,佐证了地下热水有幔源的说法。根据同位素质量平衡原理计算得出参与水—岩反应的CO2中,25.2%-68.73%来自于土壤,幔源的占31.27%-74.8%。 重庆碳酸盐岩热储S042-的含量异常高,且其SO42-的δ34S值在29.70‰-34.32‰之间,异常偏正,体现了下三叠统嘉陵江组二段石膏的δ34S特征。异常高的SO42-源于研究区碳酸盐岩中石膏的溶解,而异常偏正的δ34S值源于四川盆地在早三叠世嘉二期时相对封闭的盐湖环境,强烈的蒸发作用有利于蒸发岩类的形成,水体中的硫酸盐与有机质接触,厌氧微生物的脱硫作用将硫酸盐还原分解出H2S和C02,即细菌从硫酸盐离子中分解出氧,释放出具有比硫酸盐更富集32S的H2S,有利于34s在硫酸盐岩中的富集,导致硫酸盐岩中的34S的增高。 综合地下热水中87Sr/86Sr和δ13C以及SO42-的δ34S值,其中8042-的δ34S较高,体现了三疊系嘉陵江组二段石膏的特征；87Sr/86Sr较低,体现了碳酸盐岩风特征；而雨季温泉水δ348值较旱季偏轻,δ13C值雨季较早季偏重,主要原因是一些地表径流和砂岩裂隙水通过盖层中的裂隙与温泉水混合,导致温泉水中同位素值出现季节性的差异。 根据以上水化学、同位素等监测数据,结合研究区地质背景分析,可以归纳重庆三叠系碳酸盐岩热储的补给区域、径流过程、物质来源并建立其补、径、排概念模型：在高程460m-1613m的川东平行岭谷北端的灰岩裸露区和川东平行岭谷的岩溶槽谷区,大气降水和地表径流等入渗补到一个以碳酸盐岩为储热层,砂页岩为上覆盖层、碎屑岩夹灰岩为下伏底层的碳酸盐岩储水系统。水在此储水层中经历了较长的流动途径,不断吸收周围岩体的热量,同时,少量的幔源物质沿地下的裂隙等进入储水层进行混合,发生了石膏的溶解与有C02和H20参与的碳酸盐岩的风化为主的水—岩反应。在径流过程中,地下热水在断裂带上或者是大江大河深切峡谷时受阻,向上运动,并与浅部岩溶冷水和砂岩裂隙水混合,以泉点或者人工钻井的形式排出。