引用本文
王旭东, 刘海, 刘桂建. 阜阳地区地热水化学特征及同位素分析[J].中国地质调查, 2018,5(6): 11-17.
WANG Xudong, LIU Hai, LIU Guijian. Chemical characteristics and isotope analysis of geothermal water in Fuyang area[J].Geological Survey of China, 2018,5(6): 11-17.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2018.06.02
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阜阳地区地热水化学特征及同位素分析
王旭东1,2, 刘海2, 刘桂建1
1.中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥 230026
2.安徽省公益性地质调查管理中心,合肥 230041

第一作者简介: 王旭东(1975—),男,高级工程师,博士研究生,主要从事资源环境及地质灾害防治等工作。Email: 307271268@qq.com。

收稿日期: 2018-05-28
基金资助: 安徽省地勘项目“阜阳城区地热预可行性勘查、亳州地热资源详查(编号: 2013-j-2-24及2010-1-17)”资助
摘要

为研究阜阳地区地热形成机制的控制作用,在分析研究区地热地质条件的基础上,利用已有的勘探井水质资料,对研究区地热水的化学特征进行了分析,得出地热流体在垂向、横向上的分布特征,揭示了太古宇五河群风化壳可以构成热储,其较低的总溶解固体(total dissoloved solids,TDS)不同于区域常见的新近系馆陶组、古近系界首组热储。同时,利用大气降水和地热水的稳定同位素资料,研究得出区内地热水的来源主要为大气降水,大气降水经侧向径流补给和蒸发/浓缩作用形成了高TDS地热流体; 利用地热水放射性同位素资料估算了研究区地热水年龄。通过地热水化学、同位素及控热构造等研究,建立了研究区地热资源形成的概念模型,为该地区地热开发利用提供了指导。

关键词: 地热水; 水化学特征; 同位素分析; 阜阳地区
中图分类号:P314;P592;P597 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2018)06-0011-07
Chemical characteristics and isotope analysis of geothermal water in Fuyang area
WANG Xudong1,2, LIU Hai2, LIU Guijian1
1. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2. Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230041, China
Abstract

In order to study the control function of geothermal formation mechanism of in Fuyang area, this paper analyzes the hydrochemical characteristics of geothermal water on the basis of the existing data of exploration wells and geothermal and geological conditions. And the characteristics of vertical and horizontal distribution of geothermal fluids were obtained. The authors also revealed that there was thermal storage in the weathering shells of Archaean Wuhe Group and it had lower total dissolved solids (TDS), which was different from common thermal storage of Neogene Guantao Group and Paleogene Jieshou Group. At the same time, the stable isotope data of atmospheric water and geothermal water indicate that atmospheric water is the main source of geothermal water in the research area and that the high TDS geothermal fluid was formed by the lateral runoff supply and evaporation/concentration of atmospheric water. The geothermal water radio-isotopes were also used to estimate the age of geothermal water. The conceptual model for the formation of geothermal resources was established through the study of geothermal water chemistry, isotope and heat control structure, which could provide some guidance for the development and utilization of geothermal resources in this area.

Keyword: geothermal water; hydrochemical characteristics; isotope analysis; Fuyang area
0 引言

地热是一种集水、热、矿于一身的洁净能源, 也是一种宝贵的矿产资源, 它的形成需要特定的地质条件[1]。阜阳地区位于黄淮海大平原南端, 安徽西北部, 地处大别山造山带以北, 郯庐断裂带以西, 隶属于华北地台南延周口坳陷东部。区内亳州— 阜南断陷盆地深部地热资源丰富, 存在多层热储, 除常见的新近系馆陶组、古近系界首组外, 在太古宇五河群风化壳中也存在热储, 其较低的总溶解固体量(total dissoloved solids, TDS)在皖西北具有一定的代表性。为此, 本文在分析区域地热地质条件的基础上, 结合已有成井水质资料, 探讨该区域地热水化学特征, 分析了地热流体同位素地球化学特征。

1 地热地质条件
1.1 地质构造特征

研究区地处周口坳陷东部、淮北平原西北部, 地形总体平坦。从南到北包含有南部的阜阳、临泉凹陷及太和隆起, 中部的倪丘集、三塔集凹陷及古城低凸起, 以及北部的颜集、鹿邑凹陷和亳州凸起等二级构造单元(图1)。

图1 构造单元及研究区位置示意图[2]Fig.1 Sketch of tectonic units and location[2]

阜阳地区自古生代以来, 共经历了古生代克拉通盆地、早白垩世走滑拉分盆地、古近纪断陷盆地、新近纪— 第四纪坳陷盆地4个演化阶段[2]。其中在区域拉伸背景下, 古近纪断裂活动强烈, 差异升降运动明显, 主要的断裂有NNE和NE向, 如阜阳深断裂、颜集断裂等。新近纪以来, 太平洋板块自东向西持续俯冲和印度洋板块自南向北的挤压, 导致这一时期中国东部盆地普遍受压、抬升、消亡, 结束断陷盆地的演化历史, 阜阳地区整体均衡沉降坳陷[2]。

1.2 地层结构特征

阜阳地区分布的地层主要有: 新太古界霍邱群(Ar2hq)、五河群(Ar2wh), 顶板埋深768 m左右(据亳州BR01孔资料)[3]; 中生界白垩系新庄组(K1x)、张桥组(K2z), 岩性为砂砾岩、细砂岩、砂岩、泥岩及灰岩等, 厚度大于611 m; 新生界古近系古新统双浮组(E1sh)、始新统界首组(E2j), 岩性为紫红色砂砾岩、粉砂岩、泥岩等, 总厚度1 205 m; 新近系的馆陶组(N2g)、明化镇组(N2m), 岩性下部为厚层含砾细至粗砂岩, 泥岩与泥质粉砂岩互层, 中上部为粉砂质泥岩与细砂岩互层, 含铁质结核及钙锰结核, 新近系固结程度较低, 呈半松散状; 第四系(Q)分布全区, 覆于前第四纪地层之上, 厚度130~180 m, 东南薄, 西北厚[3, 4](图2)。

图2 研究区地质剖面图(依据地热钻井做局部修改)[2]
1.新近系+古近系; 2.始新统界首组; 3.古新统双浮组; 4.寒武系+奥陶系; 5.石炭系+二叠系; 6.白垩系; 7.三叠系; 8.新太古界五河群; 9.新太古界霍邱群Fig.2 Geological profile(local modification according to the geothermal drilling data)[2]

1.3 热储边界条件

根据已有勘查资料[3, 4], 阜阳地区热储主要以新近系和古近系为主, 为层状分布、构造控制的盆地型热储, 热储边界条件受断裂、基底地质构造以及地层结构控制和影响。但亳州西部地热井BR01井(图2、图3)首次从Q+N地层直接揭露了太古宇五河群变质岩(未出现C-P、-O), 并且发现了该五河群变质岩风化壳也存在热储, 水质矿化度低, 水量大。该地层揭露同时也改写了前人关于本区寒武系、奥陶系的地质记录资料[5]。新近系热储主要储存于新近系下段馆陶组下部的粉砂、粉细砂、细砂、中细砂层中, 热储底板埋深900 m左右, 热储厚度200 m左右。古近系地热水主要储存于双浮组、界首组细粒砂岩、中粒砂岩孔隙中, 底板埋深2 100 m, 热储层厚度一般300~600 m。地热水温度为40~60 ℃。

图3 地热概念模型Fig.3 Conceptual model of geothermy

1.4 地热概念模型的建立

研究区热储可分为新近系、古近系和太古宇五河群热储, 其热源主要来源于放射性元素的热蜕变和上地幔。与相邻地区相比, 莫霍面相对较浅, 对地幔热能的传递较为有利。其盖层为上部第四系及新近系黏土、粉质黏土交互成层组成。根据研究区各热储层水化学特征及地热流体年龄差异(分析见后), 得知地热流体以远处的侧向补给为主, 来源于地质历史时期的大气降水, 经蒸发 / 浓缩作用形成。另外, 其基底起伏(东西向亳州隆起、阜阳凹陷等控制盖层厚度)及断裂构造(南北向阜阳、亳州断裂等形成导水通道)分布有利于地球内热能向研究区热储层传递。其概念模型见图3。

2 地热水化学特征

阜阳地区区内从南至北已有的地下水开采井水化学成分分析结果(表1)显示: 在整个研究区内, 垂向上(150~900 m), 地下水化学类型以HCO3· Na型为主, pH值8.2~8.5, TDS为450~750 mg/L, 属软水、淡水; 900~1 600 m, 地下水化学类型以Cl· Na型为主, pH值7.3~8.0, 总硬度100~1 600 mg/L, TDS为2 600~14 000 mg/L, 为硬水、微咸水— 咸水。

表1 地下水开采井水化学成分分析结果 Tab.1 Analysis of the chemical composition of underground water from wells

从地下水Piper三线图(图4)也可以看出, 阜阳地区地下水化学类型在菱形图中分布比较集中, 基本可分为2种类型: 900 m以浅的主要为HCO3· Na型水; 900 m以深的为Cl· Na型水。亳州十八里工业园(BR01)处于2种水类型之间, 偏向HCO3· Na型水, 可能受下部五河群风化壳水的影响所致。

图4 阜阳地区地热地下水化学Piper图解Fig.4 Chemical Piper diagram of geothermal water and groundwater in Fuyang

由表1可知, 作为主要热储层位的新近系馆陶组地热流体, 其水化学组分含量在平面上差异较小(如TDS含量, BR03与BR04相差不大), 在垂向上差异较大(如TDS含量, BR02与BR03相差近1倍), 总体随着深度增加, TDS增高, 浅部的均小于1 000 mg/L, 而900 m以深的均大于2 600 mg/L, 大于上覆层位热水TDS含量的4倍。横向上, 从南至北(阜南— 阜阳— 太和— 亳州), 热储层(新近系、古近系)底板埋深呈加深趋势, 但在北面亳州隆起处出现太古宇五河群风化壳热储, 为新发现热储层位, 热储埋深900 m以深, TDS含量较低。据图1, 亳州隆起为东西向面状分布, 结合BR01钻孔资料, 推断该层热储在皖西北部具有一定的代表性, 其水化学类型也不同于新近系馆陶组Cl· Na型。

3 地热水同位素分析
3.1 地热水来源

同位素是地球化学综合反映的重要指标, 是地热成因分析的重要依据之一[6]。本次研究共收集了研究区同位素测试样24个, 其中氢氧稳定同位素16个, 14C放射性同位素8个。测试单位分别为桂林岩溶研究所测试中心、中国地质科学院水文地质环境地质研究所测试中心。样品主要采集于地热流体、地表水和雨水。具体测试结果见表2。

表2 各采样点稳定同位素分析结果[4, 5] Tab.2 Results of stable isotope analysis for each sample point[4, 5]

3.1.1 δ D、 δ 18O同位素分析

D(氘)和18O在自然界中含量分别各占氢和氧所有稳定同位素总量的0.14‰ 和2.05‰ (相对丰度)。对地热流体、地表水和雨水采样测定δ D和δ 18O, 测试结果(表2)表明: 五河群— 新近系BR01井地热流体δ D、δ 18O分别为-74.5‰ 、-10.66‰ (VSMOW, VSMOW为维也纳标准平均海水)[5, 6]; 古近系各井(BR02、BR03、BR04、BFY01、FR03、BFY01)地热流体δ D、δ 18O分别为-72.6‰ ~-64.0‰ (VSMOW)、-9.62‰ ~-8.4‰ (VSMOW), 地表水分别为-132‰ ~-55.2‰ (VSMOW)、-17.8‰ ~-7.60‰ (VSMOW), 当地大气降水分别为-45‰ ~-19.5‰ (VSMOW)、-6‰ ~-4.24‰ (VSMOW), 均在全国大气降水线的δ D(-400.0‰ ~10‰ , VSMOW)、δ 18O(-60‰ ~0, VSMOW)之列(图5)。

图5 地热流体δ D和δ 18O值与全国现代大气降水线的关系Fig.5 Relationship between δ D-δ 18O of geothermal water and national meteoric water line

由图5可见, 地热流体δ D和δ 18O的值稍偏离全球大气降水线(虚线), 说明地热流体主要来源于大气降水。而本区700 m或1 000 m以浅上覆巨厚黏性土、泥岩及砂岩等隔水盖层, 难以直接接受大气降水补给, 且地热流体中δ D 和δ 18O均低于全国现代大气降水和地表水, 表明地热流体曾是地质历史时期的大气降水入渗补给的产物[7], 为侧向径流补给水和古沉积水。对研究区低于60 ℃的地热流体, 水和岩土体同位素物质交换反应速度缓慢, 岩土氢氧同位素对地下水氢氧同位素成分组成影响小, 可不考虑。

在同一地热区, δ 18O有一定的变化范围。地热流体温度越高, 水岩作用越强烈, 则δ 18O值越大(向右漂移量越大), 而理论上δ D几乎不变或变化幅度较小。因此在δ D-δ 18O图解上大致分布在一条水平线附近, 此水平线与全球大气降水线的交点接近于地热流体补给源现代大气降水的氢氧同位素组成, 这与当地大气降水的氢氧同位素实测值差距较大(在不同地区的大气降水δ D、δ 18O值变化较大), 说明地热流体补给源距离本地热区较为遥远。

根据前人研究成果, 在Gibbs图中, 若TDS值高且 ρ(Na+)/ ρ(Na++Ca2+)或 ρ(Cl-)/ ρ(Cl-+HCO3-)比值也较高( 接近于1) , 则离子控制机制为蒸发 / 浓缩作用, 且全球所有地表水的离子组分值几乎全落入 Gibbs 图中虚框内[8]。将研究区地下水化学数据投到Gibbs图(图6), 可以清楚地看到研究区深层地下水具有较高的TDS, 各点基本分布在图的右上角。其主要离子控制机制为蒸发/浓缩作用, 这也说明了地热流体非大气降水直接补给, 为较远处的侧向径流补给。因此, 通过以上氢氧同位素分析可得出, 研究区地热流体的主要来源为地质历史时期的大气降水, 受侧向径流补给, 经蒸发 / 浓缩作用形成了高TDS地热流体, 这与实际也是相符的。

图6 阜阳地区地下水Gibbs图Fig.6 Gibbs graph of the groundwater in Fuyang area

3.1.2 氚(3H)同位素分析

氚(3H)半衰期为12.26 a, 衰变时放出β 射线并变为稳定同位素3He, 度量单位为TU。将地下水中3H的测量值与大气降水中的 3H含量比较确定年龄: 若地下水中3H含量小于5~10 TU, 则水是1954年前形成的; 若大于5~10 TU, 则水是1954年后形成的[9, 10]。根据3H含量可以推测50 a以内的地下水年龄。

测试结果表明, 研究区地表水和雨水中的3H含量分别为8.0~19.84 TU、16.40 TU, 为现代水标准值。研究区位于内陆地区, 新近系3H含量的测试结果< 6.6 TU, 古近系地热流体3H含量的测试结果< 2.0 TU, 多介于0.8~4.0 TU之间, 地热流体中部分为1954年以前补给的地下水与现代水的混合物。研究区内地热流体3H含量在2.0 TU左右, 均低于地表水和大气降水, 从而说明循环水混入量极少。结合其水化学特征及大地构造演化史, 可以推断研究区地热可能是在封闭程度较低的的氧化环境中海相残余湖之天然卤水与大陆溶滤水的混合体, 接受历史上大气降水补给, 地热水淡化程度较高。大气降水通过地下水, 与地热流体以压力传导方式交替, 循环缓慢, 地热源流体形成历史久远。

3.2 地热水年龄(放射性同位素14C分析)

14C半衰期为5 760 a, 14C法能测定的最大年龄为(4.0~5.0)万a。地下水在流动过程中, 水与围岩之间发生置换、吸收、沉淀等水岩化学反应。鉴于研究区新近系及古近系地热流体是在深部较封闭的地质环境中形成的, 根据14C浓度测定的地热流体年龄可以作为地热形成历史的基本依据。研究区地热流体14C测试结果(已经过13C校正)表明, 其新近系地热流体年龄为(3.3~4.5)万a, 古近系地热流体年龄为(1.35~2.8)万a。结合表1井深资料, 总体上可看成地热水的年龄随热储埋藏深度的增加而增大。但研究区BR01地热井取水层位位于新近系馆陶组及下伏的五河群变质岩风化壳古老岩石中, 其对14C浓度有一定的影响, 即该测试年龄可能是新近系及五河群热储的综合反映, 出现地热流体测试年龄新近系大于古近系。这一现象也反映五河群热储(含下伏风化层)可能含有基岩裂隙承压水, 其补给径流途径比古近系地热流体漫长。

因此, 研究区新近系、古近系地热流体来自于万年前的大气降水, 部分为1954年以前补给的地下水与现代水的混合物; 新近系地热流体平均年龄4万a左右, 古近系地热流体年龄2万a左右, 这与地质条件及其他佐证是相符的。

4 结论

通过对阜阳地区地热水的水化学特征和同位素特征分析, 可得出如下结论:

(1)在整个研究区内, 垂向上150~900 m, 地下水化学类型以HCO3· Na型为主, 属软水、淡水; 900~1 600 m, 地下水化学类型以Cl· Na型为主, 为硬水、微咸水— 咸水。地热流体水化学组分含量在平面上差异较小, 在垂向上差异较大, 总体随着深度增加而增大, 但研究区西北部五河群风化壳热储, 其埋深浅, TDS含量低, 不同于区域常见的新近系馆陶组、古近系界首组热储。

(2)通过对研究区地热水、地表水、大气降水的稳定同位素δ D、δ 18O和氚(3H)含量进行测定与分析, 结果表明, 阜阳地区地热水的主要补给来源是历史时期大气降水, 经侧向径流补给和蒸发 / 浓缩作用形成了高TDS地热流体。

(3)通过对研究区不同热储层的地下水样放射性同位素14C的测定与分析, 结果表明, 研究区地热水的年龄总体上呈现随热储埋深增加而增大趋势, 不同热储层位地热水年龄存在差异, 新近系地热流体平均年龄为4万a左右, 古近系地热流体的平均年龄为2万a左右。

(4)通过对研究区断裂等构造地热地质条件研究, 结合地热水化学特征及水同位素分析, 建立了研究区地热概念模型。

The authors have declared that no competing interests exist.

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