搭格架溫泉水化學(xué)特征及其約束因素研究

  長(cháng)期以來(lái), 地熱流體的起源和演化研究是地熱學(xué)研究的焦點(diǎn), Craig H.(1963)發(fā)現地熱水的氫同位素組成總是與當地地下水相似, 基于類(lèi)似的同位素測量數據, 他認為熱液中的水大都源于大氣降水。Elli s 和Mahon (1964)發(fā)現大多數地熱水的化學(xué)成分源于地熱水對地殼巖石溶濾。同時(shí), 還認為地熱水的熱量主要源于地熱增溫, 巖漿(或巖漿巖) 在這一系列過(guò)程中的作用很有限。Giggenbach(1987)在長(cháng)時(shí)間研究新西蘭懷特島的火山及其熱能釋放之后, 發(fā)現巖漿(或巖漿巖)對地熱的貢獻遠比原來(lái)所設想的大, 這一發(fā)現也被同時(shí)代的許多勘查地質(zhì)學(xué)家所證實(shí)(Bonham , 1986 ;Hedenquist, 1987 ;Whi te 等, 1990)。搭格架地熱區作為我國最大的地熱間歇噴泉群(佟偉等, 1981), 自1975 年由中國科學(xué)院青藏高原綜合科學(xué)考察隊發(fā)現至今, 一直受到我國廣大地球科學(xué)工作者的關(guān)注。佟偉等(1981)在《西藏地熱》一書(shū)中對搭格架地熱區進(jìn)行了較為詳盡的描述。20 世紀80 年代末, 鄭綿平等發(fā)現該地熱區溫泉水及泉華中Cs 元素異常富集, 經(jīng)過(guò)長(cháng)期研究發(fā)現, 其已構成一種世界上沒(méi)有先例的新型銫礦床, 并具有重要的理論意義。同時(shí), 在銫資源的開(kāi)發(fā)利用方面也做了相關(guān)探索并取得較好成效(佟偉, 1997)。趙元藝等(2006 , 2007 , 2008)長(cháng)期在搭格架地熱區從事巖石學(xué)、礦床學(xué)、礦床地球化學(xué)以及年代學(xué)等研究。

 

  前人的研究已經(jīng)涉及到搭格架地熱區的諸多方面, 并且許多研究也已經(jīng)相當深入, 但專(zhuān)門(mén)就該地熱區溫泉的水化學(xué)特征以及各種制約因素的研究相對很少。筆者結合國內外近幾十年的研究成果, 從水化學(xué)的角度探討了該地熱區溫泉水的化學(xué)組成及其約束性因素, 這對研究該地熱區地熱流體的起源、演化以及地熱系統可能產(chǎn)生的環(huán)境效應有相應的理論意義。

 

  1  區域地質(zhì)背景

 

  搭格架地熱區位于印度河-雅魯藏布江縫合帶中段, 岡底斯陸緣巖漿弧的南緣。區內斷裂構造發(fā)育, 主要為一系列張性正斷層, 搭格架地熱區正好位于一個(gè)南北向的小型地塹盆地的邊緣。

 

  搭格架地熱區主要被第四系沉積物所覆蓋, 研究區域內主要出露地層單元有:漸—中新統大竹卡組(E3N1d)砂巖夾泥巖, 古—始新統典中組二段(E1 -2d2)流紋質(zhì)火山巖夾凝灰質(zhì)砂巖、流紋巖, 早—中白堊統昂仁組一段(K1 -2a1)深灰色、灰黑色砂巖、細砂巖頁(yè)巖韻律層、灰巖透鏡體。其中, 典中組具有典型的弧內盆地沉積的特征。而昂仁組為復理石連續沉積, 依據Dickinson (1979)的劃分標準, 昂仁組應屬于弧前殘留盆地沉積(余光明等, 1990)。區內出露的巖漿巖主要是中粒斑狀黑云二長(cháng)花崗巖。

 

  2  樣品采集與測試

 

  筆者所在的研究小組于2009 年7 月28 ～ 29 日,對搭格架地熱區進(jìn)行了考察和采樣。野外用美國Hach 公司產(chǎn)便攜式水質(zhì)分析儀(0.1 ℃、0.01 pH 、1 μs/cm、0.1 %)測定溫泉水溫度、pH 和電導率(EC);Ca2 + 、CO32 -和HCO3-采用德國Merck 公司便攜式試劑盒滴定(2 mg/ L 和0.1mmol/L)。取水樣用酸洗凈的聚四氟乙烯塑料瓶采集, 采樣前用溫泉水潤洗三遍后分別采集用于陽(yáng)離子分析(加1 ∶1HNO3)、陰離子分析的水樣。

 

  K+ 、Na+ 、Ca2 + 、Mg2 +等主要陽(yáng)離子, 以及其他微量元素測定采用美國Perkin-Elmer 公司的Optima 2100 DV 全譜直讀型ICP-OES 測定(0.001mg/L);Cl-采用滴定法測定(0.1 mg/L)。利用日本島津公司生產(chǎn)的UV2450 紫外-可見(jiàn)光分光光度計測定水樣主要陰離子含量:NO3-采用紫外分光光度法, PO43 -用磷鉍鉬藍光度法, F-用茜素絡(luò )合劑比色法, SO42 -用硫酸鋇比濁法(0.01 mg/L)。

 

  3  結果與討論

 

  3.1  水化學(xué)組成

 

  由搭格架地熱區各種水樣的主要化學(xué)組成, 可以看出溫泉水中陽(yáng)離子以Na+含量最高, K+次之, 其余兩種離子含量都很低;陰離子以HCO3-為主, Cl-為次, 其余陰陽(yáng)離子含量相對較低, 平均礦化度為1 524 mg/L ?；贚angelier-Ludwig 圖解(Francesco 等, 2000), 筆者對地熱區的溫泉水與地表水進(jìn)行分類(lèi), 可以看出, 樣品點(diǎn)明顯的分為了兩大類(lèi)。所有的溫泉水樣品都落在了B 區, 其主要陽(yáng)離子類(lèi)型為Na 型, 離子為HCO3 型;兩個(gè)地表水樣投點(diǎn)分別落在了B 區和D 區。其中, 長(cháng)馬曲河水為HCO3-Ca 型;打加芒錯水為HCO3-Na 型,這可能是部分溫泉水在局部與湖水發(fā)生混合造成的。

 

  由表1 數據可以看出, 區內溫泉水具有較高的Na/Cl 值, 溫泉水中的Na/Cl >1 , 說(shuō)明溫泉水在地下曾發(fā)生過(guò)強烈的水巖反應(Yildiray P.等, 2008)。

 

  因此, 利用K-Na-Mg 圖解(Giggenbach , 1988)來(lái)檢驗溫泉水的演化情況, 以及水巖作用進(jìn)行程度。

 

  從圖3 中可以看出, 大部分樣品的投點(diǎn)落在了完全平衡線(xiàn)以外, 僅有2 個(gè)樣品分別落在了部分成熟水和未成熟水區域內?？梢?jiàn), 搭格架地熱區的溫泉水演化程度很高, 熱儲中進(jìn)行的水巖作用異常強烈,已經(jīng)達到完全平衡狀態(tài)。這也間接指示該地熱區的熱儲發(fā)育完整, 冷水下滲與熱水發(fā)生混合的可能性較小。

 

  3.2  水巖作用過(guò)程

 

  3.2.1  典型熱液礦物在溫泉水中的飽和狀態(tài)

 

  通過(guò)對十余種典型熱液礦物的飽和指數(SI)

 

  的計算, 可以定性判別溫泉熱液中的各種化學(xué)反應進(jìn)行的方向, 由此可推斷熱液在遷移過(guò)程中由于溫度、壓力和氧化還原條件等發(fā)生改變時(shí)可能發(fā)生的化學(xué)變化。利用美國地質(zhì)調查局的PHREEQC 模型, 對樣品的水化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)模擬, 計算出各種礦物的飽和指數和主要氣體在水中的分壓(PO2 、PCO2 )。

 

  由計算出的SI 值可以看出, 除玉髓、石英和無(wú)定形態(tài)SiO2 以外, 大部分樣品的其余熱液礦物的飽和指數都是負值, 這說(shuō)明溫泉熱液從熱儲流出之后只有這3 種熱液礦物可能產(chǎn)生沉淀而析出, 這一結果與野外所觀(guān)測到的大面積硅華沉積物是相一致的。

 

  由于大部分典型熱液礦物的飽和度指數都為負, 即不會(huì )發(fā)生沉淀, 這也從另外一個(gè)側面反應出熱液蝕變作用不太強烈。PO2值非常小, 說(shuō)明溫泉在流出地表之前一直在一個(gè)相對還原環(huán)境下運移, 較高的PCO2是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的。

 

  由于搭格架地熱區溫泉水在熱儲中所經(jīng)歷的水巖反應已經(jīng)達到完全平衡, 所以可以利用金屬離子地質(zhì)溫度計計算熱儲平衡溫度。K-Na 溫標作為一種常用的地質(zhì)溫度計能夠較為準確的計算出水巖平衡反應條件下的熱儲平衡溫度, 筆者采用Can (2002)K-Na 地質(zhì)溫度計(標準均方差0.179 ℃)計算熱儲平衡溫度TK -Na 。

 

  3.2.2  主要成分的礦物約束探討(活度圖解)

 

  搭格架地熱區溫泉深部熱儲平衡溫度范圍在215.34 ～ 284.72 ℃ , 平均為251.36 ℃, 取此溫度作為參考溫度。同時(shí), 溶液中氣、液相共存,水在各組成成分中占有主導地位, 滿(mǎn)足活度圖解應用的條件(Luigi M 等, 2003)。

 

  圖4-A 、圖4-B 為Na2O-Al2O3-SiO2-H2O ,K2 O-Al2O3-SiO2-H2 系統活度圖解, 這些圖解都是研究的相的沉淀, 是鉀、鈉長(cháng)石非均一性溶解的結果(Parkhurst 等, 1999)。由圖4-A 可以看出, 圖解設置了4 個(gè)相———鈉長(cháng)石、三水鋁礦、高嶺石和鈉云母。由水樣投點(diǎn)位置可以看出, 水中Na+的活度主要由鈉長(cháng)石控制。圖4-B 所表現的趨勢與A 大致相同, K+的活度主要受到鉀長(cháng)石的控制。由圖解可以看出, 大部分樣品投點(diǎn)的位置與石英飽和線(xiàn)和玉髓飽和線(xiàn)非常接近, 這說(shuō)明當溫泉水離開(kāi)熱儲后這兩種礦物會(huì )首先發(fā)生沉淀, 其結果與模型模擬的結果是一致的。

 

  3.3  溫泉水微量元素組和特征

 

  由溫泉水樣的微量元素組成可以看出,Cd、Mo 和Al 三種元素的含量都遠高于正常值。用SPSS 軟件以皮爾遜(Peason)相關(guān)系數為標準, 對水樣的微量元素(Cr 除外), 進(jìn)行R 型分層聚類(lèi)分析(圖5), 在距離15 以?xún)? 所有元素分為了兩簇:一簇為Ba 、Sr 、Mn 、Cu , 具有花崗巖來(lái)源的特征(余光明等,1990);另一簇為Fe 、Al 、Zn 、Mo 、Cd , 盡管有Fe 的存在, 但由于其含量極低, 所以這個(gè)組合依然認為是花崗巖來(lái)源, 尤其作為是花崗巖源典型元素和高溫成礦元素的Mo 在水中的含量已經(jīng)達到含礦(銅鉬礦或多金屬礦)異常, 進(jìn)一步指示了花崗巖體對溫泉水化學(xué)特征的貢獻較大。搭格架地熱區所處的區域內并未見(jiàn)有近現代火山活動(dòng), 由此推斷區域內存在的花崗巖或花崗斑巖體尚未完全冷卻。

 

  4  結論

  (1)搭格架地熱區的溫泉水類(lèi)型為Na-HCO3 型水, 礦化度較低, 這種類(lèi)型的水反應了水的演化是在一個(gè)還原條件下進(jìn)行的, 說(shuō)明溫泉水的循環(huán)深度較大, 水中極低PO2也從另一個(gè)側面支持了這一結論。同時(shí), 溫泉水具有較高的Na/Cl 值, 說(shuō)明溫泉水在地下曾發(fā)生過(guò)強烈的水巖反應, K-Na-Mg 圖解指示熱儲中的水巖反應達到了平衡狀態(tài), 并間接指示該地熱區熱儲發(fā)育較為完整, 這與當地地質(zhì)背景吻合———熱田區內出露的大竹卡組砂巖夾泥巖構成了熱儲良好的蓋層。

 

  (2)溫泉水中各種礦物飽和度指數模擬結果顯示, 溫泉水在從含水層向地表遷移過(guò)程中會(huì )發(fā)生硅質(zhì)沉淀———硅華, 這一結論與現場(chǎng)觀(guān)測到的現象是一致的。另外, 溫泉水中較高PCO2 是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的, 并且這種具有高PCO2分壓的熱水在向地表遷移的過(guò)程中極易發(fā)上CO2 脫氣。利用K-Na 地熱溫標計算出該地熱區熱儲平衡溫度均值為250 ℃左右, 為中溫型熱儲。

 

  (3)活度圖解顯示溫泉水中Na +和K +活度主要受到鈉、鉀長(cháng)石的控制, 這兩種礦物均為花崗巖和各種酸性噴火山巖的主要組成礦物, 加之微量元素組成特征為典型的花崗巖源, 由此認為區域內大面積出露的黑云母二長(cháng)花崗巖為溫泉水化學(xué)特征的主要約束因素。同時(shí), 區內未見(jiàn)有近、現代火山活動(dòng),加之高溫成礦元素Mo 的異常富集, 由此推測區內存在作為熱源的尚未完全冷卻的巖體。

 

  綜上可以認為, 搭格架地熱區處在一個(gè)特殊的構造部位, 各種斷裂構造極其發(fā)育, 這為大氣降水的深循環(huán)創(chuàng )在了良好的構造條件, 其溫泉水化學(xué)特征直接受到區域地質(zhì)背景的約束。