史 杰,乃尉華,李 明,王 帥,馬小軍,張 靜

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 昌吉 831100；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 喀什 844099；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

曲曼地?zé)崽镂挥谛陆矌鞝柛煽h提孜那甫鄉(xiāng)曲曼村一帶,處于帕米爾高原塔合曼及塔什庫爾干兩個斷陷谷地的接合部位,地?zé)豳Y源豐富。多年來,由新疆維吾爾自治區(qū)國土資源廳出資,我單位在塔合曼、曲曼以及縣城附近開展了地?zé)岬刭|(zhì)勘查和研究工作,曲曼一帶在700 m深度范圍內(nèi)成功鉆取熱儲溫度為161 ℃的地?zé)崃黧w,取得了帕米爾地區(qū)構(gòu)造裂隙型高溫地?zé)豳Y源勘查和研究的重大突破。大量水化學(xué)測試結(jié)果表明,地?zé)崃黧w中“攜帶”了豐富的深部地球化學(xué)信息。已有研究[1～2]對該區(qū)域個別鉆孔揭露的地?zé)崃黧w進(jìn)行了分析,初步了解了該區(qū)域地?zé)崃黧w的基本化學(xué)組成,計(jì)算了熱田深部熱儲溫度,并與西藏羊八井、羊易高溫地?zé)崽锪黧w化學(xué)特征進(jìn)行了對比,研究表明曲曼地?zé)崽锪黧w化學(xué)組成與西藏高溫地?zé)崃黧w相類似,表現(xiàn)出高溫地?zé)崃黧w的基本化學(xué)特征。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對曲曼地?zé)崽锏責(zé)崃黧w化學(xué)測試結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析,研究了地?zé)崃黧w的來源、基本徑流特征以及深部熱儲溫度等問題,為熱田資源儲量計(jì)算、形成機(jī)理分析及開采利用等提供了依據(jù)。同時,本文的研究成果將為“滇—藏”高溫地?zé)釒蚺撩谞枠?gòu)造結(jié)延伸提供了又一證據(jù)[3]。

1 地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)概況

曲曼地?zé)崽镂挥谇嗖馗咴鞅薄⑴撩谞枠?gòu)造區(qū)的中東部,處于喀喇昆侖構(gòu)造帶塔什庫爾干陸塊內(nèi)[4]。新生代以來,印度板塊持續(xù)向北俯沖和推擠,帕米爾地區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈,總體呈快速隆升狀態(tài),形成整體向北突出和高原內(nèi)部差異升降的弧形構(gòu)造格局,并伴隨區(qū)域斷裂的繼承、發(fā)育和巖漿的侵入活動[5～8]。構(gòu)造上地?zé)崽锾幱谒矌鞝柛蓴嗔?、塔合曼斷裂和唐蓋河—新迭村構(gòu)造混雜帶的交匯部位,位于塔什庫爾干谷地北端、托爾推其山前洪積平原上,受北、東、西三側(cè)高山限制,整體地形為南高北低、西高東低(圖1)。

圖1 曲曼地?zé)崽锏刭|(zhì)地貌及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Geomorphology of the Quman geothermal field and location of the sampling points

熱田受塔什庫爾干斷裂及其次級斷裂控制,熱儲具帶狀分布特征。這些斷裂呈張性或張扭性,晚第四紀(jì)以來表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動性[9～13]。斷裂組合為帚狀和網(wǎng)狀形態(tài),并具地壘-地塹相間發(fā)育特征,為地?zé)崃黧w的運(yùn)移、儲集等提供了空間條件。熱儲圍巖為元古代片麻巖、片巖,大理巖和石英巖等,地層整體南西傾,角度較緩,片理化和壓碎作用明顯,熱蝕變現(xiàn)象普遍。

熱田蓋層為侏羅系、新近系泥巖、泥質(zhì)砂巖和礫巖以及上覆的第四系含粉土砂礫石層。侏羅系和新近系泥質(zhì)沉積發(fā)育,透水條件差,熱導(dǎo)率低,具有較好的隔水及保溫效果,具備良好的蓋層條件。受斷裂活動影響,侏羅系和新近系發(fā)育厚度變化較大,在5～430 m之間不等,且局部存在“天窗”。

熱源為喜山期花崗巖和正長巖,巖漿結(jié)晶年齡在11 Ma左右[14～16]。研究認(rèn)為,該套巖體中富含U、Th、K等長壽命放射性元素,放射性衰變生熱的熱能是該區(qū)地?zé)嵝纬傻闹饕獰崃縼碓?。地?zé)崽镂鱾?cè)出露大面積的侵入巖,初步估算[17]年生熱量可達(dá)9.91×1011MJ,深部還未完全冷卻結(jié)晶的熔融物質(zhì)也不斷向周圍提供穩(wěn)定的熱量。受斷裂帶長期活動影響,地下水經(jīng)深部循環(huán)加溫后沿?cái)嗔哑扑閹Ъ傲严断到y(tǒng)運(yùn)移上涌形成地?zé)崽铩?/p>

2 地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

與淺表水體相比,曲曼地?zé)崽餆崴幕瘜W(xué)組分及其含量、水質(zhì)類型等均有所不同,同時還含有一些特殊組分。這里對地?zé)崽锛捌涓浇煌w的水質(zhì)測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析,反映了曲曼地?zé)崽锪黧w基本化學(xué)特征和運(yùn)移規(guī)律。

本次在曲曼地?zé)崽锛捌涓浇扇〉乃畼映Ｒ?guī)化學(xué)成分測試結(jié)果見表1,采樣位置見圖1。對部分樣品進(jìn)行了重復(fù)樣的對比測試。

2.1 水文地球化學(xué)基本特征

表1 曲曼地?zé)崽锛捌溧弲^(qū)水化學(xué)測試結(jié)果Table 1 Hydrochemical results of the Quman geothermal field and its adjacent areas

基于此變化規(guī)律,采用蘭格利爾-路德維奇圖解法對不同水體進(jìn)行初步劃分[1,18](圖2)。由圖可知,地?zé)崴?、?熱過渡水和淺表冷水中陰、陽離子含量分布在三個不同的區(qū)域：地?zé)崴挥趫D解的左上方區(qū)域,淺表冷水則位于圖解的右下方,兩個區(qū)域之間為冷-熱過渡水區(qū)域。從分布趨勢上來看,三者具有可能的混合關(guān)系。為了確認(rèn)這種關(guān)系,沿“可能的混合線”垂直紙面切下去,切出一個蘭格利爾-路德維奇剖面圖解(圖3),標(biāo)示出“可能的混合線”上及其附近各水點(diǎn)化學(xué)類型位置和總?cè)芙夤腆w量的關(guān)系。圖中顯示,熱田及其鄰區(qū)地?zé)崴⒗?熱過渡水和淺層冷水均分布在實(shí)際混合線上及其附近,三者具有較明確的混合關(guān)系,屬同源水。

按照蘭格利爾-路德維奇圖解的劃分結(jié)果,對不同水體的化學(xué)特征進(jìn)行分析。

圖2 蘭格利爾-路德維奇圖解Fig.2 Langelier-Ludwig profile diagram

圖3 蘭格利爾-路德維奇剖面圖解Fig.3 Langelier-Ludwig profile diagram

2.1.1地?zé)崴?/p>

圖4 曲曼地?zé)崽锏責(zé)崴瘜W(xué)分區(qū)圖Fig.4 Chemical zoning map of the geothermal fluids in the Quman Geothermal field

2.1.2淺表冷水

2.1.3冷-熱過渡水

2.2 地?zé)崃黧w特殊組分

上述分析表明,曲曼地?zé)崽锛捌溧弲^(qū)地?zé)崴蜏\表冷水、冷-熱過渡水的水質(zhì)類型、總?cè)芙夤腆w量等存在明顯的差異,這與它們不同的徑流條件有關(guān)。一般來講,地?zé)崴蚱溲h(huán)深度較大,在深部與圍巖發(fā)生了較為充分的反應(yīng),“攜帶”了較多的深部高溫、高壓環(huán)境下的地球化學(xué)信息,往往含有一些特殊組分,如偏硅酸、氟、鋰等[19]。這些組分遠(yuǎn)高于各類淺表冷水中的相應(yīng)含量,被稱為地?zé)崴臉?biāo)性組分,可以直觀地用于區(qū)別淺、表冷水。

根據(jù)各類水體中化學(xué)組分含量的對比,地?zé)崴衅杷?H2SiO3)和氟(F-)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于淺表冷水(表2),為地?zé)崽锏責(zé)崴臉?biāo)性組分。

表2 地?zé)崴畼?biāo)性組分結(jié)果Table 2 Standard compositions analyses in the geothermal water

相比較來看,地?zé)崴械钠杷岷头科毡槠?而淺表冷水最低,冷熱過渡水介于二者之間。地?zé)崴杷岷头烤捣謩e是冷-熱過渡水和淺表冷水的3.8～10.5倍和1.4～5.4倍,差異明顯(圖5)。

圖5 地?zé)崴畼?biāo)性組分Fig.5 Comparison of special components in the geothermal water

2.3 地?zé)崃黧w化學(xué)組分來源及其基本運(yùn)移特征

Cl-和Na+是地?zé)崴凶罘€(wěn)定的可溶組分,在地?zé)崴械暮科毡檩^高。熱田內(nèi)ZK10、ZK7、ZK8等6眼井揭露的地?zé)崴瓹l-和Na+均具有較高的毫克當(dāng)量百分比和總?cè)芙夤腆w量,代表了地?zé)崃黧w的直接上涌狀態(tài)。這些井孔分布在熱田中西部,深部熱儲流體在垂向運(yùn)移過程中受淺表水的混合影響較小。

分析表明,曲曼地?zé)崽镏胁康責(zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征代表了深部熱儲地?zé)崃黧w的直接上涌狀態(tài),而南部、北部和東部地?zé)崃黧w在垂向徑流后發(fā)生了明顯的側(cè)向徑流過程。與該區(qū)域地質(zhì)地貌發(fā)育和淺表水體的分布情況對比來看,地?zé)崴瘜W(xué)特征的指示與地?zé)崃黧w的運(yùn)移方向整體較為對應(yīng),總體具由西向東的徑流特征。

3 水巖平衡與熱儲溫度

地球化學(xué)溫標(biāo)是對地下水恢復(fù)其溫度“記憶”的一種方法,采用熱水中化學(xué)成分對熱儲溫度進(jìn)行估算時,宜對水樣進(jìn)行水-巖平衡分析。

3.1 水-巖平衡分析

據(jù)本次ZK7孔全微量、地?zé)崃黧w特殊組分檢測成果資料,運(yùn)用WATCH3計(jì)算程序,對熱田內(nèi)揭露熱儲條件最好的ZK7孔地?zé)崴M(jìn)行了水-巖平衡分析,推斷該區(qū)地?zé)崴谏畈垦h(huán)過程中的物理、化學(xué)環(huán)境?？梢钥闯觯呵?zé)崽锷畈繜醿檫€原環(huán)境,具有中等偏高的溫度背景以及較強(qiáng)的滲透性,適合采用鈉鉀溫標(biāo)方法計(jì)算熱儲溫度(表3)。

表3 ZK7孔地?zé)崴?巖平衡特征Table 3 Water-rock equilibrium state of the geothermal water in ZK7 well

為了進(jìn)一步研究熱田不同區(qū)域地?zé)崃黧w在深部的平衡狀態(tài),這里采用Na-K-Mg三角圖解[22]進(jìn)行分析(圖6)。如圖所示,熱田內(nèi)大部分井地?zé)崴凇拔雌胶狻眳^(qū)內(nèi),而ZK7、ZK10、ZK18和KH6井地?zé)崴凇安糠制胶狻眳^(qū)內(nèi)。結(jié)合WATCH3程序的分析結(jié)果對比來看,ZK7孔地?zé)崴兴惺緶氐V物和代表溫度背景的石英、玉髓達(dá)到了溶解平衡,這里采用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)法對ZK7、ZK10、ZK18和KH6井采樣點(diǎn)進(jìn)行地?zé)崽餆醿囟仍囁?。上述采樣點(diǎn)取樣均在井口進(jìn)行,采樣時已發(fā)生了沸騰閃蒸,因此采用最大蒸汽損失的石英溫標(biāo)法。

3.2 熱儲溫度計(jì)算

最大蒸汽損失的石英溫標(biāo)計(jì)算公式[23]如下：

(2)

式中：C1——SiO2含量/(mg·L-1)。

計(jì)算結(jié)果見表4。計(jì)算熱儲溫度在114～ 186 ℃之間,均值為154 ℃。與孔內(nèi)實(shí)測溫度相比,除ZK18計(jì)算值較實(shí)際低外,其余計(jì)算值均高于或接近實(shí)測值。ZK18孔中地?zé)崃黧w在上升過程中可能與淺表冷水發(fā)生了明顯的混合,反映出了曲曼地?zé)崽锞植可w層缺失的地質(zhì)條件。因此,按照計(jì)算最高溫度取值,曲曼地?zé)崽锏纳畈繜醿囟仍?86 ℃以上,這里計(jì)算的熱儲溫度基本代表了曲曼地?zé)崽餆醿Φ臏囟缺尘啊?/p>

表4 K-Na溫標(biāo)法計(jì)算熱儲溫度結(jié)果Table 4 Reservoir temperature calculated with the K-Na geothermometer

4 結(jié)論

(2)水化學(xué)成分的差異反映了曲曼地?zé)崽锊煌瑓^(qū)域地?zé)崃黧w的徑流特征。熱田中部地?zé)崃黧w呈直接的上涌狀態(tài),未發(fā)生長距離的側(cè)向滲流；熱田南部、東部及北部地?zé)崃黧w經(jīng)深部垂向上涌后發(fā)生了明顯的側(cè)向徑流,與該區(qū)域地質(zhì)地貌條件所反映的地下水徑流條件基本一致。

(3)水巖平衡研究表明,曲曼地?zé)崽锷畈繜醿檫€原環(huán)境,示溫礦物和代表溫度背景的礦物基本達(dá)到了溶解平衡,滲透性較強(qiáng),具中強(qiáng)的地?zé)峄顒颖尘?。?jīng)試算,熱田深部熱儲溫度在114～186 ℃之間,結(jié)合熱田蓋層條件分析,推測深部熱儲溫度在186 ℃以上,溫度背景中等偏高。

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