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水化学特征在恩施盆地地热资源调查中的指示意义

李泽威 袁飞 李明龙 赵军 万凯 李光顺

李泽威, 袁飞, 李明龙, 赵军, 万凯, 李光顺. 水化学特征在恩施盆地地热资源调查中的指示意义[J]. 地质科技通报, 2023, 42(4): 83-94. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210791
引用本文: 李泽威, 袁飞, 李明龙, 赵军, 万凯, 李光顺. 水化学特征在恩施盆地地热资源调查中的指示意义[J]. 地质科技通报, 2023, 42(4): 83-94. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210791
Li Zewei, Yuan Fei, Li Minglong, Zhao Jun, Wan Kai, Li Guangshun. Indicative significance of hydrochemical characteristics in geothermal resource investigations in the Enshi Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(4): 83-94. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210791
Citation: Li Zewei, Yuan Fei, Li Minglong, Zhao Jun, Wan Kai, Li Guangshun. Indicative significance of hydrochemical characteristics in geothermal resource investigations in the Enshi Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(4): 83-94. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210791

水化学特征在恩施盆地地热资源调查中的指示意义

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210791
基金项目: 

湖北省地质局重点科技项目 KJ2021-33

详细信息
    作者简介:

    李泽威(1985—), 男, 高级工程师, 主要从事矿产、水文、地热调查等方面工作。E-mail: 362284194@qq.com

    通讯作者:

    袁飞(1988—), 男, 高级工程师, 主要从事矿产、水文、地热调查等方面工作。E-mail: shiwenjie@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P314

Indicative significance of hydrochemical characteristics in geothermal resource investigations in the Enshi Basin

  • 摘要:

    地热资源是一种宝贵的清洁能源, 恩施盆地蕴含丰富的地热资源, 探明地热形成机理具有重要意义。从地热水化学特征和同位素特征入手, 结合恩施盆地水文、地热地质条件, 采用Piper三线图法、主要离子相关分析法等探讨分析了恩施盆地地下热水地球化学特征及其主要离子补给来源; 选取适宜的二氧化硅温标法解决了热储温度难以准确测量的问题; 利用氢氧同位素测试技术, 示踪判定了地下热水的补给来源、循环深度及补给高程。研究结果显示: 恩施盆地地下热水的水化学类型主要为SO4·Cl-Na型水, 水中离子以SO42-, Cl-, Na+为主, 地下热水中TDS与Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-有极好的正相关性, 而地下热水中TDS远高于冷泉, 分析认为是由于地下热水在演化过程中埋藏深度大、径流途径长、溶解—溶滤作用强烈, 更容易从围岩中萃取相关离子, 从而导致离子浓度远高于地表水; 研究区内地下热水主要接受大气降水补给; 地下热水14C, 34S同位素特征均表明盆地边缘到盆地中心地下热水储存环境逐渐封闭, 地下热水滞留时间逐渐变长, 水-岩反应程度逐渐变强; 水-岩平衡判定结果表明, 热水中SiO2的浓度受石英的溶解平衡控制, 利用SiO2地热温标估算热储温度为55.74~58.24℃, 热储埋深为1 793~1 906 m, 热水循环深度为1 823~1 936 m; 根据大气降水δ18O的高程效应估算地下热水的补给高程为1 022.64~1 109.00 m, 依据研究区高程范围确定地下热水补给区主要为盆地西侧寒武系-奥陶系碳酸盐岩低中山区。

     

  • 图 1  研究区水文地质简图

    1.第四系松散岩类孔隙弱含(透)水层; 2.上白垩统跑马岗组砂岩裂隙相对隔水层;3.中三叠统巴东组四段砂页岩隔水层;4.中三叠统巴东组三段岩溶裂隙含水层;5.中三叠统巴东组二段砂页岩隔水层;6.中三叠统巴东组一段岩溶裂隙含水层;7.下-中三叠统嘉陵江组岩溶裂隙含水层组;8.下三叠统大冶组岩溶裂隙含水层组;9.二叠系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组;10.石炭系-泥盆系砂岩裂隙弱含水层组;11.奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层;12.上寒武统-下奥陶统娄山关组岩溶裂隙含水层;13.志留系隔水层;14.地质界线;15.角度不整合地质界线;16.断层;17.热泉取水样点;18.冷泉、河水取水样点;19.推测地下水流向;20.地热钻孔取样点

    Figure 1.  Hydrogeological diagram of the study area

    图 2  研究区地热成因概念模式图

    1.第四系弱含水层;2.白垩系跑马岗组(盖层);3.三叠系碳酸盐岩含水层;4.二叠系碳酸盐岩含水层;5.石炭系-泥盆系碳酸盐岩层;6.志留系砂岩层(隔水层);7.奥陶系碳酸盐岩层(热储层);8.寒武系碳酸盐岩层(热储层);9.恩施大断裂;10.粉砂岩;11.砂岩;12.砾岩;13.灰岩;14.泥质灰岩;15.生物碎屑灰岩;16.云质灰岩;17.炭质泥岩;18.泥质粉砂岩;19.粉砂质泥岩;20.燧石结核灰岩;21.瘤状灰岩;22.龟裂纹灰岩;23.地层产状;24.大气降水;25.冷(热)水流向;26.大地热流

    Figure 2.  Conceptual model map of geothermal genesis in the study area

    图 3  河水、热泉水、钻孔热水样品δDVSMOW-δ18OVSMOW图解

    Figure 3.  δDVSMOW-δ18OVSMOW diagram of river water, hot spring water, and drilling hot water samples

    图 4  各时期的陆地岩石圈、大气、海水硫氧同位素组成关系图[10](底图来源于文献[11],有更改)

    Figure 4.  Sulfur and oxygen isotopic composition diagram of terrestrial lithosphere and atmosphere and seawater in each period

    图 5  研究区各水样Piper三线图投图结果

    Figure 5.  Piper diagram of different water samples

    图 6  研究区地下热水主要离子与TDS的关系图

    Figure 6.  Relationship diagram of main ions and TDS concentration in geothermal water

    图 7  研究区冷泉水和河水主要离子与TDS的关系图

    Figure 7.  Relationship between main ions and TDS concentration in cold spring water or river water samples

    图 8  研究区内地下热水温度与ρ(SiO2)关系图

    Figure 8.  Relationship between temperature and SiO2 content of underground hot water in the study area

    图 9  研究区地下热水Na-K-Mg平衡三角图

    Figure 9.  Na-K-Mg balance triangle of geothermal water in the study area

    表  1  水样类型及分析测试项目统计

    Table  1.   Statistical table of water sample types and analysis test items

    样号 水样类型 水样温度/℃ 同位素测试项目 水质测试项目 采样点位
    SY01 岩池热泉 21.3 18O、D、T HCO3-,Cl-,SO42-,CO32-,K+,Na+,Ca2+,Mg2+,F,Br,I,SiO2,B,H2S,Al,Pb,Zn,Cs,Fe2+,Mn,Li,Sr,Cu,pH,耗氧量、总硬度、暂时硬度、永久硬度、溶解性总固体(TDS) 岩池热泉点
    SY02 热泉 25.0 18O、D、T 岩池热泉北100 m热泉
    SY03 冷泉 15.2 松树坪冷泉点SY03
    SY04 冷泉 15.6 松树坪冷泉点SY04
    SY05 冷泉 14.6 褶皱泉点SY05
    SY06 冷泉 16.0 金龙坝泉点SY06
    Sy05 冷泉 14.5 小龙潭冷泉Sy05
    Sy06 冷泉 15.5 小龙潭冷泉Sy06
    S06 岩池热泉 21.3 18O、D、T、34S 岩池热泉点
    S08 冷泉 17.0 冷泉点S08
    S09 冷泉 18.0 冷泉点S09
    HS01 清江河水 17.0 18O、D、T、34S 河水监测点HS01
    JZ1 不同时期热水 44.2 18O、D、T、34S ZK1钻孔
    JZ2 44.2 18O、D、T、34S ZK1钻孔
    ZK01 44.2 18O、D、T、14C ZK1钻孔
    Q6 44.2 ZK1钻孔
    Q7 冷泉 16.0 泉点Q7
    Q8 冷泉 16.0 泉点Q8
    Q9 冷泉 17.0 泉点Q9
    Q10 岩池热泉 25.0 岩池热泉点
    Q11 冷泉 17.0 泉点Q11
    Q12 冷泉 16.0 泉点Q12
    Q13 冷泉 17.0 泉点Q13
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    表  2  各水样化学成分分析结果

    Table  2.   Results table of chemical composition analysis of water samples

    样号 水样类型 水样温度/℃ 阳离子质量浓度/(mg·L-1) 阴离子质量浓度/(mg·L-1) pH ρ(TDS)/ (mg·L-1)
    Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO42- HCO3-
    SY01 岩池热泉 21.3 71.33 6.09 97.75 20.51 127.04 113.11 244.20 7.22 611.00
    S06 岩池热泉 21.3 76.75 7.10 90.23 14.82 123.98 94.70 228.05 7.74 548.81
    Q6-1 丰水期钻孔热水 44.2 1 083.66 80.61 566.2 155.9 1 827 1 824.75 163.22 7.94 5 647.39
    Q6-2 枯水期钻孔热水 44.2 1 127.02 52.58 544.3 153.1 1 771.15 1 887.86 154.86 8.07 5 640.7
    SY02 热泉 25 980.87 22.02 295.60 62.05 1 375.83 985.70 187.31 7.59 3 903.0
    SY04 冷泉 15.6 5.45 3.40 73.56 23.14 7.94 55.90 235.26 6.84 293.50
    SY05 冷泉 14.6 7.41 1.84 29.60 9.63 2.64 22.14 125.58 6.87 165.40
    Sy05 冷泉 14.5 5.38 1.03 23.90 8.18 0.60 58.86 51.13 7.36 139.3
    Sy06 冷泉 15.5 11.55 3.57 78.17 14.66 9.47 68.08 221.55 7.56 332.7
    S08 冷泉 17.0 3.08 0.72 89.41 5.50 2.67 37.65 243.48 7.45 270.73
    S09 冷泉 18.0 4.06 1.50 84.34 4.00 7.60 44.25 194.44 7.56 274.41
    Q7 冷泉 16.0 3.04 2.99 77.05 8.02 3.27 58.10 195.09 7.45 272.53
    Q8 冷泉 16.0 5.40 2.86 71.44 7.53 6.97 28.08 200.89 8.04 261.18
    Q9 冷泉 17.0 8.08 2.53 21.47 1.95 3.31 10.38 77.54 7.80 130.87
    Q11 冷泉 17.0 20.75 4.66 76.58 16.68 23.77 48.52 248.51 8.37 330.39
    Q12 冷泉 16.0 2.61 2.98 68.03 3.73 4.16 17.45 181.98 8.25 218.08
    Q13 冷泉 17.0 1.98 1.67 37.64 8.57 1.50 11.73 145.16 8.37 157.48
    HS01 清江河水 17.0 4.19 2.27 57.32 7.05 4.90 39.53 156.03 8.37 209.16
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    表  3  各水样微量元素分析结果

    Table  3.   Analysis results of trace elements in water samples

    样号 水样类型 水样温度/℃ B F I Br Sr
    ρB/(mg·L-1)
    SY01 岩池 21.3 0.05 0.24 0.00 0.02 1.55
    S06 热泉 21.3 0.04 0.54 0.00 0.22 1.50
    Q6-1 ZK1钻 44.2 1.39 2.40 0.03 2.55 8.95
    Q6-2 孔热水 44.2 0.47 0.01 0.00 0.00 15.52
    SY02 热泉 25.0 0.48 2.06 0.02 0.26 13.90
    SY04 冷泉 15.6 0.02 0.02 0.00 0.00 0.42
    SY05 冷泉 14.6 0.01 0.70 0.00 0.00 0.11
    Sy05 冷泉 14.5 0.01 0.08 0.00 0.00 0.11
    Sy06 冷泉 15.5 0.02 0.11 0.00 0.00 0.72
    S08 冷泉 17.0 0.00 0.55 0.00 0.00 0.46
    S09 冷泉 18.0 0.00 0.47 0.00 0.00 0.49
    Q7 冷泉 16.0 0.01 0.66 0.00 0.00 0.80
    Q8 冷泉 16.0 0.01 0.22 0.00 0.00 0.55
    Q9 冷泉 17.0 0.00 0.26 0.03 0.39 0.07
    Q11 冷泉 17.0 0.02 0.66 0.00 0.36 0.61
    Q12 冷泉 16.0 0.00 0.30 0.00 0.00 0.71
    Q13 冷泉 17.0 0.00 0.15 0.00 0.00 0.12
    HS01 河水 17.0 0.00 0.34 0.00 0.00 0.62
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    表  4  热泉、钻孔热水、河水样品氢氧同位素分析结果

    Table  4.   Results of hydrogen and oxygen isotope analysis of hot spring, borehole hot water and river water samples

    样号 水样类型 δDVSMOW/‰ δ18OVSMOW/‰ T/TU
    SY01 岩池热泉 -39 -6.5 7.2±0.8
    SY02 热泉 -56 -8.4 3.5±0.7
    S06 岩池热泉 -54 -8.0 6.9±0.8
    HS01 清江河水 -57 -8.5 6.5±0.8
    JZ1 -66.15 -9.74 1.9±0.1
    JZ2 ZK1钻孔热水 -67.02 -9.92 2.0±0.1
    ZK01 -66.86 -9.93 2.1
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    表  5  地下热水补给高程计算成果

    Table  5.   Estimated results of the recharge elevation of the geothermal water

    样号 水样类型 水样δ18OVSMOW/‰ 大气降水δ18O高度梯度/(‰·10-2m-1) 取样点高程/m 地热水补给高程/m
    JZ1 -9.74 -0.22 459.0 1 022.64
    JZ2 ZK1钻孔热水 -9.92 -0.22 459.0 1 104.45
    ZK01 -9.93 -0.22 459.0 1 109.00
    HS01 清江河水 -8.5 435.0
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    表  6  热泉水、河水、钻孔热水样品硫、氧同位素分析结果

    Table  6.   Sulfur and oxygen isotope analysis results of hot spring water, river water and borehole hot water samples

    样号 水样类型 δ34S/‰ δ18O/‰
    S06 岩池热泉水 23.0 -8.0
    HS01 清江河水 6.8 -8.5
    JZ1 ZK1钻孔热水 36.2 -9.74
    JZ2 ZK1钻孔热水 36.2 -9.92
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    表  7  热泉水样、钻孔热水样中SiO2质量浓度与温度统计

    Table  7.   Statistics of SiO2 content and temperature of hot spring water samples and borehole hot water samples

    样号 水样类型 水样温度/℃ 采样点位 ρ(SiO2)/ (mg·L-1)
    SY01 岩池热泉 21.33 岩池热泉点S6 9.06
    Q10 岩池热泉 21.3 岩池热泉点 7.88
    ZK01 不同时期采 44.2 ZK1钻孔 17.22
    Q6 取钻孔热水 44.2 ZK1钻孔 16.13
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    表  8  热泉水样、钻孔热水样钠钾镁含量与温度统计

    Table  8.   Statistics of sodium, potassium and magnesium content and temperature of hot spring water samples and borehole hot water samples

    样号 水样类型 水样温度/℃ 采样点位 Na+ K+ Mg2+
    ρB/(mg·L-1)
    SY01 岩池热泉 21.3 岩池热泉点S6 71.33 6.09 20.51
    Q10 岩池热泉 21.3 岩池热泉点 20.75 4.66 16.68
    ZK01 不同时期采 44.2 ZK1钻孔 1 231.00 60.81 172.53
    Q6 取钻孔热水 44.2 ZK1钻孔 1 083.66 80.61 155.92
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    表  9  不同温标热储温度估算成果及误差统计

    Table  9.   Statistics and error statistics of temperature estimation results of geothermal reservoirs with different temperature scales

    样号 水样类型 水样温度/℃ Na+ K+ Ca2+ SiO2 Na-K-Ca温标 误差/ % 石英温标 误差/% 平均温度T/℃
    ρB/(mg·L-1) 估算温度T/℃ 估算温度T/℃
    SY01 岩池热泉 21.3 71.33 6.09 97.75 9.06 97.80 359 36.31 70 67.06
    Q10 岩池热泉 21.3 20.75 4.66 76.58 7.88 102.88 383 31.98 50 67.30
    ZK01 不同时期 44.2 1 231.00 60.81 574.39 17.22 134.52 204 58.24 32 96.38
    Q6 采取ZK1钻孔热水 44.2 1 083.66 80.61 566.2 16.13 149.16 237 55.74 26 102.45
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-16
  • 录用日期:  2023-02-10
  • 修回日期:  2022-03-12

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