安徽滁河断裂带温泉水地球化学特征及其形成机理

图1 滁河断裂带温泉分布^[2]

Fig.1 Distribution of thermal springs in the Chuhe fault zone^[2]

1 地热地质条件

滁河断裂带上分布的温泉按构造成因类型划分均属于隆起山地对流型地热系统^[4-5],具有源、储、通、盖的要素。滁河断裂带的热源除地壳中产生的均匀热流外,还有一股来自上地幔的强烈热流的作用^[6]。研究区的地层除缺失青白口系外,从古元古界到新近系均有发育,其中震旦系、寒武系和奥陶系碳酸盐岩是研究区的主要热储层^[7]。滁河断裂带在形成和演化过程中经历了强烈的大型走滑、裂陷伸展活动^[8]。断裂活动导致岩层间的摩擦、错动产生热能,而且断层的存在为地下水的热储空间、地下水深循环、深部热液的上涌都创造了有利条件^[6]。滁河断裂带古生界碳酸岩地层普遍被断裂切割,造成断裂裂隙与岩溶发育^[7],新近系泥质粉质黏土、粉质黏土、含泥砾石层是地热田的盖层^[2]。隆起山地对流型地热系统一般地表具有热显示,如温泉、热水沼泽等^[5],因此,在滁河断裂带上有温泉出露,为温泉水样采集和研究提供了便利条件。

2 样品采集及室内测试方法

2.1 水样采集

为了研究地热田热水的来源及水化学特征,本次在巢湖半汤地区采集温泉水样、居民冷井水样、地表水样各1件;在含山昭关地区采集温泉水样、居民冷井水样、地表水样各1件;在和县香泉地区采集温泉水样、居民冷井水样、地表水样各1件。采样点位置分布如图2所示。

图2

图2 滁河断裂带部分地质简图及水样点分布(据文献[9-10]修改)

Fig.2 Geological sketch of the Chuhe fault zone and the distribution of sampling points of water (modifiedaccording to references[9-10])

半汤温泉位于滁河断裂带南端汤山背斜轴部断裂构造发育带。温泉分布在丘陵与冲积平原的交接地带,有30多处泉点分布在受滁河断裂控制的伴生断层上。温泉水(BT-3)采自原巢湖市商业局院内泉水点^[2,5,9],温泉水属断层构造的裂隙岩溶水,井深5 m,水温52 ℃,水样清澈;地表水样(BT-1)采自半汤温泉东北部卫村北,104县道旁山洼汇水山涧水塘,距半汤温泉约3.5 km;冷水井样品(BT-2)采自汤山徐村南乡村公路路北人工开凿水井(家用)^[2,5,9],井深8 m,井底为砾石,冷水为第四系地层松散岩类孔隙水。

昭关温泉位于滁河断裂带南端,温泉受NE向滁河断裂带的控制,成群出露于该断裂东南一侧的寒武系观音台组白云岩及白云质灰岩北西向次级断裂构造破碎带中,地理位置位于安徽省含山县昭关镇东兴村南约1.5 km。该温泉用于鱼类养殖,鱼塘内存在多个天然温泉泉眼。渔场内有热水井,温泉水样(ZG-3)取自自流热水井,实测水温40.5 ℃;冷井水样品(ZG-2)采自昭关镇潭泉村附近人工开凿水井(家用),为第四系地层松散岩类孔隙水;地表水样(ZG-1)采自东兴村西北约0.5 km两条村路交口附近一池塘。

香泉温泉位于滁河断裂带中端大龙王山—南龙王山背斜的中段,热储为寒武系—奥陶系灰岩、白云岩、硅化角砾,温泉的出露受断裂构造控制,出露于NE向断裂和NW向断裂的交汇处。地理位置位于安徽省马鞍山市和县香泉镇,为天然泉眼,泉眼从6 m×5 m×1 m温泉池中间涌出。温泉水(XQ-3)取自温泉池底部泉眼,实测水温46.5 ℃;冷水井样品(XQ-2)采自香泉镇中心小学附近人工开凿水井(家用),为第四系地层松散岩类孔隙水;地表水样(XQ-1)采自香泉温泉西北部约1.7 km的戎桥水库。

2.2 样品室内测试

温泉水、冷井水、地表水样由中国石化油气成藏重点实验室进行水化学全分析和同位素测试。测试项目包括:阴阳离子浓度、常量和微量元素含量、氢氧同位素等。测试手段与方法如下。

1)滴定法:用于测定水中 ${CO}_{3}^{2 -}$ 、 ${HCO}_{3}^{-}$ 、Cl^-、OH^-。测试依据是《油田水分析方法》(SY/T 5523—2016 5.2.12.2)。

2)重量法:用于测试水质 ${SCO}_{4}^{2 -}$ 。测试依据是《油田水分析方法》(SY/T 5523—2016 5.2.13.4)和《水质硫酸盐的测定重量法》(GB/T 11899—1989)。

3)电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES):用于测定水中K、Na、Ca、Mg、Sr、Al、Si、Mn元素。测试依据是《油田水分析方法》(SY/T 5523—2016 5.2.1.2)和《铅、镉、钒、磷等34种元素的测定——电感耦合等离子体原子发射光谱法》(SL394.1—2007)。

4)电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS):用于测定水中Li、B、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Rb、Mo、Cs、Ba、Pb、Bi、U元素。测试依据是《地下水质检验方法》(DZ/T 0064—1993) 和《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750—2006)。

5)同位素质谱仪(IRMS):用于测定水中氢氧稳定同位素。测试依据是《天然水中氧同位素二氧化碳—水平衡法测定》(DZ/T 0184—1997)和《水的氢同位素分析方法锌还原和高温裂解法》(SY/T 5237—2019)。

3 样品测试结果及地球化学特征

3.1 化学组成特征

滁河断裂带半汤、昭关、香泉3个地区的温泉水、冷井水、地表水水化学组成与元素离子分析结果如表1、表2所示。从表1中可以看出,3个温泉所采集的地热水与其附近的冷井水、地表水相比,Ca、Mg、 ${SO}_{4}^{2 -}$ 、Sr、Ni、SiO₂等含量呈现明显的高值异常。同一地区的温泉水、冷井水、地表水之间水化学组成特征存在明显差异(表1、表2),以巢湖半汤地区为例:地表水型以CaHCO₃型为主, 水中阴离子以 ${HCO}_{3}^{-}$ 占优势,其次为 ${SO}_{4}^{2 -}$ ,阳离子以Ca²⁺为主,其他元素微量,矿化度小于1.0 g/L,pH为7.1,属中性;温泉外围冷水井水型以KHCO₃型为主, 水中阴离子以 ${HCO}_{3}^{-}$ 占优势,其次为 ${SO}_{4}^{2 -}$ ,阳离子以K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺为主,其他元素微量,矿化度小于1.0 g/L,pH为6.8,近中性;半汤温泉水型以CaSO₄型为主,水中阴离子以 ${SO}_{4}^{2 -}$ 占优势,其次为 ${HCO}_{3}^{-}$ ,阳离子以Ca²⁺、Mg²⁺为主,其他元素微量,矿化度为1.948 g/L,pH为6.9,属中性水。从表中还可以看到,半汤温泉热水的 ${HCO}_{3}^{-}$ 含量明显高于其附近冷井水、地表水;而香泉、昭关地区水样的 ${HCO}_{3}^{-}$ 含量则呈现冷井水>温泉水>地表水的规律。

表1 滁河断裂带半汤、香泉、昭关地区温泉水、冷井水、地表水水化学组成特征

Table 1 Hydrochemical composition of samples of thermal spring water, cold well water, and surface water in the Bantang, Xiangquan, and Zhaoguan areas in the Chuhe fault zone

样品号	样品来源	Ca		Mg		Na		K			Cl^-		${HCO}_{3}^{-}$		${SO}_{4}^{2 -}$		Al		As		B		Ba		Cr
BT-1	半汤地表水	31.5		10.51		23.58		3.22			9.67		97.52		23.46		96		1.03		0		0.27		2.64
BT-2	半汤冷井水	34.57		13.65		2.77		72.2			23.55		170.95		72.44		26		11.19		0.02		0.06		5.22
BT-3	半汤温泉水	420.88		91.47		23.49		8.63			3.37		259.29		1074.61		89		1.87		0.03		0.04		7.86
ZG-1	昭关地表水	33.32		11.75		73.11		7.98			9.28		79.27		35.04		2090				0.02		0.08		19.61
ZG-2	昭关冷井水	102.87		43.13		100.05		132.16			42.27		385.41		82.31		850				0.03		0.13		19.99
ZG-3	昭关温泉水	330.84		105.45		76.97		18.79			7.24		281.91		984.89		600				0.05		0.04		13.97
XQ-1	香泉地表水	61.02		6.75		67.23		4.77			9.8		144.29		39.51		740				0.09		0.2		15.78
XQ-2	香泉冷井水	195.93		35.57		152.12		15.82			143.68		461		236.24		740				0.08		0.12		18.54
XQ-3	香泉温泉水	337.26		63.18		56.12		11.83			7.88		187.36		864.3		340				0.06		0.08		7.97
样品号	样品来源	Cu	Fe		Li		Mn		Mo	Ni		Pb		SiO₂		Sr		U		V		Zn		pH
BT-1	半汤地表水	1.38	0.04		0.07		0		0.41	1.35		0.1		0.68		0.09		0.95		0.32		233.45		7.1
BT-2	半汤冷井水	0.9	0.02		3.23		0			1.92		<0.02		29.78		0.12		0.15		5.64		226.05		6.8
BT-3	半汤温泉水	2.71	0.02		0.19		0.01		0.7	10.04		<0.02		54.15		10.57		0.23		0.65		558.55		6.9
ZG-1	昭关地表水	3.06	1.5		0		0.05		0.6	9.15		3.15		9.51		0.15		0.36		4.02		177.67		6.9
ZG-2	昭关冷井水	1.71	0.25		0.01		0.05		0.78	8.78		1.94		25.11		0.55		2.34		9.2		271.03		6.7
ZG-3	昭关温泉水	1.7	0.09		0.33		0.01		1.01	16.83		1.37		32.01		6.7		0.36		1.21		122.97		6.9
XQ-1	香泉地表水	1.52	0.2		0		0.02		1.19	6.55		1.6		2.51		0.23		0.95		2.78		779.84		6.8
XQ-2	香泉冷井水	1.77	0.3		0.04		1.7		4.5	12.92		1.6		27.28		5.23		1.13		5.85		175.82		6.7
XQ-3	香泉温泉水	5.6	0.37		0.17		0.01		2.16	17.67		1.31		40.84		10.06		0.31		1.35		138.24		7

注:Al、As、Cr、Cu、Mo、Ni、Pb、U、V、Zn含量单位为μg/L;其余为mg/L;pH无量纲。

表2 研究区半汤、香泉、昭关地区水化学参数计算

Table 2 Hydrochemical parameters in the Bantang, Xiangquan, and Zhaoguan areas in the study area

样号		电中性水平/%	阴离子/ (meq·L^-1)	阳离子/ (meq·L^-1)	总离子/ (meq·L^-1)	总溶解浓度/ (meq·L^-1)	总硬度/ (mg·L^-1)	碱度/ (mg·L^-1)	计算密度/ (g·cm^-1)	SAR(钠吸附比)	主水型
BT-1	半汤地表水	20.54	2.36	3.58	5.94	200.91	121.84	1.60	1.000	0.93	Ca(HCO₃)₂
BT-2	半汤冷井水	3.62	4.98	5.35	10.33	423.61	142.42	2.80	1.000	0.10	KHCO₃
BT-3	半汤温泉水	39.07	26.73	61.02	87.75	2139.2	1426.5	4.25	1.002	0.27	CaSO₄
ZG-1	昭关地表水	46.38	2.29	6.26	8.55	261.85	131.47	1.30	1.000	2.77	NaHCO₃
ZG-2	昭关冷井水	28.38	9.23	16.54	25.76	915.23	434.14	6.32	1.001	2.09	KHCO₃
ZG-3	昭关温泉水	7.22	25.35	29.29	54.65	1845.97	1259.36	4.62	1.002	0.94	CaSO₄
XQ-1	香泉地表水	32.15	3.47	6.76	10.24	337.96	180.04	2.36	1.000	2.18	NaHCO₃
XQ-2	香泉冷井水	9.49	16.54	20.00	36.54	1275.75	635.22	7.56	1.001	2.63	Ca(HCO₃)₂
XQ-3	香泉温泉水	8.13	21.3	25.07	46.38	1579.65	1101.43	3.07	1.002	0.74	CaSO₄

将所获取的水样元素信息进一步分析获得表2结果。由表2可见:水样均为中性—弱酸性水,电中性水平明显偏正,并且温泉水总离子在46.38~87.75 meq/L之间,TDS在1 579.65~1 845.97 mg/L之间,总硬度在1 101.43~1 426.5 mg/L之间,明显高于地表水和冷井水,这也使得温泉水的密度略高于地表水及冷井水。同时,水样中Na吸附比很低,说明该地区温泉水中由Na带来的阳离子交替溶解作用较小。

对于研究区温泉水的水型,主要使用舒卡列夫分类法,即以含量最高的主要阴阳离子进行分类^[11⇓-13]。Piper三角图(图3)是一种直观的水型判断图件^[14],该图各以三组主要的阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺+K⁺)和阴离子(Cl^-、 ${SO}_{4}^{2 -}$ 、 ${HCO}_{3}^{-}$ + ${CO}_{3}^{2 -}$ )的每升毫克当量的百分数来表示。从图中可以判断,本次研究中,温泉水均偏向于CaSO₄型。

图3

图3 半汤、昭关、香泉地区天然水化学Piper图解

Fig.3 Piper trilinear diagram showing the natural hydrochemical characteristics of the Bantang,Zhaoguan and Xiangquan areas

3.2 同位素特征

表3是巢湖半汤、含山昭关、和县香泉3个地区地表水、冷井水(地下水)、温泉水的氢氧同位素分析结果。对于3个地区温泉水,半汤地区温泉水的δ¹⁸O明显比香泉及昭关地区偏重。从表3可以看出,除香泉地区地下冷水的氧同位素值外,3个地区的地表水、地下水(冷井水)、温泉水同位素(δ¹⁸O、δD)具有变轻的规律,尤其以温泉水与地表水、地下水(冷井水)有较大的差值。

表3 半汤、昭关、香泉地区各种水样氢氧同位素值

Table 3 Hydrogen and oxygen isotope values of the water samples from Bantang, Zhaoguan, and Xiangquan areas

地区	样品名称	δ¹⁸O(Vsmow)/‰	δD(Vsmow)/‰
巢湖半汤	地表水	-2.7	-36
	冷井水	-5.9	-53
	温泉水	-6.3	-66
含山昭关	地表水	-7.1	-35
	冷井水	-8.8	-51
	温泉水	-10.9	-61
和县香泉	地表水	-6.9	-43
	冷井水	-5.5	-54
	温泉水	-11.1	-63

3.3 溶解矿物平衡特征

由于各种温标适用条件不同,所以利用温标计算热储温度时需先对温泉水进行平衡状态分析^[15]。本次对巢湖半汤、含山昭关、和县香泉地区水体的矿物平衡研究中,采用ρ(Na)-ρ(K)-ρ(Mg)图解^[16]及多矿物饱和指数来对温泉水样品中矿物饱和程度进行判别,从而为地热温标的选择和使用提供依据。

3.3.1 ρ(Na)-ρ(K)-ρ(Mg)图解

ρ(Na)-ρ(K)-ρ(Mg)图解的结果显示(图4),巢湖半汤、含山昭关、和县香泉地区所采集的地表水、冷井水样均为未成熟水,呈现出典型的冷水特征,并且温泉水也几乎处于完全的未成熟状态,说明温泉水的来源几乎完全为降水及地表径流补充,不能使用阳离子温标对研究区地热热储温度进行计算。

图4

图4 半汤、昭关、香泉地区不同水体ρ(Na)-ρ(K)-ρ(Mg)图解

Fig.4 ρ(Na)-ρ(K)-ρ(Mg) ternary diagram of different water bodies in the Bantang, Zhaoguan, and Xiangquan areas

3.3.2 多矿物饱和指数(SI)

AquaChem是目前国际上流行的水溶液地球化学数据的分析、成图和模拟的专业软件, Aquachem中的PHREEQC模块是由美国地质调查局(USGS)开发,是通用的地球化学模拟软件之一^[17],由PHREEQC得到的模拟结果(饱和指数、活度)可存储到AquaChem数据库中,以用于报告、绘图和统计。将巢湖半汤、含山昭关、和县香泉地区的温泉水所测得的所有水化学参数及环境参数输入Aquachem中的PHREEQC模块,对水样与各种矿物的饱和指数进行了计算,主要矿物平衡结果展示在图5中。

图5

图5 半汤、昭关、香泉地区温泉水矿物饱和指数特征

Fig.5 Multi-mineral saturation indices of the thermal spring water samples from the Bantang, Zhaoguan, and Xiangquan areas

从矿物饱和度指数计算结果可以看出,研究区的温泉水样品对于毒重石、滑石、盐岩等矿物均处于非饱和状态,而该地区硫酸盐类矿物、碳酸盐矿物及玉髓、白云石矿物则均接近于饱和或处于过饱和的状态。由饱和度指数(SI)的结果可以判断,利用接近饱和或者过饱和的SiO₂矿物、碳酸盐、硫酸盐矿物作为基准更适合于估算热储温度^[18⇓-20]。

3.3.3 地热热储温度计算

应用过饱和的SiO₂矿物地热温标,对巢湖半汤温泉、含山昭关温泉、和县香泉地区的热储温度进行估算(表4),玉髓温标的计算结果表明:半汤温泉温度为75.92 ℃,香泉温泉温度为62.03 ℃,昭关温泉温度为50.90 ℃;而石英温标的计算结果则较高,半汤温泉温度为105.80 ℃(均值),香泉温泉温度为93.44 ℃(均值),昭关温泉温度为83.40 ℃(均值),二者具有一定的相关性。

表4 常规地热温标试算结果

Table 4 Geothermal reservoir temperatures calculated using conventional geothermometers

计算方法	地热温标/℃
计算方法	巢湖半汤	和县香泉	含山昭关
石英1(无蒸汽闪失)	105.57	92.60	82.10
石英2(完整蒸汽闪失)	105.80	94.58	85.41
石英3(混合型石英温标)	106.02	93.14	82.65
玉髓	75.92	62.03	50.90

4 多指标地球化学特征和温泉机理综合研究

4.1 水化学组成及类型成因分析

半汤温泉、昭关温泉与香泉温泉均位于滁河断裂带上,据前人研究^[1],震旦纪到中三叠世时期,滁河断裂以同沉积生长断层的形式为主,该阶段滁河断裂控制了北侧碎屑岩沉积,南侧主要为碳酸盐岩台地型沉积,研究区3个温泉都位于碳酸盐岩沉积区,因此这3个研究区温泉水的阴阳离子和元素异常特征可能与滁河断裂带古生界白云岩、热导率高的岩石溶蚀广泛发育以及深部热液有关。半汤地区温泉水的 ${HCO}_{3}^{-}$ 含量明显高于其附近冷井水、地表水;而昭关地区、香泉地区水样的 ${HCO}_{3}^{-}$ 含量则呈现冷井水>温泉水>地表水的规律,其中半汤温泉温度最高,可能由于发生的水岩相互作用最强所导致。

半汤、香泉、昭关3个地区地热水主要储层基本类似,均为碳酸盐岩热储,下面以半汤温泉为例,分析它们水化学类型的成因。

巢湖半汤地表水、冷井水至温泉水化学成分逐渐变化,表现出以 ${HCO}_{3}^{-}$ 离子与 ${SO}_{4}^{2 -}$ 离子从地表到地下浓度逐渐增高的变化特征,至地热田以 ${SO}_{4}^{2 -}$ 离子占绝对优势,水型也转变为 ${SO}_{4}^{2 -}$ 离子型水,主要反映了大气降水携带CO₂渗入地下后,在碳酸盐岩中首先发生了溶蚀作用,反应变化如下:

CaCO₃+CO₂+H₂O⇌Ca²⁺+2 ${HCO}_{3}^{-}$ ,

MgCO₃+CO₂+H₂O⇌Mg²⁺+2 ${HCO}_{3}^{-}$ 。

从半汤地表水塘到冷水井, ${HCO}_{3}^{-}$ 离子浓度有明显增高的变化,证明了这种溶蚀作用的发生。

从冷水井到半汤温泉,水中阴离子从C ${HO}_{3}^{-}$ 占优势转变为 ${SO}_{4}^{2 -}$ 离子占优势的过程可以看出:一方面,半汤温泉硫含量较高,富含与地热有关的硫化物;另一方面,可能反映在此路径,地下水流经含有石膏的白云岩和灰岩,导致石膏溶滤,使水化学成分中 ${SO}_{4}^{2 -}$ 和Ca²⁺含量增高。本区奥陶系下统红花园组沉积有亮晶含石膏假晶鲕粒状泥质灰岩,寒武系下统冷泉王组($\epsilon$₁l)、半汤组($\epsilon$₁b) 岩性为灰色白云岩、灰质白云岩、暗灰色泥质白云岩,岩石表面溶纹发育,震旦系沉积有泥晶白云岩, 白云岩表面溶纹、溶沟和小孔洞发育,岩溶迹象表明巢湖半汤地区地下溶滤作用普遍,并且存在石膏溶滤,可以看出本区的岩溶作用和地下水矿物离子变化存在密切的关系。总之,从巢湖半汤地表到外围冷水井再到地热田,水中主要阳离子组成Ca²⁺、Mg²⁺等与水中主要阴离子 ${HCO}_{3}^{-}$ 、 ${SO}_{4}^{2 -}$ 等含量呈规律性增高变化趋势,均反映了温泉水与地下储层发生了水—岩相互作用,导致这些阴阳离子浓度升高。

4.2 温泉水来源及同位素示踪

我国大气降水中δD变化范围在-210‰~-20‰,δ¹⁸O变化范围在-24‰~+2‰^[21],由此可知,研究区水样的氢氧同位素均落在我国降水范围之内(表3)。根据全球大气降水线图(GMWL)^[22],从3个地区温泉水氢氧同位素散点图中(图6)可以看出,昭关地区和半汤地区的温泉水、冷井水、地表水的氢氧同位素值散点均具有较好的线性,即具有同源特征,其温泉地热水主要由当地降水、地表水进行直接补充。而香泉的温泉水、地表水和冷井水则显示出差异性,同源性的特征较弱,地下冷水可能由于人为因素干扰,其同位素特征不能反映原始的水体,该地下冷水径流可能不是香泉地热水(温泉水)的直接来源。

图6

图6 滁河断裂带半汤、昭关、香泉地区温泉水、冷井水、地表水氢氧同位素

Fig.6 Hydrogen and oxygen isotopes of the geothermal water, groundwater, and surface water in the Bantang, Zhaoguan, and Xiangquan areas in the Chuhe fault zone

半汤地区温泉水的δ¹⁸O明显比香泉地区和昭关地区温泉水的δ¹⁸O偏高,这与半汤的温泉温度最高有关(半汤温泉水温52 ℃,香泉温泉水温46.5 ℃,昭关温泉水温40.5 ℃),半汤地区地下热水与储层矿物水岩相互作用较为强烈,使得δ¹⁸O升高。

除香泉地区地下冷水的氧同位素值外,3个地区的地表水、冷井水、温泉水同位素(δ¹⁸O、δD)具有减小的规律,尤其以温泉水、地下水(冷井水)与地表水有较大的差值。

从巢湖半汤地表池塘到村民冷水井,水样的氢氧同位素变化较大,这与天然水体中含轻同位素的水分子 ${H_{2}}^{16}$ O具有比含重同位素的水分子 ${H_{2}}^{18}$ O及HDO更高的蒸汽压和扩散能力有很大的关系^[23]。包为民等^[24]在蒸发皿中水面蒸发氢氧同位素分馏的实验研究中,通过室内外水体蒸发同位素实验, 证实了蒸发模型中剩余水体稳定同位素值随剩余水体体积比减小而增大的规律。

巢湖半汤地区大气降水δ¹⁸O为-5‰左右^[25],而地表池塘水样δ¹⁸O为-2.7‰,大气降水与地表池塘水及村民冷井水氢氧同位素的较大变化,应为地表水塘在秋雨过后的冬季遭遇干旱蒸发,地表剩余水体中氢氧同位素因轻同位素的被蒸发而变重;根据刘进达等^[26]整理的我国大气降水δD等值线图,巢湖半汤地区大气降水δD为-50‰左右,而半汤地表池塘水样δD为-36‰,也应为干旱蒸发导致其水体的氢轻同位素被蒸发而变重。在渗入地下路径段,村民冷井水的δ¹⁸O、δD与巢湖半汤大气降水的δ¹⁸O(-5‰左右)、δD(-50‰左右)非常接近,反映了冷井水为当地大气降水成因;村民冷水井→半汤温泉段,水体同位素变化为:δ¹⁸O=-5.9‰→δ¹⁸O=-6.3‰;δD=-53‰→δD=-66‰,氧同位素变化幅度较小,但氢同位素变化幅度较大,比大气降水轻13‰。据研究,氢气在岩石中的含量极少,当地下水—岩相互作用时,水的δD值则基本保持不变^[27]。巢湖半汤温泉δD同位素地球化学特征显然不是水—岩反应的结果,推测可能是由于深部断层运移上来的地热伴生气体CH₄、H₂S与地热水氢同位素发生交换而造成的,因为近地表土壤顶空甲烷在热储上方呈现了明显化探异常^[5]。

4.3 有效热储温度估算方法

通过矿物饱和度指数计算,明确了研究区温泉水样品中的各种矿物饱和、非饱和状态(图5),并且结果与研究区内古生界储层内广泛存在的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐矿物的地质背景相符。

从3个地区温泉水地球化学温标计算的温度来看(表4),巢湖半汤温泉的温度最高,香泉温泉的温度其次,昭关温泉的温度最低,这与实际观测到的温度变化规律基本吻合(半汤温泉水温52 ℃,香泉水水温46.5 ℃,昭关温泉水温40.5 ℃)。玉髓温标计算结果较为接近地热水的采出温度,而石英温标的计算结果则较高,从饱和度指数的预测结果来看,石英矿物的饱和度更高,其温标更能显示深部的热储温度。

上述结果也表明基于化学热力学模拟的多矿物平衡法是滁河断裂带地热资源热储温度估算的有效方法,可以用于实际勘探和研究。

5 结论

1)滁河断裂带半汤、香泉、昭关地区温泉水总离子浓度明显高于其地表水和冷井水,温泉水水型均偏向于CaSO₄型,通过水化学特征和机理分析,温泉水与地下储层发生较强水—岩相互作用。

2)氢氧同位素分析结果表明,滁河断裂带半汤、香泉、昭关温泉水均来自大气降水。半汤地区和昭关地区的温泉水、冷井水及地表水具有同源特征,其地热水主要由当地降水、地表水直接进行补充。而香泉地区温泉水、地表水和冷井水同源性的特征较弱,地下冷水径流可能不是香泉地热水的直接来源。

3)选择了玉髓温标、石英温标对半汤、香泉、昭关地区热储温度进行计算,玉髓温标计算结果较为接近地热水的采出温度,而石英温标的计算结果则较高,显示的应是深部热储温度。

4)基于化学热力学模拟的多矿物平衡法是滁河断裂带地热资源热储温度估算的有效方法,为该区地热勘查开发提供了方法依据。深部热储温度估算结果能够为评价该区地热资源品位和潜力,重点开发利用优先性部署提供关键参数。

致谢

感谢中国石化油气成藏重点实验室马亮帮高级工程师、杨华敏高级工程师对本项工作中的样品分析测试支持。感谢中国地质大学(北京)孙春岩教授和编辑部蒋实老师对文章所提出的修改建议。

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