四川西部中高温地热流体地球化学特征及其地质意义

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.015

摘要/Abstract

摘要：

四川西部是我国主要的高温地热资源分布区之一,水热活动的时空分布、物质来源与深部水热岩作用密切相关,地热流体化学特征可反映流体上升至近地表过程中发生的深部地球化学过程信息。通过分析鲜水河地热带、甘孜-理塘地热带和金沙江地热带典型地热田的地热流体化学组分特征,认为研究区地下水类型基本为HCO₃-Na型水。其中甘孜-理塘地热带地下热水中的K ⁺、Na ⁺、HCO₃ ^-和Mg ²⁺与Cl ^-有相似物质来源,除了来自矿物溶解外,还来源于地球深部物质。研究区地热流体径流较长,深度为2 189.93~5 620.52 m,地热流体在上升过程中冷水混入比例为 56%~78%,水岩作用仍未达到平衡状态。在循环过程中,受到含钙、镁的硅酸盐矿物溶解的影响。厘清区域内地热流体汇聚的路径及其控制因素,提高对四川西部地区地热资源分布规律和成因的认识,可为区域内工程建设施工提供参考依据。

关键词: 地球化学, 传热机制, 成因机制, 四川西部

Abstract:

West Sichuan is one of the main high-temperature geothermal resources distribution areas in China. The space-time distribution and material source of hydrothermal activities are closely related to hydrothermal diagenesis. The geochemical characteristics of geothermal fluid reflect the deep geochemical process information during the process of fluid rising to the surface. The fluid chemical characteristics of typical geothermal fields at Xianshuihe, Ganzi-Litang, and Jinshajiang along the fault zone are compared and analyzed. The results show that the groundwater type in the area is HCO₃-Na. K ⁺, Na ⁺, HCO₃ ^- and Mg ²⁺ in the geothermal water of Ganzi-Litang have similar material sources as Cl ^-, and they come from the deep earth besides mineral dissolution. The geothermal fluid runoff in the study area is long, with the depth of 2,189.93-5,620.52 m. The proportion of cold water mixed into geothermal fluid is 56%-78%, thus, the water rock interaction has not yet reached the equilibrium state. During the circulation process, it is affected by the dissolution of silicate minerals containing calcium and magnesium. The fluid path convergence and controlling factors are clarified. The results enhance the understanding of geothermal resource distribution patterns and genesis in west Sichuan, and provides reference for engineering construction in the region.

Key words: geochemistry, heat-transfer mechanism, genetic mechanism, west Sichuan

中图分类号:

P642

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图/表 15

图1 研究区断裂构造、地热带分布及采样点位置示意图 (a)断裂构造;(b)金沙江地热带;(c)甘孜—理塘地热带;(d)鲜水河地热带

Fig.1 Fault structure, distribution of geothermal zone and location of sampling points in the study area

图2 研究区水样的离子含量

Fig.2 Ion concentration of water samples from the study area

表1 研究区地下水样的水化学参数

Table 1 Hydrochemical parameters of groundwater samples from the study area

区域	编号	水温/℃	pH	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	TDS
鲜水河地热带	KD01	68.0	6.8	31.00	320.00	86.17	23.32	85.10	19.04	1 159.30	1 268.20
	KD02	47.0	6.9	30.00	270.00	71.14	16.42	64.89	6.48	897.00	1 009.30
	KD03	26.0	7.1	26.00	200.00	62.12	26.14	46.80	3.76	784.10	846.50
	KD04	32.0	6.8	12.00	185.00	40.08	4.26	35.45	3.00	549.20	584.10
	KD05	47.0	7.0	34.00	290.00	45.09	7.90	76.22	8.60	915.30	1 132.00
	KD06	61.0	7.1	36.00	370.00	90.18	21.28	85.09	2.90	1 305.80	1 222.00
	KD07	46.0	7.4	34.00	338.00	86.17	22.50	88.63	1.35	1 220.30	1 275.40
	KD08	70.0	8.7	56.00	550.00	12.02	29.18	260.60	<0.10	1 019.00	1 649.60
	KD09	81.0	7.6	55.00	400.00	40.08	14.59	294.30	75.80	720.00	1 430.80
甘孜—理塘地热带	LT10	54.0	8.2	1.92	53.57	3.92	0.18	7.00	16.50	128.10	202.80
	LT11	72.0	8.1	2.48	63.66	3.82	0.02	1.75	15.28	140.30	238.00
	LT12	76.0	8.0	2.63	65.40	4.06	0.03	1.75	16.66	146.40	253.90
	LT13	75.0	7.9	2.80	72.32	3.36	0.03	1.75	15.30	161.70	275.10
	LT14	79.7	7.8	2.80	72.01	4.32	0.01	1.75	14.55	158.60	272.60
	LT15	80.0	7.1	57.69	477.50	27.52	10.92	68.28	7.72	1 522.00	1 585.00
	LT16	84.0	7.0	57.40	480.20	24.05	10.43	65.83	12.07	1 483.00	1 564.00
	LT17		7.1	62.41	525.70	23.44	10.53	68.28	10.97	1 488.00	1 618.00
	LT18	56.0	6.8	53.60	443.60	29.66	12.93	61.97	10.41	1 327.00	1 442.00
	LT19	64.0	6.7	54.57	446.60	29.79	12.97	59.52	11.00	1 422.00	1 469.00
金沙江地热带	BT20	94.0	8.6	19.94	267.20	5.60	0.23	40.88	70.14	516.60	871.50
	BT21	88.0	9.3	29.86	333.20	1.02	0.06	17.77	28.81	319.80	992.30
	BT22	90.0	9.3	29.98	324.80	2.06	0.08	47.99	52.71	418.80	1 047.00
	BT23	89.0	9.2	34.53	358.90	1.34	0.02	19.19	32.84	379.10	1 079.00
	BT24	81.0	9.3	29.81	317.00	0.81	<0.013	39.10	30.17	365.00	991.20
	BT25	90.0	8.4	27.62	290.80	4.02	0.21	42.65	42.06	617.50	909.00
	BT26	88.0	9.4	30.48	321.80	0.69	<0.013	51.54	27.50	209.70	1 065.00
	BT27	91.0	9.6	31.36	335.80	0.80	<0.013	51.54	46.19	190.10	1 105.00
	BT28	89.0	9.0	28.86	343.80	0.65	<0.013	51.90	25.45	428.00	1 041.00
	BT29	48.0	8.4	2.60	104.50	9.34	0.70	8.89	16.33	226.20	332.10
	BT30	53.0	8.3	2.41	90.24	11.61	0.81	8.89	20.74	217.00	305.50
	BT31	64.0	7.8	6.21	124.80	16.30	0.35	16.00	25.46	314.90	476.60
	BT32	75.0	7.5	6.69	128.90	17.11	0.39	13.86	23.52	342.40	483.20
	BT33	86.0	8.2	26.00	353.20	6.41	2.92	33.77	19.47	679.30	1 071.00
	BT34	90.0	9.1	26.23	351.60	0.77	0.10	23.10	20.30	114.30	1 039.00
	BT35	90.0	7.8	26.80	358.20	1.67	0.20	33.77	42.62	885.90	1 071.00
	BT36	90.0	8.0	25.24	345.20	0.80	0.10	33.06	42.09	862.10	1 033.00
	BT37	70.0	7.6	30.51	380.40	7.77	2.51	32.70	25.90	1 015.00	1 179.00

表1 研究区地下水样的水化学参数

Table 1 Hydrochemical parameters of groundwater samples from the study area

区域	编号	水温/℃	pH	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	TDS
鲜水河地热带	KD01	68.0	6.8	31.00	320.00	86.17	23.32	85.10	19.04	1 159.30	1 268.20
	KD02	47.0	6.9	30.00	270.00	71.14	16.42	64.89	6.48	897.00	1 009.30
	KD03	26.0	7.1	26.00	200.00	62.12	26.14	46.80	3.76	784.10	846.50
	KD04	32.0	6.8	12.00	185.00	40.08	4.26	35.45	3.00	549.20	584.10
	KD05	47.0	7.0	34.00	290.00	45.09	7.90	76.22	8.60	915.30	1 132.00
	KD06	61.0	7.1	36.00	370.00	90.18	21.28	85.09	2.90	1 305.80	1 222.00
	KD07	46.0	7.4	34.00	338.00	86.17	22.50	88.63	1.35	1 220.30	1 275.40
	KD08	70.0	8.7	56.00	550.00	12.02	29.18	260.60	<0.10	1 019.00	1 649.60
	KD09	81.0	7.6	55.00	400.00	40.08	14.59	294.30	75.80	720.00	1 430.80
甘孜—理塘地热带	LT10	54.0	8.2	1.92	53.57	3.92	0.18	7.00	16.50	128.10	202.80
	LT11	72.0	8.1	2.48	63.66	3.82	0.02	1.75	15.28	140.30	238.00
	LT12	76.0	8.0	2.63	65.40	4.06	0.03	1.75	16.66	146.40	253.90
	LT13	75.0	7.9	2.80	72.32	3.36	0.03	1.75	15.30	161.70	275.10
	LT14	79.7	7.8	2.80	72.01	4.32	0.01	1.75	14.55	158.60	272.60
	LT15	80.0	7.1	57.69	477.50	27.52	10.92	68.28	7.72	1 522.00	1 585.00
	LT16	84.0	7.0	57.40	480.20	24.05	10.43	65.83	12.07	1 483.00	1 564.00
	LT17		7.1	62.41	525.70	23.44	10.53	68.28	10.97	1 488.00	1 618.00
	LT18	56.0	6.8	53.60	443.60	29.66	12.93	61.97	10.41	1 327.00	1 442.00
	LT19	64.0	6.7	54.57	446.60	29.79	12.97	59.52	11.00	1 422.00	1 469.00
金沙江地热带	BT20	94.0	8.6	19.94	267.20	5.60	0.23	40.88	70.14	516.60	871.50
	BT21	88.0	9.3	29.86	333.20	1.02	0.06	17.77	28.81	319.80	992.30
	BT22	90.0	9.3	29.98	324.80	2.06	0.08	47.99	52.71	418.80	1 047.00
	BT23	89.0	9.2	34.53	358.90	1.34	0.02	19.19	32.84	379.10	1 079.00
	BT24	81.0	9.3	29.81	317.00	0.81	<0.013	39.10	30.17	365.00	991.20
	BT25	90.0	8.4	27.62	290.80	4.02	0.21	42.65	42.06	617.50	909.00
	BT26	88.0	9.4	30.48	321.80	0.69	<0.013	51.54	27.50	209.70	1 065.00
	BT27	91.0	9.6	31.36	335.80	0.80	<0.013	51.54	46.19	190.10	1 105.00
	BT28	89.0	9.0	28.86	343.80	0.65	<0.013	51.90	25.45	428.00	1 041.00
	BT29	48.0	8.4	2.60	104.50	9.34	0.70	8.89	16.33	226.20	332.10
	BT30	53.0	8.3	2.41	90.24	11.61	0.81	8.89	20.74	217.00	305.50
	BT31	64.0	7.8	6.21	124.80	16.30	0.35	16.00	25.46	314.90	476.60
	BT32	75.0	7.5	6.69	128.90	17.11	0.39	13.86	23.52	342.40	483.20
	BT33	86.0	8.2	26.00	353.20	6.41	2.92	33.77	19.47	679.30	1 071.00
	BT34	90.0	9.1	26.23	351.60	0.77	0.10	23.10	20.30	114.30	1 039.00
	BT35	90.0	7.8	26.80	358.20	1.67	0.20	33.77	42.62	885.90	1 071.00
	BT36	90.0	8.0	25.24	345.20	0.80	0.10	33.06	42.09	862.10	1 033.00
	BT37	70.0	7.6	30.51	380.40	7.77	2.51	32.70	25.90	1 015.00	1 179.00

图3 研究区地下水化学Piper三线图 (单位:%)

Fig.3 Piper diagram of groundwater samples from the study area (unit :%)

图4 研究区水样的(Ca2++Mg2+)与(K++Na+)阳离子交替吸附作用

Fig.4 Relations between(Ca2++Mg2+)and(K++Na+) cation alternation adsorption diagram of water samples from the study area

图5 研究区水样的(Ca2++Mg2+)与(SO42-+HCO3-)含量关系

Fig.5 Relations between (Ca2++Mg2+) and (SO42-+HCO3-) of water samples in the study area

图6 研究区水样的 (Na++K+)与Cl-含量关系

Fig.6 Relations between (Na++K+) and Cl- of water samples in the study area

图7 研究区地下水样主要离子与Cl-含量关系图

Fig.7 Relations among major ions and Cl- of groundwater samples from the study area

图8 研究区水样Na-K-Mg三角图(单位:%)

Fig.8 Ternary plot of Na-K-Mg for groundwater from the study area (unit:%)

表2 地球化学温标计算的热储温度(℃)

Table 2 Estimated temperatures of the geothermal reservoir (℃)

地理位置	T_石英(无损)	T_石英(最大蒸汽损失)	T_玉髓
鲜水河地热带	121.75~172.27	119.65~161.85	93.49~150.00
甘孜—理塘地热带	101.85~132.36	102.59~128.64	71.92~105.14
金沙江地热带	98.81~185.92	99.96~173.00	68.66~165.74

表3 温度、焓和SiO2含量的关系

Table 3 Relations between temperature, enthalpy and SiO2 content

温度/℃	焓/(J/g)	SiO₂/(mg/L)	温度/℃	焓/(J/g)	SiO₂ /(mg/L)	温度/℃	焓/(J/g)	SiO₂/(mg/L)
50	50.0	13.5	150	151.0	125.0	250	259.2	486.0
75	75.0	26.6	175	177.0	185.0	275	289.0	614.0
100	100.1	48.0	200	203.6	265.0	300	321.0	692.0
125	125.1	80.0	225	230.9	365.0

图9 研究区热储温度硅-焓模型

Fig.9 Si-enthalpy model of thermal reservoir in the study area

图10 研究区地下水样的δD与δ18O含量关系

Fig.10 Relations between δD and δ18O of groundwater samples from the study area

图11 研究区水样的δ18O与 Cl-含量关系

Fig.11 Relations between δ18O and Cl- concentration of groundwater samples from the study area

表4 研究区热循环深度计算结果

Table 4 Calculation results of the thermal cycle depth in west Sichuan

区域	冷水混入比例/%	循环深度范围/m	混入前循环深度/m
鲜水河地热带	72~78	1 925.02~3 114.82	3 866.12~5 620.52
甘孜—理塘地热带	56~65	1 470.95~3 160.92	2 189.93~3 624.05
金沙江地热带	65~68	1 402.41~3 446.09	3 318.15~5 471.50

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