史 杰,乃尉华,李 明,王 帅,马小军,张 静

(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队,新疆 昌吉 831100；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三水文工程地质大队,新疆 喀什 844099；3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

曲曼地热田位于新疆塔什库尔干县提孜那甫乡曲曼村一带,处于帕米尔高原塔合曼及塔什库尔干两个断陷谷地的接合部位,地热资源丰富。多年来,由新疆维吾尔自治区国土资源厅出资,我单位在塔合曼、曲曼以及县城附近开展了地热地质勘查和研究工作,曲曼一带在700 m深度范围内成功钻取热储温度为161 ℃的地热流体,取得了帕米尔地区构造裂隙型高温地热资源勘查和研究的重大突破。大量水化学测试结果表明,地热流体中“携带”了丰富的深部地球化学信息。已有研究[1～2]对该区域个别钻孔揭露的地热流体进行了分析,初步了解了该区域地热流体的基本化学组成,计算了热田深部热储温度,并与西藏羊八井、羊易高温地热田流体化学特征进行了对比,研究表明曲曼地热田流体化学组成与西藏高温地热流体相类似,表现出高温地热流体的基本化学特征。

本文在前人研究的基础上,对曲曼地热田地热流体化学测试结果进行了系统分析,研究了地热流体的来源、基本径流特征以及深部热储温度等问题,为热田资源储量计算、形成机理分析及开采利用等提供了依据。同时,本文的研究成果将为“滇—藏”高温地热带向帕米尔构造结延伸提供了又一证据[3]。

1 地热田地热地质概况

曲曼地热田位于青藏高原西北、帕米尔构造区的中东部,处于喀喇昆仑构造带塔什库尔干陆块内[4]。新生代以来,印度板块持续向北俯冲和推挤,帕米尔地区构造活动强烈,总体呈快速隆升状态,形成整体向北突出和高原内部差异升降的弧形构造格局,并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动[5～8]。构造上地热田处于塔什库尔干断裂、塔合曼断裂和唐盖河—新迭村构造混杂带的交汇部位,位于塔什库尔干谷地北端、托尔推其山前洪积平原上,受北、东、西三侧高山限制,整体地形为南高北低、西高东低(图1)。

图1 曲曼地热田地质地貌及采样点位置Fig.1 Geomorphology of the Quman geothermal field and location of the sampling points

热田受塔什库尔干断裂及其次级断裂控制,热储具带状分布特征。这些断裂呈张性或张扭性,晚第四纪以来表现出较强的活动性[9～13]。断裂组合为帚状和网状形态,并具地垒-地堑相间发育特征,为地热流体的运移、储集等提供了空间条件。热储围岩为元古代片麻岩、片岩,大理岩和石英岩等,地层整体南西倾,角度较缓,片理化和压碎作用明显,热蚀变现象普遍。

热田盖层为侏罗系、新近系泥岩、泥质砂岩和砾岩以及上覆的第四系含粉土砂砾石层。侏罗系和新近系泥质沉积发育,透水条件差,热导率低,具有较好的隔水及保温效果,具备良好的盖层条件。受断裂活动影响,侏罗系和新近系发育厚度变化较大,在5～430 m之间不等,且局部存在“天窗”。

热源为喜山期花岗岩和正长岩,岩浆结晶年龄在11 Ma左右[14～16]。研究认为,该套岩体中富含U、Th、K等长寿命放射性元素,放射性衰变生热的热能是该区地热形成的主要热量来源。地热田西侧出露大面积的侵入岩,初步估算[17]年生热量可达9.91×1011MJ,深部还未完全冷却结晶的熔融物质也不断向周围提供稳定的热量。受断裂带长期活动影响,地下水经深部循环加温后沿断裂破碎带及裂隙系统运移上涌形成地热田。

2 地热田水文地球化学特征

与浅表水体相比,曲曼地热田热水的化学组分及其含量、水质类型等均有所不同,同时还含有一些特殊组分。这里对地热田及其附近不同水体的水质测试结果进行了对比分析,反映了曲曼地热田流体基本化学特征和运移规律。

本次在曲曼地热田及其附近采取的水样常规化学成分测试结果见表1,采样位置见图1。对部分样品进行了重复样的对比测试。

2.1 水文地球化学基本特征

表1 曲曼地热田及其邻区水化学测试结果Table 1 Hydrochemical results of the Quman geothermal field and its adjacent areas

基于此变化规律,采用兰格利尔-路德维奇图解法对不同水体进行初步划分[1,18](图2)。由图可知,地热水、冷-热过渡水和浅表冷水中阴、阳离子含量分布在三个不同的区域：地热水位于图解的左上方区域,浅表冷水则位于图解的右下方,两个区域之间为冷-热过渡水区域。从分布趋势上来看,三者具有可能的混合关系。为了确认这种关系,沿“可能的混合线”垂直纸面切下去,切出一个兰格利尔-路德维奇剖面图解(图3),标示出“可能的混合线”上及其附近各水点化学类型位置和总溶解固体量的关系。图中显示,热田及其邻区地热水、冷-热过渡水和浅层冷水均分布在实际混合线上及其附近,三者具有较明确的混合关系,属同源水。

按照兰格利尔-路德维奇图解的划分结果,对不同水体的化学特征进行分析。

图2 兰格利尔-路德维奇图解Fig.2 Langelier-Ludwig profile diagram

图3 兰格利尔-路德维奇剖面图解Fig.3 Langelier-Ludwig profile diagram

2.1.1地热水

图4 曲曼地热田地热水化学分区图Fig.4 Chemical zoning map of the geothermal fluids in the Quman Geothermal field

2.1.2浅表冷水

2.1.3冷-热过渡水

2.2 地热流体特殊组分

上述分析表明,曲曼地热田及其邻区地热水和浅表冷水、冷-热过渡水的水质类型、总溶解固体量等存在明显的差异,这与它们不同的径流条件有关。一般来讲,地热水因其循环深度较大,在深部与围岩发生了较为充分的反应,“携带”了较多的深部高温、高压环境下的地球化学信息,往往含有一些特殊组分,如偏硅酸、氟、锂等[19]。这些组分远高于各类浅表冷水中的相应含量,被称为地热水的标性组分,可以直观地用于区别浅、表冷水。

根据各类水体中化学组分含量的对比,地热水中偏硅酸(H2SiO3)和氟(F-)含量远远高于浅表冷水(表2),为地热田地热水的标性组分。

表2 地热水标性组分结果Table 2 Standard compositions analyses in the geothermal water

相比较来看,地热水中的偏硅酸和氟含量普遍偏高,而浅表冷水最低,冷热过渡水介于二者之间。地热水偏硅酸和氟含量均值分别是冷-热过渡水和浅表冷水的3.8～10.5倍和1.4～5.4倍,差异明显(图5)。

图5 地热水标性组分Fig.5 Comparison of special components in the geothermal water

2.3 地热流体化学组分来源及其基本运移特征

Cl-和Na+是地热水中最稳定的可溶组分,在地热水中的含量普遍较高。热田内ZK10、ZK7、ZK8等6眼井揭露的地热水Cl-和Na+均具有较高的毫克当量百分比和总溶解固体量,代表了地热流体的直接上涌状态。这些井孔分布在热田中西部,深部热储流体在垂向运移过程中受浅表水的混合影响较小。

分析表明,曲曼地热田中部地热水的地球化学特征代表了深部热储地热流体的直接上涌状态,而南部、北部和东部地热流体在垂向径流后发生了明显的侧向径流过程。与该区域地质地貌发育和浅表水体的分布情况对比来看,地热水化学特征的指示与地热流体的运移方向整体较为对应,总体具由西向东的径流特征。

3 水岩平衡与热储温度

地球化学温标是对地下水恢复其温度“记忆”的一种方法,采用热水中化学成分对热储温度进行估算时,宜对水样进行水-岩平衡分析。

3.1 水-岩平衡分析

据本次ZK7孔全微量、地热流体特殊组分检测成果资料,运用WATCH3计算程序,对热田内揭露热储条件最好的ZK7孔地热水进行了水-岩平衡分析,推断该区地热水在深部循环过程中的物理、化学环境。可以看出：曲曼地热田深部热储为还原环境,具有中等偏高的温度背景以及较强的渗透性,适合采用钠钾温标方法计算热储温度(表3)。

表3 ZK7孔地热水水-岩平衡特征Table 3 Water-rock equilibrium state of the geothermal water in ZK7 well

为了进一步研究热田不同区域地热流体在深部的平衡状态,这里采用Na-K-Mg三角图解[22]进行分析(图6)。如图所示,热田内大部分井地热水在“未平衡”区内,而ZK7、ZK10、ZK18和KH6井地热水在“部分平衡”区内。结合WATCH3程序的分析结果对比来看,ZK7孔地热水中所有示温矿物和代表温度背景的石英、玉髓达到了溶解平衡,这里采用二氧化硅地热温标法对ZK7、ZK10、ZK18和KH6井采样点进行地热田热储温度试算。上述采样点取样均在井口进行,采样时已发生了沸腾闪蒸,因此采用最大蒸汽损失的石英温标法。

3.2 热储温度计算

最大蒸汽损失的石英温标计算公式[23]如下：

(2)

式中：C1——SiO2含量/(mg·L-1)。

计算结果见表4。计算热储温度在114～ 186 ℃之间,均值为154 ℃。与孔内实测温度相比,除ZK18计算值较实际低外,其余计算值均高于或接近实测值。ZK18孔中地热流体在上升过程中可能与浅表冷水发生了明显的混合,反映出了曲曼地热田局部盖层缺失的地质条件。因此,按照计算最高温度取值,曲曼地热田的深部热储温度在186 ℃以上,这里计算的热储温度基本代表了曲曼地热田热储的温度背景。

表4 K-Na温标法计算热储温度结果Table 4 Reservoir temperature calculated with the K-Na geothermometer

4 结论

(2)水化学成分的差异反映了曲曼地热田不同区域地热流体的径流特征。热田中部地热流体呈直接的上涌状态,未发生长距离的侧向渗流；热田南部、东部及北部地热流体经深部垂向上涌后发生了明显的侧向径流,与该区域地质地貌条件所反映的地下水径流条件基本一致。

(3)水岩平衡研究表明,曲曼地热田深部热储为还原环境,示温矿物和代表温度背景的矿物基本达到了溶解平衡,渗透性较强,具中强的地热活动背景。经试算,热田深部热储温度在114～186 ℃之间,结合热田盖层条件分析,推测深部热储温度在186 ℃以上,温度背景中等偏高。

参考文献：

[1] WANG M H, LU C X, CHANG Z Y. Study on geochemistry of potential high temperature geothermal resources in Taxkorgan, Xinjiang, China[C]//Proceedings world geothermal congress. Melbourne, 2015.

[2] 常志勇,李清海,史杰,等.新疆塔什库尔干谷地北段地热地质条件分析[J]. 水文地质工程地质,2016, 43(3): 164-170.[CHANG Z Y, LI Q H, SHI J,etal. An Analysis of geothermal conditions in the northern Taxkorgan Valley of Xinjiang[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016,43(3):164-170. (in Chinese)]

[3] 庞忠和, 杨峰田,袁利娟,等.新疆塔县盆地地热显示与热储温度预测[J]. 地质论评,2011,57(1):86-88. [PANG Z H, YANG F T, YUAN L J,etal. Geothermal display and geothermal reservoir temperature prediction of Taxkorgan, Xinjiang[J]. Geological Review, 2011, 57(1):86-88. (in Chinese)]

[4] 董连慧,李卫东,张良臣.新疆大地构造单元划分及其特征[C]//第六届天山地质矿产资源学术讨论会论文集.乌鲁木齐:新疆青少年出版社,2008:27-32. [DONG L H, LI W D, ZHANG L C. Division and characteristics of tectonic unit in Xinjiang [C].//The 6th session of the Tianshan geological mineral resources Symposium. Urumqi: Xinjiang Youth Publishing house, 2008:27-32. (in Chinese)]

[5] 陈杰,李涛,李文巧,等. 帕米尔构造结及邻区的晚新生代构造与现今变形[J]. 地震地质,2011,33(2):241-259. [CHEN J, LI T, LI W Q,etal. Late Cenozoic and Present tectonic deformation in the Pamir salient, northwestern China [J]. Seismology and Geology, 2011, 33(2): 241-259. (in Chinese)]

[6] 沈军,汪一鹏,赵瑞斌,等.帕米尔东北缘及塔里木盆地西北部弧形构造的扩展特征[J]. 地震地质,2001, 23(3):381-389. [SHEN J, WANG Y P, ZHAO R B,etal. Propagation of Cenozoic arcuate structures in northeast Pamir and northwest Tarim basin [J]. Seismology and Geology, 2001, 23(3):381-389. (in Chinese)]

[7] 李海兵, Valli F,许志琴,等.喀喇昆仑断裂的变形特征及构造演化[J]. 中国地质,2006,23(2):239-255. [LI H B, Valli F, XU Z Q,etal. Deformation and tectonic evolution of the Karakorum fault, western Tibet [J]. Geology in China, 2006, 23(2): 239-255. (in Chinese)]

[8] 郑剑东.青藏高原西北缘地球动力学初探[J]. 地震地质,1996,18(2):119-127. [ZHENG J D. Preliminary study on geodynamics northwestern edge of the Qinghai-Xizang(Tibet) plateau [J]. Seismology and Geology, 1996, 18(2): 119-127. (in Chinese)]

[9] Brunel M, Arnaud N, Tapponnier P,etal. Kongur Shan normal fault: type example of mountain building assisted by extension (Karakoram Fault, eastern Pamir)[J].Geology, 1994, 22:707-710.

[10] Robinson A C, Yin A, Manning C E,etal. Tectonic evolution of the northeastern Pamir: Constrains from the northern portion of the Cenozoic Kongur Shan extensional system, western China [J].Geology Society of America Bulletin, 2004, 116: 953-973.

[11] Robinson A C, Yin A, Manning C E,etal. Cenozoic tectonics of the NE Pamir, Western China, Implications for the evolution of the western end of the indo-Asian collision zone [J]. Geology Society of America Bulletin, 2007, 119:882-896.

[12] 李文巧,陈杰,袁兆德,等.帕米尔高原1895年塔什库尔干地震地表多段同震破裂与发震构造[J]. 地震地质, 2011,33(2):260-276. [LI W Q, CHEN J, YUAN Z D,etal. Coseismic surface ruptures of Multi-Segments and seimogenic fault of the Taxkorgan earthquake in Pamir, 1985 [J]. Seismology and Geology, 2011,33(2):260-276. (in Chinese)]

[13] 冯先岳.新疆古地震[M]. 乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社,1997:33-34. [FENG X Y. The Paleoearth-quakes in Xinjiang Region, China [M]. Urumq: Xinjiang Science, Technology and Health Publishing House, 1997:33-34. (in Chinese)]

[14] 罗照华,莫宣学,柯珊.塔什库尔干碱性杂岩体形成时代及其地质意义[J]. 新疆地质,2003,21(1):46-50. [LUO Z H, MO X X, KE S. Ages of Taxkorgan alkaline intrusive complex and their geological implications [J]. Xinjiang Geology, 2003,21(1):46-50. (in Chinese)]

[15] 柯珊,罗照华,莫宣学,等.帕米尔构造结塔什库尔干碱性杂岩同位素年代学研究[J].岩石学报,2008, 24(2):315-324. [KE S, LUO Z H, MO X X,etal. The geochronology of Taxkorgan alkalic complex, Pamir syntax [J]. Acta Petrologica Sinica, 2008,24(2): 315-324. (in Chinese)]

[16] 于晓飞,孙丰月,侯增谦,等.新疆塔什库尔干斯如依迭尔铅锌矿区花岗闪长岩锆石U-Pb定年及其意义[J]. 岩石学报,2012,28(12):4151-4160. [YU X F, SUN F Y, HOU Z Q,etal. Zircon U-Pb age and its significances of the granodiorite from Siruyidieer Pb-Zn deposit, Taxkorgan, Xinjiang, China [J]. Acta Petrologica Sinaca, 2012,28(12):4151-4160. (in Chinese)]

[17] Van Schmus W R. Radioactivity propertties of minerals and rocks[M]//Carmichael. Handbook of Physical Properties of Rocks: Volume Ⅲ. Boca Raton, Florida: CRC Press,1984.

[18] Langelier W F, Ludwig H F. Graphical methods for indicating the mineral character of natural waters [J]. J Am Water Works Assoc , 1942, 34:335.

[19] 郑克棪,祁向雷,陈梓慧.康定地热流体地球化学与西藏高温地热资源的比较[C]//中国高温地热勘查开发.北京:地质出版社,2013:82-89. [ZHENG K Y, QI X L, CHEN Z H. A comparison of fluid geochemistry between Kangding and Tibet high temperature geothermal resources[C]// Exploration and Development of High Temperature Geothermal Resources in China. Beijing:Geological Publishing House, 2013:82-89. (in Chinese)]

[20] 多吉.典型高温地热系统—羊八井热田基本特征[J]. 中国工程科学,2003,5(1):42-47. [DUO J. The basic characteristics of the Yangbajing geothermal field-A typical high temperature geothermal system[J]. Engineering Science, 2003,5(1):42-47. (in Chinese)]

[21] 赵平,金建,张海政,等.西藏羊八井地热田热水的化学组成[J]. 地质科学,1998,33(1):61-72.[ZHAO P, JIN J, ZHANG H Z,etal. Chemical composition of the thermal water in the Yangbajing geothermal field, Tibet [J]. Scientia Geologic Sinica, 1998,33(1):61-72. (in Chinese)]

[22] Giggenbach W F. Geothermal solute equilibria. Derivation of Na-K-Mg-Ca geoindicators[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1988(52) :2749-2765.

[23] GB/T 11615—2010 地热资源地质勘查规范[S]. [GB/T 11615—2010 Geologic Exploration Standard of Geothermal Resources[S]. (in Chinese)]