搭格架温泉水化学特征及其约束因素研究

  长期以来, 地热流体的起源和演化研究是地热学研究的焦点, Craig H.(1963)发现地热水的氢同位素组成总是与当地地下水相似, 基于类似的同位素测量数据, 他认为热液中的水大都源于大气降水。Elli s 和Mahon (1964)发现大多数地热水的化学成分源于地热水对地壳岩石溶滤。同时, 还认为地热水的热量主要源于地热增温, 岩浆(或岩浆岩) 在这一系列过程中的作用很有限。Giggenbach(1987)在长时间研究新西兰怀特岛的火山及其热能释放之后, 发现岩浆(或岩浆岩)对地热的贡献远比原来所设想的大, 这一发现也被同时代的许多勘查地质学家所证实(Bonham , 1986 ;Hedenquist, 1987 ;Whi te 等, 1990)。搭格架地热区作为我国最大的地热间歇喷泉群(佟伟等, 1981), 自1975 年由中国科学院青藏高原综合科学考察队发现至今, 一直受到我国广大地球科学工作者的关注。佟伟等(1981)在《西藏地热》一书中对搭格架地热区进行了较为详尽的描述。20 世纪80 年代末, 郑绵平等发现该地热区温泉水及泉华中Cs 元素异常富集, 经过长期研究发现, 其已构成一种世界上没有先例的新型铯矿床, 并具有重要的理论意义。同时, 在铯资源的开发利用方面也做了相关探索并取得较好成效(佟伟, 1997)。赵元艺等(2006 , 2007 , 2008)长期在搭格架地热区从事岩石学、矿床学、矿床地球化学以及年代学等研究。

 

  前人的研究已经涉及到搭格架地热区的诸多方面, 并且许多研究也已经相当深入, 但专门就该地热区温泉的水化学特征以及各种制约因素的研究相对很少。笔者结合国内外近几十年的研究成果, 从水化学的角度探讨了该地热区温泉水的化学组成及其约束性因素, 这对研究该地热区地热流体的起源、演化以及地热系统可能产生的环境效应有相应的理论意义。

 

  1  区域地质背景

 

  搭格架地热区位于印度河-雅鲁藏布江缝合带中段, 冈底斯陆缘岩浆弧的南缘。区内断裂构造发育, 主要为一系列张性正断层, 搭格架地热区正好位于一个南北向的小型地堑盆地的边缘。

 

  搭格架地热区主要被第四系沉积物所覆盖, 研究区域内主要出露地层单元有:渐—中新统大竹卡组(E3N1d)砂岩夹泥岩, 古—始新统典中组二段(E1 -2d2)流纹质火山岩夹凝灰质砂岩、流纹岩, 早—中白垩统昂仁组一段(K1 -2a1)深灰色、灰黑色砂岩、细砂岩页岩韵律层、灰岩透镜体。其中, 典中组具有典型的弧内盆地沉积的特征。而昂仁组为复理石连续沉积, 依据Dickinson (1979)的划分标准, 昂仁组应属于弧前残留盆地沉积(余光明等, 1990)。区内出露的岩浆岩主要是中粒斑状黑云二长花岗岩。

 

  2  样品采集与测试

 

  笔者所在的研究小组于2009 年7 月28 ～ 29 日,对搭格架地热区进行了考察和采样。野外用美国Hach 公司产便携式水质分析仪(0.1 ℃、0.01 pH 、1 μs/cm、0.1 %)测定温泉水温度、pH 和电导率(EC);Ca2 + 、CO32 -和HCO3-采用德国Merck 公司便携式试剂盒滴定(2 mg/ L 和0.1mmol/L)。取水样用酸洗净的聚四氟乙烯塑料瓶采集, 采样前用温泉水润洗三遍后分别采集用于阳离子分析(加1 ∶1HNO3)、阴离子分析的水样。

 

  K+ 、Na+ 、Ca2 + 、Mg2 +等主要阳离子, 以及其他微量元素测定采用美国Perkin-Elmer 公司的Optima 2100 DV 全谱直读型ICP-OES 测定(0.001mg/L);Cl-采用滴定法测定(0.1 mg/L)。利用日本岛津公司生产的UV2450 紫外-可见光分光光度计测定水样主要阴离子含量:NO3-采用紫外分光光度法, PO43 -用磷铋钼蓝光度法, F-用茜素络合剂比色法, SO42 -用硫酸钡比浊法(0.01 mg/L)。

 

  3  结果与讨论

 

  3.1  水化学组成

 

  由搭格架地热区各种水样的主要化学组成, 可以看出温泉水中阳离子以Na+含量最高, K+次之, 其余两种离子含量都很低;阴离子以HCO3-为主, Cl-为次, 其余阴阳离子含量相对较低, 平均矿化度为1 524 mg/L 。基于Langelier-Ludwig 图解(Francesco 等, 2000), 笔者对地热区的温泉水与地表水进行分类, 可以看出, 样品点明显的分为了两大类。所有的温泉水样品都落在了B 区, 其主要阳离子类型为Na 型, 离子为HCO3 型;两个地表水样投点分别落在了B 区和D 区。其中, 长马曲河水为HCO3-Ca 型;打加芒错水为HCO3-Na 型,这可能是部分温泉水在局部与湖水发生混合造成的。

 

  由表1 数据可以看出, 区内温泉水具有较高的Na/Cl 值, 温泉水中的Na/Cl >1 , 说明温泉水在地下曾发生过强烈的水岩反应(Yildiray P.等, 2008)。

 

  因此, 利用K-Na-Mg 图解(Giggenbach , 1988)来检验温泉水的演化情况, 以及水岩作用进行程度。

 

  从图3 中可以看出, 大部分样品的投点落在了完全平衡线以外, 仅有2 个样品分别落在了部分成熟水和未成熟水区域内。可见, 搭格架地热区的温泉水演化程度很高, 热储中进行的水岩作用异常强烈,已经达到完全平衡状态。这也间接指示该地热区的热储发育完整, 冷水下渗与热水发生混合的可能性较小。

 

  3.2  水岩作用过程

 

  3.2.1  典型热液矿物在温泉水中的饱和状态

 

  通过对十余种典型热液矿物的饱和指数(SI)

 

  的计算, 可以定性判别温泉热液中的各种化学反应进行的方向, 由此可推断热液在迁移过程中由于温度、压力和氧化还原条件等发生改变时可能发生的化学变化。利用美国地质调查局的PHREEQC 模型, 对样品的水化学过程进行了热力学模拟, 计算出各种矿物的饱和指数和主要气体在水中的分压(PO2 、PCO2 )。

 

  由计算出的SI 值可以看出, 除玉髓、石英和无定形态SiO2 以外, 大部分样品的其余热液矿物的饱和指数都是负值, 这说明温泉热液从热储流出之后只有这3 种热液矿物可能产生沉淀而析出, 这一结果与野外所观测到的大面积硅华沉积物是相一致的。

 

  由于大部分典型热液矿物的饱和度指数都为负, 即不会发生沉淀, 这也从另外一个侧面反应出热液蚀变作用不太强烈。PO2值非常小, 说明温泉在流出地表之前一直在一个相对还原环境下运移, 较高的PCO2是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的。

 

  由于搭格架地热区温泉水在热储中所经历的水岩反应已经达到完全平衡, 所以可以利用金属离子地质温度计计算热储平衡温度。K-Na 温标作为一种常用的地质温度计能够较为准确的计算出水岩平衡反应条件下的热储平衡温度, 笔者采用Can (2002)K-Na 地质温度计(标准均方差0.179 ℃)计算热储平衡温度TK -Na 。

 

  3.2.2  主要成分的矿物约束探讨(活度图解)

 

  搭格架地热区温泉深部热储平衡温度范围在215.34 ～ 284.72 ℃ , 平均为251.36 ℃, 取此温度作为参考温度。同时, 溶液中气、液相共存,水在各组成成分中占有主导地位, 满足活度图解应用的条件(Luigi M 等, 2003)。

 

  图4-A 、图4-B 为Na2O-Al2O3-SiO2-H2O ,K2 O-Al2O3-SiO2-H2 系统活度图解, 这些图解都是研究的相的沉淀, 是钾、钠长石非均一性溶解的结果(Parkhurst 等, 1999)。由图4-A 可以看出, 图解设置了4 个相———钠长石、三水铝矿、高岭石和钠云母。由水样投点位置可以看出, 水中Na+的活度主要由钠长石控制。图4-B 所表现的趋势与A 大致相同, K+的活度主要受到钾长石的控制。由图解可以看出, 大部分样品投点的位置与石英饱和线和玉髓饱和线非常接近, 这说明当温泉水离开热储后这两种矿物会首先发生沉淀, 其结果与模型模拟的结果是一致的。

 

  3.3  温泉水微量元素组和特征

 

  由温泉水样的微量元素组成可以看出,Cd、Mo 和Al 三种元素的含量都远高于正常值。用SPSS 软件以皮尔逊(Peason)相关系数为标准, 对水样的微量元素(Cr 除外), 进行R 型分层聚类分析(图5), 在距离15 以内, 所有元素分为了两簇:一簇为Ba 、Sr 、Mn 、Cu , 具有花岗岩来源的特征(余光明等,1990);另一簇为Fe 、Al 、Zn 、Mo 、Cd , 尽管有Fe 的存在, 但由于其含量极低, 所以这个组合依然认为是花岗岩来源, 尤其作为是花岗岩源典型元素和高温成矿元素的Mo 在水中的含量已经达到含矿(铜钼矿或多金属矿)异常, 进一步指示了花岗岩体对温泉水化学特征的贡献较大。搭格架地热区所处的区域内并未见有近现代火山活动, 由此推断区域内存在的花岗岩或花岗斑岩体尚未完全冷却。

 

  4  结论

  (1)搭格架地热区的温泉水类型为Na-HCO3 型水, 矿化度较低, 这种类型的水反应了水的演化是在一个还原条件下进行的, 说明温泉水的循环深度较大, 水中极低PO2也从另一个侧面支持了这一结论。同时, 温泉水具有较高的Na/Cl 值, 说明温泉水在地下曾发生过强烈的水岩反应, K-Na-Mg 图解指示热储中的水岩反应达到了平衡状态, 并间接指示该地热区热储发育较为完整, 这与当地地质背景吻合———热田区内出露的大竹卡组砂岩夹泥岩构成了热储良好的盖层。

 

  (2)温泉水中各种矿物饱和度指数模拟结果显示, 温泉水在从含水层向地表迁移过程中会发生硅质沉淀———硅华, 这一结论与现场观测到的现象是一致的。另外, 温泉水中较高PCO2 是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的, 并且这种具有高PCO2分压的热水在向地表迁移的过程中极易发上CO2 脱气。利用K-Na 地热温标计算出该地热区热储平衡温度均值为250 ℃左右, 为中温型热储。

 

  (3)活度图解显示温泉水中Na +和K +活度主要受到钠、钾长石的控制, 这两种矿物均为花岗岩和各种酸性喷火山岩的主要组成矿物, 加之微量元素组成特征为典型的花岗岩源, 由此认为区域内大面积出露的黑云母二长花岗岩为温泉水化学特征的主要约束因素。同时, 区内未见有近、现代火山活动,加之高温成矿元素Mo 的异常富集, 由此推测区内存在作为热源的尚未完全冷却的岩体。

 

  综上可以认为, 搭格架地热区处在一个特殊的构造部位, 各种断裂构造极其发育, 这为大气降水的深循环创在了良好的构造条件, 其温泉水化学特征直接受到区域地质背景的约束。