新疆布爾津縣沖乎爾盆地地?zé)豳Y源水化學(xué)特征及地下熱水成因分析

喜 英,張同良,齊志龍

(1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆工程學(xué)院地?zé)嵫芯恐行?新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

地?zé)嶙鳛橐环N新型綠色環(huán)保能源,具有資源量豐富、對(duì)環(huán)境污染小、運(yùn)營(yíng)成本低等特點(diǎn),其潛在的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值已被越來(lái)越多的人所關(guān)注。我國(guó)是世界上地?zé)豳Y源儲(chǔ)量較為豐富的國(guó)家之一[1]。近年來(lái),不少學(xué)者針對(duì)我國(guó)地?zé)豳Y源做了相關(guān)的研究,尤其是在地?zé)豳Y源賦存規(guī)律、水文地球化學(xué)特征及其成因模式等方面做了大量研究[2-5]。新疆布爾津縣沖乎爾盆地地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用具有很廣闊的前景,研究區(qū)以沖乎爾鎮(zhèn)為中心,北至托馬爾德布拉克為界,南至庫(kù)木托別鄉(xiāng)山前地帶附近為界,東至沙爾扎克山區(qū)一帶為界,西至沖乎爾斷裂一帶為界,運(yùn)用舒卡列夫分類和派珀三線圖解分類,通過(guò)對(duì)比和分析不同區(qū)域地下水組分和化學(xué)特征,探討了地?zé)崴膩?lái)源和成因。根據(jù)區(qū)內(nèi)水體的δ18O-D穩(wěn)定同位素、放射性同位素碳-14年代測(cè)定組成特征,結(jié)合該區(qū)水文地質(zhì)條件、同位素組成背景,定性、定量分析了地下水體的來(lái)源、補(bǔ)給高程、滯留時(shí)間,加深了對(duì)地下水形成條件的認(rèn)識(shí),為地下熱水成因的研究提供了有意義的參考。本文從水文地球化學(xué)角度分析和研究沖乎爾盆地地?zé)崴奶卣骱统梢?以其為勘探、開(kāi)發(fā)沖乎爾盆地地?zé)豳Y源提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)以沖乎爾鎮(zhèn)為中心,北至托馬爾德布拉克為界,南至庫(kù)木托別鄉(xiāng)山前地帶附近為界,東至沙爾扎克山區(qū)一帶為界,西至沖乎爾斷裂一帶為界,研究區(qū)區(qū)內(nèi)交通便利,其中重點(diǎn)研究區(qū)以沖乎爾盆地為中心,呈東西向長(zhǎng)條狀布置,面積140 km2。地理坐標(biāo):經(jīng)度87°00′23.12″～87°15′5.29″,緯度48°3′8.66″～48°14′39.97″。

研究區(qū)四面環(huán)山,屬于沖乎爾盆地中心地帶,盆地腹地海拔654 m,四周海拔814～1 606 m,地貌類型有低中山區(qū)、山間盆地區(qū)2個(gè)地貌單元。(圖1)低中山區(qū)地勢(shì)北高南低,北部巖石裸露,陰坡森林密布,樹(shù)枝狀的地表徑流十分發(fā)育,南部地形漸緩,溝谷底部水草茂盛,灌木叢生;山間盆地地貌由布爾津河沖洪積扇組成,地勢(shì)由北向南傾斜,第四紀(jì)沉積物厚,表層土淺,多粗粒物質(zhì)為其主要特征。

圖1 研究區(qū)地貌分區(qū)圖

布爾津縣沖乎爾屬北溫帶大陸性氣候,其特點(diǎn)是氣候寒冷,春季干旱升溫快,秋季降溫快,冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng),夏季短少炎熱,多風(fēng)少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年際變化大,光照充足,晝夜溫差大,其趨勢(shì)是東西差別小,南北變化大。全縣多年平均氣溫5.18℃,降水量為181.68 mm,蒸發(fā)量為1 578.6 mm,相對(duì)濕度72.1%。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的河流為布爾津河,發(fā)源于阿爾泰山南麓,以友誼峰為源頭,自北向南縱貫沖乎爾鎮(zhèn),至布爾津縣城西匯入額爾齊斯河。流程全長(zhǎng)269.5 km,年徑流量42.73億 m3,豐水年年徑流量48.45億 m3,枯水年年徑流量28.15億 m3。

2 水樣測(cè)試與分析

本次調(diào)查取得3個(gè)水樣分析資料(表1)。本次工作中的水樣樣均按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》[6]及地?zé)嵩u(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程等要求。樣品測(cè)試由具有相關(guān)資質(zhì)的新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)、美國(guó)BETA實(shí)驗(yàn)室完成,樣品測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。

表1 水化學(xué)基本特征一覽表

3 地下水水化學(xué)特征

3.1 地下水水化學(xué)組分特征

3.1.1 水化學(xué)類型

1)舒卡列夫分類

本次調(diào)查取得3個(gè)水樣分析資料(表1),采用舒卡列夫分類水化學(xué)類型方法進(jìn)行劃分,該分類方法是根據(jù)含量大于25%毫克當(dāng)量的陰離子和陽(yáng)離子進(jìn)行組合[7]。

研究區(qū)水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型。因地表與與地下熱水混入量的差異,其化學(xué)成類型有所不同。

2)派珀三線圖解分類

用 AqQA 軟件繪制 Piper 三線圖,Piper 圖常被用來(lái)進(jìn)行地下水水化學(xué)類型判別及主要離子組成特征描述[8]。派珀(A.M.Piper)圖解法是由兩個(gè)三角形和一個(gè)菱形組成,從三角形中可以看出各種離子的相對(duì)含量,從菱形中可以看出水樣中的一般化學(xué)特征,將研究區(qū)水樣標(biāo)在圖上(圖2),可以較直觀地揭示各泉點(diǎn)陰、陽(yáng)離子含量及交換等有關(guān)地下水演化現(xiàn)象。

3.1.2 水化學(xué)組分特征

1)Q1為下降泉,地下水屬于潛水,Q3、Q4分別位于構(gòu)造交匯區(qū)域,呈點(diǎn)狀分布,其pH值在7.60～7.97之間,總體為中性,無(wú)色無(wú)味。Cl-含量在3.5～21.3 mg/L,SO42-含量在0～96.1 mg/L,HCO32-含量在170.9～207.5 mg/L;F-含量在0.2～0.5 mg/L;Na+含量在8.0～58.1 mg/L,Ca2+含量均為32.1 mg/L;Mg2+含量在14.6～19.4 mg/L;H2SiO3含量在20.9～24.9 mg/L;HBO2含量在0.3～0.9 mg/L;總?cè)芙夤腆w量在178.0～363.8 mg/L之間。

2)Na+/K+值與熱儲(chǔ)溫度背景有關(guān),低比率代表著相對(duì)高溫,并與熱流體上流帶或滲透帶相關(guān),比值介于20/1到8/1,一般為重要地?zé)崽?本次調(diào)查水樣Na+/K+值4～10.9之間,其中Q3的Na+/K+比值為10.9,說(shuō)明研究區(qū)地下水具有一定熱異常顯示。

3.1.3 Na-K-Mg三角圖

Na-Mg-K 三角圖是 Giggenbach 提出的用于評(píng)價(jià)地?zé)崴?巖平衡狀態(tài)的一種方法,將地?zé)崴譃橥耆胶馑?、部分平衡水和未成熟水三種類[9]。將研究區(qū)所采集的地下水中Na、K、Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)值投影到Na-K-Mg三角圖(圖3)中。由Na-K-Mg三角圖可以看出研究區(qū)的所水樣點(diǎn)(Q1、Q3、Q4)均靠近右下角頂點(diǎn)處Mg端元,屬淺層水區(qū)域,這反映了水-巖反應(yīng)的平衡溫度偏低,陽(yáng)離子在這種環(huán)境下不能達(dá)到平衡;也可能是研究區(qū)地下熱水來(lái)自較熱的環(huán)境,在熱水向地表上升過(guò)程中受到淺層冷水的強(qiáng)烈稀釋,熱水中原本的礦物溶解平衡被打破。

3.2 同位素化學(xué)與地下熱水成因分析

同位素分析是研究地下水的一種有效方法,在水文地質(zhì)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其理論和方法可解決地下水年齡、起源、形成和分布,地下水運(yùn)動(dòng),測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)等問(wèn)題。Craig 統(tǒng)計(jì)了全球各地?cái)?shù)百個(gè)地區(qū)大氣降水、地表水及地下水中同位素 δD 與 δ18O 值,發(fā)現(xiàn)它們之間存在線性關(guān)系,建立了全球大氣降水線方程 Craig 方程式[10]:

δD = 8δ18O + 10

(1)

在δD-δ18O 圖上,這條直線又被稱為全球大氣降水線。

根據(jù)區(qū)內(nèi)水體的δ18O-D穩(wěn)定同位素、放射性同位素碳-14年代測(cè)定組成特征,結(jié)合該區(qū)水文地質(zhì)條件、同位素組成背景,定性、定量分析了地下水體的來(lái)源、補(bǔ)給高程、滯留時(shí)間,加深了對(duì)地下水形成條件的認(rèn)識(shí),為地下熱水成因的研究提供了有意義的參考。

3.2.1 補(bǔ)給來(lái)源

工作內(nèi)3個(gè)泉點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定同位素δ18O和δD測(cè)試,表2。

表2 同位素測(cè)試一覽表

根據(jù)圖4、表3可以看出,研究區(qū)地下水的δ18O和δD值均在大氣降水線附近,說(shuō)明其補(bǔ)給源均為大氣降水[11]。其中Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大氣降水線的下方,δ18O發(fā)生正漂移,大氣降水發(fā)生了水-巖氧同位素交換,說(shuō)明基底溫度較高,具有一定的熱顯示。

表3 各種類型天然水的δ18O和δD值

圖4 δD和δ18O關(guān)系圖

3.2.2 補(bǔ)給高程

研究區(qū)地下水來(lái)源于大氣降水,利用δ值的高度效應(yīng)(大氣降水的δ值隨地形高程增加隨地形高程增加而降低,可以計(jì)算出補(bǔ)給區(qū)的海拔高度[12]。中國(guó)大氣降水的高程效應(yīng)公式:

(2)

式中:H為同位素滲入高度;δs為水點(diǎn)(泉)的δ18O或δD值;δp為大氣降水的δ18O值(取-9.15‰)或δD值(取-66‰);h為水點(diǎn)高程;k為同位素高度梯度,相應(yīng)于海拔高度每變化100 m的δ18O值的變化(δ18O取-0.58‰/100 m,δD取-3‰/100 m)。

計(jì)算結(jié)果表4所示,研究區(qū)地下水補(bǔ)給高程在2 361.85～3 277.19 m,結(jié)合研究區(qū)周邊地形、地貌及水文地質(zhì)條件推斷,Q3補(bǔ)給區(qū)在研究區(qū)東側(cè)44 km阿勒泰市北部山區(qū)一帶;Q1、Q4補(bǔ)給區(qū)在研究區(qū)東北部77 km阿勒泰山一帶。

表4 地下水補(bǔ)給高程計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 滯留時(shí)間

根據(jù)對(duì)研究區(qū)水點(diǎn)進(jìn)行碳-14年代測(cè)定,發(fā)現(xiàn)地下水年齡在95～1 460 a之間(見(jiàn)表5)。說(shuō)明Q4地下水從大氣降水滲入地表開(kāi)始通經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間(大于1 000 a)地下水年齡較老,屬于深循環(huán)地下水,因此可以斷定該地下水通過(guò)大氣降水入滲水后必然順構(gòu)造裂隙向深部運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)深循環(huán)大地?zé)崃骷訜崦芏冉档?再通過(guò)深大斷裂上涌。該部分水成為研究區(qū)地?zé)豳Y源主要補(bǔ)給源。

表5 研究區(qū)C14年齡計(jì)算表

3.3 研究區(qū)熱儲(chǔ)特性

3.3.1 熱儲(chǔ)特征

當(dāng)熱儲(chǔ)在某一區(qū)域內(nèi)以對(duì)流傳熱為主,平面上呈條帶狀延伸,具有有效空隙率和滲透性的斷裂帶構(gòu)成的熱儲(chǔ)時(shí)則稱為帶狀熱儲(chǔ)。結(jié)合目前勘查精度表明,研究區(qū)熱儲(chǔ)屬于帶狀熱儲(chǔ),較高溫度的泉點(diǎn)(Q3、Q4)呈點(diǎn)狀分布于兩組斷裂交匯處或巖漿巖脈出露區(qū)域;研究區(qū)內(nèi)不同走向斷裂縱橫交錯(cuò),構(gòu)造裂隙極其發(fā)育,加上巖漿巖冷凝過(guò)程中于圍巖形成的大量裂隙,在理想的構(gòu)造部位形成熱儲(chǔ)(圖5)。

圖5 熱儲(chǔ)概念模型圖

即:大氣降水(冷水)入滲下潛→地下水深循環(huán)加熱(大地?zé)崃?、密度降低→(地?zé)崃黧w)沿深大構(gòu)造上升,在上地表一定區(qū)域富集。

3.3.2 熱儲(chǔ)巖性

研究區(qū)熱儲(chǔ)巖性主要為泥盆系、震旦系蝕變黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、蝕變黑云母斜長(zhǎng)變粒巖、霏細(xì)巖、花崗巖、火山凝灰?guī)r、英安質(zhì)火山凝灰?guī)r、英安巖、流紋巖、中酸性晶屑凝灰?guī)r。

3.3.3 熱儲(chǔ)溫度

地?zé)釡貥?biāo)是在地?zé)崃黧w礦物質(zhì)的化學(xué)平衡的基礎(chǔ)上建立,是指與地下熱儲(chǔ)溫度相關(guān)的熱水化學(xué)濃度或濃度比值,地?zé)崃黧w與礦物在一定溫度、壓力條件下達(dá)到平衡,地?zé)崃黧w上涌至地表溫度降低時(shí),這種平衡任然存在,利用地?zé)崃黧w這一特性,通過(guò)水質(zhì)分析結(jié)果,采用適用的地?zé)釡貥?biāo)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地溫估算(表6)。研究區(qū)無(wú)地?zé)崧额^,地下水最高溫度12.9℃,初步判斷為低溫地?zé)嵯到y(tǒng)(25℃～90℃),本次采集水樣溫度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4溫度高于平均水溫,說(shuō)明地下熱水運(yùn)移至上地表一定區(qū)域混入大量冷水混入;pH值在7.6～7.97之間;由Na-K-Mg三角圖可以看出Q1、Q3、Q4屬淺層水區(qū)域,陽(yáng)離子未能達(dá)到平衡,因此以二氧化硅溫標(biāo)估算研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度較為科學(xué)合理。

表6 地?zé)釡貥?biāo)適用性判別條件

二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)公式如下[13]:

(3)

式中:S為溶液中溶解的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù),單位為mg/L。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,熱交換溫度為68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃,說(shuō)明研究區(qū)基礎(chǔ)溫度較高具有較大的開(kāi)發(fā)潛力。

表7 二氧化硅溫標(biāo)熱儲(chǔ)溫度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型,因地表與與地下熱水混入量的差異,其化學(xué)成類型有所不同。

(2)本次調(diào)查取得3個(gè)水樣其中Q4水年齡為1 460 a之間,說(shuō)明地下水從大氣降水滲入地表開(kāi)始通經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間,可以斷定該地下水通過(guò)大氣降水入滲水后必然順構(gòu)造裂隙向深部運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)深循環(huán)大地?zé)崃骷訜崦芏冉档?再通過(guò)深大斷裂上涌,而且Q3、Q4泉δ18O-δD值落在了全球大氣降水線的下方,δ18發(fā)生正漂移,大氣降水發(fā)生了水-巖氧同位素交換,說(shuō)明基底溫度較高,具有一定的熱顯示。

(3)研究區(qū)熱儲(chǔ)屬于帶狀熱儲(chǔ),無(wú)地?zé)崧额^,地下水最高溫度12.9℃,初步判斷為低溫地?zé)嵯到y(tǒng)(25℃～90℃),本次采集水樣溫度在7.0℃～12.9℃,其中Q3、Q4溫度高于平均水溫;pH值在7.6～7.97之間;由Na-K-Mg三角圖可以看出Q1、Q3、Q4屬淺層水區(qū)域,陽(yáng)離子未能達(dá)到平衡,二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)估算工作區(qū)熱儲(chǔ)溫度在68.9℃～73.9℃,平均值71.7℃;說(shuō)明工作區(qū)具有較好的可進(jìn)一步勘查的前景。