福建省厦门市水热型地热系统地球化学特征及成因模式.pdf
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1、第44卷第2 期2023年6 月DOI:10.16788/j.hddz.32-1865/P.2023.02.002引用格式:刘春雷,李亚松,曹胜伟,等.福建省厦门市水热型地热系统地球化学特征及成因模式 J.华东地质,2 0 2 3,44(2):128-140.(LIU C L,LI Y S,CAO S W,et al.Geochemical characteristics and genetic model of hydro-geothermal system inXiamen City,Fujian ProvinceJJ.East China Geology,2023,44(2):128-1
2、40.)福建省厦门市水热型地热系统地球化学特征及成因模式华东地质EAST CHINA GEOLOGYVol.44No.2Jun.2023刘春雷1.2,李亚松12,曹胜伟1.2,李剑锋1,2,王婉丽1,3(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄0 50 0 6 1;2.福建省水循环与生态地质过程重点实验室,福建厦门36 10 0 0;3.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心,河北石家庄0 50 0 6 1)摘要:福建省厦门市滨海地区海水补给型地热系统虽然补给资源量很大,但是存在水质咸化、温度较低、地热水开采可能诱发海水入侵等问题,因此,查明该区地热资源成因模式,对地热资源合理
3、开发、利用及保护具有重要意义。通过在厦门市地热田采集地热水、地下水及地表水样品,运用水化学及环境同位素分析方法,研究地热水化学特征及地热资源的成因机制。结果表明:厦门市山区及山前地带地热水的补给来源主要是山区降雨人渗,以TDS较低的HCO;SO4-CaNa型水为主;沿海地区地热水的补给来源主要是不同程度的海水混入,以TDS较高的CI-Na型水为主。根据CI-混合模型特征,发现该区13处地热田中有10 处地热田受到海水混人补给,其中浦边地热水的海水混入比达7 3.2 0%。地热水由低山区沿NW向断裂向深部运移,与区域NE向深大控热断裂交汇,接受深部传导热量后形成深部热储层,温度为18 52 2
4、5;地热水沿断裂带上升过程中有海水或地下冷水混入,混人后的浅层热储温度为8 0 139。综合分析认为,厦门沿海地区海水是地热水的重要补给资源,地热水化学组分受海水混合作用影响明显,存在两次或多次地下冷水或海水的混入,降低了地下热储温度。关键词:地热水;环境同位素;地球化学地热温标;海水补给;福建省厦门市中图分类号:P592文献标识码:A文章编号:2 0 96-18 7 1(2 0 2 3)0 2-12 8-13地热水的成因机制与其补给来源、围岩的岩性特征、水岩作用、冷水混入比、热储温度等密切相关 1-3。水热型地热系统中的地热水与围岩发生物质交换,决定了地热水的水化学同位素特征 4,已被广泛应
5、用于水热型地热系统成因模式研究 5。东南沿海地区部分地热水具有明显咸化及重同位素富集的特征,存在不同程度的海水混入补给现象 6-7 。地下水和海水是滨海地区地热系统的主要补给因子,其相互作用关系的改变将直接影响地热资源的数量和质量,海水混人量增大可能造成地热水TDS大幅提高,导致部分医疗矿泉水成分被稀释、热水温度降低。海水混人量的减少可能造成地热资源枯竭,大量开采地热水可能导致海水入侵现象。因此,开展中低温热水系统形成条件及地热水循环模式研究,深入认识中低温对流型地热系统的形成过程和演变规律,可有效预防东南沿海地区地热资源枯竭、水质恶化等资源环境问题。东南沿海中生代火山岩和花岗岩广泛分布 8
6、,具有“酸性岩体放射性生热-断裂导热-盖层保热”的三元聚热模式 。地热异常区均位于地势较低洼的山间盆地、溪谷,地温场和构造裂隙特征显示地热田主要分布于NNW向与NE向、NEE向断裂交汇*收稿日期:2 0 2 2-0 5-12基金项目:中国地质调查局 厦漳泉同城化地区综合地质调查(编号:12 12 0 112 2 0 944)项目资助。第一作者简介:刘春雷,198 4年生,男,副研究员,硕士,主要从事水文地质、环境地质研究。Email:c h u n l e i l i u-d n 16 3.c o m。通信作者简介:李亚松,198 3年生,男,研究员,博士,主要从事区域地下水污染、环境地质研究
7、。Email:。修订日期:2 0 2 2-0 8-14责任编辑:谭桂丽第44卷第2 期区域 10-12 ,其中NE向深大断裂是区域性控热构造,NW向和EW向张性断裂是区域性导水构造 13。区域性NW向和EW向张性断裂构成了由山区向沿海的径流通道,同时也构成了海水由沿海向陆地的运移通道。漳州地区地热水同位素特征表明,沿海地区深部地热水和海水发生了混合作用,导致地热水TDS大幅增加,形成热咸水。海水的混人使与海水成分关系密切的阳离子温标法失去了必不可少的应用条件 14。在沿海地热田的热储温度计算中,二氧化硅温标法具有较好的适用性,利用石英温标(无蒸汽损失)估算的漳州一厦门温泉热储温度为10 6 1
8、49,循环深度为340 0 510 0 m15。东南沿海地区地热水补给条件和地热水咸化成因一直存在争议,目前围绕地热田区域构造、水化学同位素特征和热储层温度估算等方面开展了地热资源成因相关研究,但缺乏对地热热储特征和地热流体补径排条件分析,尤其是海水补给对地热资源形成的贡献还不清晰。本文利用地热水和冷水的水化学和同位素特征揭示地热系统的形成和演化过程,分析了厦门市地热水化学特征及地热资源成因,对进一步认识东南沿海地区海水补给型地热系统的形成及演变具有重要意义。1研究区概况福建省厦门市位于中国东南沿海地区,大地构造上位于欧亚板块东南缘,太平洋板块俯冲导致欧亚板块东南缘产生左移滑动或压扭性NE向深
9、大断裂,在NW向产生一组引张性或张扭性断裂 16 。区内燕山期岩浆活动强烈且频繁,形成多期次岩体,其中以早白垩世岩浆活动规模最大,发育高放射性酸性花岗岩 17 ,广泛分布于研究区北部和西部山区。受燕山期大规模的岩浆活动影响,政和一大埔深大断裂带及东山一南澳深大断裂带呈NE向、NNE向延伸,长度达10 0 0 km以上,具有多期造山运动叠加的复杂演化历史,并且越靠近海岸活动性越强烈 18-19。研究区地下水主要接受大气降水补给,经较短的径流后即排泄入海。地下水分为松散岩类孔隙水、风化带网状裂隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水、风化带网状裂隙水主要分布在浅层冲洪积层和风化残积层;基岩裂隙水主要赋存于
10、燕山期花岗刘春雷,等:福建省厦门市水热型地热系统地球化学特征及成因模式129岩和火山岩节理裂隙和构造裂隙中 2 0。区内地热异常区的热储以带状热储为主,分布在NW向、NE向、NS向或EW向单组、多组断裂交汇部位,形成了由张性断裂、张性节理裂隙组成的地热水赋存、径流和排泄的有利空间。各地热异常区断裂构造带宽度、裂隙流通性能及水文地质条件存在差异,从而导致各地热异常区的地热资量有所不同。2样品采集与实验测试2.1样品采集在研究区典型地热井采集地热水样品13组,地热井深48.6 50 0.8 m。依据地下水径流方向,在地热井所在的水文地质单元采集地下冷水样品34组,包括:松散岩类孔隙水样品2 6 组
11、,井深325m;基岩裂隙水样品8 组,井深3112 0 m。在地下水主要补给区和排泄区河流采集地表水样品8组,海水样品4组,具体采样位置如图1所示。2.2实验测试水温、pH值、电导率均使用便携式水质分析仪(M a n t a 2)现场测试,水样采用0.45m的微孔滤膜过滤后,储存在洁净的聚乙烯瓶中,分别测试了阴离子和阳离子、氢氧同位素和14C同位素测年,测试单位为自然资源部地下水科学与工程重点实验室。阳离子测试仪器型号为ICP-OES(ICAP-6300),阴离子SO-和Br-测试仪器为离子色谱仪ICS1500,测试精度为1%,电荷平衡误差在3%以内。C1-测试采用滴定法,SiO2测试采用硅钼
12、黄分光光度法(仪器型号为UV2550)。氢氧同位素测试利用波长扫描-光腔衰荡光谱法,采用L2130-i同位素分析仪进行检测,18 0 测试精度为0.2%.8 2 H测试精度为2%。14C采用PE1220QUANTULUS型超低本底液体闪烁谱仪测定,以现代碳百分(pmc)表示,分析误差为0.3pmc。具体测试结果如表1所示。3结果与分析3.1水化学特征研究区出露的热水温度为37.6 8 8.9,地下冷水温度为2 3.42 6.8。地热水pH值为6.50 8.68,呈弱碱性;地下水pH值为4.557.92,呈中性偏酸性水;地表水pH值为7.40 9.41,呈弱碱性。130华东地质2023年NH03
13、H12H07H11莲花H01后溪灌口H10杏林东孚H05角美H04汀溪五显新民洪塘H02西柯H06马巷新店H13H09新圩纳厝大橙岛H08海仓鼓浪屿0地表水地热水堆积地貌残坡积地貌图1厦门市地貌概况及采样点分布图(据福建省厦门地区地热资源调查与评价修编)Fig.1 Landform and layout of sampling points in Xiamen CityTable 1Hydro-chemical results of water in Xiamen City样品井深/温度编号水样类型mpH值TDSK+Na+Ca2+Mg2+CI-SO元HCO3CO3BrSiO22H180年龄/年
14、G01地下冷水3.026.27.0255046.333.396.811.134.070.3285G02地下冷水10.024.5 6.404337.0652.050.117.461.335.2121G03地下冷水44.025.46.782484.68 14.359.64.1517.531.5170G04地下冷水24.025.95.8817912.927.711.52.4838.420.717.7G05地下冷水11.024.6 4.552220.8627.131.33.8340.314.16.07G06地下冷水10.024.77.141321.2810.725.72.228.7314.688.5G
15、07地下冷水10.024.85.351743.2019.6 21.84.0630.59.3618.2G08地下冷水10.025.97.415552.0164.211313.589.380.2309G09地下冷水38.026.8 6.7298.3 3.759.334.460.925.243.1330.5G10地下冷水10.0 25.75.501813.2211.829.34.1015.81.9154.6G11地下冷水25.0 25.96.1771.54.449.484.080.308.732.4718.3G12地下冷水25.025.46.824225.4745.574.78.0464.832.8
16、150G13地下冷水13.025.16.2824429.336.718.42.4441.948.355.510km地下冷水海水一二断裂基岩山区河流表1厦门市水化学测试结果含量/(mg L-1)含量/%14C表观00.1034.5-33一5.400.1029.0-416.500.1023.3-33一5.100.1028.300.107.8138一5.900.1019.6-33一4.700.1014.1-38一5.900.1022.3-32一5.200.1049.2一42一6.500.1020.6一43一6.600.1017.7一34一5.300.10 11.900.1019.2-37-5.8-4
17、2一6.4-36一5.6第44卷第2 期G14地下冷水10.024.86.3132452.9 41.3 18.33.2547.957.430.5G15地下冷水9.525.55.861076.0412.07.981.0915.44.8724.3G16地下冷水9.526.15.79843.537.36 9.351.4312.64.096.07G18地下冷水9.0256.613994.3233.6 69.89.2551.038.2101G19地下冷水31.025.86.353486.7860.7 30.17.1510217.948.8G20地下冷水11.325.97.083067.8836.145.
18、94.3946.541.9 82.4G21地下冷水9.524.57.5136615.647.641.19.1259.428.597.6G22地下冷水10.0 25.67.671325.7417.06.021.6316.13.52 31.7G23地下冷水15.024.55.352361.9847.117.73.2461.812.5 7.32G24地下冷水11.025.47.5941426.644.651.19.4560.435.198.9G26地下冷水10.025.96.7127910.7 33.5443.4840.2 33.299.5G27地下冷水8.025.76.887084.9686.51
19、3114.711487.9250G28地下冷水11.224.76.4233918.336.339.611.940.956.1104G29地下冷水14.4 24.86.303442.5347.337.515.264.654.664.1G30地下冷水100.024.37.232491.3722.549.05.38.038.46190G31地下冷水120.0256.901862.3917.329.34.069.436.48122G32地下冷水105.025.27.361720.9614.532.23.64.8913.9122G33地下冷水100.023.47.511710.8514.832.23.4
20、94.8914.5122G34地下冷水100.025.17.922510.7158.625.80.5421.733.5140H01地热水200.456.87.34230015.96192370.71121013033.6H02地热水140.051.77.3611008.6233253.90.23459108104H03地热水48.6488.913011.3685.22.840.0814.755.873.2180.1073.2517.79270H04地热水110.037.68.073261.7186.016.40.4756.66988.5H05地热水150.6807.11364033.48284
21、961.3195021648.8H06地热水151.1476.92800059.9183010604.17463029736.6H07地热水160.045.57.823912.8111214.80.2652.473.8142H08地热水202.038.26.941930086.4404029401851110086645.8H09地热水150.053.66.6517.6001274.32018701181040060984.8H10地热水500.888.96.861380095.335201.410129755069067.1H11地热水151.547.58.683451.431014.40.
22、3516.810155.5H12地热水51.848.57.174435.7299.216.21.911.2136110H13地热水151.068.36.50211002014650281054.91250044748.8S01地表水一33.18.2427912.536.543.15.38 40.944.8140S02地表水一34.99.4111001414799.12.7832149.6 85.4S03地表水一30.77.401215.7311.6182.3811.91173.2S04地表水一34.77.8933012.664.634.87.9288.739.6122S05地表水一34.17.
23、8094.94.079.08121.386.998.548.8S06地表水一32.68.041476.3715.519.82.8417.817.0 61.0S07地表水一33.49.0335914.248.950.87.3670.643.2177S08地表水一33.8 8.7338614.258.847.2 7.0769.245.0201SW01海水SW02海水一28.87.8732.700386101003691190174002390SW03海水一31.78.232400385100003511170178002480SW04海水一28.57.82988003529.33033611001
24、60002230注:“一”表示无测试数据。刘春雷,等:福建省厦门市水热型地热系统地球化学特征及成因模式0.104.4200.1026.0一37-5.8一00.1010.40.1019.0-355.6一00.1040.2-39-6.1一00.1021.6-34一5.300.1025.90.1047.6一42-6.4一00.1013.200.1022.0一406.2一00.10 11.100.10 7.7700.1020.3-32一5.200.1012.3一39-6.1一0.1052.1-42-6.300.10045.4-43-6.5一01.73 36.4-47-7.3一00.10 36.400.
25、1037.9-47-7.0一03.9464.1-487.31006001.1775.4-43-6.4121000.1049.3-436.5342006.483.442一6.2455016.584.7-40一5.9189400.1056.3-43-6.4.304035.365.9-29一4.210350038.779.1-29-4.29000027107一324.811 470180.1065.3-49-7.51139000.10114-47-7.0559049.298.926一3.81970000.1019.3-37一5.7一00.9227.9-36-5.300.122137一5.700.10
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