天津山岭子地热田蓟县系雾迷山组热储流体同位素特征及其指示意义.pdf
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1、http:/天津山岭子地热田蓟县系雾迷山组热储流体同位素特征及其指示意义岳冬冬1,2,贾小丰1,2,张秋霞1,2,冯昭龙1,2,李胜涛1,2,3*(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,保定 071051;2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心,保定 071000;3.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,长春 130021)摘要:为分析天津山岭子地热田地热流体化学成因、赋存条件及物质来源,笔者通过采集地热流体样品和测试分析,对天津山岭子地热田蓟县系雾迷山组地热流体同位素特征进行了研究,总结了天津山岭子地热田蓟县系雾迷山组地热流体起源与形成机理。结果表明:研究区蓟县系雾迷山组
2、地热流体87Sr/86Sr范围为0.71130.7118,指示碳酸盐岩溶解成因,表现出明显的时间累积效应;蓟县系雾迷山组热储流体的40Ar/36Ar范围为 301412,远小于幔源40Ar/36Ar,可排除其幔源物质成因。34S范围为34.134.6,气体组分含量以氮气和甲烷为主,指示其还原环境。本文研究结果对山岭子地热田地热资源的开发利用具有借鉴参考意义。关键词:山岭子地热田;蓟县系雾迷山组;环境同位素;稀有气体中图分类号:P314文献标识码:A文章编号:20970188(2023)020045-06收稿日期:2022-09-01资助项目:中国地质调查局项目“东部地区干热岩资源调查评价(DD
3、20221680)”;“天津东丽区河北牛驼镇地热资源调查与试验(DD20190127)”作者简介:岳冬冬(1991-),男,工程师,硕士,毕业于吉林大学地下水科学与工程专业,现从事地热地质调查研究工作,E-mail:。*通讯作者:李胜涛(1982-),男,正高级工程师,硕士,毕业于吉林大学地下水科学与工程专业,现从事地热地质调查研究工作,E-mail:。第46卷 第2期vol.46 no.22023年06月northchinageologyjun.2023低碳城市建设对地热资源的需求较大1,天津作为地热资源丰富的直辖市,地热资源开发利用规模位居全国前列2。截止2020年底,天津市共有地热开采井
4、 343 眼,回灌井 204 眼,其中以蓟县系雾迷山组地热井为主,成井深度大多在1 5003 000m之间。丰富的地热钻孔为地面以下2 0004 000m深度范围内的地热系统研究提供了便利。长期以来,对于天津市平原区蓟县系热储中地热流体的水化学、同位素特征也有了一定程度的了解3-11,但其指示的地热流体的补给、循环特征却较少涉及。已有研究表明,C、S、Sr等同位素可以较好的指示地热流体的水化学成因12-18。而C、Ar等同位素可以用来指示地热流体中的物质来源19-20,其主要原理是利用大气来源、壳源、幔源等不同端元的13CHCO3-、40Ar/36Ar具有明显差异,通过将地热流体中13CHCO
5、3-、40Ar/36Ar与大气来源、壳源、幔源物质等端元的13CHCO3-、40Ar/36Ar值进行对比,从而对地热流体中的物质来源进行判断。山岭子地热田作为天津市几大地热有利区之一,区域建设对清洁能源需求巨大21。20172019年东丽湖区域地热资源的勘探突破更是极大推动了山岭子地热田地热资源的开发进程22。对地热水的补给、循环的掌握,是科学合理开发地热资源的基础。本文利用水化学和87Sr/86Sr、13C同位素、34S同位素和40Ar/36Ar同位素及溶解气体等手段,系统描述了天津市山岭子地热田的流体同位素特征,着重分析了蓟县系热储中地热流体的水化学成因、物质来源和赋存环境等特点,从而为城
6、市地热资源的开发保护提供科学支撑。1地热地质条件概况山岭子地热田大部分位于沧县隆起北端的潘庄凸起构造区之上;东侧、东南侧为黄骅坳陷,西北侧为冀中坳陷,北起潘庄凸起中部,南至海河断裂,西侧为天津断裂,西南侧为白塘口凹陷(图1)。潘庄凸起构造区属于沧县隆起的三级构造单元。北部以汉沽断裂为界与王草庄凸起相接,南部以海河断裂为界与双窑凸起、白塘口凹陷和小韩庄凸起相连,沧东断裂和天津断裂分别为其南东和北西界,总体呈北DOI:10.19948/j.12-1471/P.2023.02.07http:/东延伸的不对称地垒形态。区内已查明的多个热储层垂向上叠置,包括新近系明化镇组、馆陶组,古生界的奥陶系、寒武系
7、昌平组热储、蓟县系雾迷山组热储等。明化镇组全区分布,与下伏地层馆陶组整合接触,底板埋深1 2501 450 m,厚度为800950 m。馆陶组在研究区西部缺失,其底板埋深约为12501 550m,厚度为0100 m。奥陶系热储仅在研究区南部分布,顶板埋深1 2001 500 m,厚度为100500 m。寒武系热储在东丽湖部分缺失,顶板埋深1 5002 500m,厚度为0700 m。蓟县系雾迷山组热储层在研究区内普遍分布,雾迷山组顶板埋深为1 6002 000 m,揭露厚度为500600 m,岩性以白云岩为主,该热储层岩溶、裂隙、空隙较发育,富水性强,是该区主要的基岩热储层之一。裂隙率1.851
8、2.3,渗透率为0.14.7110-3m2,泥质含量为1.06.0;单井出水量为80120m3/h,最大可达204.61 m3/h,出水温度为96102。2样品采集与测试本次研究于 2017年 11月份进行了样品的采集工作,共采集全分析样品87件,87Sr/86Sr样品41件,13C同位素33件,40Ar/36Ar样品5件,34S样品4件,流体溶解气样品1件。水化学和同位素样品均委托核工业北京地质研究院进行测试。其中,全分析样品由液相离子色谱仪测试,相对测定误差为1%。87Sr/86Sr采用Phoenix 热表面电离质谱仪测试,13C采用 MAT-253 气体同位素质谱仪测试。40Ar/36A
9、r采用Helix SFT测试。其中,不同水体各测试项目样品数量如表1所示,测试结果见表2。3数据分析3.187Sr/86Sr特征大气降水携带的Sr2+浓度通常很低,天津市大气降水中Sr的平均浓度为0.008 mg/L,地下水中的Sr浓度取决于含水介质中的Sr含量和水岩相互作用程度2324。锶常以类质同象方式存在于含钙矿物中,地下水中锶的来源主要有风源沉积物、土壤硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐等矿物的风化和含水介质的矿物溶解。碳酸盐、硫酸盐来 源 锶 的87Sr/86Sr 约 为 0.708 0,硅 酸 盐 来 源 锶的87Sr/86Sr较大,一般为0.716 00.720 0,相比碳酸盐来源锶的87S
10、r/86Sr高约0.008 00.012 025-28,水体流经地质体时发生水岩作用会带出其中的锶,而锶的地球化学性质非常稳定,在水文地球化学作用的过程中不会发生分馏,不同的岩石组分具有特定的87Sr/86Sr,从 而 造 成 不 同 水 体 可 能 具 有 不 同的87Sr/86Sr,且与不同的地质环境相对应。通过分析研究区87Sr/86Sr的特征可以推测地热流体中物质的来源。研究区87Sr/86Sr-TDS和87Sr/86Sr-Sr关系图如图2、图3所示。由图可见各储层地热流体87Sr/86Sr差异明显。其中新近系明化镇组地热流体的87Sr/86Sr位于0.70750.711 6,普遍低于
11、 0.7085,接近碳酸盐岩地层图1 山岭子地热田位置示意图Fig.1 Location of shanlingzi geothermal field1.断裂;2.山岭子地热田;3.行政界线;4.行政单位;5.地热井(井号,层位,深度);6.ClSO4-Na型水;7.ClHCO3SO4-Na型水;8.ClSO4HCO3-Na型水46华 北 地 质第46卷http:/的87Sr/86Sr值,可以推断明化镇组地热流体的87Sr/86Sr主要受水岩作用成因。蓟 县 系 雾 迷 山 组 地 热 流体87Sr/86Sr普遍在0.711 30.711 8之间,高于碳酸盐岩的87Sr/86Sr(0.708
12、0),表明而低于蓟县系雾迷山组地热流体87Sr/86Sr受到两个方面因素控制:一是碳酸盐岩的溶解作用。研究区蓟县系雾迷山组热储岩性主要为白云岩,地 热 流 体 流 经 含 水 介 质 过 程中87Sr/86Sr逐渐向围岩87Sr/86Sr靠拢。二是87Sr/86Sr的时间累积效应。Sr的四 个 稳 定 同 位 素 中(88Sr、87Sr、86Sr和84Sr),87Sr是放射性成因,由87Rb经过-衰变而来,随着Rb的衰变,87Sr的含量逐渐增加,导致87Sr/86Sr变大,这也就导致了研究区蓟县系雾迷山组热储流体的87Sr/86Sr略高于碳酸盐岩的典型值。3.213C同位素特征13C是可以为地
13、热流体碳酸盐演化提供依据29-31。研究区TDS与13C的相关关系如图4所示,由图4可见,明化镇组地热流体 13C 变化范围较大,在-13.24-2.5 不等,馆陶组地热流体13C分别为-5.8和-4.1,寒武系地热流体13C值分别为-2.5和-2.7,雾迷山组地热流体 13C 值在-8.3-2.8 不等,大部分集中在-6.0-2.8 之间,略高于大气降水的平均值(-7左右)。幔 源 碳 的13CCO2值 为-4.7-8.0,通 过 对 比 地 热 流 体 的13CCO2值与幔源碳的13CCO2值,可以判 断 地 热 流 体 物 质 的 壳 幔 成 因。13CCO2可由下式计算:13CHCO3
14、-13CCO2=4.54+1.099106/T2其中:T为热储绝对温度,根据以往研究成果和实测数据。各热储温度分别取:明化镇组320.15 K(47),馆 陶 组 331.15 K(58),寒武系357.15 K(84),雾迷样品编号DL-23HD-31B东丽供热JJS001PJJS004PA1009A1020A1037LK2DL-10DL-26PZR4DL-36BDL-46BBC-04DL-20DL-45DL-50FSWHDR1LKR1PZR1QLH03XF-1XXT-1俵口1号DL-19DL-22DL34DL-36DL-37DL-40DL-42DL-44DL-46DL-49DL-51DL-
15、52DL-56DL-63DL-64DL76DL-82JN-27SY-01SY-02SY-03SY-04SY-05井深/m1 4587801 2901 3722 2001 1741 1001 4941 5101 3008601 8422 5462 3272 6682 7072 3282 7602 3731 4592 0233 6342 4692 3532 2272 5642 4302 4382 8004 051.684 051.684 051.684 051.684 051.68层位/采样位置奥陶系奥陶系奥陶系地表水地表水第四系第四系第四系第四系新近系馆陶组新近系馆陶组新近系馆陶组寒武系寒武系新
16、近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组新近系明化镇组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组蓟县系雾迷山组TDS1 7912 1342 1415195376501 8091 5931 5821 6121 0661 53
17、61 3121 5781 6741 5641 1827506884828611 5211 6581 5451 6101 5791 5451 5111 6871 6581 5691 5691 5841 5781 4971 589pH7.97.48.128.158.58.558.717.947.57.237.78.38.328.257.858.167.668.188.58.458.468.427.937.567.57.37.767.768.087.817.837.58.28.117.877.877.7913C-12.1-11.2-9.7-4.1-2.7-2.5-6.6-9.49-3.4-7.6-2
18、.5-8.7-10.2-13.24-12.71-12.34-4.2-2.8-2.9-2.6-3.9-5.39-6.07-3.1-3.2-4.85-3.3-3.9-5.82-5.35-4.83-5.55-3.3-3.6-387Sr/86Sr0.711 30.709 10.709 50.709 10.710 60.710 30.711 50.711 40.708 30.708 10.711 60.711 40.711 40.708 30.707 50.707 60.707 50.708 10.711 80.711 30.711 70.709 50.711 30.711 70.711 60.711
19、70.711 40.711 40.711 80.711 60.711 50.711 40.711 60.711 50.711 70.710 0Sr2+g/L0.01592596273579.4200345654.159.120182024193134S34.234.634.134.2水体地表水第四系新近系明化镇组新近系馆陶组奥陶系寒武系蓟县系雾迷山组全分析103347542487Sr/86Sr3114122013C同位素11221834S同位素440Ar/36Ar5气体组成1注:测试单位为核工业北京地质研究院表1 各水体样品测试项目及数量Table 1 Test items and quant
20、ities of each water body sample表2 样品测试结果(mg/L)Table 2 Sample test results(mg/L)第2期岳冬冬等:天津山岭子地热田蓟县系雾迷山组热储流体同位素特征及其指示意义47http:/山组366.15 K(93)。计算得到各热储层地热流体13CCO2范围分别为明化镇组-8.68-19.42,馆陶组-9.58,寒武系-6.58-6.78,雾迷山组-6.26-9.73。可见明化镇组和馆陶组的13CCO2值为高于幔源碳的13CCO2,可以排除其物质的地幔来源,寒武系和蓟县系雾迷山组13CCO2则与地幔13CCO2较为接近,指示两热储碳
21、可能为幔源成因,需要结合40Ar/36Ar特征进一步判断。3.340Ar/36Ar特征地壳流体中的稀有气体有3个明显不同的源区,即饱和空气雨水、地幔和地壳,氩在这3个端元中具有极不相同的同位素组成18,大气氩的40Ar/36Ar 值为295.632。地壳物质的40Ar/36Ar平均值大于295.5,地幔物质的40Ar/36Ar值较高,有些达4 00012 00033。因而如果掌握了一个地区地热流体的40Ar/36Ar特征,通过与三个端元的40Ar/36Ar值进行对比可以一定程度上判断该地热流体的物质来源。本次研究的5个40Ar/36Ar值在301.5412.3之间(表3),与大气降水和地壳物质
22、的40Ar/36Ar值接近而远小于幔源物质的40Ar/36Ar,进而可以排除热储流体溶解物质的幔源成因。3.434S同位素特征已有研究表明,山岭子地热田的地热流体起源于大气降水34。我国北方大气降水的34S平均值为7.8835,大气降水进入热储层之后,地热流体经历一系列地球化学作用,34S数值会发生相应的变化。本次研究工作在东丽湖地区CGSD-01井采集到的四个34S同位素样品,其34S值分别为34.2(SY02)、34.6(SY03)、34.1(SY04)和34.2(SY05),相较于大气降水发生了明显的富集,均高于蒸发岩的最高值,已不是溶解作用可以达到的数值,如此高的34S值具备明显的微生
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