PDF《甘肃武山地热田水化学与地热水起源》

第25卷第7期 自然资源学报Vol

25 No

7 2010年 7月 JOURNAL OF NATURAL RESOURCES Ju.

l,

2010 收稿日期:

2010 - 02- 08;

修订日期:

2010 - 05-

05 . 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50879033). 第一作者简介: 温煜华 ( 1981- ), 女, 甘肃靖远人, 博士研究生, 主要从事温泉旅游研究工作. 甘肃武山地热田水化学与地热水起源 温煜华

1 , 王乃昂

1 , 朱锡芬

1 , 张华安

1 , 李百祥

2 , 王莹3(1兰州大学 资源环境学院, 兰州大学 干旱区水循环与水资源研究中心, 兰州

730000 ;

2 甘肃省地矿局 第二勘察院 兰州

730020 ;

3 中国地质大学 水资源与环境学院, 北京 100083) 摘要: 通过对武山地热田地热水和地下冷水的水化学和同位素分析, 结果表明武山地热水的出 露温度为

18 2~

42 1 , TDS含量为 238~

255 mg /L, 属于低矿化度的 HCO3 型水.相对于地下 冷水, 地热水有更高的 S i O

2、 F含量, 说明经历了比冷水更长的循环深度.水化学特征表明武山 地热水为大气降水与岩石相互作用的初级阶段.武山冷水和地热水的同位素沿着西北大气降 水线分布, 由于地热水的水岩相互作用时间较长, 有更低的 D和18 O值, 说明武山地热水是大 气来源的.综合运用各种地热温标估算武山地热水的热储温度范围在 70~

106 之间, 按照甘 肃东部的平均地温梯度 (

35 /km ), 得出武山地热水循环深度为

1 74 ~

2 77 km, 属于中低温 地热系统.此研究为今后可持续开发武山地热水提供了科学依据. 关键词: 地热水;

水化学;

同位素;

地温计;

武山地热田 中图分类号: P342 文献标志码: A 文章编号: 1000- 3037( 2010) 07- 1186-

08 甘肃武山地热田位于渭河以南, 西秦岭南麓的高山区, 行政地域属于甘肃省天水市武山 县温泉乡.武山地热田中有一个在国内有很高知名度的温泉为温泉乡温泉, 属于碳酸氢钠 型, 温泉中 F、 H2 S i O

3、 Rn三项指标达到医疗矿泉水命名浓度. 1954年国家在武山建立甘肃 省第一个工人疗养院, 作为一种重要的医疗保健资源.

1994 年据甘肃省地矿局调查, 在武 山地热田

18 km

2 的范围内共有 50多个泉点出露.后来随着开采量的增大, 地下水位逐年 下降, 区内的天然泉眼大部分断流, 武山地热田中的 5个钻孔有 2个已经干涸, 其它 3个钻 孔的水量也在逐渐减少, 武山地热水的演变值得关注.甘肃水文地质、 地矿局等单位曾先后 进行了武山地热资源的地质普查工作, 大多侧重于查明本区水文地质条件, 控制地热水的构 造环境等, 并对武山温泉疗养院的地热水资源储量作了初步论证.到目前为止, 该区还没做 过系统的地热水方面的研究.通过对武山地热田中温泉、 冷泉及周边浅层井水的水化学和 同位素分析, 探讨武山地热水的水文地球化学特征和地热水的起源、 热储温度及循环深度等 问题, 期待能为武山地热水资源的可持续开发提供科学的依据.

1 武山地热田的地质概况 武山地热田处于南北向构造带与西秦岭造山带、 祁连造山带交叉部位.该区构造活动 强烈, 从图 1中可看出, 地热田发育了两组不同方向的断裂, 即图中的 F1 、 F2 、 F3断层. F1 断层走向近东西, 根据所属构造体系的地应力方向, 它属于压性或压扭性断层, 起到阻水作 用.F2 、 F3断层为两条大致平行的张性断层, 两者相距 50余m, 在F2 、 F3断层经过的大小 7期 温煜华等: 甘肃武山地热田水化学与地热水起源

1187 汤沟一带埋藏分布有较丰富的承压热矿水, 而南延部分则是地热水的补给通道 .渗入的 地表水经过深部循环通过地温梯度加热, 运移通道受阻时沿构造破碎带上升, 以泉的形式溢 至地表. 甘肃省地质矿产局第一水文地质工程地质队. 甘肃省东部饮用天然矿泉水初步调查报告.

1990 . ! 甘肃省地质环境监测院. 甘肃省地热资源潜力评价及远景规划报告.

2008 . 图1武山地热田地质构造略图 F ig

1 Sketch of geolog ical structure inW ushan ther m al field 地热田周边出露地层有第四系、 新近系 (N )、 古近系 ( E )、 泥盆系 ( D)和元古界 ( Pt) 前 长城系.岩浆岩发育, 有中生代印支期花岗岩 (

1 5 )和古生代华力西期花岗岩 (

4 ), 含黑云 母、 角闪石等.花岗岩侵入于泥盆系浅变质砂岩、 板岩与元古界前长城系接触带中 ! .岩性 为石英砂岩夹粉砂岩, 长石石英砂岩及绿泥石绢云板岩.

2 样品的采集和测试分析 2009- 09, 在武山地热田采集水样 3个, 包括温泉 (地热钻孔 )、 冷泉和浅层井水.现场 测量了温度、 pH值、 电导率、 TDS和碱度.其中温度、 p H 值、 电导率和 TDS用德国 WTW 公1188 自然资源学报25卷 司生产的 M u lti350 i测定, 测量精度分别为

0 1 、

0 01p H 单位、

1 s/cm 和001 mg /L, 用 酸碱滴定法得出 HCO -

3 和CO 2-

3 含量.所有样品均用口径为

0 45 m 的过滤头过滤, 然后 用优级纯硝酸酸化来测量阳离子和 S i O2 浓度, 未经酸化的样品收集到用去离子水多次漂洗 过的聚乙烯塑料瓶里测阴离子浓度. 主要的化学元素用标准方法测定, N a 、 K、 Ca、 M g、 C l 、 SO4和NO3 用离子色谱法在兰州大 学西部环境重点实验室测量. SiO2 用原子吸收法在兰州大学分析测试中心测量.

18 O /

16 O 和D/H 在中国科学院地理科学与资源研究所环境同位素实验室采用同位素质谱仪完成.稳 定同位素

8 O /

16 O利用 CO2 平衡法, 以VSMOW 表示;

稳定氢同位素 D /H 用锌还原法测定, 以VS MOW 标准表示, 其分析精度分别为

0 2? 和20? .

3 水化学分析 采样分析结果表明(表1), 武山地区浅层地下冷水 (WL )、 武山冷泉 (WLQ )和武山温泉 (WR )的温度分别是

11 5 、

18 2和42

1 , p H 值范围

7 53~

8 73 , 呈碱性, 矿化度为 238~

378 mg/L.三个水样的主要阴离子是 HCO3, 冷水的主要阳离子是 Ca , 冷泉和热泉主要的阳离子 是Na.派珀三线

图表明 (图2), 冷水的水化学类型为 CaHCO3, 冷泉和温泉的水化学类型 分别是 N a C aHCO

3、 N aHCO3 型, 所有水都属于低矿化度的 HCO3 型水. 表1武山地热田水样化学分析结果 (m g/L) T able

1 C hem ical com positions of groundw ater from W ushan geother mal field(m g/L) 编码 采样日期 T / pH 值TDS C a M g Na K HCO3 C l SO4 NO3 F S i O2 WL 2009-

09 11

5 7

53 378

100 4

19 8

28 7

4 9

262 4

20 6

50 7

119 0

1 12

2 WLQ 2009-

09 18

2 7

94 255

27 3

2 0

75 9

1 4

253 2

7 3

29 5

0 4

14 6

49 5 WR 2009-

09 42

1 8

73 238

0 1

0 03

86 5

1 2

91 5

8 6

33 2

0 1

16 2

55 0 图2武山地热田地下水水化学 Piper图解 F ig

2 P iper diagram of groundw ater hydrochem istry inW ushan ther m al field 7期 温煜华等: 甘肃武山地热田水化学与地热水起源

1189 根据 G iggenbach [ 1] 和Gonz d - ez Partida [ 2] 等, 水被分成

4 种类型: 成熟水 (富集 C l);

! 蒸汽水 (富集 SO4 );

# 外围水 (富集 HCO3 )和 ?火山水 (富集 C l和SO4 ).派珀 3线图 表明 3个水样点都位于 HCO3 端元, 属于外围水.大气降水在与包含少量方解石的岩石 相互作用的最初阶段, 能与方解石或含 C aHCO3 组份的矿物快速达到平衡.原因是在温 度接近

25 时, 方解石的溶解度是其它铝硅酸盐的

10 2 ~

10 6 倍 (取决于 p H 值大小 ) [ 3] . 温泉和冷泉中 SiO2 的含量 (

55 0 mg/L、

49 5 mg/L) 远高于冷水 (

12 2 mg /L), 温泉和冷 泉水中 F的含量也很高, 说明它们的循环时间比 Ca HCO3 水循环时间较长.温泉水的形 成是由地表水下渗到深部花岗岩体中, 溶解来自深部的 CO2 形成含 HCO -

3 的弱酸性溶 液, 进一步溶解花岗岩中的钠长石, 形成 N aHCO3 型热液.以上水化学特征表明, 武山地 热水属于短期的水文地球循环, 是水岩相互作用初级阶段的典型表现. 值得注意的是, 武山地热田中冷泉和温泉中的 F含量很高 (

14 8~

16 2 mg/L), 远远高 于冷水中 F含量和我国饮用水规定的

1 mg /L.地热水中高的 F化物含量有可能是花岗岩 中含 F的黑云母溶解形成的 [ 4] . ........