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岩溶热储高矿化度地热流体成因机制研究

余杰 毛绪美 彭慧 文美霞 王辛 范威 汤伟

余 杰,毛绪美,彭 慧,等. 岩溶热储高矿化度地热流体成因机制研究−以巴东县盐场河地热田为例[J]. 中国岩溶,2023,42(4):795-808 doi: 10.11932/karst2022y32
引用本文: 余 杰,毛绪美,彭 慧,等. 岩溶热储高矿化度地热流体成因机制研究−以巴东县盐场河地热田为例[J]. 中国岩溶,2023,42(4):795-808 doi: 10.11932/karst2022y32
YU Jie, MAO Xumei, PENG Hui, WEN Meixia, WANG Xin, FAN Wei, TANG Wei. Genesis mechanism of geothermal fluid with high mineralization in karst geothermal reservoir: A case study of geothermal field of the Yanchang river, Badong county[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(4): 795-808. doi: 10.11932/karst2022y32
Citation: YU Jie, MAO Xumei, PENG Hui, WEN Meixia, WANG Xin, FAN Wei, TANG Wei. Genesis mechanism of geothermal fluid with high mineralization in karst geothermal reservoir: A case study of geothermal field of the Yanchang river, Badong county[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(4): 795-808. doi: 10.11932/karst2022y32

岩溶热储高矿化度地热流体成因机制研究——以巴东县盐场河地热田为例

doi: 10.11932/karst2022y32
基金项目: 湖北省自然资源厅地勘资金项目2017年计划(鄂地勘基金合〔2017〕45号)
详细信息
    作者简介:

    余杰(1988-),男,硕士,工程师,从事水文、工程、环境地质研究。E-mail:826643858@qq.com

  • 中图分类号: P314

Genesis mechanism of geothermal fluid with high mineralization in karst geothermal reservoir: A case study of geothermal field of the Yanchang river, Badong county

  • 摘要: 岩溶热储中地热流体多为中低温低矿化度热水,而岩溶热储中出现高矿化度地热水多与岩溶含水层矿物溶解有关。然而,湖北省巴东县盐场河地热田中地热水TDS高达12 477.7 mg·L−1,水温约34 ℃,含水层矿物溶解并不足以解释其成因。文章在野外调查和地热钻探的基础上,对4个地热钻孔、1个温泉及附近4个冷泉进行了水文地球化学采样和测试。研究结果表明:盐场河地热田地热水化学类型为Cl-Na型,单位涌水量最大可达1 767 m3·d−1,出水口温度在30.2~34.5 ℃。对比钻孔测温和SiO2温度计分析,热储温度为59.1 ℃,循环深度为1 923 m。Phreeqc水化学模拟揭示含水层中的水–岩相互作用(主要是含水层矿物溶解)为地热水化学组分提供了部分贡献,主要来源于径流过程中咸化潮坪泻湖相盐岩的溶解。水文地质条件和氢氧同位素指示地热水的大气降水来源,但季节性的冷水混入控制了水−岩相互作用的平衡。可见,巴东县盐场河岩溶热储高矿化度地热水主要是径流过程中盐岩的溶解提供了水化学组分,但是出露过程中受到季节性的冷水混合影响。

     

  • 图  1  盐场河地热田地热地质简图

    1-三叠系下统大冶组 2-二叠系中统瓦屋湾组 3-二叠系上统茅口组 4-二叠系上统栖霞组 5-泥盆系中上统云台观组 6-志留系中统纱帽组 7-志留系下统罗惹坪组 8-志留—奥陶系龙马溪组 9-奥陶系中上统宝塔组 10-奥陶系下统南津关组 11-寒武系上统娄山关组 12-寒武系中统覃家庙组 13-寒武系下统石龙洞组 14-寒武系下统天河板组 15-寒武系下统牛蹄塘+石牌组 16-震旦系中统陡山沱组 17-地层界线 18-正断层 19-逆断层 20-钻孔 21-温泉 22-冷泉 23-剖面线 24-地下水流向 25-研究区范围 26-地热田范围

    Figure  1.  Thermal geology diagram of geothermal field of the Yanchang river

    1-Lower Triassic Daye Formation 2-Middle Permian Wawuwan Formation 3-Upper Permian Maokou Formation 4-Upper Permian Qixia Formation 5-Middle Upper Devonian Yuntaiguan Formation 6- Middle Silurian Shamao Formation 7-Lower Silurian Luojiaping Formation 8-Silur-Ordovician Longmaxi Formation 9-Middle Upper Ordovician Baota Formation 10-Lower Ordovician Nanjinguan Formation 11-Upper Cambrian system Loushanguan Formation 12-Middle Cambrian Qinjiamiao Formation 13-Lower Cambrian Shilongdong Formation 14-Lower Cambrian Tianheban Formation 15- Lower Cambrian Niutitang and Shipai Formation 16-Middle Sinian Doushantuo Formation 17-stratigraphic boundary 18-normal fault 19-reverse fault 20-borehole 21-hot spring 22-cold spring 23-section line 24-groundwater flow direction 25-study area 26-geothermal field area

    图  2  Piper三线图

    Figure  2.  Piper triplet

    图  3  离子与温度关系图

    a. F与温度关系图 b. SiO2与温度关系图 c. SO42−与温度关系图 d. Cl与温度关系图 e. HCO3与温度关系图 f. Na+与温度关系图 g. Mg2+与温度关系图 h. Ca2+与温度关系图

    Figure  3.  Relationship between ions and temperatures

    a. Relationship between Fand temperatures b. Relationship between SiO2 and temperatures c. Relationship between SO42− and temperatures d. Relationship between Cland temperatures e. Relationship between HCO3and temperatures f. Relationship between Na+ and temperatures g. Relationship between Mg2+ and temperatures h- Relationship between Ca2+ and temperatures

    图  4  与降水线关系图

    Figure  4.  Relationship with precipitation line

    图  5  地下含水层与地表水硫同位素关系图

    Figure  5.  Sulfur isotope relationship between underground aquifer and surface water

    图  6  地热田成因模式示意图

    Figure  6.  Genesis model of the geothermal field

    表  1  地下水赋存条件统计表

    Table  1.   Statistics of groundwater occurrence conditions

    地层年代含水地层代号主要岩性赋存地下水类型富水性
    第四系Qh砂卵砾石松散岩类孔隙水
    二叠、三叠系P2w、P1m、P1q、 T1d微晶灰岩碳酸盐岩裂隙岩溶水中等
    泥盆系D2-3y石英砂岩碎屑岩类裂隙水
    寒武、奥陶系O1n、O1Є3l、Є2qn、Є1sl白云岩、微晶灰岩碳酸盐岩裂隙岩溶水中等
    志留系/页岩、泥岩、泥质粉砂岩隔水层
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    表  2  地热田地层岩性和水温基本特征一览表

    Table  2.   Basic characteristics of lithology and water temperature of the geothermal field

    孔号孔深/m含水层/m岩性特征温度特征
    ZK01 203.59 74.0~80.60 白云岩:黑色、灰黑色,可见方解石晶簇及小溶孔 该孔地热流体温度21.93~28.45 ℃。其中,在第一段含水层平均水温24.1 ℃,第二段含水层平均水温23.7 ℃。在18.00 m处温度达最高,而后逐渐降低,在134.00 m处温度达最低,孔底温度升至23.97 ℃
    101.3~105.2 白云岩:黑色、灰黑色,可见溶蚀现象,多为溶孔,见方解石晶体
    ZK02 111.29 12.30~13.10 白云岩:灰白色,可见溶蚀现象,溶孔连续呈线状发育,可见方解石晶体充填 该孔地热流体温度23.70~32.36 ℃。其中,在第一段含水层平均水温30.9 ℃,第二段含水层平均水温30.4 ℃。在10.00 m处温度达最高,而后逐渐降低,在107.07 m处温度达最低,孔底温度升至24.30 ℃
    21.50-21.70 白云岩夹灰岩角砾:灰白色、深灰色,岩石节理裂隙发育,可见溶蚀现象,可见方解石晶体充填
    ZK03 141.61 22.30~26.90 碎裂白云岩:灰白色、深灰色,可见溶蚀现象,节理裂隙较发育。 该孔地热流体温度21.62~35.34 ℃。其中,在第一段含水层平均水温35.2 ℃,第二段含水层平均水温29.9 ℃,第三段含水层平均水温25.6 ℃。在19.00 m处温度达最高,而后逐渐降低,在98.08 m处温度达最低,孔底温度升至23.62 ℃
    34.05~41.35 白云岩:灰白色,可见溶蚀现象,见方解石晶体充填
    54.75~60.10 角砾岩:灰黑色,受断层挤压,节理裂隙较发育,可见溶蚀现象,在58.1 m处见硅化现象,59.1-59.15 m处岩芯可见黄铁矿富集
    ZK04 199.6 18.45~27.80 碎裂白云岩:灰白色,节理裂隙较发育,可见溶蚀现象,多为溶孔 该孔地热流体温度22.96~29.42 ℃。其中,在第一段含水层平均水温29.3 ℃,第二段含水层平均水温29.0 ℃。在40.00 m处温度达最高,而后逐渐降低,在169.01 m处温度达最低,孔底温度升至24.96 ℃
    32.40~36.60 碎裂白云岩:灰白色,节理裂隙较发育,可见溶蚀现象,多为溶孔、溶槽
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    表  3  盐场河地热田水化学及同位素数据

    Table  3.   Hydrochemistry and isotope data of the geothermal field of the Yanchang river

    样品采样
    时间
    温度pHTDSHCO3ClNO3SO42−K+Na+Ca2+Mg2+SiO2LiBaSrFSiBδD
    δ18O
    δ34SCDT水化学
    类型
    神农
    温泉
    BD-
    QS-001
    2017.08 31 7.86 8 402.7 2 003.23 3 754.82 0.12 283.5 49.7 3 090.55 130.81 27.96 15.21 0.19 0.09 2.68 7.09 0.27 −60.37 −8.97 −6.07 Cl-Na
    BD-
    QS-002
    2017.11 25 7.92 11 193.5 606.65 6 052.44 2.94 470.76 45.12 4 109.26 155.37 32.42 8.53 0.56 0.10 3.92 8.53 0.35 −54.48 −7.72 Cl-Na
    BD-
    QS-003
    2018.04 31 7.89 11 545.4 597.92 6 252.55 3.76 489.03 46.07 4 245.12 155.61 31.75 18.79 0.58 0.12 4.02 8.76 0.36 −63.7 −9.5 −6.83 Cl-Na
    盐场
    河地
    热田
    ZK01 2017.12 26.5 7.66 9 379.1 531.90 5 003.53 16.3 451.63 53.31 3 397.11 149.52 34.23 5.33 0.00 0.06 2.95 1.14 2.48 0.30 −62.34 −9.31 Cl-Na
    ZK02 2018.04 32 7.79 12 477.7 655.25 6 773.64 5 504.18 49.51 4 598.92 163.19 33 18.87 0.62 0.10 4.21 8.80 0.37 −63.1 −9.6 −8.11 Cl-Na
    ZK03 2018.05 34.5 7.52 10 968.7 577.63 5 933.04 9.55 454.68 44.42 4 028.19 151.04 31.82 18.53 0.55 0.11 3.81 4.93 8.64 0.34 −62.9 −9.4 −8.13 Cl-Na
    ZK04 2018.04 30.5 7.62 10 839.6 604.5 5 852.33 2.12 452.48 44.17 3 973.4 155.13 33.09 17.79 0.55 0.09 3.8 3.39 8.30 0.34 −62.9 −9.5 −8.06 Cl−Na
    冷泉 SW006 2017.12 16.6 7.49 345 384.97 4.96 1.15 17.5 6.53 1.59 80.45 31.05 7.54 0.00 0.05 0.14 0.26 3.52 0.00 HCO3-
    Ca+Mg
    SW007 2017.12 18 7.83 271.3 307.02 5.01 3.49 9.27 6.23 1.47 52.87 30.73 7.2 0.01 0.01 0.04 0.09 3.36 0.00 HCO3-
    Ca+Mg
    SW023 2017.12 16.3 7.45 155.4 119.01 5.55 13.99 11.12 0.14 0.15 2.03 0.22 10.24 0.00 0.00 0.14 0.09 4.77 0.00 HCO3-
    Ca
    SW027 2018.04 18.5 7.84 237.4 254.43 4.7 52.38 11.03 5.73 1.2 47.9 24.6 7.06 0.00 0.04 0.10 0.17 3.29 0.00 HCO3
    Ca+Mg
    河水 BD-
    HL001
    2017.08 −59.98 −9.06 −11.5
    雨水 BD-
    YS001
    2018.04 −8.00 −1.40
    注:单位水温为℃,pH为无量纲,其他为mg·L −1。钻孔监测为出水口温度。
    Note: The unit of water temperature is ℃; pH is dimensionless; others are mg·L−1. Borehole monitoring is the temperature of water outlet.
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    表  4  同位素补给高程统计表

    Table  4.   Statistics of isotope recharge elevation

    名称采样点类型δD/‰补给高程/m
    盐场河
    地热田
    ZK01地热流体−62.341 261.21
    ZK02地热流体−63.11 281.71
    ZK03地热流体−62.91 274.30
    ZK04地热流体−62.91 298.25
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    表  5  各矿物组分饱和指数一览表

    Table  5.   Saturation index of mineral components

    神农温泉ZK04ZK02ZK03
    矿物
    组分
    2017.08取样2018.04取样2017.11取样2018.04取样2018.04取样2018.05取样
    模拟反应模拟反应模拟反应模拟反应模拟反应模拟反应
    硬石膏−1.790−1.540−1.540−1.560−1.530−1.570
    文石0.37−0.14−0.1−0.14−0.1−0.14−0.09−0.14−0.06−0.14−0.12−0.14
    方解石0.5100.0400.0400.0500.0900.020
    玉髓−0.35−0.43−0.25−0.43−0.25−0.43−0.28−0.43−0.25−0.43−0.26−0.43
    温石棉−8.37−11.59−8.01−11.59−8.01−11.59−7.99−11.59−7.98−11.59−8.01−11.59
    白云石0.720−0.240−0.240−0.1900.150−0.260
    萤石//////−0.20//0.120
    石膏−1.570.17−1.330.17−1.330.17−1.340.17−1.320.17−1.360.17
    石盐−3.68−1.91−3.34−1.86−3.34−1.86−3.39−1.87−3.28−1.87−3.38−1.87
    石英0.0700.1800.1800.1500.1800.170
    菱锰矿−0.73−2.56−1.10−2.41−4.82−8.73−1.10−2.43−1.05−2.39−1.12−2.43
    滑石−5.37−8.73−4.82−8.73−1.1−2.42−4.85−8.73−4.77−8.73−4.83−8.73
    注:以上数据均为无量纲。
    Note: Above data are all dimensionless.
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    表  6  水化学温标计算表

    Table  6.   Calculation of hydrochemistry temperature scales

    项目(℃)神农温泉ZK04ZK02ZK03
    2017.082018.042018.042018.042018.05
    二氧化硅温标53.4561.1161.2859.1060.59
    Na-K温标69.0248.8550.0248.4749.63
    K-Mg温标93.9890.3288.7091.7089.35
    Na-K-Ca温标113.2998.4199.2898.1298.99
    热储层温度59.11
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-28
  • 网络出版日期:  2023-02-14
  • 刊出日期:  2023-11-28

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