苏北盆地老子山地热田水文地球化学特征

苏北盆地老子山地热田水文地球化学特征

0热流折射研究地热资源是能源能源中最现实、最竞争力的资源之一。实现地热资源的可持续开发利用,是当今中国也是世界地热产业所面临的最为关键的问题。要解决这一问题,首先要查明地热资源的成因机制。目前,国内外此类研究已较为成熟,我国学者还在中低温地热资源成因研究中提出了具有特色的“热流折射”和“新构造控热控水”理论。老子山地热田是苏北盆地开发利用较早的地热田。自2001年发现地热异常以来,已经开展一系列的普查工作,基本圈定了异常区范围。汪名鹏等基于地热区的构造、地温场及地热水的水化学和水稳定同位素特征,阐述了地热资源的赋存特征,但因未对地热田的热源、地热水的年龄和循环过程等进行研究,未给出完整的成因模式。笔者在前人工作的基础上,采用大地热流测试和水文地球化学等方法,对老子山地热田的成因进行了系统分析。1区域地质背景老子山地热田地处江苏省洪泽县,位于洪泽湖南岸、老子山东北淮河口(图1)。地貌属滨湖平原。地形平坦,海拔12~13m。其西部紧邻老子山—佛窝低山残丘区,海拔50~140m。老子山—佛窝以南为张八岭丘陵区,海拔一般为50~300m。最高峰为老嘉山,海拔332.3m。区内地表水系发育。淮河是地热区内主要河流,呈SW—NE向贯穿地热区进入洪泽湖。苏北盆地地层属下扬子地层分区,地层从上元古界至第四系均有不同程度的发育。在老子山地热区,主要分布有第四系、古近系和震旦系。全区除震旦系在老子山—伏窝一带的低山残丘区出露外,皆为第四系覆盖(图1)。老子山地热田的热储层为震旦系灯影组(Z2d)。该套地层岩溶、裂隙发育,富水性好,涌水量大。老子山T1、T2、T3、T4井井深为106.8~255.8m,均钻遇强风化带、构造破碎带和岩溶发育带,溶洞最大直径达3m,岩心中见蜂窝状溶孔。盖层为第四系和古近系,厚50~140m。第四系岩性为黏土、亚黏土、粉砂、中粗砂等。古近系为泥岩、粉砂质泥岩。2热分析2.1测温和热流分析采用十里营地热井(图1)实测大地热流值作为研究区的区域热流背景值。该井于2009年6月成井,井温测量于静井106d后进行,测温井段深度为780~2193m,测点间距20m。所用仪器为MT-Ⅲ数字测井仪,测温范围为0~150℃,精度0.01℃。测温曲线(图2)显示,在940~2040m层段测温曲线下凹,经分析,系由下降的地下水流所致。据地温场受垂向地下水流动影响的稳态温度场公式进行地下水活动校正(图2),得热流值为63.9mW/m2。该值低于苏北盆地热流平均值为68mW/m2。这是由于地热田新生界盖层很薄,且西侧的老子山—佛窝断褶隆起带基岩大面积裸露。这一方面造成盖层保温作用差,深部传导上来的热量快速散失;另一方面在基岩裸露区接受下行地下水补给,导致地温偏低。2.2岩浆活动对现行地温场的影响对于放射性热源,假设地壳最上部10km厚度内放射性元素均匀分布,依苏北盆地地壳平均生热率A=0.81μW/m3,则衰变产生的热量Δq=AΔz=0.81μW/m3×10km=8.1mW/m2,并不构成特殊热源。岩浆活动对现今地温场的影响取决于岩浆活动年代和岩浆体规模等。区内最新的岩浆岩为燕山晚期和喜山期。岩体埋藏较浅或直接出露地表,除个别达几平方千米外,一般在数十至数百平方米。由于岩浆活动时间皆在全新世以前,且规模较小,其余热已散失殆尽,对现今地温场无影响。实际上,区内盱眙县南部玄武岩分布区泉水温度均低于20℃,钻孔也未见地温异常,故区内岩浆活动对于地温场无明显影响,不构成附加热源。因此,老子山地热田属于由正常大地热流加热的非火山型地热系统。3地基区热区热资源性特征老子山热田所处的盱眙构造带,构造活动频繁,构造形迹多样,断裂构造非常发育,主要发育NNE、NE、NW向3组断裂构造(图1)。NNE向断裂带延伸远、规模大,切穿了古生界基底,为左行压性、压扭性的平移断裂。NW向断裂为张性断裂,切割了早期NNE向断裂。3组断裂均为新构造断裂。新构造断裂具有延伸性、连通性、透水性好的特点,2组断裂交汇处往往成为热水富集的有利部位。据地热区5m和90m深度地温等值线图(图3)可知,地热异常带宽约700m,呈NNE向条带状展布,与区域上NNE向断裂的走向一致。地温最高点出现于地热田东北部,恰好位于NNE向断裂与NW向断裂的交汇处(图1)。这是由于该处地层破碎,连通性好,使得深部热水上涌,造成局部高温异常。这也为钻探和抽水试验所证实。4热水补充分析4.1水的组成组成2009年7月对区内地下水和地表水进行了样品采集,水化学和同位素测试结果列于表1。各水样的水化学特征如图4所示。该水样点位于地热异常区内,受到地热水混入的影响。震旦系地热水为Na-Ca-SO4-Cl型,ρ(TDS)达2000mg/L,阳离子以Na+为主,阴离子以SO42-为主;第四系地下水为Ca-Mg-SO4-HCO3-Cl型,ρ(TDS)达967mg/L,阳离子以Ca2+为主,阴离子中SO42-含量较高;浅层碳酸盐岩地下水(震旦系和寒武系地下冷水)和洪泽湖水为Ca-Na-Mg-HCO3型,ρ(TDS)较低,分别为160mg/L和400mg/L左右,阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主。研究区不同水体的δ2H-δ18O组成示于图5。当地大气降水线(localmeteoricwaterline,LMWL)由国际原子能机构全球降水同位素监测网(GNIP)南京站监测数据回归得到。区内水样的水稳定同位素组成存在明显差异。其中:洪泽湖水同位素最为富集,其δ2HVSMOW为-47.5‰,δ18OVSMOW为-6.57‰;浅层地下水,即老子山第四系地下水、十里营震旦系地下冷水和三河农场寒武系地下冷水同位素较为亏损,其δ2HVSMOW为-56.0~-55.3%,δ18OVSMOW为-7.98‰~-7.73‰;老子山T1和T3井地热水同位素最为亏损,δ18OVSMOW约为-8.2‰,δ2HVSMOW为-60‰左右,反映其补给高程较高。4.2地下水水资源量hr地下水补给高程的计算公式为式中:H为地下水补给高程(m);δ18Ogw为取样点地下水的δ18OVSMOW值(‰);δ18Or为参考点水样δ18OVSMOW值(‰);gradδ18O为降水δ18OVSMOW的高程梯度(‰/hm);Hr为地下水参考点地面高程(m)。参考中国华北和南部地区降水δ18O的高程效应,取gradδ18OVSMOW=-0.2‰/hm。据区域水文地质条件,老子山—佛窝断褶带以东的浅层碳酸盐岩冷水接受上覆松散层的垂向补给和西侧碳酸盐岩裸露区地下水的侧向补给,故选择老子山地热田附近的十里营和三河农场的浅层碳酸盐岩地下水为参考点,其δ18OVSMOW值分别为-7.9‰和-7.7‰,Hr分别为27m和15m。δ18Ogw取T3井的值(-8.2‰)。求得地热水的补给高程分别为177m和265m。结合周边地形资料分析,补给区应位于老子山地热田以南约60km处盱眙南部至张八岭一带的丘陵区。4.3第四系地下水的补给在老子山地热异常区内,存在第四系地下水与地热水和洪泽湖水的混合:在老子山地热井T1进行抽水试验时,地热井T2及附近第四系水井水位同时发生响应,显示地热水与第四系地下水之间存在水力联系;此外,洪泽湖水对于湖区周围的第四系地下水也存在补给。图6、图7中ρ(Cl-)与δ2HVSMOW和ρ(TDS)之间的线性关系也证明了混合作用的存在。据地热井水样的3H数据,T1井水样3H活度浓度为13.8TU,而T3井为1.1TU。T1井水样较高的3H活度浓度应为第四系地下水的混入所致,而T3井水样应为未发生混合的古水。故选择T3井14C数据计算地下水年龄。14C表观年龄计算公式为式中:t为地下水表观年龄(a);λ=12.1×10-6/a,为14C衰变常数;α014C为母核初始放射性浓度(pMC);αt14C为样品14C的放射性浓度(pMC)。取14C初始放射性浓度为100pMC,得地热水表观年龄为7800a。4.4热储预测温度据T3井水化学数据,应用化学温标估算热储温度。K-Mg和α-方英石温标得出的温度过低,分别为为38℃和52℃;玉髓温标得到的温度为73℃,接近井口温度;Na-K、无定形二氧化硅和β-方英石温标得的温度较高,分别为185℃、193℃和228℃;Na-K-Ca温标、无蒸汽损失和蒸汽足量损失的石英温标得到的温度居中,分别为94℃、103℃和90℃。各温标估算的温度之间存在差异,这与热储温度下的平衡矿物组合或热水上升过程中的再平衡等过程有关。采用热水-矿物平衡方法,计算了不同温度(60~150℃)下的lg(Q/K)值。其中:Q为矿物的活度积(mol/L)n;K为反应的平衡常数(mol/L)n;n为矿物组分的化学计量数之和。得到平衡温度约为120℃(图8)。平衡矿物组合为玉髓、透辉石、白云石、石膏和石英。综上,老子山热田的热储预测温度约为73~120℃,属中低温地热水。地热水循环深度计算公式为式中:Z为循环深度(m);Z0为恒温带深度(m);TR为热储温度(℃);T0为恒温带深度(m);gradT为地温梯度(℃/hm)。据区域热流资料,补给区地温梯度为2.5℃/hm,当地恒温带深度20m,年均温度为14.7℃,则地热水的循环深度为2350~4200m。5地下空气压缩热流联合支护老子山地热田属中低温对流型地热系统。地热田在其以南约60km处盱眙县南部至张八岭一带的丘陵区接受大气降水补给,大气降水渗入地下后沿盱眙构造带多条NNE向断裂向北运移(图1),并在正常的大地热流背景下为围岩逐渐加热,循环深度为2350~4200m,热储温度约为73~120℃,循环周期约为7800a。热水在老子山地区NNE向断裂与NW向断裂交汇处沿岩溶、裂隙等导水通道上涌,形成地热田。6注重深循环加热研究老子山地区大地热流背景值为63.9mW/m2,属正常范围;放射性生热和岩浆活动不构成附加热源。老子山地热田属中低温对流型地热系统。其水源为大气降水,由盱眙南部至张八岭一带的丘陵区下渗,经深循环加热成为