福州地热田微量元素含量变化研究

福州地热田微量元素含量变化研究

随着科学技术的发展，水化学试验技术不断提高，微量地球化学得到了迅速发展。由于微量元素具有存在普遍性、低浓度性和分布稳定性特点,因此在成岩、成矿作用及地球形成与演化等研究中具有重要作用,也为地下水微量元素水文地球化学及应用研究提供了可靠的技术支撑。由于地下水微量元素具有形成较稳定、抗干扰强的特点,因此利用地下水微量元素分析地下水的形成条件及解决水文地质中的实际问题具有一定的优势,并取得了较好的应用效果。福州地热田是我国东南沿海众多地热田中的一个典型的中低温对流型地热系统,已有较多研究。笔者拟在论述福州盆地地热水微量元素特征的基础上,进一步探讨福州盆地地热水形成的地球化学环境。1原水水质类型福州地热田位于福州市区,地热开发利用由来已久,从最早的引泉利用到后来的凿井开发,地热已成为福州市得天独厚的宝贵资源。福州地热田分布于福州盆地内,热储层是燕山晚期侵入的含黑云母花岗岩构造裂隙含水层,其控热构造是NNW向的断裂,盖层是第四系冲洪积黏性土层。热水在上涌过程中与第四系下部砂砾石含水层中的孔隙水混合,形成第四系层状热储层(图1)。NNW向断裂带井口水温为70～90℃。地热田中心第四系热储层水温可达50～70℃,向东西两侧水温逐渐下降,距断层2km处仍有30～40℃的热水。据已有研究资料,福州地热田是周围山区大气降水沿构造裂隙渗入而形成深循环,在径流过程中吸收岩层中的热能加热,汇流到福州盆地集聚排泄的中低温地热系统。福州地热水在径流过程中与围岩发生充分的水岩相互作用,使得地热水的水化学特征与浅层基岩裂隙水、第四系孔隙水有明显的不同。该区浅层基岩裂隙水矿化度较低,一般在0.020～0.338g/L之间,水中阴离子以HCO-3为主,阳离子以Ca2+、Na+为主,水质类型为HCO3-Ca-Na、HCO3-Na-Ca型。第四系孔隙水水化学特征比较复杂,盆地北部冲洪积层孔隙水pH值为6.2～7.2,矿化度为0.10～0.19g/L,水质类型为HCO3-Na-Ca型;盆地南部闽江古河道冲积层孔隙水pH值介于6.05～7.50间,矿化度为0.36～0.75g/L,水质类型为HCO3-Cl-Na、HCO3-Cl-Na-Mg、HCO3-Na型等。而花岗岩裂隙热水pH值为8.1～8.9,矿化度为0.5～0.9g/L,水中阴离子以SO2−442-、Cl-为主,阳离子以Na+占绝对优势,水质类型为SO4-Cl-Na或SO4-Na型,为低矿化度偏碱性地热水。第四系孔隙热水受冷热水混合影响,水化学组分含量介于基岩裂隙热水和第四系孔隙水之间,总的特点是其矿化度比地热水低,pH值为中性偏碱性,水质类型与地热水基本相同。2样品采集与分析2.1水土流失概况和水储层水资源量福州地热田热储层有花岗岩裂隙含水层和第四系孔隙含水层,目前对这两个热储层热水均有开采。为了研究不同热储层热水微量元素特征及与浅层基岩裂隙水和第四系孔隙水的关系,2005年1月在福州盆地北部地热田附近共采集了8个水样,其中基岩裂隙热水水样3个,基岩裂隙热水与第四系孔隙混合热水水样1个,浅层基岩裂隙水水样2个,第四系孔隙水水样2个,其分布见图2。各取样点水样特征见表1。2.2等离子质谱分析室所取水样送中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室等离子质谱仪ICP-MS分析室进行分析。此次共分析21个微量元素,分析结果见表2。3地下水的养分特征3.1微量元素与地下水水从表2可以看出,在所分析的21种微量元素中,除Ce、Sn质量浓度较低外,其余19种微量元素在各种类型地下水中都有分布。这19种微量元素在不同地下水中分配关系是不同的。其中As、Cd、Ga、Mo、Rb、Se、Sr7种元素在基岩裂隙热水中质量浓度最高,在第四系孔隙水中次之,而在基岩裂隙水中质量浓度最低;Co、La、Pr、Sb、Tl5种元素在第四系孔隙水中质量浓度最高,在基岩裂隙热水中次之,在基岩裂隙水中质量浓度最低;Ag、Ba、Cr、Cu、Pb、V、Zn7种元素质量浓度在3种类型地下水中变化关系不明显。从微量元素在不同类型地下水的分配关系看,岩性和水温是影响微量元素分配关系的重要因素。对于花岗岩含水介质和第四系冲洪积层含水介质,由于其所含微量元素矿物的种类和含量的不同,水岩接触关系不同,则水与岩石接触过程中产生的溶滤作用程度也不同。从分析测试结果看,除个别元素外,大多数微量元素都是在第四系孔隙水中的质量浓度大于在基岩裂隙水中的质量浓度。对于第四系孔隙水和基岩裂隙水,由于所处地的岩性有差异,因此使得同一微量元素在不同地区第四系孔隙水及基岩裂隙水之间,其质量浓度也会产生变化,但并不影响质量浓度变化关系的总体规律。福州盆地地热水中微量元素是地热水形成过程中与围岩接触发生水岩相互作用形成的。从热力学的角度,水温越高,硅酸盐矿物溶解度越大。但由于花岗岩中各种微量元素形成的矿物种类不同,不同矿物溶解性能也不同,使得各种微量元素与水温的关系比较复杂。有的微量元素质量浓度随水温升高而增大(Ga、Rb、Sr、Se、Tl、Sb6种元素)(图3,4),有的微量元素质量浓度随水温升高而减小(Ba、V、Zn3种元素)(图5),有的微量元素质量浓度则与水温没有明显关系(Ag、As、Cd、Co、Cr、Cu、La、Mo、Pb、Pr10种元素)。从寻找地热水的角度看,随水温升高质量浓度逐渐增大的微量元素可作为地热异常显示的标志元素,因此对于以花岗岩为热储层的地热田,可以将Ga、Rb、Se、Sr、Tl、Sb元素作为地热异常的示踪元素。3.2基岩裂隙热水加入第四系冲洪积充填水福州市公交修理厂井(F8)是基岩裂隙热水和第四系孔隙水混合开采井。从表2可以看出,该井水微量元素Ag、Ba、Co、Cr、Ga、La、Pr、Pb、Tl、V及Zn质量浓度介于基岩裂隙热水与第四系孔隙水之间,说明这些元素的质量浓度是基岩裂隙热水与第四系孔隙水混合的结果。基岩裂隙热水涌入第四系冲洪积含水介质中,使第四系孔隙水水温升高,但这些元素的质量浓度增高却很少,说明第四系含水介质中这些元素质量浓度较低。而元素As、Cd、Cu、Mo、Pb、Sb、Se、Sr的质量浓度均大于基岩裂隙热水和第四系孔隙水的质量浓度,说明当基岩裂隙热水涌入第四系冲洪积含水介质时,使含有这些微量元素的矿物发生溶解,引起第四系热水中微量元素的大幅度增加,使得混合水中微量元素质量浓度大于基岩裂隙热水和第四系孔隙水的质量浓度。特别是As、Cu、Pb、Sb、Se、Sr等元素质量浓度增大较多,是混合热水的1倍多,说明第四系冲洪积含水介质中该类微量元素矿物含量较多。当基岩裂隙热水涌入第四系孔隙含水层后,使矿物发生溶解,而引起混合热水中微量元素质量浓度大增。因此通过热冷混合水微量元素质量浓度变化的研究,可间接推断第四系孔隙含水介质微量元素质量浓度情况。4地热水微量元素与经济指标的关系福州地热田位于福州盆地内,周围分布燕山晚期不同期次侵入的花岗岩体。主要有第一次侵入的涧田岩体(γδ3(1)a553(1)a)、第二次侵入的福州岩体(γ3(1)b553(1)b)、第三次侵入的魁岐岩体(γ3(1)c553(1)c)及第四次侵入的北岭岩体(εοπ3(1)d5)和文笔山岩体(γπ3(1)d5)。涧田岩体岩性为花岗闪长岩,主要分布于福州盆地西北部涧田山、铁坑山和李园一带;福州岩体岩性为含黑云母花岗岩,主要分布于福州盆地内及西部科蹄山、虾蟆山、牛田山一带;魁岐岩体岩性为碱性花岗岩,主要分布于福州盆地东部的魁岐、绝顶峰、高盖山一带;北岭岩体呈瘤状产出,分布于福州盆地北部北岭一带,岩性为石英正长斑岩;文笔山岩体岩性为花岗斑岩,分布于福州盆地文笔山一带。根据水-岩相互作用的原理,地热水中的化学组分是热水在径流过程中水与围岩发生作用形成的。因此福州地热水微量元素质量浓度与流经岩体的微量元素地球化学特征应有相应的联系。据此,将福州地热水(以省立医院基岩裂隙热水为代表)微量元素与上述5个岩体中微量元素质量浓度进行聚类分析,以此分析福州地热水形成的地球化学环境。根据资料情况,此次进行聚类分析选择Ag、Ba、Ce、Co、Cr、Cu、La、Mo、Pb、Pr、Sr、V、Zn13种微量元素,各岩体的微量元素质量浓度见表3。对上述13种微量元素质量浓度数据采用均值正规化处理,然后计算省立医院基岩裂隙热水与各岩体的欧氏距离,其计算结果见表4。按照聚类分析原理,两个样品之间的距离越小,表示两者之间的共同点越多,联系越密切。从表4可以看出,福州盆地基岩裂隙热水与福州岩体距离最近,与魁岐岩体和文笔山岩体距离次之,而与涧田岩体和北岭岩体距离较远,说明福州盆地地热水与福州岩体关系最密切,与魁岐岩体和文笔山岩体次之。福州地热田的热储层是福州岩体含黑云母花岗岩层,地热水与该层有直接的接触,热水微量元素的形成直接受含黑云母花岗岩岩性的影响,因此与该岩体关系最密切。文笔山岩体靠近福州地热田,有的岩脉直接侵入到福州地热田热储层岩层中,地热水与该岩层亦有直接的接触,因此地热水微量元素的形成与该岩体也有一定的关系。魁岐岩体位于福州盆地东部,该岩体分布面积较广,但与福州盆地北部地热田并无直接的接触,从基岩裂隙热水微量元素与该岩体的距离看,两者的关系仅次于地热水与福州岩体的关系。从补给的关系来分析,与魁岐岩体有关的碱性花岗岩分布区大气降水形成的花岗岩裂隙水径流补给了福州盆地北部地热田,使得地热水微量元素与魁岐岩体岩石具有一定的联系。对于涧田岩体和北岭岩体,虽然二者均位于福州盆地北部附近,但由于两岩体分布区大气降水形成的花岗岩裂隙水没有补给福州盆地地热田,因此地热水微量元素的形成与涧田岩体和北岭岩体没有关系。从上述分析看,福州盆地地热水形成的地球化学环境主要与福州岩体、魁岐岩体和文笔山岩体的岩性有关。5富宁县第四系冲洪积说福州盆地地下水微量元素质量浓度与含水介质有关,也受地下水温度影响。基岩裂隙热水中Ga、Rb、Sb、Sr、Se、Tl6种元素质量浓度随水温升高而增大;Ba、V、Zn3种元素质量浓度随水温升高而减小。不同类型地下水微量元素质量浓度变化关系比较复杂。对所检测出的19个元素,As、Cd、Ga、Mo、Sb、Se、Sr元素在基岩裂隙热水中质量浓度最高,在第四系孔隙水中次之,在基岩裂隙水中质量浓度最低;Co、La、Pr、Sb、Sr、Tl元素在第四系孔隙水中质量浓度最高,在基岩裂隙热水中次之,在基岩裂隙水中最低;除个别元素外,第四系孔隙水中微量元素质量浓度均大于基岩裂隙水,其中Ga、Rb、Sb、Se、Sr、Tl质量浓度随着热水温度升高而增大,可以作为花岗岩层地热水异常的示踪元素。福州盆地第四系热水是基岩裂隙热水上涌补给第