西藏玛旁雍错地热水地球化学特征及其成因机制分析_师红杰.pdf
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1、师红杰,刘明亮,卫兴,等,2023.西藏玛旁雍错地热水地球化学特征及其成因机制分析J.沉积与特提斯地质,43(2):311321.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.04009SHI H J,LIU M L,WEI X,et al.,2023.Geochemical characteristics and formation mechanisms of the geothermalwaters from the Mapamyumco,TibetJ.Sedimentary Geology and Tethyan Geology,43(2):311321.doi:10.1
2、9826/ki.1009-3850.2023.04009西藏玛旁雍错地热水地球化学特征及其成因机制分析师红杰1,刘明亮1*,卫兴1,曹圆圆2,尚建波1(1.长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室&资源与环境学院,湖北武汉430100;2.宁夏回族自治区地球物理与地球化学勘察院,宁夏银川750001)摘要:西藏地区位于欧亚板块与印度板块碰撞造山带,构造活动强烈,具有丰富的地热资源。本次研究在西藏阿里地区水热活动强烈的玛旁雍错地热田实地采集地表热泉样品进行水化学分析,依据地热水水化学特征,评估研究区热储平衡状态与热储温度,分析地热水在深部的水文地球化学过程,识别地热系统深部热源类型并阐明地热系
3、统成因机制。通过此次研究表明:区内地热水主要为碱性 Cl-Na 型或 HCO3-Cl-Na 型水和酸性 SO4-Na 型水,地热水在深部已经与热储围岩达到完全平衡状态,通过地热温标计算热储温度在 200 左右;地热地表显示、热水水化学组分特征、热储温度类型等分析揭示玛旁雍错为岩浆热源型地热系统,地表不同类型地热水是深部母地热流体沿断裂向上运移过程中经不同水文地球化学过程形成。关键词:地热水;水文地球化学;岩浆热源;成因机制;玛旁雍错中图分类号:P314.1;P641.3 文献标识码:AGeochemical characteristics and formation mechanisms of
4、 the geothermalwaters from the Mapamyumco,TibetSHI Hongjie1,LIU Mingliang1*,WEI Xing1,CAO Yuanyuan2,SHANG Jianbo1(1.Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment&College of Resources and Environment,YangtzeUniversity,Wuhan 430100,China;2.Geophysical and Geochemical Exploration Insti
5、tute of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan 750001,China)Abstract:Tibet is located at the Indian-Eurasia collision orogenic belt,where the tectonic activity is intense,resulting in abundantgeothermal resources.In this study,the hot spring samples from the Mapamyumco geothermal field situated at t
6、he Ngari Prefectureof Tibet with strong geothermal activity were collected for hydrochemical analysis.Based on the hydrochemical characteristics of thegeothermal water,the equilibrium state and temperature of the reservoir was evaluated;the hydrogeochemical processes of deepgeothermal fluid was anal
7、yzed;and the heat source type of the geothermal system was identified.These results are contributed toclarify its genesis mechanism.This study shows that:the geothermal water in the area are mainly alkaline Cl-Na type or HCO3-Cl-Na 收稿日期:2023-01-07;改回日期:2023-04-11;责任编辑:曹华文作者简介:师红杰(2000),男,硕士研究生,主要从水文
8、地球化学方向研究工作。E-mail:通讯作者:刘明亮(1989),男,副教授,主要从事地热领域的研究工作。E-mail:资助项目:国家自然科学基金项目(41902257);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BEG03060);自然资源部深部地热资源重点实验室开放基金项目(KLDGR2022G01);宁夏回族自治区财政专项项目(NXCZ20220206)第 43 卷 第 2 期 Vol.43 No.22023 年 6 月沉 积 与 特 提 斯 地 质 Sedimentary Geology and Tethyan GeologyJun.2023type and acidic SO4-Na
9、type water;the geothermal water has reached a complete equilibrium state with the thermal reservoir rocks atdepth,and the thermal reservoir temperature is about 200 based on geochemical geothermometer calculation;surface geothermalmanifestations,hydrochemical characteristics of geothermal water,and
10、the reservoir temperatures reveal that Mapamyumcogeothermal field is a magmatic geothermal system,and different types of geothermal water are formed by different hydrogeochemicalprocesses during the upward transport of deep parent geothermal fluid along the fault.Key words:geothermal water;hydrogeoc
11、hemistry;magmatic heat source;formation mechanism;Mapamyumco 0引言现今,以碳中和、碳达峰为目标的能源结构转型已经成为全球共识,地热资源作为一种低碳、清洁的可再生能源,其科学开发利用所带来的巨大经济、环境效益已经受到社会的广泛关注。我国内陆地区地热资源储量丰富,分布广泛,其中滇藏地热带更是占据我国地热资源总量的 80%(胡先才等,2002;李文等,2020;王贵玲等,2020;赵斌等,2023)。能量来源更稳定、开发利用价值更高的岩浆热源型地热系统多分布于此。从上世纪 70 年代起,学者们对滇藏地热带开展了大量研究工作,仅第一次青藏高
12、原综合科考就在西藏发现包括温泉、沸泉、间歇喷泉和水热爆炸等多种形式在内的水热活动区 600 余处(廖志杰和赵平,1999;佟伟等,2000;佟伟等,1981)。近年来也有许多学者针对西藏羊八井、羊易(已证实存在岩浆热源)等地进行过一系列详细的地球物理与地球化学勘察研究,其成因与热源类型已有较为清晰的认识(Guo et al.,2008;Yuan et al.,2014;吕苑苑等,2012;赵平等,2001)。而其他地区如古堆、错那和谷露等地,也有学者进行了初步探索。比如 Wang and Zheng(2019)通过分析古堆地热水地球化学特征,估算古堆热储温度可达 266.6,并借助氯焓图和硅焓
13、图确定地热田下方的母地热流体性质(Cl浓度为 697mg/L;焓值为 1 250 J/g);余浩文等(2021)对山南市错那地热田水化学特征进行分析,初步探明地热水物质来源与热储温度;高洪雷等(2023)结合物探、钻探资料,判断谷露地热水赋存主要场所与热水运移途径,建立谷露地热田地热系统概念模型;邹俊等(2022)在卡嘎温泉附近开展大地电磁测深和土壤氡气测量等工作,同羊八井地热系统进行对比,评估地热资源潜力并提出区域内地热资源成因模式。除此之外,西藏大多数热水活动较为发育的地热系统研究程度较低,青藏高原内部仍存在许多开发利用潜力较大的地热系统,其热源类型与成因机制尚未开展系统性研究,由此导致我
14、国西南一带诸多地热资源至今未能得到科学合理的评估与有效开发利用。玛旁雍措地热田位于西藏阿里地区,地表水热活动强烈,Wang et al.(2016)曾对玛旁雍措地热田进行相关地球化学调查,评估了玛旁雍措热储层温度和溶质起源,并揭示地热水中的 CO2为岩浆成因和变质成因,但该地热系统的成因模式与深部热源仍有待进一步探讨。本次研究通过实地采集地热水样品,对玛旁雍错地热水进行了较为系统的水文地球化学分析,评估玛旁雍错地热系统深部平衡状态与热储温度,分析地热水水文地球化学过程。基于此,探讨玛旁雍措地热系统成因模式,以期为西藏大量成因机制尚未明确的地热系统的研究工作提供借鉴思路,为地热资源科学、有效、合
15、理地开发利用提供理论依据。1研究区概况玛旁雍错地热田(813445E,303523N,海拔约 4 620 m)位于西藏阿里地区普兰县境内,“圣湖”玛旁雍错东南约 6 公里处,区内地热水大多沿河道分布在河漫滩与河流阶地上,汇入自东南向西北流向的扎曲藏布,最终注入玛旁雍错。玛旁雍错地热田分为昂布弄巴、曲色涌巴、曲普和当果其沙四个沸(热)泉区,地热田内遍布水热爆炸活动的产物,以硫华、硅华沉积和水热爆炸穴坑最为显眼,爆炸穴坑直径最大约 80 m,部分穴坑内部充水后形成热水塘,热水塘上方雾气弥漫,周围有众多喷气孔、沸泉、热泉等(佟伟等,2000)。其中,曲色涌巴水热活动尤为强烈,水热爆炸规模最大;此外,
16、粗略估计区内热泉、沸泉点多达二三十处,并伴有大量的泉华沉积物。本研究采样地点主要位于曲色涌巴沸泉区(图 1)。玛旁雍错地热田在大地构造上位于雅鲁藏布江缝合带(ITS)以南的一个小型地堑盆地内,盆地内 EW 向和 NW-SW 向隐伏断裂发育良好,成为地 312沉积与特提斯地质(2)热系统导水、导热的重要渠道。研究区出露的沉积地层单元由新到老依次为第四系松散沉积物、古近系沃马组、白垩系桑单林组、中石炭统拉沙组以及下石炭统康拓组。其中沃马组主要岩性为砂岩和砾岩;桑单林组由石英砂岩、泥岩和硅质岩组成;拉沙组和康拓组经历了较为强烈的变质作用,主要岩性为千枚岩、变质砂岩、石灰岩和砾岩(河北省地质调查院区调
17、所,2005)。除沉积地层外,区域内也有燕山、喜山两期岩浆侵入活动,主要产出岩浆岩有:上三叠世镁铁质岩、上三叠世混杂岩和中新世二长花岗岩(Wang et al.,2016)。其中中新世二长花岗岩很可能为研究区主要热储,其长石类矿物在高温条件下的溶滤构成了地热水中Na、K 含量高,Ca、Mg 含量较低的水化学特征(Giggenbach,1988;沈立成等,2011);第四系松散沉积物尤其是更新世河湖相沉积形成的深厚碎屑物质为地热水在浅部的赋存提供了良好条件。2样品采集与测试本次研究共采集水样 12 件,采样位置见图 1。样品均通过 0.22 m 滤膜过滤,并储存在 500 mL聚乙烯瓶中,聚乙烯
18、瓶在取样前用待取水样润洗三次。在每个采样点采集水样 2 瓶,水样要求尽可能充满采样瓶,防止进入空气。其中阳离子分析水样加入优级纯硝酸直至 pH 小于 1,用于阴离子分析的水样不做特殊处理。所有采集后的样品在 4(a)塔里木地体羌塘地体拉萨地体喜马拉雅地体巴彦克拉地体昆仑地体拉萨羊八井羊易0300600kmBNSJSSAKMSITSATFKF(c)曲色涌巴沸泉区扎曲藏布050100mQSYB12QSYB06QSYB07QSYB09QSYB08QSYB10QSYB11QSYB01QSYB02QSYB05QSYB04QSYB03QpQpQpQpQpQpQpQp1N w21N w21N w2K s2K
19、 s2Qh alp+f3Qh alp+f3Qh alp+f3Qh alp+f3Qh alp+f3C k1C l2T M3T Mm3T Mm3 1N 1N 1N玛旁雍错(b)曲色涌巴40304381313027815002.55kmABK s2QpT M3 1NT M3T Mm3K z11N w2C l2400045005000(m)AB曲色涌巴沸泉区(d)01.53kmQh alp+f3晚全新世冲洪积扇C k1康拓组Qp更新世沉积物K s2桑单林组C l2拉沙组1N 中新世二长花岗岩T Mm3上三叠世混杂岩T M3上三叠世镁铁质杂岩1N w2沃马组整合地层界线碱性地热水采样点酸性地热水采样点I
20、TS缝合带40逆断层隐伏断层公路 湖泊(热水塘)溪流不整合界线地表水流向图(b)图(c)图(d)ATF阿尔泰左旋走滑断裂;KF喀喇昆仑断裂;AKMS阿尼玛卿昆仑木孜塔格缝合带;JSS金沙江缝合带;BNS班公湖怒江缝合带;ITS雅鲁藏布江缝合带。图 1青藏高原大地构造简图(a)(改自李振清,2002 和张朝锋等,2018);玛旁雍错地热田地质简图(b)(改自Wang et al.,2016);采样点位置示意图(c)和地质剖面图(d)(改自 Wang et al.,2016)Fig.1Brief tectonic map of the Qinghai-Tibet Plateau(a)(modifi
21、ed from Li,2002 and Zhang et al.,2018);Geological mapof Mapamyumco geothermal field(b)(modified from Wang et al.,2016)and Sampling point location diagram;d:Geologicalprofile(d)(modified from Wang et al.(2016)2023 年(2)西藏玛旁雍错地热水地球化学特征及其成因机制分析313 条件下冷藏,并在一周内完成测试。对于水样温度(T)、总溶解性固体(TDS)、pH、氧化还原电位(Eh)和电导率(
22、EC)等水化学参数在现场通过便携式多参数测定仪(Hach LDOTM HQ10)测定,硫化物、亚铁离子使用便携式比色计(Hach sension2)现场测定,并用 0.025 mol/L 稀盐酸现场滴定碱度。F、Cl、SO42采用离子色谱仪(DX-120 型)进行测试;Na+、K+、Ca2+和 Mg2+使用电感耦合等离子体发射光谱仪(IRIS Intrepid XPS 型)测定;微量元素使用电感耦合等离子体质谱仪(POEMS 型)测定,测试工作在中国地质大学(武汉)环境学院分析测试中心完成。HCO3和 CO32含量通过碱度借助PHREEQC 计算得出,使用数据库为 WATEQ4F。计算得出大部
23、分样品电荷平衡误差在5%左右,测试结果较为可靠。现场测试指标及水化学参数分别见附表 1*、附表 2*。3讨论与分析 3.1水化学特征本次研究所采集地热水样水温在 7690之间,平均值为 84,大多数泉口温度已超过当地沸点(86),属于沸泉。在区内发现有酸性泉的出露(QSYB12,pH=2.4),除此之外的其他热水样均为碱性,pH 值在 8.329.56 之间。碱性地热水 TDS值范围为 840.7 mg/L998.4 mg/L,平均为 878.7mg/L;酸性水 QSYB12 的 TDS 值较高,为 1 477.0mg/L。碱性地热水水化学类型均为 Cl-Na 型或HCO3-Cl-Na 型(图
24、 2),阳离子中 Na+占主导地位,其次为 K+,大多数水样中 Ca2+、Mg2+含量极低(平均 含 量 分 别为 1.52 mg/L 和 0.98 mg/L),仅 有QSYB02 和 QSYB08 两个水样的 Ca 和 Mg 含量相对较高;阴离子中 Cl含量较高,其次为 HCO3与SO42。酸性水样QSYB12 中SO42含量高达1 104.06mg/L,阳离子中以 Na+和 K+为主,Ca2+和 Mg2+含量相对较低,其水化学类型为 SO4-Na 型(图 2)。地热水中主要阳离子的这一特征说明地热系统热储类型主要为长英质花岗岩裂隙型热储。区内地热水微量元素如 SiO2、F、B、As、Li
25、含量均较高,其含 量 平 均 值 分 别为 240.59 mg/L、11.87 mg/L、146.55 mg/L、0.39 mg/L 和 2.28 mg/L。但酸性水较为特殊,水样中各种微量元素含量表现出与碱性地热水完全不同的特征。此外,在现场测量指标中发现,碱性热水样品Eh 值均为负值,仅有酸性样品 QSYB12 为正值,表明其处于氧化环境,且硫化物含量相比于碱性地热水来说要低得多(0.05 mg/L)。推测是由于氧化条件下,H2S 气体溶解在浅层地下冷水中被氧化最终生成硫酸盐,这也恰好解释了该样品较强的酸性与其中极高含量 SO42的来源,强酸性抑制 Fe、Al 离子的氧化与沉淀析出,因此
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