長期以來, 地熱流體的起源和演化研究是地熱學研究的焦點, Craig H.(1963)發現地熱水的氫同位素組成總是與當地地下水相似, 基于類似的同位素測量數據, 他認為熱液中的水大都源于大氣降水。Elli s 和Mahon (1964)發現大多數地熱水的化學成分源于地熱水對地殼巖石溶濾。同時, 還認為地熱水的熱量主要源于地熱增溫, 巖漿(或巖漿巖) 在這一系列過程中的作用很有限。Giggenbach(1987)在長時間研究新西蘭懷特島的火山及其熱能釋放之后, 發現巖漿(或巖漿巖)對地熱的貢獻遠比原來所設想的大, 這一發現也被同時代的許多勘查地質學家所證實(Bonham , 1986 ;Hedenquist, 1987 ;Whi te 等, 1990)。搭格架地熱區作為我國最大的地熱間歇噴泉群(佟偉等, 1981), 自1975 年由中國科學院青藏高原綜合科學考察隊發現至今, 一直受到我國廣大地球科學工作者的關注。佟偉等(1981)在《西藏地熱》一書中對搭格架地熱區進行了較為詳盡的描述。20 世紀80 年代末, 鄭綿平等發現該地熱區溫泉水及泉華中Cs 元素異常富集, 經過長期研究發現, 其已構成一種世界上沒有先例的新型銫礦床, 并具有重要的理論意義。同時, 在銫資源的開發利用方面也做了相關探索并取得較好成效(佟偉, 1997)。趙元藝等(2006 , 2007 , 2008)長期在搭格架地熱區從事巖石學、礦床學、礦床地球化學以及年代學等研究。

 

  前人的研究已經涉及到搭格架地熱區的諸多方面, 并且許多研究也已經相當深入, 但專門就該地熱區溫泉的水化學特征以及各種制約因素的研究相對很少。筆者結合國內外近幾十年的研究成果, 從水化學的角度探討了該地熱區溫泉水的化學組成及其約束性因素, 這對研究該地熱區地熱流體的起源、演化以及地熱系統可能產生的環境效應有相應的理論意義。

 

  1  區域地質背景

 

  搭格架地熱區位于印度河-雅魯藏布江縫合帶中段, 岡底斯陸緣巖漿弧的南緣。區內斷裂構造發育, 主要為一系列張性正斷層, 搭格架地熱區正好位于一個南北向的小型地塹盆地的邊緣。

 

  搭格架地熱區主要被第四系沉積物所覆蓋, 研究區域內主要出露地層單元有:漸—中新統大竹卡組(E3N1d)砂巖夾泥巖, 古—始新統典中組二段(E1 -2d2)流紋質火山巖夾凝灰質砂巖、流紋巖, 早—中白堊統昂仁組一段(K1 -2a1)深灰色、灰黑色砂巖、細砂巖頁巖韻律層、灰巖透鏡體。其中, 典中組具有典型的弧內盆地沉積的特征。而昂仁組為復理石連續沉積, 依據Dickinson (1979)的劃分標準, 昂仁組應屬于弧前殘留盆地沉積(余光明等, 1990)。區內出露的巖漿巖主要是中粒斑狀黑云二長花崗巖。

 

  2  樣品采集與測試

 

  筆者所在的研究小組于2009 年7 月28 ～ 29 日,對搭格架地熱區進行了考察和采樣。野外用美國Hach 公司產便攜式水質分析儀(0.1 ℃、0.01 pH 、1 μs/cm、0.1 %)測定溫泉水溫度、pH 和電導率(EC);Ca2 + 、CO32 -和HCO3-采用德國Merck 公司便攜式試劑盒滴定(2 mg/ L 和0.1mmol/L)。取水樣用酸洗凈的聚四氟乙烯塑料瓶采集, 采樣前用溫泉水潤洗三遍后分別采集用于陽離子分析(加1 ∶1HNO3)、陰離子分析的水樣。

 

  K+ 、Na+ 、Ca2 + 、Mg2 +等主要陽離子, 以及其他微量元素測定采用美國Perkin-Elmer 公司的Optima 2100 DV 全譜直讀型ICP-OES 測定(0.001mg/L);Cl-采用滴定法測定(0.1 mg/L)。利用日本島津公司生產的UV2450 紫外-可見光分光光度計測定水樣主要陰離子含量:NO3-采用紫外分光光度法, PO43 -用磷鉍鉬藍光度法, F-用茜素絡合劑比色法, SO42 -用硫酸鋇比濁法(0.01 mg/L)。

 

  3  結果與討論

 

  3.1  水化學組成

 

  由搭格架地熱區各種水樣的主要化學組成, 可以看出溫泉水中陽離子以Na+含量最高, K+次之, 其余兩種離子含量都很低;陰離子以HCO3-為主, Cl-為次, 其余陰陽離子含量相對較低, 平均礦化度為1 524 mg/L 。基于Langelier-Ludwig 圖解(Francesco 等, 2000), 筆者對地熱區的溫泉水與地表水進行分類, 可以看出, 樣品點明顯的分為了兩大類。所有的溫泉水樣品都落在了B 區, 其主要陽離子類型為Na 型, 離子為HCO3 型;兩個地表水樣投點分別落在了B 區和D 區。其中, 長馬曲河水為HCO3-Ca 型;打加芒錯水為HCO3-Na 型,這可能是部分溫泉水在局部與湖水發生混合造成的。

 

  由表1 數據可以看出, 區內溫泉水具有較高的Na/Cl 值, 溫泉水中的Na/Cl >1 , 說明溫泉水在地下曾發生過強烈的水巖反應(Yildiray P.等, 2008)。

 

  因此, 利用K-Na-Mg 圖解(Giggenbach , 1988)來檢驗溫泉水的演化情況, 以及水巖作用進行程度。

 

  從圖3 中可以看出, 大部分樣品的投點落在了完全平衡線以外, 僅有2 個樣品分別落在了部分成熟水和未成熟水區域內。可見, 搭格架地熱區的溫泉水演化程度很高, 熱儲中進行的水巖作用異常強烈,已經達到完全平衡狀態。這也間接指示該地熱區的熱儲發育完整, 冷水下滲與熱水發生混合的可能性較小。

 

  3.2  水巖作用過程

 

  3.2.1  典型熱液礦物在溫泉水中的飽和狀態

 

  通過對十余種典型熱液礦物的飽和指數(SI)

 

  的計算, 可以定性判別溫泉熱液中的各種化學反應進行的方向, 由此可推斷熱液在遷移過程中由于溫度、壓力和氧化還原條件等發生改變時可能發生的化學變化。利用美國地質調查局的PHREEQC 模型, 對樣品的水化學過程進行了熱力學模擬, 計算出各種礦物的飽和指數和主要氣體在水中的分壓(PO2 、PCO2 )。

 

  由計算出的SI 值可以看出, 除玉髓、石英和無定形態SiO2 以外, 大部分樣品的其余熱液礦物的飽和指數都是負值, 這說明溫泉熱液從熱儲流出之后只有這3 種熱液礦物可能產生沉淀而析出, 這一結果與野外所觀測到的大面積硅華沉積物是相一致的。

 

  由于大部分典型熱液礦物的飽和度指數都為負, 即不會發生沉淀, 這也從另外一個側面反應出熱液蝕變作用不太強烈。PO2值非常小, 說明溫泉在流出地表之前一直在一個相對還原環境下運移, 較高的PCO2是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的。

 

  由于搭格架地熱區溫泉水在熱儲中所經歷的水巖反應已經達到完全平衡, 所以可以利用金屬離子地質溫度計計算熱儲平衡溫度。K-Na 溫標作為一種常用的地質溫度計能夠較為準確的計算出水巖平衡反應條件下的熱儲平衡溫度, 筆者采用Can (2002)K-Na 地質溫度計(標準均方差0.179 ℃)計算熱儲平衡溫度TK -Na 。

 

  3.2.2  主要成分的礦物約束探討(活度圖解)

 

  搭格架地熱區溫泉深部熱儲平衡溫度范圍在215.34 ～ 284.72 ℃ , 平均為251.36 ℃, 取此溫度作為參考溫度。同時, 溶液中氣、液相共存,水在各組成成分中占有主導地位, 滿足活度圖解應用的條件(Luigi M 等, 2003)。

 

  圖4-A 、圖4-B 為Na2O-Al2O3-SiO2-H2O ,K2 O-Al2O3-SiO2-H2 系統活度圖解, 這些圖解都是研究的相的沉淀, 是鉀、鈉長石非均一性溶解的結果(Parkhurst 等, 1999)。由圖4-A 可以看出, 圖解設置了4 個相———鈉長石、三水鋁礦、高嶺石和鈉云母。由水樣投點位置可以看出, 水中Na+的活度主要由鈉長石控制。圖4-B 所表現的趨勢與A 大致相同, K+的活度主要受到鉀長石的控制。由圖解可以看出, 大部分樣品投點的位置與石英飽和線和玉髓飽和線非常接近, 這說明當溫泉水離開熱儲后這兩種礦物會首先發生沉淀, 其結果與模型模擬的結果是一致的。

 

  3.3  溫泉水微量元素組和特征

 

  由溫泉水樣的微量元素組成可以看出,Cd、Mo 和Al 三種元素的含量都遠高于正常值。用SPSS 軟件以皮爾遜(Peason)相關系數為標準, 對水樣的微量元素(Cr 除外), 進行R 型分層聚類分析(圖5), 在距離15 以內, 所有元素分為了兩簇:一簇為Ba 、Sr 、Mn 、Cu , 具有花崗巖來源的特征(余光明等,1990);另一簇為Fe 、Al 、Zn 、Mo 、Cd , 盡管有Fe 的存在, 但由于其含量極低, 所以這個組合依然認為是花崗巖來源, 尤其作為是花崗巖源典型元素和高溫成礦元素的Mo 在水中的含量已經達到含礦(銅鉬礦或多金屬礦)異常, 進一步指示了花崗巖體對溫泉水化學特征的貢獻較大。搭格架地熱區所處的區域內并未見有近現代火山活動, 由此推斷區域內存在的花崗巖或花崗斑巖體尚未完全冷卻。

 

  4  結論

  (1)搭格架地熱區的溫泉水類型為Na-HCO3 型水, 礦化度較低, 這種類型的水反應了水的演化是在一個還原條件下進行的, 說明溫泉水的循環深度較大, 水中極低PO2也從另一個側面支持了這一結論。同時, 溫泉水具有較高的Na/Cl 值, 說明溫泉水在地下曾發生過強烈的水巖反應, K-Na-Mg 圖解指示熱儲中的水巖反應達到了平衡狀態, 并間接指示該地熱區熱儲發育較為完整, 這與當地地質背景吻合———熱田區內出露的大竹卡組砂巖夾泥巖構成了熱儲良好的蓋層。

 

  (2)溫泉水中各種礦物飽和度指數模擬結果顯示, 溫泉水在從含水層向地表遷移過程中會發生硅質沉淀———硅華, 這一結論與現場觀測到的現象是一致的。另外, 溫泉水中較高PCO2 是水中高含量的HCO3-和CO32 -所引起的, 并且這種具有高PCO2分壓的熱水在向地表遷移的過程中極易發上CO2 脫氣。利用K-Na 地熱溫標計算出該地熱區熱儲平衡溫度均值為250 ℃左右, 為中溫型熱儲。

 

  (3)活度圖解顯示溫泉水中Na +和K +活度主要受到鈉、鉀長石的控制, 這兩種礦物均為花崗巖和各種酸性噴火山巖的主要組成礦物, 加之微量元素組成特征為典型的花崗巖源, 由此認為區域內大面積出露的黑云母二長花崗巖為溫泉水化學特征的主要約束因素。同時, 區內未見有近、現代火山活動,加之高溫成礦元素Mo 的異常富集, 由此推測區內存在作為熱源的尚未完全冷卻的巖體。

 

  綜上可以認為, 搭格架地熱區處在一個特殊的構造部位, 各種斷裂構造極其發育, 這為大氣降水的深循環創在了良好的構造條件, 其溫泉水化學特征直接受到區域地質背景的約束。