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引用本文: 杨兰,童珏,张安,王运,王安东,赵碧波,朱满怀. 2023. 江西省武功山温泉链地热水水文地球化学特征研究[J]. 矿产勘查,14(6): 909-917.

Citation: Yang Lan,Tong Jue,Zhang An,Wang Yun,Wang Andong,Zhao Bibo,Zhu Manhuai. 2023. Hydrogeochemical characteristics of geothermal water of Wugongshan hot spring chain in Jiangxi Province[J]. Mineral Exploration,14(6):909-917.

作者简介:

杨兰,女,1997年生,硕士生,主要从事资源与环境等相关研究工作;E-mail:1483054242@qq.com。

通讯作者:

王运,男,1985年生,博士,高级工程师,主要从事水文地质、能源地质等相关研究工作;E-mail:357768473@qq.com。

中图分类号:P314.1

文献标识码:A

文章编号:1674-7801(2023)06-0909-09

DOI:10.20008/j.kckc.202306008

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目录contents

    摘要

    为将武功山打造成国际一流康养度假旅游目的地,本文对武功山地区具有代表性的赤江、新泉、三江、桃花源、白马、万龙山、温汤、洪江、鼻田、文家、夏家坊11个地热田开展地热水化学分析,运用Piper三线图、 Na-K-Mg三角图、Cl-SO4-HCO3三角图等方法进行综合分析研究。结果表明,地热水属中低温水热资源,水化学类型主要为HCO3-Na型,水质为淡水,非腐蚀性水、不结垢。研究区地热水特色显著,赤江、新泉、三江、夏家坊等地热水为氟水,另外除桃花源和温汤地热水外,其他地热水均富含偏硅酸等对人体有益的元素。地热水循环深度较浅,温度来自高温围岩,无明显的岩浆流体的贡献,热储温度为 89. 32~ 139. 89 ℃。研究成果可为区内发展康养产业及进一步勘查地热资源提供参考。

    Abstract

    For building Wugongshan into an international first-class health resort tourism destination, the hydrogeochemical characteristics of geothermal water were studied for 11 representative geothermal fields in Wugongshan area, including Chijiang, Xinquan, Sanjiang, Taohuayuan, Baima, Wanlongshan, Wentang,Hongjiang, Bitian, Wenjia and Xiajiafang. The piper three-line diagram, Na-K-Mg triangle diagram and Cl-SO4- HCO3 triangle diagram were comprehensively analyzed. The results showed that the geothermal water attributed to the medium-low temperature hydrothermal resources, and the main hydrochemical type is HCO3-Na, the water quality is fresh with non-corrosive and non-scaling. The geothermal water has distinctive characteristics in this area. The geothermal water in Chijiang, Xinquan, Sanjiang and Xiajiafang is fluorine water. Except for the geothermal water in Taohuayuan and Wentang, other geothermal water is rich in metasilicic acid and other ele- ments that are beneficial to human health. The depth of geothermal circulating water is shallow, whose temperature comes from the high temperature surrounding rocks, without significant contribution from magmatic fluid, and the geothermal reservoir temperature is in the range of 89. 32-139. 89 ℃. Therefore, the study can provide reference for the development of health care industry and further exploration of geothermal resources in this area.

  • 0 引言

  • 党的十九届五中全会提出,要全面推进健康中国建设。江西省为构建特色鲜明的康养产业群,计划将武功山景区打造成国际一流康养度假旅游目的地。武功山位于江西省中西部,由核部花岗质深成岩、韧性剪切变质岩以及南北两侧盆地组成 (Wang et al.,2015),现已获得国家5A级旅游景区、国家级风景名胜区、国家地质公园、国家自然遗产、国家森林公园5张国家级名片。前人对武功山变质核杂岩(刘细元等,2016)、花岗岩穹窿伸展构造(刘细元和衷存堤,2003;薛德杰等,2004)等开展了大量研究。武功山花岗岩穹窿伸展构造是在加里东期褶皱基底上发育而成,是陆内板块碰撞、多次岩浆重熔、侵位作用的结果(舒良树等,2000)。其构造形迹在时空组合上具垂向分层、横向分带的特点,是华南地区典型的岩浆热穹窿伸展滑覆构造 (刘细元等,2016)。经多年的地质勘查工作,在武功山周围发现多个地热田,并呈链状分布,即武功山温泉链(图1)。前人对武功山地区的研究多偏向于地质及旅游方面,而对地热水方面的研究偏少 (辛田军,2016)。为了进一步勘查及开发研究区地热资源,打造武功山康养产业群,建设“大美江西”,践行“打好生态牌唱好生态戏”、“绿水青山就是金山银山”的理念,急需对周边地热田水文地球化学特征进行研究,查明地热水类型、水质等,并对其进行评价,探讨成因,以期为本地区地下热水的研究及规范开发提供科学依据。

  • 1 区域地质背景

  • 1.1 地层

  • 武功山地区隶属华南地层大区罗霄地层分区,出露地层有南华系、震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及少量侏罗系和白垩系(图1)。其中南华系、震旦系、寒武系、泥盆系出露较为广泛,南华系出露于武功山西北,为一套含砾变质沉积碎屑岩建造;震旦系出露于武功山西南和东部,岩性以砂岩夹板岩、砂板岩互层组合为主;寒武系出露于武功山南部,且在部分花岗岩核部亦有分布,岩性主要为一套含碳硅复理石-类复理石建造。

  • 1.2 构造

  • 区域上处于扬子板块与华南板块聚敛带南侧,属华南板块北缘赣中构造碰撞带的一部分。武功山岩浆核杂岩自加里东运动以来,经历了多期次构造运动的叠加、改造,不同层次的构造形迹交织一起,具有复杂造山带的一般特征。即存在与俯冲碰撞造山带有关压缩构造体系,又有多期次岩浆体热穹窿引起的多层次、多序次伸展滑覆构造系统。与地热水关系密切的断裂构造为北东—北东东向的新泉—温汤断裂(F1)、钱山—三江断裂(F2)和章庄—洪江断裂(F3)(图1)。断裂走向北东 40°~60°,倾向大多为南东,倾角50°~70°,延长几千米至30余千米不等,个别达 50 km,表现为挤压破碎带、硅化破碎带,具有切割深度大、多期次活动等特征;不仅与武功山的形成有密切关系,而且控制着地热水的出露,且沿断裂展布方向均实现了盲区找热突破,说明这3条断裂构造构成了武功山地区带状热源所在(图2)。

  • 图1 武功山地区地质构造及地热分布图

  • 1—白垩系;2—侏罗系;3—三叠系;4—二叠系;5—石炭系;6—泥盆系;7—寒武系;8—震旦系;9—南华系;10—早白垩世二长花岗岩;11—早侏罗世二长花岗岩;12—晚志留世二长花岗岩;13—中志留世花岗闪长岩;14—中奥陶世花岗闪长岩;15—地质界线;16—不整合接触界线;17 —性质不明断层;18—逆冲断层;19—正断层;20—滑脱断层;21—糜棱岩带;22—温泉;23—地热田;24—本次采样点;25—前人采样点及年份

  • 1.3 岩浆岩

  • 武功山地区岩浆活动强烈,主要为加里东—燕山期花岗岩,从岩性、结构构造、矿物组合等方面分析,具同源岩浆演化特征的复式岩体。

  • (1)加里东期花岗岩:分布在武功山周边,总体呈北东向展布。平面上多呈透镜状、不规则状产出;岩体产出形态为岩瘤、岩株,岩性以英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩为主,组成矿物为斜长石、钾长石、黑云母、角闪石及少量石英,暗色矿物含量较多,矿物大部分绿泥石化、黝帘石化,其结构为中粒斑状结构、中细粒含斑结构、细粒结构;岩石普遍遭受到后期构造造山运动的改造,矿物呈定向排列,发育片麻状构造,岩体边部发育片麻理。

  • (2)燕山期花岗岩:主要分布于武功山核心部位,总体呈北东向展布。平面上多呈椭圆状、不规则状产出;岩体产出形态为岩滴、岩瘤。岩性以二长花岗岩、黑云母花岗岩为主,组成矿物为钾长石、斜长石、石英、黑云母及少量白云母。

  • 图2 武功山穹隆伸展构造与热源断裂示意图

  • 1 —云母片岩、片麻岩;2—中生代花岗岩;3—断裂

  • 2 样品采集及测试

  • 本次采集了武功山地区具代表性的赤江、新泉、三江、桃花源、白马5个地热田的地热水,收集了万龙山、温汤、洪江、鼻田、文家、夏家坊 6 个地热田的地质勘察报告,并选取了地热水中的主要阳离子、主要阴离子及其他特殊组分等数据,以此为基础充分研究本区的地热水水化学特征(表1)。本次地热水水质分析主要由国土资源部南昌矿产资源监督检测中心完成。

  • 3 结果分析

  • 3.1 水化学基本特征

  • 研究区地热水的水化学特征如表1所示。区内热水温度为 30. 00~76.50℃,平均为 52.21℃,属中低温水热资源。pH 值为 6.30~9.82,平均为 8.12,属弱碱性水。从表1 可以看出,研究区主要的阳离子为 Na+,阴离子主要是 HCO3-,Cl-和 SO4 2-。根据研究区的地下热水离子组分水样数据分析,绘制了 Piper 三线图(图3),得到研究区的地热水的水化学类型主要为HCO3-Na型。

  • 利用(Ca2+ +Mg2+)/(HCO3- +SO4 2-)可以分析水中主要矿物来源,若比值大于1,则表明水化学形成作用主要是以碳酸盐类溶解为主;若比值小于1,则主要是以硅酸盐类溶解为主;若比值约等于1,则证明水化学的形成主要以碳酸盐和硅酸盐溶解为主 (Subba et al.,2017)。研究区(Ca2+ +Mg2+)/(HCO3- +SO4 2-)值均小于1,说明地热水中主要离子主要来源于硅酸盐的溶解作用。

  • 3.2 特殊组分

  • 研究区地下热水除了含有正常的 K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、HCO3-、SO4 2- 等阴阳离子之外,还富含氟(F)、偏硅酸(H2SiO3)、碘、锶、铁、氡等对人体有益的元素。相关研究认为,地下水中氟的含量取决于不同围岩类型中氟的含量以及水的性质,岩浆岩、沉积岩、变质岩中含有大量的氟,热水在含水层中流动时,它将溶解花岗岩、玄武岩、页岩等岩石中的含氟矿物,将氟释放到地下水中,且地下水温度越高,其溶解能力越强,氟的含量也越高(张为等,2015)。

  • 本次研究中发现不同地热田氟含量变化较大,其中赤江地热田地热水中氟含量为 5. 00~19.15 mg/L,平均为 9.87 mg/L,新泉地热田地热水中氟含量平均为 13.47 mg/L,三江地热田地热水中氟含量为 12.98 mg/L,夏家坊地热田地热水中氟含量为 2.24~2.72 mg/L,平均为 2.45 mg/L,这些地热田达到命名矿水浓度的标准(理疗热矿水水质标准,>2 mg/L),矿水名称为氟水。

  • 偏硅酸(H2SiO3)是一种对人体非常有益的矿物元素。根据本次测试结果分析,除桃花源和温汤地热田,其他地热水H2SiO3含量为43.27~82.68 mg/L,平均为 63.75 mg/L,达到了矿水浓度标准和有医疗价值浓度(理疗热矿水水质标准,>25 mg/L)。

  • 研究区地热水中挥发酚类和总大肠菌群低于检出限,细菌总数除桃花源地热田R3孔为14 CFU/mL 外,其他均低于检出限,说明地下热水无污染。

  • 因此,研究区地热水特色显著,如夏家坊地热水为氟水,除桃花源和温汤地热田外,其他地热水均富含偏硅酸(H2SiO3)等对人体有益的元素,适合大力发展康养产业。

  • 3.3 TDS、地热水腐蚀性和结垢趋势评价

  • 总溶解固体(TDS)是地下水质的一个重要综合性指标,其受地层、岩性及地热水补径排的影响,根据采样化验结果,研究区地热水 TDS 为 55. 00~364.84 mg/L,平均值213.69 mg/L,属淡水。

  • 地热水中因含有氯根、硫酸根、游离二氧化碳和硫化氢等组分对金属有一定的腐蚀性,一般地热水 TDS 越大,其腐蚀性越强。按照《地热资源地质勘查规范(GB-T11615—2010)》(中华人民共和国国土资源部,2010)中的评价方法参照工业上用腐蚀系数来衡量研究区地热水的腐蚀性,本研究区地热水为碱性水,运用公式(1)计算腐蚀系数:

  • 表1 研究区地热水化学基本特征

  • 注:洪江数据据陈光明等,2013;万龙山数据据刘修奋等,2008;夏家坊数据据张敏等,2014;文家数据据陈光明等,2017;温汤数据据江西省地质局水文地质大队,1973;鼻田数据据钟鸣等,2013

  • 图3 武功山地热水Piper图

  • Kk=1.008γMg2+-γHCO3-
    (1)
  • 式(1)中,Kk为腐蚀系数;γ 为热水中离子含量的每升毫摩尔数。 Kk>0 为腐蚀性水;Kk<0,Kk+ 0. 0503Ca2+ >0 为半腐蚀性水,Kk+0. 0503Ca2+ <0 为非腐蚀性水。通过计算,研究区地热水为非腐蚀性水。

  • 地热水的矿化度一般比较高,在传送运输过程中,由于温度和压力的降低,地热水中的矿物容易过饱和发生沉淀作用形成结垢,导致井管的有效管径变小,减少水流量。因此,需要对地热水结垢趋势进行评价。研究区地热水中 Cl-毫克当量百分数为 0.74%~23.45%,平均为 5.75%,小于 20%,因此可以采用雷兹诺指数判断结垢趋势,公式为 (2)和(3):

  • pHs=-lgCa2+-lgALK+Ke
    (2)
  • RI=2pHs-pHa
    (3)
  • 式(2、3)中,RI为雷兹诺指数;pHs 为计算出的pH 值;pHa 为热水的 pH 值;[Ca2+]为地热水中钙离子的摩尔浓度(mol/L);[ALK]为HCO3- 离子摩尔浓度 (mol/L);Ke按照规范要求取值2.6。

  • RI <4. 0,结垢非常严重;RI =4. 0~5. 0,结垢严重;RI =5. 0~6. 0,结垢中等;RI =6. 0~7. 0,结垢轻微; RI >7. 0,不结垢。

  • 通过计算 pHs 为 8.41~10. 04,平均为 9.18;RI 为 8.34~12.54,平均为 10.24。因此研究区地热水不结垢。

  • 4 热储温度

  • 4.1 热储温度计算温标判别

  • 地热地球化学方法是热储温度计算的有效手段(王轶等,2020),目前有多种方法可用于地热田的深部热储温度计算,包括阳离子温标法和 SiO2温标法等。其中,阳离子温标法需要地热流体达到水岩平衡,且避免海水等富含离子成分流体混入的影响。SiO2温标法主要有石英温标和玉髓温标(蒋恕等,2021)。根据武功山地区热水水化学特征,并未发生与海水的混合作用,因此只需要对热水的水岩平衡状态进行判别。

  • Na-K-Mg 三角图解可以在同一个图上判断大量水样的平衡状态和是否适合离子温度计估算热储(Giggenbach,1988)。通过地热水水化学组分计算,将研究区水样点投影于 Na-K-Mg 三角图上(图4),可以看出研究区地热水点均落在三角图 Mg 端元附近,新泉地热水属于部分平衡水,其他地热水属于未平衡水;表明水岩作用尚处于初级阶段,水岩反应仍在进行,并不适合使用阳离子温标法进行计算,而采用基于溶解度的石英温标对混合水热储温度进行计算。

  • 图4 武功山地热水样品Na-K-Mg三角图

  • 4.2 地热水热储温度

  • 本次采用适用于 20~330℃的无蒸汽损失石英地温计计算公式计算热储温度(Fournier,1977),具体公式如下:

  • T=13095.19-lgρSiO2-273.5
    (4)
  • 式(4)中,T 为地温(℃);ρ(SiO2)为溶液中 SiO2 质量浓度(mg/L)。

  • 通过计算该地区地热水的热储温度(表2),发现温汤地热水热储温度最高,平均温度为 139.89℃;新泉地热水热储温度最低,平均温度为 85.92℃。

  • 4.3 热储循环深度

  • 研究区平均地温梯度为 23.18℃/km。通过公式(5)计算热储热循环深度(表2)。

  • 表2 武功山地区地热水热储温度及循环深度

  • Z=t1-t0/I+Z0
    (5)
  • 式(5)中,Z为热储热循环深度(m);t1为热储温度(℃);t0为取样温度(℃);I 为平均地温梯度(℃/ km);Z0为取样深度(m)。

  • 结果表明:白马热储热循环深度最深,平均为 3375.96 m;文家热储热循环深度最浅,平均为 1916.23 m。

  • 因此,考虑到文家热储平均温度较高 (113.69℃),且循环深度最浅(1916.23 m),可作为进一步地热勘查靶区。

  • 5 地热水成因

  • 研究区位于萍乡-广丰活动断裂北部(彭自正等,2002毛勇,2013),时有弱震级地震发生,说明地下存在能量聚集。研究区莫霍面相对较浅,深度为 26~31 km(黄章荣,2019),有利于地幔热流向浅部传导,具有良好的热源条件。一般在岩浆活动、地壳深部热传导等热构造活跃区,会导致居里面隆起,反映出深部地幔热流的上涌(Guimaraes et al., 2014)。熊盛青等(2016)利用全国航陆域磁异常图数据,采用功率谱法对居里点深度进行了估算,发现研究区居里面相对隆起,深度为 20~21 km,反映出较高的热活动状态。通过江西省大地热流对比,研究区大地热流相对较高,地温梯度较大,能够为地热水提供热源(林乐夫等,2017)。另外,为了研究岩体生热率,本次研究采集了加里东期和燕山期的花岗岩,通过测试U、Th、K含量,计算平均生热率分别为 1.71 μW/m3和 4. 08 μW/m3;其中燕山期花岗岩平均生热率高于青海共和盆地花岗岩平均生热率(2.7 μW/m3Zhang et al.,2018),低于江西东南部花岗岩平均生热率值(6.49 μW/m3伯慧等, 2015)。综上所述,研究区热源可能主要来自地壳深部,岩体放射性生热也提供了部分热源。地热水氢氧同位素测试结果显示,研究区地热水受大气降水补给(辛田军,2016)。

  • Giggenbach(1988)提出的 Cl-SO4-HCO3三角图可用于地热水定性分类和成因识别(Tian et al., 2018),判断岩浆中是否存在影响高温地热流体的岩浆挥发分。根据三角图中Cl-SO4-HCO3三种离子组分变化范围可确定不同地热系统中三种热水类型和成因。第一类是热蒸汽型水,表示此类地下水在深循环过程中,与富含 CO2、SO2、H2S 等酸性高温岩浆气体混合、热交换后上升而形成的地热流体; 第二类是成熟型水,表示此类地下水与岩石进行了充分的交换反应,且有富含 Cl-的岩浆流体混入;第三类为碱性碳酸型水,此类水被认为是地下水在地壳中循环深度较浅,由高温围岩加热后上升而形成的地热水,没有明显的岩浆流体的贡献,通常表现为中低温地热水,pH值偏碱性(王云,2021)。

  • 因此,研究区地热水主要为碱性碳酸型水(图5),成因主要是大气降水在地形较高的补给区,通过断裂或者断裂破碎带下渗,在地壳浅部循环并吸收高温围岩的热量,使其温度逐渐升高,在压力降低部位,如两组断裂交汇处,上涌并出露地表。

  • 6 结论

  • (1)研究区地热水温度为30. 00~76.50℃,平均为 52.21℃,属中低温水热资源;pH 值为 6.30~9.82,平均为 8.12,属弱碱性水。地热水阳离子为 Na+,阴离子主要是HCO3-,Cl-和SO4 2-,地热水的水化学类型主要为HCO3-Na型。地热水TDS为55. 00~364.84 mg/L,平均值 213.69 mg/L,属淡水;通过计算,研究区地热水为非腐蚀性水、不结垢。

  • 图5 地热水Cl-SO4-HCO3三角图

  • (2)研究区地热水特色显著,赤江、新泉、三江、夏家坊等地热水为氟水,另外除桃花源和温汤地热水外,其他地热水均富含偏硅酸等对人体有益的元素。

  • (3)研究区地热水主要为碱性碳酸型水,循环深度较浅,温度来自高温围岩,无明显的岩浆流体的贡献;温汤热储温度最高,平均为139.89℃;新泉地热水热储温度最低,平均温度为85.92℃;白马热储热循环深度最深,平均为 3375.96 m;文家热储热循环深度最浅,平均为 1916.23 m;同时,文家热储平均温度较高(113.69℃),其可作为进一步地热勘查靶区。

  • 注释

  • ① 陈光明,陈锡岳,陈丹,辛田军,劳挺,万辉.2013. 江西省宜春市袁州区洪江温塘地热水可行性勘查报告[R]. 南昌:江西省勘察设计研究院.

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图1 武功山地区地质构造及地热分布图
图2 武功山穹隆伸展构造与热源断裂示意图
图3 武功山地热水Piper图
图4 武功山地热水样品Na-K-Mg三角图
图5 地热水Cl-SO4-HCO3三角图
表1 研究区地热水化学基本特征
表2 武功山地区地热水热储温度及循环深度

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