地下热水水文化学探讨论文地下热水水文化学探讨论文预读:摘要:贵阳市乌当区地热资源丰富,属于我国隐伏型地热资源之一.该区地热开发始于1986年,先后施工了御温泉、新一井、天邑温泉、市南供电局以及保利温泉新城内的ZK1、ZK2、ZK3地热供水井;目前投入使用的有保利ZK1、ZK2号井、天邑和御温泉,主要用于热水洗浴.从地层上分析,寒武系清虚洞组—娄山关群—奥陶系桐梓组、红花园组为本区热水的热储层,岩性以白云岩为主［1～6］(图1).地下热水的用途与价值和它的水化学组成密切相关.本文根据乌当区热水的水化学资料对热水的水文地球化学过程进行了研究.
1地下热水水化学特征天邑井、新一井、保利ZK1号和2号井热水的化学类型均为SO4－Ca•Mg型.高Ca2+、高SO42－、是乌当区热水的特点,这两种离子的高含量使得热水的总硬度、溶解性总固体值都比较高;另外,热水中偏硅酸和氟的含量也比较高(表1).
2各离子含量与温度的关系保利ZK2号井深1922m,御温泉井深1810m,天邑井深1980m.从图2中可以看出,HCO－3含量随着岩溶水温度增加略有下降,Na+、Cl－离子随着温度变化的线性关系不是特别明显,其余常量离子和微量元素如Ca2+、Mg2+、SO42－、Sr、TDS、F－、Si都随着温度的增高含量增大,证明水温的增加有利于大部分矿物水-岩作用的进行.
3矿物饱和指数计算饱和指数可用于表示地下水对于各种矿物的饱和状态,本文使用了PHREEQC进行了矿物相平衡计算,得出了所有水样中各种矿物的饱和指数(SI)［7,8］.该软件中SI用下式确定:KT—水样在测定温度下热力学平衡常数.当地下水中某矿物的SI＞0时,说明该矿物在地下水中处于饱和状态;当SI＜0时,说明该矿物在地下水中处于非饱和状态;当SI=0时,说明该矿物在地下水中处于平衡状态.饱和指数计算显示:热水中方解石、白云石、文石都已达到饱和,石英、玉髓矿物接近或达到饱和,而长石类矿物没有达到饱和.
4水中主要离子的水文地球化学过程4.1常见离子的水文地球化学过程从图3可以看出,本区的岩溶热水偏向2(［Ca2+］+［Mg2+］)=［HCO－3］线的钙离子一侧,钙离子毫克当量浓度远大于HCO3－浓度.说明除了溶解方解石和白云石,水中的Ca2+还有其它形成来源,同时饱和指数计算显示石膏尚未达到饱和,体现了石膏溶解作用的存在.从图4可以看出,几个水样中的Ca2+和Mg2+含量呈很好的比例关系,从一个方面反映了水样中Ca2+和Mg2+的来源相同.从SO42－和Ca2+的浓度对比图(图4)可以看出,保利1号、保利2号水样基本落在［Ca2+］=［SO42－］线上,表明此处岩溶水中的SO42－和Ca2+基本由石膏溶解形成.天邑和新一井水样则偏向硫酸根一侧,表明除溶解石膏外,SO42－还有其他来源.如果地下水和围岩反应达到化学平衡,应满足式(1)的平衡关系,通过式(1)可以计算地下水中是否存在硫酸盐的过剩.计算结果见表3.从表3中可以看出,天邑和新一井水样中的SO42－过剩值较大,所以SO42－的形成除了石膏的溶解,必然还有其它成因.由于在采样的过程中热水中有很重的H2S气体的味道,推测地层深部的H2S气体在被钻孔揭露后,其原来赋存的还原环境转变为氧化环境,或是热水在垂向上升过程中,其赋存环境改变,使H2S气体氧化为SO42－离子.由图5可知,岩溶水样点并不分布在［Na］-［Cl－］线两侧,水样点偏向Na+一侧,表明Na+除岩盐溶解,还有其它方面的来源,可能是钠长石的水解作用.岩溶水相对于岩盐远未达到饱和,对于钠长石也未达到饱和.K+含量随着温度的升高有所升高,这是由于钾长石及钾云母溶解度随着温度的升高会略微增大.
4.2氟的水文地球化学过程地下水中的氟主要来白萤石矿物的溶解.对于具有高HCO－3含量的地下水,萤石的溶解反应见式(2).一般情况下,水中氟离子浓度不超过1mg/L,本区天邑和保利1号井热水的F－含量分别达到3.37和1.07mg/L.水中的氟基本上来源于萤石(CaF2)的溶解.从图6中可以看出F－和Ca2+呈正相关,且F－和Ca2+的浓度随着温度的升高而升高,表明萤石的溶解度随着温度的升高而逐渐增大,氟离子的浓度主要受萤石溶解度控制.除了含氟矿物的溶解作用外,造成水中氟含量较高的另一个主要因素是碳酸盐矿物的沉淀.随着碳酸盐岩矿物的沉淀,Ca2+将随之从岩溶水中去除,本区处于岩溶水的排泄区,岩溶水样相对于方解石过饱和,方解石沉淀,促使萤石溶解.因此热水中呈现出随着HCO－3减少,F－略微增大的趋势［9］(图6).综上所述,热水中氟离子含量高的原因主要有两个:①随着温度的增高,含氟矿物(主要是萤石)的溶解度增大;②由于石膏的溶解,导致水中钙离子的增大,使得HCO－3和Ca2+离子沉淀生成碳酸钙,从而促使萤石溶解.
4.3硅的水文地球化学过程从图2中可以看出,随着水温的增加,热水中硅的含量随之增加.地下水中硅的来源主要是含硅矿物的溶解.由矿物饱和指数计算可知,研究区岩溶水中石英和玉髓都己接近饱和状态或达到饱和状态,玉髓饱和指数略小于石英.对于其它含硅矿物,钠长石、钙长石均未达到饱和状态,蒙脱石伊利石也处于未饱和状态.另外,从高岭石的水解反应式来看(式3)高岭石也可能是控制热水中硅含量增高的一个因素.理论上,水样中Al和Si的含量应随着温度的增大而增大,并且Al与Si含量呈现正相关关系［10］,但可能由于数据测试方面的原因,这一点在本区体现似乎并不明显.由此可知,岩溶热水中硅含量的增高,主要是由于石英、玉髓等矿物的溶解.钠含量与硅含量相关关系不明显,因此钠长石水解对硅含量增高影响不大;由于水中高钙浓度对钙长石的溶解起抑制作用,所以钙长石和蒙脱石水解也对硅含量的增高影响不大.4.4锶的水文地球化学过程通过对含锶矿物饱和指数计算表明,菱锶矿和天青石基本接近饱和状态.温度越高,菱锶矿和天青石饱和指数也越大.表明随着岩溶水温度的增大,这两种矿物的溶解度加大.同时也说明本区热水中的锶浓度可能受这两种矿物的控制.由于岩溶水高Ca2+的存在及白云石化作用,随着HCO－3离子浓度的减少,Sr含量增加(图7),HCO－3离子浓度与Sr呈互为消长的关系.岩溶水中SO42－离子浓度与Sr含量呈正比(图7),表明水中锶离子浓度主要受天青石矿物溶解的控制,并且随着温度增大,溶解度增大.
5结论乌当区热水中Ca2+、SO42－、偏硅酸和氟的含量比较高,各离子含量受地层岩性中相关矿物溶解作用的控制,水温的增加有利于大部分矿物水-岩作用的进行.Ca2+来源于方解石和白云石及石膏的溶解;SO42－除石膏溶解外,还有部分来源于深部H2S气体的氧化;Na+与盐岩溶解和钠长石的水解作用有关;氟主要来自萤石矿物的溶解,方解石的沉淀促使萤石溶解;硅主要来源于含硅矿物石英和玉髓等的溶解,而锶离子浓度主要受菱锶矿和天青石矿物溶解的控制.
