西藏日喀則市查孜地熱田水化學及同位素特征研究

羅紹強，徐琳，唐華，肖進，胡林

(四川省地質礦產勘查開發局川西北地質隊，綿陽 621000)

0 引言

地熱資源作為一種綠色清潔能源，其開發利用越來越受到人們的重視[1]。西藏自治區地熱資源豐富，地熱儲量位居我國首位[1-3]。筆者及團隊在西藏日喀則地區進行野外地質調查，共發現地熱顯示區106處[4]。查孜地熱田位于日喀則地區西北部，以溫泉為主，地表出露2處規模較大的溫泉點，最高水溫87 ℃，匯總流量達20 000 m3/d[4]，具有較大的開發潛力和較好的利用價值。本文結合前人研究成果并利用現代分析測試手段，在總結溫泉形成條件的基礎上，研究西藏日喀則市查孜地熱田地下熱水的水化學及同位素地球化學特征，進一步探討溫泉起源、年齡、熱儲溫度及天然放熱量等問題，為該地區地熱資源的進一步開發及利用提供基礎資料。

1 區域地質背景

研究區位于青藏高原西南部的阿爾卑斯—喜馬拉雅巨型構造帶東段，大地構造位置屬岡底斯—騰沖陸塊岡底斯巖漿弧帶(圖1)。區域上，該帶呈EW向展布，南側以雅魯藏布江縫合帶與弧前盆地接觸，主要由白堊紀、古近紀基性、中酸性侵入巖和古近紀中酸性火山巖以及大竹卡組磨拉石建造組成。侵入巖分布于岡底斯巖漿弧帶南部，中酸性火山巖呈面狀分布，以中心式噴發為主，發育環帶狀、放射狀火山機構，構成一個完整的巖漿巖序列[5-6]。

圖1 研究區大地構造位置(a)及地質簡圖(b)Fig.1 Geotectonic location map(a) and geological sketch (b) of the study area

根據西藏自治區新構造分區[4]，研究區屬岡底斯—念青唐古拉斷塊隆起區當惹雍措—許如措SN向地塹區，為新生代斷陷盆地。盆地以第四紀河-湖相堆積物為主，有少量新近紀中新世火山巖沿盆地兩側的活動斷裂帶分布。該區主要地貌標志是以現代湖泊為中心的向心水系格局。斷塊山地分布現代冰川和晚更新世冰川堆積物，表明自中更新世末以來，該區一直處于強烈的斷塊上升階段，形成多則布(6 436 m)等極高山，聳立于高原腹地。

在許如措東岸，中更新世湖積層存在大量火山灰沉積物，表明新近紀—中更新世，該區存在多次火山活動。地熱資源的存在進一步反映該區自中更新世以來新構造運動不但未停止，且有加劇的趨勢[7]。

2 樣品采集及分析測試

共采集水化學樣品6件，其中地熱水樣品2件，河水樣品3件，井水樣品1件。具體采樣位置見圖1。采樣嚴格按照《GB/T 11615—2010地熱資源地質勘查規范》[8]執行，樣品在西藏自治區地質礦產勘查開發局中心實驗室完成測試。主要儀器為Optima 5300電感耦合等離子發射光譜儀、ELAN DRC-e電感耦合等離子體質譜儀、AFS-820原子熒光光譜儀、L2130i同位素分析儀等。分析結果經陰、陽離子平衡檢驗，誤差符合規定，可以滿足研究要求。樣品主要離子及同位素測試結果見表1。

表1 查孜地熱田水化學樣品主要離子及同位素含量Tab.1 Main ion and isotope contents of the hydrochemical samples from Chazi geothermal field

3 水化學特征

圖2 研究區地下熱水Piper圖Fig.2 Piper map of the underground hot water in the study area

該地熱田冷水和熱水離子濃度存在明顯差異，但同時具有一定的水力聯系。地下熱水主要來源于大氣降水，降水入滲到地下，在深循環過程中，與沿斷裂破碎帶運移的地熱流體混合，形成地下熱水，再沿斷裂破碎帶排泄至地表形成溫泉。因此，斷裂破碎帶既是溫泉的主要通道，也是地熱流體的升流儲集場所。

4 同位素特征

地下水在演化中，除了形成一般的物理、化學蹤跡外，還形成了微觀同位素蹤跡，記錄了地下水的起源及其演化過程[11]。因穩定同位素和放射性同位素對水具有標記和計時作用[12-13]，故利用同位素方法對研究區溫泉的起源及年齡進行分析和計算。

4.1 溫泉起源

4.1.1 溫泉補給來源

1961年，Craig[14]提出了全球大氣降水線的概念，通過總結全球各地區大氣降水中的δD和δ18O變化范圍及二者之間的關系，得出了用于判斷地下水現代補給來源的Craig降水線。研究表明，絕大部分地熱系統中的熱水來自大氣降水[13-15]。由表1可知，查孜地熱田熱水中δD、δ18O及標準平均海水的偏差值分別為-163‰和-20.5‰～-20.6‰，均低于標準平均海水的δD及δ18O值，出現了負偏差，表明該地熱水具有現代大氣降水及地表水滲入起源的特征。通過與全球大氣降水線(Craig降水線)對比，發現研究區2個樣品數據投影點均位于當地及Craig降水線下方(圖3)，說明查孜地熱田地下水的主要補給來源是大氣降水和冰雪融水。

圖3 氘氧同位素分析值與克雷格雨水線關系[16]Fig.3 Relationship between D,O isotope analysis and Craig′s rain water line[16]

4.1.2 溫泉補給高度

根據氧同位素含量與海拔的關系可計算溫泉補給高度。其公式為

H=(δs-δp)/K+h，

(1)

式中：H為同位素入滲高度或補給區高度，m；h為取樣點(泉)標高，m；δs為地下水的δ18OVSMOW值，‰；δp為取樣點附近大氣降水的δ18OVSMOW值，‰；K為同位素高度梯度，即海拔每變化100 m時，δ18OVSMOW值的變化量，取值0.3‰/100 m。

經計算，查孜地熱田溫泉補給高度為海拔5 652 m以上(表2)，屬于山地對流型。該區地下熱水是山地大氣降水和冰雪融水沿斷裂帶滲入地下后經深循環，被深部巖漿熱源加熱對流的結果。

表2 溫泉補給高度計算結果Tab.2 Calculation of the hot spring replenishment height

4.2 溫泉年齡

根據氚的放射性衰變原理[13]可計算溫泉年齡。其公式為

N=N0×e-λt，

(2)

式中：λ為氚的衰變常數，由于氚的半衰期為12.43 a，故λ=0.056 a-1；N為氚的當前值，TU；N0為氚的背景值，TU。

由于自然界中的氚含量一般>10 TU，故N0取值10 TU。研究區樣品中氚的當前含量<1.0 TU(表1)，N取值1.0 TU，由此計算溫泉年齡約為41 a。通常氚的背景值均大于當前背景值[17-18]，故推斷該地熱田熱水在地下運移滯留至少41 a。

5 熱儲溫度估算

地下熱儲溫度是評價地熱資源形成機制和開發利用潛力的重要參數，通常選用地球化學溫標技術估算熱儲溫度[19]。本次采樣為地表水，由于淺層冷水的混合作用，熱水體系中化學組分并未達到水-巖平衡狀態，因此，在估算地熱顯示區熱儲溫度之前，通常利用Na-K-Mg三角圖解(圖4)判別地下水的水-巖平衡狀態。由圖4可知，研究區僅熱水為部分平衡水，河水及井水均為未成熟水。因此，該區不適宜利用陽離子濃度估算熱儲溫度，而應選擇SiO2溫標進行熱儲溫度計算。石英溫標分為有最大蒸汽損失溫標和無最大蒸汽損失溫標，由于本次熱水采樣溫度均達到當地沸點溫度，因此，使用有最大蒸汽損失溫標計算熱儲溫度較合理[20]。其計算溫度為148.18～153.49 ℃(表3)。

表3 熱儲溫度計算結果Tab.3 Calculation results of the thermal storage temperature

圖4 Na-K-Mg三角圖解Fig.4 Na-K-Mg triangular diagram

6 天然放熱量估算

溫泉的天然放熱量可根據以下公式[21]估算。

Q=365×q×ρ×c×(t-t0)，

(3)

式中：Q為天然放熱量，J/a；q為溫泉流量，m3/d，該地熱田匯總流量為20 000 m3/d；ρ為熱水的密度，988 kg/m3；c為熱水的比熱容，4 186 J/(kg·℃)；t為熱水的溫度，取平均值80 ℃；t0為非熱異常區恒溫層溫度，根據該地熱田淺層測溫結果，取值5 ℃。

根據上述數據，計算查孜地熱田溫泉的天然放熱量為2 264.33×1012J/a，折合標準煤約為77 360 t/a。

7 結論

(2)查孜地熱田地下熱水的主要補給來源是大氣降水和冰雪融水。降水入滲到地下，在深循環過程中，地熱流體沿斷裂破碎帶運移，升流過程中有冷水混入，斷裂破碎帶為溫泉的主要通道，是地熱流體的升流儲集場所。地下熱水的補給高度為海拔5 652 m以上，屬于山地對流型。查孜地熱田熱水在地下運移滯留至少41 a。

(3)查孜地熱田熱儲溫度為148.18～153.49 ℃，天然放熱量為2 264.33×1012J/a，具有較好的開發利用潛力。