重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)成因與水-巖作用過(guò)程研究.pdf

1、在石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)能源面臨枯竭的今天，新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)成為世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前提。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的新型環(huán)保能源和特殊礦產(chǎn)資源，其開(kāi)發(fā)利用對(duì)構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、保障國(guó)家能源安全、改善我國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。重慶是中國(guó)西部唯一的直轄市，其淺層地?zé)豳Y源豐富，主要集中分布在重慶都市圈內(nèi)的川東平行嶺谷地區(qū)，其淺層地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)主要以溫泉休閑旅游為主。2011年，重

2、慶市被評(píng)為“中國(guó)溫泉之都”，2012年，重慶市欲打造成為“世界溫泉之都”。因此，對(duì)重慶地區(qū)的淺層地?zé)崴膩?lái)源、水-巖作用過(guò)程以及水中各離子的來(lái)源和轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)性工作的研究顯得尤為重要。本研究對(duì)川東平行嶺谷地區(qū)的地下熱水(包括溫泉出露和人工鉆井)進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)、取樣和室內(nèi)分析，并通過(guò)對(duì)重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的補(bǔ)給區(qū)域、徑流過(guò)程、物質(zhì)來(lái)源的研究建立重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)補(bǔ)、徑、排概念模型。
　　 重慶主城區(qū)淺層地?zé)崴饕獮橹貞c三疊系碳酸

3、鹽巖熱儲(chǔ)熱水，其地質(zhì)特征表現(xiàn)為儲(chǔ)水層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組的碳酸鹽巖。上覆蓋層為上三疊統(tǒng)須家河組的致密性砂頁(yè)巖，下伏底層為下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的碎屑巖夾碳酸鹽巖。合理的儲(chǔ)水儲(chǔ)熱構(gòu)造使得重慶川東平行嶺谷地區(qū)形成了“山山有資源、峽峽有溫泉”的熱水庫(kù)。
　　 重慶三疊系碳酸鹽巖儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)所有的地下熱水水化學(xué)性質(zhì)相近，其基本特征為pH值呈中性，電導(dǎo)率較高，水溫30℃～50℃之間，屬淺層中低溫地下熱水，水化學(xué)類型為SO4-Ca(Mg)型，是典型的

4、碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地下熱水。其主要陽(yáng)離子為Ca2+和Mg2+，主要陰離子為SO42-和HCO3-，除青木關(guān)溫泉外，SO42-和Ca2+、Mg2+隨時(shí)空變化較小。熱水中的方解石和白云石都處于飽和與不飽和的臨界狀態(tài)，沒(méi)有明顯鈣華沉積的現(xiàn)象；Na-K-Mg-Ca圖解顯示地下熱水沒(méi)有達(dá)到水巖平衡狀態(tài)且各個(gè)季節(jié)地下熱水的物質(zhì)來(lái)源基本一致。
　　 重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)熱水的δD值分布在-63.08‰～-48.62‰之間，δ18O的值在-9.5‰

5、～-6.47‰之間，δD(‰)和δ18O(‰)值的線性關(guān)系為δD=(7.666±0.283)δ18O+(6.88±2.35)δD，與全球大氣降水線接近，表明其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。地下熱水δD值的d-excess值都落在d-excess=0‰和d-excess=20‰之間，且主要集中在d-excess=10‰附近，表明在水-巖作用中，沒(méi)有發(fā)生明顯的δ18O漂移。根據(jù)氫氧同位素的高程效應(yīng)，計(jì)算得出重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)熱水的補(bǔ)給區(qū)主要是位于

6、海拔460m～1613m的地區(qū)。結(jié)合長(zhǎng)江、嘉陵江對(duì)川東平行嶺谷背斜內(nèi)地下水循環(huán)的控制，可以認(rèn)為地下熱水的補(bǔ)給來(lái)源為川東平行嶺谷北端的巖溶出露區(qū)域和川東平行嶺谷內(nèi)巖溶槽谷區(qū)，主要是北端的巖溶出露區(qū)。
　　 使用高分辨率的自動(dòng)檢測(cè)儀器CDTP在線監(jiān)測(cè)北溫泉2009～2010年降雨量、北溫泉水流量、pH值、水溫以及電導(dǎo)率等并分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)自然出露點(diǎn)地下熱水的流量、水溫、電導(dǎo)率、以及pH值總體上穩(wěn)定，但是在一年中，溫泉水的流量與當(dāng)?shù)亟涤?/p>

7、量存在一定的滯后關(guān)系，雨季溫泉水流量小，旱季溫泉水流量偏大。此外，2008年5.12地震期間對(duì)北溫泉的水化學(xué)特征的監(jiān)測(cè)表明極端地質(zhì)事件導(dǎo)致北溫泉砂巖蓋層和含水層裂隙增多、增大，以致蓋層裂隙與含水層裂隙貫通，地表或上覆蓋層低溫水匯入含水層，引起北溫泉泉群水溫、水量以及水化學(xué)特征的變化。
　　 重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地下熱水高SO42-而低HCO3-是其最顯著的特征，也是研究其水-巖作用的關(guān)鍵。HCO3-與Ca2+、Mg2+、Sr2

8、+成負(fù)相關(guān)關(guān)系，HCO3-與SO42-也存在很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明Ca2+、Mg2+、Sr2+以及SO42-的存在對(duì)HCO3-有一定的抑制作用。
　　 通過(guò)HCO3-的δ13C和He同位素分析發(fā)現(xiàn)重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)熱水存在幔源來(lái)源。其中地下熱水中。HCO3-的δ13C值為-9.73‰～-3.12‰，表明參與水-巖反應(yīng)的CO2可能既有生物成因，又可能有幔源成因。地下熱水的(3He/4He)的比值R與空氣的標(biāo)準(zhǔn)氣樣3He/4He

9、的比值Ra相比，均大于1，佐證了地下熱水有幔源的說(shuō)法。根據(jù)同位素質(zhì)量平衡原理計(jì)算得出參與水-巖反應(yīng)的CO2中，25.2％～68.73％來(lái)自于土壤，幔源的占31.27％～74.8％。
　　 重慶碳酸鹽巖熱儲(chǔ)SO42-的含量異常高，且其SO42-的δ34S值在29.70‰～34.32‰之間，異常偏正，體現(xiàn)了下三疊統(tǒng)嘉陵江組二段石膏的δ34S特征。異常高的SO42-源于研究區(qū)碳酸鹽巖中石膏的溶解，而異常偏正的δ34S值源于四川盆地在早

10、三疊世嘉二期時(shí)相對(duì)封閉的鹽湖環(huán)境，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用有利于蒸發(fā)巖類的形成，水體中的硫酸鹽與有機(jī)質(zhì)接觸，厭氧微生物的脫硫作用將硫酸鹽還原分解出H2S和CO2，即細(xì)菌從硫酸鹽離子中分解出氧，釋放出具有比硫酸鹽更富集32S的H2S，有利于34S在硫酸鹽巖中的富集，導(dǎo)致硫酸鹽巖中的34S的增高。
　　 綜合地下熱水中87Sr/86Sr和δ13C以及SO42-的δ34S值，其中SO42-的δ34S較高，體現(xiàn)了三疊系嘉陵江組二段石膏的特征；87

11、Sr/86Sr較低，體現(xiàn)了碳酸鹽巖風(fēng)特征；而雨季溫泉水δ34S值較旱季偏輕，δ13C值雨季較旱季偏重，主要原因是一些地表徑流和砂巖裂隙水通過(guò)蓋層中的裂隙與溫泉水混合，導(dǎo)致溫泉水中同位素值出現(xiàn)季節(jié)性的差異。
　　 根據(jù)以上水化學(xué)、同位素等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景分析，可以歸納重慶三疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的補(bǔ)給區(qū)域、徑流過(guò)程、物質(zhì)來(lái)源并建立其補(bǔ)、徑、排概念模型：在高程460m～1613m的川東平行嶺谷北端的灰?guī)r裸露區(qū)和川東平行嶺谷的巖

12、溶槽谷區(qū)，大氣降水和地表徑流等入滲補(bǔ)到一個(gè)以碳酸鹽巖為儲(chǔ)熱層，砂頁(yè)巖為上覆蓋層、碎屑巖夾灰?guī)r為下伏底層的碳酸鹽巖儲(chǔ)水系統(tǒng)。水在此儲(chǔ)水層中經(jīng)歷了較長(zhǎng)的流動(dòng)途徑，不斷吸收周圍巖體的熱量，同時(shí)，少量的幔源物質(zhì)沿地下的裂隙等進(jìn)入儲(chǔ)水層進(jìn)行混合，發(fā)生了石膏的溶解與有CO2和H2O參與的碳酸鹽巖的風(fēng)化為主的水-巖反應(yīng)。在徑流過(guò)程中，地下熱水在斷裂帶上或者是大江大河深切峽谷時(shí)受阻，向上運(yùn)動(dòng)，并與淺部巖溶冷水和砂巖裂隙水混合，以泉點(diǎn)或者人工鉆井的形式排