中低溫地?zé)崴纬蓹C(jī)理研究現(xiàn)狀

中低溫地?zé)崴纬蓹C(jī)理研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)能源的使用導(dǎo)致了許多環(huán)境問題，這些能源正在萎縮。為尋找替代能源,目前已掀起了一個開發(fā)新能源和可再生能源的熱潮。地?zé)崮芤云滟Y源豐富、對環(huán)境污染小、運(yùn)營成本低及具有醫(yī)療保健作用等優(yōu)勢而受到人們的青睞。因此,地下熱水的開發(fā)利用具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。我國先前的地?zé)嵫芯考伴_發(fā)主要集中在具有地表熱顯示的中、高溫地?zé)崽?如西藏、云南等),由于這類地?zé)崽镏环植荚诰植刻厥獾貐^(qū),其開發(fā)應(yīng)用受到很大限制。我國的隱伏型地?zé)豳Y源極為豐富,且分布廣泛,具有很好的開發(fā)前景。隨著我國傳統(tǒng)能源的日益短缺和對清潔能源需求量的增大,中、低溫地?zé)岬拈_發(fā)利用越來越受到重視,而開展中、低溫?zé)崴Y源成因、機(jī)理和水-巖相互作用等基礎(chǔ)研究則對該類型地?zé)崮茉吹拈_發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義。此外,我國許多城市正面臨著水資源短缺問題,熱水資源的開發(fā)可能會對冷水資源的供給產(chǎn)生較大影響,還可能引發(fā)一些環(huán)境地質(zhì)問題,研究熱水資源的形成機(jī)制也可為統(tǒng)籌規(guī)劃用水和保護(hù)水資源提供科學(xué)依據(jù),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。地?zé)崴牧鲃油緩介L、涉及的范圍深廣,很難獲取地下不同層位的水位動態(tài)資料和地下水流動的直接信息。因此,目前許多學(xué)者都通過對地層、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的詳細(xì)分析,判斷熱水的運(yùn)移通道,在此基礎(chǔ)上建立區(qū)域水文地質(zhì)概念模型,利用同位素及水化學(xué)分析手段來進(jìn)一步確定熱水的在地下的補(bǔ)-徑-排過程,以及在該過程中與其它來源水(大氣降水冷水、海水、巖漿水)的混合作用。熱水的水文地球化學(xué)、氣體地球化學(xué)及同位素地球化學(xué)指標(biāo)蘊(yùn)含著有關(guān)其水動力過程的豐富信息,因此在熱水徑流途徑研究中,它們的指示作用一直受到眾多學(xué)者的重視。水化學(xué)圖解法、統(tǒng)計方法、環(huán)境同位素示蹤方法等已被廣泛應(yīng)用,它們對地?zé)崴畯搅魍緩接兄芎玫闹甘咀饔谩１疚木屯凰丶八瘜W(xué)在地?zé)崴纬蓹C(jī)理中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述研究。一、熱水的形成機(jī)制研究由于熱水流動模式分析是研究地下水加熱過程及水-巖相互作用的基礎(chǔ),因此是目前熱水形成機(jī)制研究的重點(diǎn)所在,主要研究內(nèi)容有熱水的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給時期、滯留時間、流動途徑、水力聯(lián)系和熱水流動系統(tǒng)的劃分等。1.地下水補(bǔ)給時期熱水的補(bǔ)給是地?zé)崴鲃酉到y(tǒng)的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。在地?zé)崴畯搅鬟^程中,常常存在著不同來源的水的混合作用,不同來源水之間的混合作用不僅會改變地?zé)崴臏囟?而且影響水-巖作用過程。因此,不同來源的水的混合過程也是地?zé)崴纬蓹C(jī)制研究的重要內(nèi)容。在地?zé)崴a(bǔ)給來源和混合作用研究中,同位素地球化學(xué)方法的應(yīng)用最為廣泛,常采用的同位素有δ18O、δD、H、13C、He等。通過測定熱水中的氫氧同位素指標(biāo),并與大氣降水全球分餾線或地方分餾線進(jìn)行對比,可判別地下水補(bǔ)給來源究竟是大氣降水、巖漿水或海水;與14C、氚等測年指標(biāo)相結(jié)合,可進(jìn)一步判斷熱水的年齡或補(bǔ)給時期;根據(jù)上述同位素指標(biāo)在區(qū)域上的分布特征,可研究地下熱水的補(bǔ)給高程及補(bǔ)給區(qū)域,以及不同類型的水源的混合比例等。Cl/δ18O、Cl/δ2H、氚和Cl/δ3H常被用來判斷地下熱水是否大氣降水和海水(或巖漿水)的混合物。惰性氣體同位素也開始用于地下熱水來源研究,如用氦同位素來判斷熱水中有無深部幔源物質(zhì)(熱液或熱氣)的混入,及計算大氣、幔源和殼源氦所占比例等。也有學(xué)者用CO2中δ13C的豐度來推斷熱水中CO2的來源,進(jìn)而判斷地下熱水中有無其它成分水的混入。B同位素也常被用來指示有無深源水氣的混合。雖然很多同位素都可單獨(dú)反映熱水的來源問題,但為了排除研究中不確定性因素的干擾,研究者往往將多種同位素結(jié)合使用,以判斷熱水的補(bǔ)給來源,計算不同來源水的混合比例,推斷其混合過程。此外,水文地球化學(xué)和氣體地球化學(xué)指標(biāo)也廣泛用于地下熱水補(bǔ)給來源和混合作用的研究。通常是運(yùn)用水中各離子比值的統(tǒng)計相關(guān)性、水文地球化學(xué)圖解和或各種元素的組合與含量特征來分析熱水的來源,確定不同類型水源的混合情況。從目前的研究情況來看,許多學(xué)者將氣體地球化學(xué)、水文地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)等方法相結(jié)合,來綜合反映地下熱水的來源,以及不同來源水的混合情況。如Delmelle就綜合運(yùn)用熱水氣體成分、水化學(xué)特征和同位素(氫氧同位素、硫酸-S和硫酸-O)研究了菲律濱Taal火山水熱系統(tǒng)的起源,證明地?zé)崴珊Ｋ?、巖漿水與大氣降水混合而成。2.不同同位素方法對于地下熱水的年齡和補(bǔ)給時期的影響從國內(nèi)外相關(guān)研究來看,通過測量和計算地下熱水的年齡來推算其滯留是當(dāng)前的主要方法。放射性14C作為地下水測年的重要環(huán)境同位素,在地?zé)崴a(bǔ)給時期的確定中應(yīng)用最為廣泛。這種測年方法基于溶解的有機(jī)碳中的14C含量來判斷地下水的年齡。由于水中碳來源的多樣性,用14C實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測年仍存在著較大困難,為此,國外一些研究者基于水文地球化學(xué)過程對14C測年的影響,提出了多個較正模型。對于年輕地下水,目前主要采取氚同位素來測定其年齡,并進(jìn)一步判斷地下熱水的補(bǔ)給時期。需要指出的是,在進(jìn)行地?zé)崴疁y年時,水樣的采集多在井口完成。這時地?zé)崴雎痘蚪咏乇?經(jīng)過了釋壓作用并與大氣接觸,已不同于地下深部的高溫高壓環(huán)境,從而使同位素方法的測年結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此,一些學(xué)者提出用惰性氣體、3H-He及硫酸鹽中的氧同位素等方法測定地下熱水的年齡和補(bǔ)給時期。此外,也有學(xué)者采用81K/Kr、36Cl/Cl和4He對地下熱水進(jìn)行測年。由于不同測年方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),某些研究還同時采用上述多種方法測定地下水的形成時間,并將不同方法的測定結(jié)果進(jìn)行比較,進(jìn)而更準(zhǔn)確地對熱水進(jìn)行定年。3.對熱水的生成及循環(huán)過程的指導(dǎo)意義和應(yīng)用意義熱水中離子含量、離子間比值等化學(xué)參量往往隨深度和所流經(jīng)的地層巖性的變化而變化,可以用它們來分析熱水的流動途徑;某些特殊離子和某些元素的同位素豐度值則可指示熱水的循環(huán)深度、循環(huán)長度、不同深度處各種來源的水的混合情況等。鍶同位素組成可以幫助確定不同類型水之間的水力聯(lián)系,區(qū)分不同的水熱循環(huán)系統(tǒng)。最近幾十年,隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,熱水中氣體成分的含量及氣體中的同位素組成特征也開始用于地?zé)崴h(huán)過程研究,主要用來指示深部巖漿可能的脫氣作用,不同來源的水在后期各種作用(如沸騰過程)下的熱改過程,不同來源的水的混合作用等等。微生物結(jié)合水化學(xué)及同位素等數(shù)據(jù)來反映熱水的生成演化過程則是新近興起的一個重要方向。此外,也有研究試圖用示蹤劑來指示地下熱水的流速和流動方向。4.城市濕地?zé)崴Y源流動系統(tǒng)研究的前提地下水流動系統(tǒng)理論以地下水流網(wǎng)為載體,將滲流場、化學(xué)場與溫度場統(tǒng)一于一個有序的時空結(jié)構(gòu)之中,揭示了原本似乎互不相干的不同部分與不同方面的內(nèi)在聯(lián)系,有助于把握地下水各部分及其與環(huán)境之間聯(lián)系的完整圖景,對涉及范圍深廣的地?zé)崴到y(tǒng)研究尤有裨益。對地下水流動系統(tǒng)的識別是將地下水系統(tǒng)理論運(yùn)用于地?zé)嵯到y(tǒng)研究的前提。在地?zé)嵯到y(tǒng),尤其是中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)中,冷水與熱水,局部流動系統(tǒng)與區(qū)域流動系統(tǒng)互相重疊、嵌套,使情況變得極其復(fù)雜。因此,要正確識別和劃分地下水流動系統(tǒng),除了要掌握地質(zhì)和水文地質(zhì)資料外,更要從水溫、水化學(xué)及同位素等資料中獲取眾多的信息作為補(bǔ)充。現(xiàn)已有研究致力于地?zé)崴鲃酉到y(tǒng)的識別及其內(nèi)部刻畫,通常是根據(jù)熱水的離子特征及同位素特征,再結(jié)合地層、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件,分析基巖類型及斷裂構(gòu)造等對不同水化學(xué)類型的控制作用,以及不同來源水的相互混合、蒸發(fā)作用,最后區(qū)分出局部的和區(qū)域的流動系統(tǒng)。這些研究證明,沉積盆地型熱水多屬深循環(huán)的區(qū)域流動系統(tǒng)。需要指出的是,有些研究者也根據(jù)地下水化學(xué)組成、同位素特征及基礎(chǔ)地質(zhì)條件對水熱系統(tǒng)進(jìn)行分類,但不是劃分出流動系統(tǒng),而是分為不同的水化學(xué)相,然后研究不同相的水的流動過程(補(bǔ)給、徑流排泄及其過程中的混合等作用)及其與圍巖的相互作用。這類研究雖然采用水化學(xué)相的稱呼,但其實(shí)暗含了流動系統(tǒng)的思想。二、地?zé)崴疅釞C(jī)的研究地?zé)崴訜釞C(jī)理的研究涉及到熱源、熱儲、加熱的形式與過程。1.硫同位素關(guān)于熱源的性質(zhì),目前主要依靠同位素或水化學(xué)等間接方法進(jìn)行判斷,如硫同位素、碳同位素、惰性氣體同位素等都可以判斷熱源的性質(zhì)。硫同位素可用于判斷水熱系統(tǒng)中是否存在源于深部(一般指上地?；蛳碌貧?的物質(zhì)成分,進(jìn)而判斷有無與地球深部的聯(lián)系通道,確定地?zé)崴臒嵩?碳同位素和惰性氣體同位素也有助于判斷水熱系統(tǒng)中是否有來自于深部的物質(zhì),進(jìn)而推斷地?zé)崴臒嵩搭愋汀?.熱儲環(huán)境的分析(1)熱儲環(huán)境的識別在熱水形成環(huán)境的分析中,水中的同位素組成、各種離子的含量及不同離子之間的比值是最常用的指標(biāo)。在地下熱儲環(huán)境的研究中,氣體地球化學(xué)方法日益受到重視。自20世紀(jì)80年代起,國外研究者開始從地?zé)崴捌錃怏w成分的δD、δ18O、δ13C、36Cl、34S/32S、87Sr/86Sr、234U/238U、3He/4He、7Li/6Li等同位素組成資料中提取熱水形成環(huán)境的信息。特別要指出的是,由Giggenbach(1986)首創(chuàng)的地?zé)崃黧w氣體組分三角圖解法目前正不斷得到補(bǔ)充完善,在原有的N2-Ar-He圖解基礎(chǔ)上,提出了N2(過剩)-He-CO2圖解、Cl-He-CO2圖解和H2-CO2-Cl圖解。運(yùn)用這些圖解,不僅可判斷氣體的起源,且能推測流體所賦存的構(gòu)造環(huán)境和釋出巖漿流體的源巖類型。目前,已有很多研究者在世界上不同地區(qū),根據(jù)地?zé)崽镏袣怏w組合特征及氣體中的同位素特征,將上述各種三元圖與離子比值特征相結(jié)合,用于指示地?zé)崴臒醿Νh(huán)境。除上述方法外,一些研究者也嘗試用熱水中的微生物成分與熱水化學(xué)特征相結(jié)合,來指示熱水的形成環(huán)境。(2)熱儲溫度的測定目前,熱儲的溫度除了用測溫儀直接進(jìn)行測定以及利用地溫梯度計算外,常借助于各種地球化學(xué)溫標(biāo)和同位素地球化學(xué)溫標(biāo)進(jìn)行計算。在過去幾十年里,已發(fā)展了大量的地球化學(xué)和同位素地?zé)釡貥?biāo),用于不同情況下熱儲溫度的測量和計算。常用的定量地球化學(xué)溫標(biāo)有SiO2、Na-K、Na-K-Ca、Na-Li、K-Mg、Li-Mg、Na-K-Ca等,硅-焓圖解法和氯-焓圖解法也常用于熱儲溫度的估算。應(yīng)用地球化學(xué)溫標(biāo)時,常常基于一系列的假設(shè)。但事實(shí)上,由于眾多因素的影響,如溶解、交換反應(yīng)、冷熱水的混合等,使得假設(shè)條件往往很難實(shí)現(xiàn),使得每種地球化學(xué)溫標(biāo)都有其適用條件和局限性。結(jié)合具體情況選用合適的溫標(biāo)至關(guān)重要,同位素地球化學(xué)溫標(biāo)也得到了廣泛的應(yīng)用。其中,氧、硫同位素溫標(biāo)的應(yīng)用最多。除上述地球化學(xué)溫標(biāo)和同位素地球化學(xué)溫標(biāo)外,地下水中的離子成分和含量也可以指示地下熱水的溫度;地下水出露區(qū)形成的泉華的類型也可視為溫標(biāo)的一種,硅華的出現(xiàn)指示著相對高溫環(huán)境,鈣華卻是低溫的標(biāo)志;水熱蝕變現(xiàn)象也常常能較準(zhǔn)確地指示出深部的高溫?zé)醿?也有研究表明,可用礦物地溫計指示水熱系統(tǒng)的溫度。三、熱水水-巖相互作用研究水-巖相互作用是水文地質(zhì)學(xué)研究的一個熱點(diǎn)問題。在地?zé)嵯到y(tǒng)中,由于溫度較高,水-巖相互作用有其特殊性。1977年,Ellis和Mahon(1977)就熱水的起源、物理化學(xué)性質(zhì)、同位素特征、水熱蝕變、熱水中的礦物沉淀等作了詳細(xì)闡述,同時還討論了熱水的野外采樣和實(shí)驗室分析方法。1977~1983年,Bowers經(jīng)過多年的實(shí)驗室工作,獲得了礦物、氣體和溶解態(tài)組分在不同溫度與壓力下的熱力學(xué)參數(shù)及化學(xué)反應(yīng)方程,建立了600多種相圖。20世紀(jì)80年代,Fournier等對地?zé)釡貥?biāo)作了進(jìn)一步探討,建立了一系列地?zé)釡貥?biāo)公式,并被廣泛用于熱水系統(tǒng)熱儲溫度的確定。1988~1992年,Giggenbach創(chuàng)立了一系列三角圖作為研究地?zé)崃黧w起源和形成機(jī)理的標(biāo)志。這些三角圖為研究地?zé)嵯到y(tǒng)中的水-巖相互作用提供了有利的工具。目前,熱水水-巖相互作用的研究,主要在分析地下水流經(jīng)地層特征及熱水水文地球化學(xué)、同位素水文化學(xué)的基礎(chǔ)上,利用水文地球化學(xué)圖解、地球化學(xué)溫標(biāo)、各種離子的相關(guān)關(guān)系及水文地球化學(xué)模擬等方法,研究以下內(nèi)容:(1)熱水中水-巖反應(yīng)的程度;(2)礦物的飽和指數(shù)及其隨環(huán)境參量(溫度、