漳州汤洋地下水循环对围岩温...场的影响及水热系统成因分析_林塨.pdf

2023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1汤洋地区地貌及区域地质图收稿日期：2023-02-16作者简介：林塨（1985），男，本科，学士，地质工程师，从事地质工作。漳州汤洋地下水循环对围岩温度场的影响及水热系统成因分析林塨（福建省196地质大队福建漳州363000）摘要不同的地下水循环方式对围岩温度场的影响不同。在分析地下水深循环过程对周边岩石温度场影响的同时，采用同位素和地球化学温标方法对漳州汤洋地下水循环深度及补给来源进行分析，从而得出该区水热系统的成因。关键词地下水循环围岩温度场水热系统地热资源中图分类号：P641文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)0204303地下水是最活跃的地质因素，其在地壳浅部的循环方式一定程度上决定了周边温度场的差异变化。当地下水沿孔隙裂隙运移方向向下时，吸收周边岩石放射性元素衰变释放的热量，引起围岩温度场下降，即显示该区域温度低于外围区域，不利于地热（温泉）资源的形成；当远处深部的地下水经长途运移后，吸收沿途围岩热量，形成具有一定温度的地热资源，在地质构造发育位置沿构造裂隙向地壳浅部运移时，会引起浅部水体温度升高，即形成局部地温异常和温泉出露。因此，地下水循环在一定程度上决定了地下水影响区围岩温度场的异常变化和分布。1地质背景研究区位于漳州开发区石坑社区汤洋村。区内出露的地层为第四系，主要分布于山坡至山间盆地，岩性为灰褐色、浅黄色黏性土，并见有正长花岗岩碎石及黄棕色、棕灰色残积砂质粘土，厚度112 m，局部厚度可达30 m；深部沿途均为侵入岩，岩性主要为黑云母二长花岗岩，次为细粒正长花岗岩，侵入岩体同位素年龄为1.48亿a。构造上，汤洋地区位于长乐南澳深断裂带北东走向深大断裂东侧，同时地处环太平洋前沿活动带，构造形迹主要表现为断裂或岩脉侵入。本区主要构造骨架为南北向、北东向、北西向等构造，它们联合控制了本区的地质构造、地热分布、地震构造及地貌形态，其中以南北向构造为本区主要构造特征，见图1。2地下水循环及周围岩体温度场的热响应1地下水的垂直运动和水平运动是地下水在岩石孔隙及裂隙活动的主要表现形式。经研究，垂直运动是地下水对周围岩体温度场影响较大的方式，见图2。无地下水运动的区域内，均匀岩体温度场的影响因素主要为热传导，地下岩体的温度随深度均匀递增（图2的1线），且地下岩体温度在水平面上呈均匀分布。当地下水沿岩体构造裂隙进行垂直运动时，周边岩体温度的垂直分布表现为曲线状态。当地下水表现为上升运（a）汤洋地区地貌（b）区域地质图清洁能源432023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK1-无水运动；2-地下水下降；3-地下水上升。图2围岩内温度垂直分布特征示意图动时，曲线自上而下呈凸状弯曲（图2的2线）。相反，当地下水呈下降运动，则曲线呈自上而下呈凹状弯曲（图2的3线），其曲线的弯曲率随流速的增大而增大。地下水垂直运动区域的围岩温度，在平面上的分布形态是以构造裂隙在地表的分布为中心，呈规则或不规则的圈闭状。地下水水平运动区域，平面上的围岩等温面呈半封闭或不封闭的长条状，或围岩温度场不明显。地下水流动状态的不同，对地温梯度也有影响。地下水的强烈活动会造成局部存在地温梯度，地温异常增高或降低的特点。当地下水上升运动后，周围岩体温度因受到来自水体的热传导而异常增高，有利于地热资源的形成；当地下水下降运动后，周围岩体因热量丧失，温度会低于外围区域，不利于地热资源的形成。地下水活动区内的地温特点是：径流区和低温下行水流活动区内，水平范围内围岩地温小于外围温度；在上行水流活动区内，水平范围内围岩地温高于外围温度。也就是说，地下水上升运动有利于地热资源的形成；反之，则不利于地热资源的形成。3温度场异常、地下水循环深度及补给分析3.1温度场异常根据以往调查资料分析，汤洋地热存在历史悠久，地热点出露区位于汤洋村东侧、联谊公司西侧南北向的小溪沟中，原可以宰杀鸡鸭。20世纪20年代，在地热点上构筑了拦水坝以引水灌溉农田，地热从此消失。据调查访问，在原地热点上，平铺了4根0.3 m宽、1.5 m长的条石，便于宰杀牲畜后在此处褪毛用。后因地热自然消失而弃用，于20世纪90年代在河道清理中埋没，本地区地热资源初步确定已消失了近100 a。根据浅层测温结果，汤洋地区浅层测温等值线明显受南北向构造控制，地温异常为自南至北一带，沿溪沟呈南北向封闭展布。矿区常温带深度25 m，常温带温度24，浅层测温最高为25.6。根据汤洋地区浅层测温等值线（图3），温度异常曲线呈南北向长条状，说明地下水在本出露区呈上行，并沿溪沟有一定的水平运动。3.2地下水循环深度本区已施工ZK02钻孔，经抽水试验，最大出水量达1000m3/d以上，出水温度30，属于低温温水资源，孔深860 m，孔底测温为33.56，采用SiO2温标法估算深部热储温度，见式（1）。t=13095.19-lgc1-273.15（1）式中：c1为可溶性SiO2含量。ZK02中可溶性SiO2含量为64.5 mg/L，通过式（1）计算结果为114.1；因计算所得深度热储温度与实测温度相差较大，说明地表水中可溶性SiO2含量较高。故采用钾镁温标进行重新计算，见式（2）。t=441013.95-lg（c22/c3）-273.15（2）式中：c2为水中钾的浓度；c3为水中镁的浓度。ZK02中钾取1.55 mg/L、镁取4.18 mg/L，通过式（2）计算结果为37.6。经比较，采用钾镁温标对本区地下热储的评价更切合实际。根据计算出的热储温度求其埋藏深度4，见式（3）。H=h+（t热-t）/K（3）式中：H为热储深度；h为常温带深度；t热为热储温度；t为常温带温度；K为地热梯度。已知汤洋地区常温带深度为25 m，常温带温度24，周边平均地温梯度为2.0/100 m，计算结果如表1所示。3.3补给分析稳定性同位素，如2H（氘，D）、18O（氧）等元素在地热（温泉）资源的研究过程中，可用于地热（温泉）资源的水源成因或补给来源研究。图3汤洋地区浅层测温等值线图书书书表 摇汤洋地下热水循环深度表位置水样点标高 出水点深度 地下热储温度 埋深 清洁能源442023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇、同位素比率测试结果（）水样地下热水 地下热水 地下热水 地下冷水 地下冷水 地下冷水 地表水 地表水 地表水 本次采集的地热孔水（地下热水）、测温孔水（地下冷水）以及汤洋溪沟水（地表水）各3份，均来自矿区内。进行了同位素2H（D）、18O对比检测分析，采用的气体稳定同位素比质谱仪为MAT253-EA型，由中国矿业大学水文化学实验室完成，国际标准依据SMOW（标准平均大洋水），分析精度满足要求。分析结果见表2。大气降水方程采用周边地区，修正后为式（4）。D=8.3518O+12.52（R2=0.906）（4）D和18O关系见图4。根据图4，本区地下热水、地下冷水及地表水的和值均处于大气降水线近处，表明该区域无论地下水还是地表水的来源均为大气降水。4汤洋地区地热资源形成原因分析汤洋地区地下水的稳定同位素带有明显的雨水信号。根据汤洋地区的构造发育特征，区内主要发育南北向断裂，区内的主要水源补给为南侧丘陵山地，补给高程约100 m，地下水自南侧丘陵低山向北排泄至大海。从地质构造条件排除来自远源补给的可能，同时通过循环深度计算为705 m，说明汤洋地区地下热水不是来自地壳深部的热源。热源来自周围花岗岩的放射性元素衰变热，是大气降水入渗后的中深循环作用所致。5结论（1）汤洋地区地热资源的形成与地下水运移活动密切。根据分析，地下水运移对周围岩石的影响变化规律，汤洋地区地下热水为低温温水上升运动的结果。（2）汤洋地区的循环深度为705 m，这个深度与ZK02钻孔揭露热水深度（605 m）基本吻合，汤洋地区地下水补给源是南侧高差100200 m处丘陵山区大气降水经中深度水循环后形成的。（3）本区低温温泉温度为30，经勘查的资源量大于1 000 m3/d。经简单处理后可用于鱼苗、树苗等恒温养殖，并可用于开发温泉泳池等旅游资源，具有一定的经济价值。参考文献1张发旺，王贵玲，侯新伟，等.地下水循环对围岩温度场的影响及地热资源形成分析：以平顶山矿区为例J.地球学报，2000，21（2）：142-146.2林瑞泰.热传导理论与方法M.天津：天津大学出版社，1992.3张发旺，王贵玲，侯新伟.矿业开发对地质生态环境的影响及其调控J.地球学报，1999，20（S）：773-778.4刘高典.温度场的数值模拟M.重庆：重庆大学出版社，1996.图4D和18O关系图清洁能源45