武威药王泉地热田水文地质条件及水化学特征.doc

文章编号 :100424116 (2001) 0120075208武威药王泉地热田水文地质条件及水化学特征曹兴山 ,赫明林 ,曹炳媛( 甘肃省地勘局水文地质勘察院 ,甘肃 张掖 734000)摘 要 :武威药王泉地热田含水层为加里东晚期花岗岩 , 水量丰富 , 单井出水量 738 967m3 / d 。钻孔孔深 80m 处温度为 5910 , 井水抽出孔口温度为 5415 5610 。地温梯度为 815/ 100m 。热储埋藏深度为 2 4503 180m 。水质类型为 Cl - - SO4 2 - - Na + 型。热矿水含多种 对人体有益元素 ,具有极高的医疗价值。关键词 :药王泉地热田 ;热矿水 ;水文地质条件 ;水化学特征 ;甘肃武威中图分类号 : P31411文献标识码 :B概况药王泉地热田位于甘肃武威市西南 44 km 西营河中游河谷区 ,由武威 九条岭公路相通 , 交通方便 。地热田一带 ,山青水秀 ,风景优美 ,生态环境古朴宁静幽雅 ,气侯凉爽湿润 ,适宜疗 养 、游览和避暑 。药王泉地热田为深循环基岩裂隙承压水 ,含水层为加里东晚期花岗岩 ,热水补给 、径流和 排泄受区域地貌和地质构造控制 。19951996 年 ,甘肃省地矿局第二水文地质工程地质队 , 对该地热田进行了水文地质普查 、水文物探和钻探 ,分别施工孔深 80123 m 和 89147 m 探采结 合井 2 眼 。井底 80 m 处温度为 5910 ,井水抽出井口温度分别为 5610 及 5415 。钻孔水 位埋深分别为 1134 m 及 1147 m ,分别高于河谷第四系孔隙潜水水位 1166 m 及 1153 m 。钻进时 单井涌水量分别为 738 m3 / d 及 967 m3 / d , 成井后因洗井关系单井出水量为 382 m3 / d 及 736 m3 / d 。工作结束后 ,提交的药王泉地热田勘察报告经甘肃省储委审查通过 。药王泉地热田热矿水含数十种微量元素 ,其中 F - 含量 712713 mg/ L , Rn 含量 1 2561 800Bq/ L , H2 SiO3 含量 9313 9419 mg/ L , 均达到矿水命名浓度1 。Li 含量 1167 1182 mg/ L , HBO2 含量 31883189 mg/ L ,达到医疗矿水浓度 ,Sr 含量 2112128 mg/ L ,达到饮用矿泉水浓度2 。其他微量元素也达到一定浓度 。地热田勘察期间 ,对热矿水医疗价值和疗养医学进行了调查研究 ,发现该热矿水对多种疾0 收稿日期 :2000207228病具有极佳疗效 ,并有很高的疗养价值 。1 药王泉地热田水文地质条件111 补给 、径流 、排泄条件地热田地区分布的主要地层为加里东晚期花岗岩及第四纪堆积物 。地势南高北低 。南部 为海拔 4 000 m 以上终年积雪的祁连山 ,高大的山区是药王泉地热田的补给区 。祁连山山地 ,基岩裸露 ,沟壑纵横 ,岩石风化裂隙和构造裂隙发育 ,降水较多 ,入渗条件极佳 。当地下水接受 大气降水补给后 ,在天然水力坡度下沿区域性断裂构造带两侧的构造裂隙由南向北流动 ,形成 药王泉地热田热矿水的径流区 。地下水径流至地层深部热储层时 ,对流的冷水被大地热流体 加温后成为热水 。热水在地层深部高温高压环境下对围岩含水介质溶滤加强 。岩石中微量元素溶于热水后则成为热矿水 。地层深部热矿水径流至药王泉地区 ,在 F2 断层阻水作用下沿构 造裂隙向上运移溢出地表 (图 1) ,成为药王泉地热田的排泄区 。热矿水溢出后与沟谷第四系 孔隙潜水 (冷水) 混合 ,由于比重的差异 ,沿河谷地下水流向形成一个以热矿水扩散晕为中心的 地下水水丘 。据调查 ,热矿水扩散晕的水温及水质由南而北变化较大 ,水温由 4815 逐渐过图 1 武威药王泉地热田地区地质图Fig. 1 Geological map of Wuwei Yaowangquan geot hermal field1 第四系 ;2 白垩系 ;3 二叠系 ;4 石炭系 ;5 加里东期花岗岩 ;6 实测断层 ;7 推测断层 ;8 阶地 ;9 洪积扇 ;10 温泉 ;11 河流 ;12 勘探孔 ;13 公路渡为 2610 。水质由 Cl - -SO2 - Na + 型水逐渐过渡为 HCO - -SO2 - Na + - Ca2 + 型水 。434矿化度由 1145g/ L 逐渐过渡为 0197g/ L 。原药王泉热矿水的溢出也正是热矿水扩散晕向西营河排泄而形成的 。112地质构造条件药王泉地热田在大地构造上位于昆仑 秦岭地槽褶皱系走廊过渡带九条岭隆起区 。新 、老断裂构造多而复杂 ,且以压性和压扭性为主 。挽近新构造运动极为活跃 ,且以震荡式上升和地震活动为特征 。其特点是强度大 、频率高 。第四纪以来 ,药王泉地热田一带形成多达 级的 堆积阶地和深切达 250 m 左右的河谷 。1927 年古浪 8 级地震以来 ,余震沿断裂带两侧频繁发生 。据不完全统计 ,九条岭地震区发生有感地震数百次以上 ,释放的总能量达 6139 1023J 。该区主要的断裂构造有 2 条 ,受其控制 (图 1) 。走向近 EW 的主干压性断裂 F2 与派生的 低序次 、走向 N N E 的新华夏系压扭性断裂 F1 的交汇部位是药王泉地热田热矿水分布区 。主 干压性断裂 F2 为逆断层 ,成生较早 ,倾向 S5E ,倾角 7280,破碎带宽 1030 m 。其压性结 构面具有较好的阻水作用 。后期成生的 F1 错断 F2 时 ,断层两侧岩体发生右旋走滑位移 ,在断 层的走滑区形成大量张性构造裂隙 ,这些张性构造裂隙是药王泉地热田热矿水深循环的良好图 2 武威药王泉地热田水文地质剖面图Fig. 2 Hydrogeological sectio n of Wuwei Yaowangquan geot hermal field1 亚砂土 ;2 漂砾 ;3 角砾石 ;4 断层糜棱岩 ;5 裂隙发育的花岗岩 ;6 裂隙被 SiO 2 充填的花岗岩 ;7 地下水水位 ;8 河水水位 ;9 探采结合井 ;10 上升泉 ;11 下降泉 ;12 钻孔水位孔深通道 。据野外地质调查 ,药王泉地热田泉华沿 F2 断层破碎带呈东西向断续分布 。泉华分布的最 高位置比药王泉热矿水现今溢出区高 202 m 。依据泉华分布区地质地貌条件和地层时代 ,药王 泉地热田形成于第四纪晚更新世之前 。113热矿水赋存条件药王泉地热田热矿水赋存于断层 F2 上盘加里东晚期花岗岩构造裂隙中 ( 图 2) 。热矿水 为深循环基岩裂隙承压水 ,水头受药王泉泉水溢出影响 ,WR1 号孔水位埋深为 1134 m ,WR2 号 孔水位埋深为 1147 m ,分别高于河谷第四系孔隙潜水水位 1166 m 及 1153 m 。WR1 号孔孔深81123 m ,WR2 号孔孔深 89147 m ,其间距为 4915 m 。井底温度为 5910 ,井水抽出井口温度分 别为 5610 及 5415 。说明药王泉地热田存在一个热水溢出的主通道区 。据推测 ,该溢出主通道位于 WR1 号孔北侧断层上盘区 。药王泉地热田热矿水水化学类型为 Cl - -SO2 - Na + 型 。WR 号孔矿化度为 1157g/ L ,41WR2 号孔矿化度为 1152g/ L 。矿化度随水温的变化说明 WR2 号孔水质受基岩风化裂隙水影响大于 WR1 号孔 。WR2 号孔与 WR1 号孔相比则远离热矿水溢出主通道区 。 从图 3 可以看出药王泉地热田有以下特点 :(1) WR1 号孔钻进至 27 m 时遇到一处直径为 015 m 左右的溶洞 。当溶洞被揭露后 ,在潜图 3 钻孔潜孔锤钻进时涌水量及井温与孔深关系图Fig. 3 The relatio n of outflow rate wit h well temperat ure at drillingA WR1 号孔涌水量与钻进深度关系 ;B WR1 号孔井底温度与钻进深度关系 ; C WR2 号孔涌水量与钻进深度关系 ;D WR2 号孔井底温度与钻进深度关系孔锤钻进风动力作用下突然涌水 。初始涌水量为 1105L / s ,涌水量随钻进孔深的增加而增加 ,终孔时涌水量达 8155L / s 。WR2 号孔钻进至 30 m 左右时遇到另一处直径为 014 m 左右的溶 洞 。当溶洞被揭露后 ,在潜孔锤钻进风动力作用下突然涌水 。初始涌水量为 0165L / s ,涌水量 随钻进孔深的增加而增加 ,终孔时涌量达 1112L / s 。抽水试验结果 , WR2 号孔涌水量也大于 WR1 号孔涌水量 。说明药王泉地热田热矿水丰富 ,含水不均匀 ,富水性受构造裂隙和溶洞发育程度影响 。(2) WR2 号孔 80 m 以上井底温度自上而下变化较大 。WR1 号孔 39 m 以上井底温度自上 而下也有较大变化 。说明 WR2 号孔受花岗岩风化裂隙中泠水补给影响程度大于 WR1 号孔 , WR1 号孔 39 m 以上 ,WR2 号孔 80 m 以上水体具有环流运动特征 。( 3) 药王泉地热田含水层埋深 39 m 以上的热矿水受泠水水温影响而温度急剧下降 ,使其 中 SiO2 呈过饱和状态 ,并大量析出 、沉淀于花岗岩裂隙中 ,构成药王泉地热田上部阻水盖层 , 对地热田热矿水起到较好的保温作用 。114 热矿水动态特征根据药王泉 WR1 号孔 18 个月动态观测结果 ( 图 4) ,地热田热矿水水位埋深及水温变化 不大 。水位埋深年变幅为 0181 m ,井深 60 m 处水温的年变幅为 116 。其水位和水温不受大 气降水 、地表河水和气侯季节变化的影响 。说明药王泉地热田热矿水是深循环的地下水 ,其保 温盖层未受破坏 。图 4 药王泉 WR1 钻孔水位及井深 60m 处井温动态变化Fig. 4 The dynamic change of water - table and 60m dep t h in WR1 , Yaowangquan115药王泉地热田热储温度计算利用 K、Na 温标计算热储平均温度为 20813 ;利用 K、Na 、Ca 温标3 计算热储平均温度 为 27018 。依据 WR1 号孔 39 m 以下的地温梯度 815 / 100 m 计算 ,热储埋藏深度为 2 4503 180 m 。药王泉地热田水化学特征该地热田水化学成分复杂 ,含多种微量元素 ,多项指标达到矿水 、医疗矿水和饮用矿泉水 的浓度 。2地热田水质分析成果 (表 1)211表 1 水质分析成果表Table 1 The table of result s of water qualit y analysisN H4 +01340128NO3注 :11 常规及特殊项目由原甘肃省地矿局第二水文地质工程地质实验室分析 ;21 放射性项目由甘肃省放射卫生防护监督监测所和武威地区地震局分析 ;31 细菌项目由甘肃省武威地区卫生防疫站分析。药王泉地热田勘察期间 ,根据水质分析取样要求 ,取样后分送有关单位 ,对其物理性质 、水化学成分 、放射性元素含量 、卫生指标 、毒物等进行测试 ,结果如下 :21111物理特征热矿水无色 ,清澈透明 ,无异味 ,微咸 ,无沉淀 ,色度为 1 度 ,无悬浮物 ,浊度为 2 左右 ,水温 为 54155610 。21112水化学成分热矿水 p H 值为 812816 ,总碱度为 73167511 mg/ L ,属碱性水 。总硬度以 CaCo3 含量 计 ,为 1561117011 mg/ L ,全硬为 73168211 mg/ L ,汞硬为 88109615 mg/ L ,负硬为 0 。矿 化度为1 508171 56713 mg/ L 。固形物为 1 4781 550 mg/ L 。水中主要阳离子有 : K + 17101916 mg/ L ,Na + 428432 mg/ L , Ca2 + 58196411 mg/ L , Mg2 + 212214 mg/ L ; 主要阴离子项 目 名 称WR1 井WR2 井项 目 名 称WR1 井WR2 井矿化度( gL - 1) 11567 3 11508 7总硬度 CaCO3 ( mgL - 1) 17011 15611 p H 值816 812特 殊 项 目( mgL - 1)可溶性 SiO2 73100 71182固形物1 550 1 478CN - 01005 01005酚 01002 01002Cr6 + 01004 01004Se 01000 1 011 10 - 3Li + 1182 1167 0103Sr2 + 2110 2128 0106HBO2 3188 3189As 01066 01078Br - 0134 0140I - 010111 0101H2SiO3 94190 94134Cu2 + 01002 01002Pb2 + 01004 01004Zn2 + 01078 01022Mn2 + 01082 01112Cd2 + 01001 01001Ni2 + 01004 01004Co 2 + 01002 01002Hg 310 10 - 4 515 10 - 4Al3 + 01019 01062H2 S 0100 0100MoBa 110 110常 规 项 目( mgL - 1)阳 离 子Ca2 + 6411 5819Mg2 + 214 212Na + 42810 43212K + 1916 1710Fe2 + 0104 0104Fe3 + 0160 0153合计51510 511123阴 离 子CO3 - 712 010HCO3 - 7510 9115Cl - 42716 39912SO42 - 45319 43417- 0120 1122NO2 - 01002 01010 7F - 7120 7130PO43 - 0102 0102合计97019 933195放射性项目(BqL - 1)总 0158 总 3117 总 2110氡( 222 Rn) 1 240 镭( 222 Ra) 2166 铀( U) 13 (g/ L )细菌项目细菌总数( 个mL - 1) 27大肠菌群( 个L - 1) 3有 : Cl - 3991242716 mg/ L ,SO4 2 - 4341745319 mg/ L , HCO3 - 759115 mg/ L 。Na + 占阳离子毫克当量总数的 8411 %8711 % ,Cl - 占阴离子毫克当量总数的 5111 %5116 % , SO4 2 - 占阴离子毫克当量总数的 4014 %4114 % 。水质类型为 Cl - -SO4 2 - Na + 型水 。热矿水中微量元素含量丰富 ,主要有 : Zn 、Li 、Cu 、Pb 、Cd 、As 、Hg 、Cr6 + 、Br 、Co 、Ni 、Sr 、M n 、Se 、Al 、Ba 、F - 、I 、H2 SiO3 、HBO2 。其中达标元素 F - 含量为 712 713 mg/ L , H2 SiO3 含量为94139419 mg/ L ,Li 含量为 11671182 mg/ L , HBO2 含量为 31883189 mg/ L , Sr 含量为 2112128 mg/ L 。21113 放射性元素放射性元素 U 、Ra 含量较少 ,U 含量为 21813g/ L , Ra 含量为 0182166Bq/ L , Rn 含量 为 1 2561 800Bq/ L ,总为 01450158Bq/ L ,总为 31173143Bq/ L ,总为 2110Bq/ L 。21114 卫生指标热矿水中细菌总数为 27 个 ,大肠菌群数 3 ,未发现其他致病细菌 。水质符合饮用水规定 标准 。21115 有害成分热矿水中氰化物含量 01005 mg/ L , 酚类化合物含量 01002 mg/ L , 硝酸盐含量 012 1122 mg/ L ,亚硝酸盐含量为 01002 01011 mg/ L , Hg 含量 01000 3 01000 5 mg/ L , As 含量0106601078 mg/ L , Pb 含量 01004 mg/ L , Cd 含量 01001 mg/ L 。热矿水水质未受污染 ,其 中污染物及有害成分含量低于国家饮用矿泉水规定标准 。212 地热田水化学特征深循环系统的热矿水 ,在封闭良好的条件下 ,对含水介质溶滤过程加快 ,矿物在较高温度 和高压条件下溶解度达到最大 ,热矿水中各类矿物质的含量随之也达到化学平衡 。当热矿水径流至半封闭或开启的氧化环境条件下 ,温度虽然降低 ,但热矿水中某些化学成分仍然保持原 有的特殊含量 。这就是热矿水具有特殊的化学成分固有的水化学特征 。根据药王泉地热田热 矿水水质分析成果 ,得出如下结论 :( 1) 药王泉地热田热矿水中 Na + 含量为 42810 43212 mg/ L , Ca2 + 含量为 5819 6411mg/ L ,Mg2 + 含量为 212214 mg/ L ,为富 Na + 、Ca2 + ,少 Mg2 + 热矿水 ,反映区域酸性岩广布的 背景 。水化学特征也证明地热田热矿水补给 、径流和排泄的整个运移过程中含水介质均为酸 性侵入岩 。(2) 热矿水中 Mg2 + 、Na + 、NO3 - 含量随地下水温度升高而减少 , 而 Ca2 + 、K + 及 SO4 22 、H2 SiO3 、p H 值则随热矿水的温度升高而增加 。水化学特征反映了该热矿水中矿物质是由大气降水渗入补给地下水径流至地壳深部 ,吸热和溶滤花岗岩类岩石中的矿物而形成 。(3) 热矿水中 CO2 及 H2 S 含量低于检测值下限而趋于零 ,说明地下热矿水是流经地壳深 部循环后沿构造裂隙排泄于地表 。热矿水流经过的地层为非碳酸盐和不含硫化物的非煤系地层 ,热储温度来自非碳酸盐类岩石 。水化学特征与区域地质条件相一致 ,与区域内花岗岩的化 学成分相吻合 。(4) 自然界中 Rn 的大部分能量是由 Ra 和 U 蜕变而来的 ,而 Ra 蜕变释放出的能量最大 。 甘肃省地质局第一区域地质队 1 武威幅区域地质调查报告( 120 万) 11965 年 1根据化验结果 ,花岗岩类岩石中 Ra 的含量最高 。在液体中 , Rn 的溶解服从亨利定律 。由此推断 :含 Rn 较高的药王泉地热田热矿水 ,是含放射性元素的花岗岩类岩石射气作用及 Rn 气 向流动的地下水中扩散 ,并在开启构造发育的氧化带和水交替作用下形成的 。药王泉地热田 热矿水中 Rn 的大量存在 ,反映了地壳深部水循环条件较好 ,并与热源有较好的沟通 ,同时反 映该区域酸性岩类广泛分布 。说明地热田热储层的热量一部分来自大地的热流体 ,另一部分来自放射性元素蜕变产生的热能 。(5) 药王泉地热田热矿水含数十种对人体有益的微量元素 ,其中 F - 、H2 SiO3 、Rn 含量达到 矿水命名浓度 ,Li 含量达到矿水浓度 , HBO2 含量达到医疗水浓度 , Sr 含量达到饮用天然矿泉 水浓度 。据调查 ,药王泉热矿水具有极佳的医疗保健功能 ,是目前国内发现的最佳医疗矿水之 一 。达标的微量元素中 ,除 F - 外 ,其他各项均符合饮用天然矿泉水标准 。如 F - 经处理后 ,热 矿水也是最佳的饮用天然矿泉水 。参考文献 :国家技术监督局 1 地热资源地质勘察规范 GB11615 89 S 1 北京 :中国标准出版社 ,19901国家标准局 1 饮用天然矿泉水 GB8537 87 S 119881王瑞久 ,黄金生 ,顾宏群 ,等 1 江苏汤庙热水的环境同位素和地球化学研究J 1 水文地质工程地质 ,1990 ( 113) : 8 -141123THE HYD RO G