【某矿井地区水文地球化学特征分析案例6900字】

某矿井地区水文地球化学特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21787某矿井地区水文地球化学特征分析案例 .2水化学类型及特征1.2.1水化学类型温泉水（含钻孔热水和天然温泉水）、冷泉水及地表水因各自的形成模式、补径排条件、周围环境等存在差异，致使水中溶解的离子组分和含量有很大不同，通过研究其水化学特征，不仅有助于深入了解研究区的水文地质条件，同时可以利用某些组分含量估算热储温度和地下热水循环深度。本次研究从钻孔热水、温泉水、冷泉水及地表水中采取代表水样8个，水样分析结果详见表1.2，将各水样试验数据结果录入AquaChem软件，生成离子Piper三线图（详见图1.2）。由Piper三线图可知各类型水样在水化学特征方面呈现出一定的差异，钻孔热水、温泉水、冷泉水及地表水的水化学类型具体描述如下：钻孔热水：水样来源于研究区内的出热水的钻孔，水温22～45℃，pH介于7.69～7.91之间，TDS为134～256mg/L；主要阳离子为Ca2+、Mg2+离子，阴离子中第一主导为HCO3-离子，第二主导为SO42-离子，水化学类型为HCO3——Ca·Mg型。天然温泉水：水样来源于研究区内的天然温泉水，水温22～26℃，pH介于7.60～7.90之间，TDS为150～242mg/L；主要阳离子为Ca2+、Mg2+离子，主要阴离子为HCO3-离子，其次为SO42-离子，水化学类型为HCO3——Mg·Ca型。冷泉水：水样来源于研究区内的天然冷泉水，水温16℃，pH介于8.00～8.03之间，TDS为159～276mg/L；主要阳离子为Ca2+、Mg2+离子，主要阴离子为HCO3-离子，其次为SO42-离子，水化学类型为HCO3——Ca·Mg型。溪沟水：水样来源于研究区内的地表水，水温14℃，pH为8.21，TDS为150mg/L；主要阳离子为Ca2+、Mg2+离子，主要阴离子为HCO3-离子，其次为SO42-离子。水化学类型为HCO3——Ca·Mg型。综上所述，区内各类水样的阳离子以Ca2+、Mg2+离子为主，阴离子以HCO3-离子为主，离子种类和含量基本相同，相互之间差异较小，从Piper三线图也可看出各类水样数据点分布较集中，进一步说明各类水样的水化学特征相近，可能具有相似的补给来源。图1.2钻孔热水、天然温泉水、冷泉水、溪沟水Piper图1.2.2常量组分分析地下水中的常量组分一般是指含量最多的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、Cl-七种离子，其浓度百分比之和可达90%以上，是地下水矿化度及化学特征的关键影响因素[43]。为了进一步分析研究区阴、阳离子在各水样中的分布情况，利用水样测试数据绘制成Schoeller图（详见图1.3），可直观显示出各离子的含量大小和相互关系[44]。从图1.3及表1.2可知，研究区钻孔热水、天然温泉水、冷泉水、溪沟水主要阳离子和阴离子差异较小，阳离子以Ca2+、Mg2+离子占主导，二者之和占总量70%以上，阴离子以HCO3-离子为主，含量一般超过50%，最高达90%以上，水化学类型以HCO3——Ca·Mg型为主，次为HCO3——Mg·Ca型，说明各类水具有相似的补给条件、含水层特征及径流条件等。进一步分析地下热水水样中各阴、阳离子分布特征，发现其含量与温度存在一定的关系。地下热水中的Na+、K+、Ca2+、HCO3-、Cl-五种离子含量基本上随着温度的升高而增大，一方面是因为温度越高表明循环深度越大，地下热水与围岩之间的相互作用时间越长，有利于离子溶于水中，另一方面是因为温度越高可溶物质的溶解度越大。Na+浓度一方面受温度影响，另一方面受径流长度的影响，主要是因为在地下水中Na+具有很强的迁移能力，在运移过程中不断富集，最终导致温度高且径流路径长的水样中钠离子含量高，温度低或径流途径短的水样中钠离子相对含量较低；Mg2+、SO42-两种离子含量随着温度的升高反而降低，Mg2+离子含量减小可能是阳离子之间发生交替吸附作用，导致其含量降低；SO42-随着温度升高，在深部循环过程中发生了还原反应，生成H2S气体，导致其含量随温度升高而降低。正常情况下，地下热水循环深度大，路径长，加上高温环境，水——岩相互作用强烈，有利于离子的溶于水中，离子浓度会相对较高，但本次对所有水样进行分析，发现地下热水与地下冷水中的阴、阳离子具有相同的变化趋势，且各离子浓度总体差别不大，分析其原因可能是地下热水在出露地表前与地下冷水进行了不同比例的混合。图1.3西河地区水样Schoeller图1.2.3微量组分分析地下水中所含化学成分，除了前述七大常量组分之外，通常还溶解了一定的微量组分，如氟、锂、偏硅酸等。这些组分一般含量较低，虽然不能影响地下水的水化学类型，但却赋予了地下水某些独有的特性。（1）氟、锂氟是卤族元素之一，同时也是保持人类肌体正常的微量元素之一。地下水中的氟主要来自萤石、冰晶石、氟磷灰石等矿物的溶解。适量的氟在人体内有助于骨骼加速形成，据理疗热矿水水质标准，氟含量大于1mg/L的地下水具有医疗价值。锂是一种金属元素，在地下水中主要来源于锂辉石（LiAl[Si2O6]）、锂云母（K{Li2-xAl[Al2xSi4-2xO10](OH,F)2}）及磷铝石矿（Al(H2O)2[PO4]）等矿物的溶解。锂对人体中枢神经活动具有很好的调节作用，据理疗热矿水水质标准，锂含量大于1mg/L的地下水具有医疗价值。从表1.2可知研究区水样中的氟含量介于0.11～0.34mg/L之间，锂含量介于0.0002～0.06mg/L之间，均远小于具有医疗价值的浓度值。由于氟、锂主要来源为岩浆岩矿物溶解，而这两种组分在地下热水中的含量均较低，说明地下热水的形成过程中与岩浆岩体的水——岩相互作用较弱。（2）偏硅酸硅广泛地存在于自然界中，其含量在地壳中排名第二，占总量的28%左右，主要以含氧化合物的形式存在。硅是人体所必须的微量元素，很难溶解于水中，在地下水中的存在形态主要为偏硅酸。偏硅酸对人体具有多种益处，不但能软化血管，而且对体内骨骼化的速度具有积极的促进作用。研究区内主要含水层以变质岩为主，硅在变质岩中的含量较多，导致各水样中均含有一定量的偏硅酸。从表1.2可知，地下热水中的偏硅酸含量介于11.3～35.7mg/L之间，地下冷水和溪沟水中的偏硅酸介于为8.88～10.10mg/L之间，前者偏硅酸含量明显高于后者，说明其含量与温度呈正相关。湘新地2井钻孔涌出的地下热水温度最高，达到45℃，水中H2SiO3含量35.7mg/L，超过25mg/L，具有很好的医疗价值。1.3氢氧稳定同位素分析同位素在研究地下热水的补给来源、循环机制、滞留时间等方面具有广泛的应用，其种类众多，可分为稳定同位素和放射性同位素[45]。稳定同位素在地下热水中起着标记作用，可用于研究其补给来源与补给高程；放射性同位素在地下热水中起着计时的功能，对地下热水在深部滞留时间的研究具有重要的指导意义。本研究主要利用各水样中的氢氧同位素分布特征，分析了区内地下热水、地下冷水、地表水与大气降水之间的关系，确定了地下热水的补给条件。1.3.1补给来源地球上大气降水中氢氧同位素之间具有一定的线性关系，二者之间的线性方程最早由Craig提出，将其投影到平面图上可得到一条直线，该直线被称为全球大气降水线（如图1.4中虚线）[46-47]。线性方程表达式为：δD=8δ18O+10上式显示了全球范围内大气降水中δD−δ18OδD=8.4δ18O+15.1不同地区的水因受形成条件的影响而具有不同的δD和δ18O特征，将样品分析结果投影到δD−δ18O关系图上，有助于研究各类水的补给情况。δD−δ18从表1.2水样测试结果可知，研究区水样中的δD值介于-41.3～-50.6‰之间，均值为-47.21‰，δ18O值介于-6.29～-7.70‰之间，均值为-6.71‰。其中地下热水的δD值介于-46.7～-50.6‰之间，均值为-49.34‰，δ18O值介于-6.61～-7.70‰之间，均值为-6.93‰；冷泉水中δD值介于-41.3～-45.5‰之间，均值为-43.4‰，δ18O值介于-6.29～-6.33‰之间，均值为-6.31‰；地表水δD值为-41.2‰，δ18O值为-6.43‰。图1.4研究区钻孔热水、天然温泉水、冷泉水、地表水δD和δ18O组成据水样中δD、δ18O数据绘制δD−δ18O关系图，如图1.4所示。从图中可看出各类水样的δD-δ18O数据点均位于当地大气降水线的右下方，表明所采水样均发生了不同程度的18O漂移，但总体上集中于大气降水线分布，说明大气降水为其主要补给源。地下热水中发生了18O漂移，说明热水经过较长的循环路径，在高温环境下和周围环境进行了18O交换，导致水中δ1.3.2补给高程如前所述，地下水中的氢氧同位素具有海拔效应，所含δD、δ18O值大小与其补给高程具有一定的联系，于津生[49]等人研究了我国湖南以及东部地区大气降水中δD、δ18O值的高程效应，并总结了相应的经验公式：−δD=0.0134H+39.8········（1.−δ18O=0.003H其中：δD为地下热水中δD值（‰）；δ18O为地下热水中δ18O值（‰）；H为补给高程（m）。用公式1.3及公式1.4可计算区内各钻孔热水和天然温泉水样的补给高程，将各水样的δD、δ18O值代入公式，计算补给高程，取二者的平均值作为参考值，如表1.3所示。从计算结果可看出区内地下热水的补给高程主要集中在486m～813m之间，而区内高程在此区间的地区主要分布在西部古台山地区，与区域地下水补给区域基本吻合。表1.3区内钻孔热水和天然温泉水样补给高程结果表编号类型温度（℃）采样点高程（m）−δD值（‰）−（‰）补给高程（m）公式4-3计算值公式4-4计算值平均值A-1钻孔热水45288-50.60-7.70806820813A-2钻孔热水22372-49.80-6.81746523631.5A-3钻孔热水30423-46.70-6.61515457486B-1天然温泉26405-50.00-6.90761553657B-2天然温泉22349-49.6-6.637314635971.4水-岩作用过程1.1.1水-岩相互作用程度Giggenbach提出用Na-K-Mg三角图来分析地下水的水—岩相互作用程度，并依据水—岩作用程度高低将其分为未成熟水、部分平衡水和完全平衡水。Na-K-Mg三角图有助于了解水中矿物溶解程度，判断其平衡状态，它主要基于与Na、K、Mg相关的交换反应。Na-K-Mg三角图中总量及各离子的含量采用式（1.5）和式（1.6）计算得到，其计算公式如下：S=CNa1000+Na%=CNa式中：CNa、CK、CMg的单位为mg/L。以Na/1000、K/100、Mg为三个顶点，绘制表示水-岩平衡状态的Na-K-Mg三角图，然后将各水样中Na、K、Mg含量按上述公式进行转换并绘制于三角图中（如图1.5所示）。图1.5研究区Na-K-Mg三角图由图1.5可知区内冷泉水和地表水位于未成熟水区域，说明水—岩相互作用程度较低，矿物溶解度未达到饱和状态。钻孔热水（除湘新地2井外）、天然温泉位于未成熟水区域，且分布区域与冷泉水较接近，说明地下热水在涌出地表前与浅层地下冷水进行了一定比例的混合。湘新地2井位于部分平衡水区域，表明其水—岩相互作用程度明显要高于其他地区的热水，分析其原因，一方面是因为湘新地2井所处位置离补给区最远，地下热水循环路径长、深度大，另一方面是因为钻孔揭露深部含水层，地下热水沿钻孔快速上升，受浅层地下冷水影响程度相对较小。1.1.2地球化学温标地下热水从热储层中到达地表出露成为温泉通常要经过一段较长的距离，其温度受浅部围岩影响而逐步降低，造成地表温泉水的温度与地下热储层的温度存在一定的差距。众多研究表明水中的某些组分含量在地下热水出露地表这个过程中变化较小，利用化学组分在水中的含量可以大致估算热储层的温度，这些组分被称之为地球化学温标，也称为地热温标。目前比较常用的地热温标类型主要为阳离子地热温标、二氧化硅地热温标等。常用的地热温标计算公式如下表所示。表1.4不同地热温标的计算公式表类型地热温标编号计算公式二氧化硅地热温标无蒸汽损失的石英温标温标1t最大蒸汽损失的石英温标温标2t非晶质二氧化硅温标温标3t无蒸汽损失的玉髓温标温标4t最大蒸汽损失的玉髓温标温标5t阳离子地热温标Na-K地热温标温标7tK-Mg地热温标温标6t通过K-Mg地热温标和Na-K地热温标计算公式得到的热储温度与实际情况相差较大，部分热储温度甚至低于泉口温度，与实际情况不符，由前节所述，从水—岩作用平衡状态分析其原因，区内地下热水钠、钾、镁离子含量很低，属于未成熟水，未达到K-Mg地热温标和Na-K地热温标的适用条件。研究区内出露地表的热水温度为22～45℃，取样点达到沸点，因此选用无蒸汽损失的二氧化硅温标计算公式较为合适。通过表1.4中温标3和温标4的计算公式得到的热储温度低于取样点温度，与实际情况不符。因此采用无蒸汽损失的石英温标公式计算研究区热储层的温度，其计算结果具体如表1.5所示。表1.5地热温标计算结果编号取样点泉口或井口水温（℃）pHSiO2（mg/L）热储温标（℃）A-1湘新地2井457.6927.4575.9A-2钻孔热水1#227.919.4637.8A-3钻孔热水2#307.8617.8459.1B-1天然温泉1#267.615.0753.3B-2天然温泉2#227.98.6931.9根据地热相关规范，地热资源按温度可划分为低温（25℃≤t＜90℃）、中温（90℃≤t＜150℃）和高温（t≥150℃）三个级别（详见表1.6）。据地热温标结果显示，研究区属低温地热资源。表1.6地热资源温度分级表温度分级温