高温富硫化物热泉中硫代砷化物存在形态的地球化学模拟:以云南腾冲热海水热区为例

天然水环境中地质成因砷的存在是世界范围内对人类威胁极大的环境问题之一.在高温富硫化物地热水中,硫代砷化物是砷的主要存在形态之一.在国内尚无硫代砷化物定量检测方法的背景下,以云南腾冲地热带的热海水热区为典型研究区,基于不同类型硫代砷化物的最新化学热力学数据wateq4f.dat,利用水文地球化学模拟软件PHREEQC开展了不同类型热泉中砷的存在形态的地球化学模拟.结果表明,热海热泉中砷的主要形态是硫代砷酸盐,砷酸盐和亚砷酸盐次之,硫代亚砷酸盐则含量极低;在各类硫代砷酸盐中,按平均百分含量降序依次为:一硫代砷酸盐→三硫代砷酸盐→四硫代砷酸盐→二硫代砷酸盐.pH、Eh和总硫化物含量是热泉中砷的形态分布的控制性因素.在酸性条件下,砷以硫代砷酸盐和亚砷酸盐为主要存在形式;而在中性/偏碱性条件下,砷的形态则以硫代砷酸盐为主,砷酸盐次之.偏还原环境和高硫化物含量是硫代砷化物、特别是三硫代砷酸盐和四硫代砷酸盐稳定存在的有利条件.      

腾冲热海地热田高温热泉中的硫代砷化物及其地球化学成因

以我国大陆范围内典型的岩浆热源型水热系统——云南腾冲热海为研究区,在国内首次对热泉中硫代砷化物含量及其地球化学成因进行了分析.研究采用的在野外对富硫化物水样进行快速冷冻处理、而后在实验室进行砷的形态分离和测试的方法明显优于当前通用的水样砷含量及其形态分析的预处理和测试方法.主要原因为后者在采样现场对水样的酸化处理可使样品中三硫代砷酸盐以非定形态硫砷化合物的形式沉淀,且用常规阴离子交换柱在野外无法实现硫代砷酸盐的完全回收及其与砷酸盐的分离.受岩浆流体输入和热储内高温条件下强烈流体-岩石相互作用的控制,热海水热系统排泄的中性-偏碱性热泉中富集硫化物和砷,为热泉中硫代砷化物的形成提供了必要条件.热海热泉中检出的硫代砷化物包括一硫代砷酸盐、二硫代砷酸盐和三硫代砷酸盐,在总砷中所占比例最高分别可达26.7%、43.3%和33.7%.热海地热田的2个子区(硫磺塘和澡塘河) 的热泉沿不同断裂带出露,地热水升流过程中经历的冷却方式也不同,使硫磺塘热泉具有相对较高的总硫化物含量和总砷含量,并导致其中各类硫代砷酸盐具有更高的含量范围.      

青海共和盆地中低温地热流体发电

青海省是我国地热资源相对丰富的地区, 但其主要地热能开发利用方式长期以来为效率较低的直接利用.以青海东北部地热异常明显的共和盆地为典型研究区, 依据前期地热地质调查和地球物理工作成果, 在盆地北部施工了终孔深度为1 852 m的DR2井, 获取了温度达84.2 ℃的地热流体.在此基础上, 建立了青海省首个试验地热发电站, 设计年平均净发电量为114 kW.与利用高温地热流体发电的西藏羊八井地热电站不同, 青海共和试验地热电站是青藏高原利用中低温地热流体发电的典范, 有望为青海省能源结构优化做出开拓性贡献.总体来看, 共和盆地地热流体温度较高、水量丰富、具有较大的发电潜力, 但在开发利用过程中也应注意结垢问题.      

高温地热系统中粘土矿物形成对Na-K和K-Mg地球化学温标准确性的影响

传统地球化学温标在估算高温地热系统内浅层热储温度(一般为100～200℃)时存在局限性,其中应用广泛的Na-K温标和K-Mg温标出现误差的原因仍不清楚.在收集了全球代表性热田内采自地热井的201个流体样品的水文地球化学数据后,利用软件WATCH将井口流体地球化学数据还原为热储条件下的对应值;在此基础上,对Na-K温标和K-Mg温标进行了评价,发现钾长石和常见富钾双八面体粘土矿物均可能对浅层热储内地热流体中的钾含量产生影响,富镁双八面体粘土矿物也可达到与地热流体的平衡,而地热流体中钠含量则受水-岩相互作用的影响很小.因此,浅层地热流体的Na-K比值与热储温度不具有对应关系,而K-Mg温标在计算浅层热储温度时虽然具有一定指示意义,但仍无法得到足够准确的结果.      

高温热田深部母地热流体的温度计算及其升流后经历的冷却过程: 以腾冲热海热田为例

高温地热系统中赋存着大量的地热能资源.为了进一步了解高温地热系统, 以腾冲热海热田为典型研究区, 利用热泉地球化学组成, 基于多种地球化学模型确定了热田深部母地热流体的温度, 并分析了其升流后经历的不同冷却过程.热海热田的硫磺塘水热区和热水塘水热区所排泄的热泉源自共同的深部热储, 该热储中母地热流体的Cl-质量浓度为265 mg/L, 温度为336 ℃.在热海热田, 母地热流体在经历绝热冷却过程后直接形成了泉口温度最高的大滚锅泉, 而其他中性泉均由母地热流体先与浅部地下冷水混合再经历绝热冷却形成.母地热流体的深部热储之上存在多个温度在200 ℃以上的热储, 这些热储的形成受控于热海地区发育的多组方向不同的断裂.