地热水中硼与碳酸盐类矿物吸附过程的实验研究

地热水作为一种重要的地下水资源,广泛应用于工农业和城市建设等领域中。与此同时,地热水中的无机物质含量也相对较高,其中硼元素的存在对地热水质量的评价和利用产生了重要影响。本文在人工地热水中利用Cacl₂与LiCO₃模拟过饱和富硼地热水中碳酸类矿物的吸附过程展开研究,通过控制变量法分析不同反应条件下,硼与碳酸盐类矿物吸附过程,为解决地热水带来的环境影响和提高地热水的资源效益及利用价值提供理论依据。实验结果表明：方解石对硼的吸附率随着初始硼浓度的增大、温度的升高以及pH增大时均逐渐增大。     

碳酸盐岩热储中稀土元素的地球化学行为及其指示意义：以施甸地热系统为例

施甸中-低温地热系统是滇-藏-川地热带的重要组成部分,强烈的构造运动使该地热系统热储结构复杂,当前对其地热水地球化学过程研究程度很低.通过分析施甸地热水中稀土元素(REEs)的地球化学行为,本文旨在揭示碳酸盐岩热储内的主导性水文地球化学过程.结果表明,施甸地热水大部分富集LREEs,显示其对围岩REEs特征的继承.地热水也表现出Ce、Eu和Y异常,其中Ce负异常因继承碳酸盐岩Ce负异常或保留地热水古氧化环境特征而形成,Eu正异常源于地热水对长石类矿物的溶解,Y正异常则是地热水运移过程中其中的Ho受碳酸盐矿物优先吸附造成.PHREEQC计算表明施甸地热水中REEs的主要形态为LnCO₃⁺和Ln(CO₃)₂^-,在同一水样中,LnCO₃⁺含量随原子系数增加依次递减,而Ln(CO₃)₂^-则依次递增.此外,地热水中还存在少量Ln³⁺、LnF²⁺     

鲜水河断裂带富硼地热水中稀土元素分布特征及其对硼来源的指示意义

高温地热系统地热水中普遍富含高浓度的硼,其来源的研究一直是地热地质学者关注的热点问题。尽管众多的学者对地热水中硼形成机理开展了广泛的研究,但富硼地热水中稀土元素的分布特征及其迁移规律能否指示热水中硼的来源尚不清楚。本研究以鲜水河断裂带富硼地热水为研究对象,通过野外调查取样、室内测试分析、水文地球化学模拟和综合研究等技术手段和方法,探究断裂带地热水中硼和稀土元素的分布特征和迁移规律。研究结果显示：鲜水河断裂带地热水中硼含量90%超过我国饮用水标准规定值0.5 mg/L(地热水中硼含量最大值为10.50 mg/L);地热水中稀土元素含量为0.08～3.49μg/L,且主要以LnCO₃⁺和Ln(CO₃)₂^-的络合物形态存在。地热水稀土元素PAAS归一化模式表现为重稀土元素相对于轻稀土元素富集((Nd/Yb)SN均值为0.41),且具有较显著的Eu(均值为0.34)和Ce(均值为0.07)正异常特征。地热水中硼和稀土元素的迁移均受到赋热含水层长英质和碳酸盐岩类矿物溶解过程的影响,且地热...     

广东省丰良地热田高氟地热流体成因及热储温度评价

广东丰顺丰良地区出露的地热水温度高达96℃,热储层为裂隙发育的下侏罗统的英安斑岩,F^-含量较高。但关于其地热流体的补给来源、循环演化过程及热储温度研究较少。笔者等基于早期开展的勘探工作和补充采集、测试的地热水和气体数据,探讨了该地热系统的流体成因及热储温度。结果表明,丰良地区地热水存在2类,A类地热水温度普遍低于40℃,Ca²⁺含量高,Na⁺和K⁺含量低,以HCO^-₃—Ca²⁺型为主;B类地热水Na⁺含量高,Ca²⁺含量低,为HCO^-₃—Na⁺型。A类地下水可能受浅层地下水混入影响,但缺少直接证据。B类地下水由周边山区的大气降水补给,沿裂隙或者断裂系统进入英安斑岩储层,循环深度和水—岩相互作用时间分别可达5200～6300 m和22 ka;储层温度条件下铝硅酸盐矿物的溶解以及阳离子交换作用促进了富N₂、S...     

青海共和盆地地热流体地球化学特征及热储水-岩相互作用过程

地热流体地球化学组成及其运移规律和成因机制研究对地热资源勘查和开发利用具有重要意义。当前,青海省地热资源开发利用程度低,更缺乏针对地热流体地球化学特征进行深入研究的系统性工作。青海共和盆地是青藏高原北缘的一个断陷盆地,盆地内地热资源丰富。本文以共和盆地及周围部分山区的地热系统为研究对象,基于系统地球化学采样和测试开展了地热流体地球化学组成及热储水-岩相互作用过程分析,认为:从共和下更新统热储、新近系热储到鄂拉山构造岩浆带再到瓦里贡山构造岩浆带,地热水中SiO₂含量依次升高,反映热储温度依次升高;上述地热地区热储中原生铝硅酸盐矿物的溶解和蚀变矿物的形成是控制地热水中阳离子含量的最重要的水文地球化学过程,而补给水下渗和地热水径流及升流过程中盐类矿物的溶滤则是水中阴离子(特别是 {\mathrm{SO}}_4^{2-}和Cl^-)的主要来源。     

海南岛东海岸官塘地区地热水水化学特征及其循环演化过程识别

地热水资源的形成与演化过程认识是区域地热资源科学合理开发利用的重要基础.运用水化学及同位素分析方法,结合区域地质构造特征,系统揭示了海南东海岸官塘地区地热水水化学特征、地热储温度以及补给来源,构建了官塘地区地热水循环演化概念模型.研究结果表明：该区地热水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Na型,其组分主要来源于硅酸盐矿物溶解及深部CO₂等气体;地热水主要受到大气降水补给,补给海拔约为1 122.2～1 569.4 m,并且地热水上升过程中与浅部地下水之间存在较为显著的混合作用.在考虑混合和蒸汽损失的条件下,深部地热水与冷水混合前蒸汽损失的质量百分比约为18.2%～25.2%,地热水温度为190.4～217.8℃,冷水混合比例可达到66.8%～80.8%.该地区地热水开发程度逐年提高,导致地热水水位大幅下降,使得浅部冷水补给量增大,这可能是造成该地区开采地热水温度下降的关键影响因素.     

硼同位素分馏的实验理论认识和矿床地球化学研究进展

硼是一种中等挥发性元素,具有¹¹B和¹⁰B两个稳定同位素。两个同位素间高达10%的相对质量差使其在地质过程中引起高达-70‰至+75‰的硼同位素变化。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO₃)和四配位(BO₄)结构,因而¹¹B和¹⁰B间同位素分馏主要受控于三配体(BO₃)和四面体(BO₄)间配分。本文综述了低温和高温地质过程的硼同位素分馏的理论和实验研究进展。在溶液中B(OH)₃和${B(OH)^{-}_{4}}$间硼同位素分馏受pH和热力学p-T条件控制,实验和理论表征获得常温常压条件下的B(OH)₃和$B(OH)^{-}_{4}$间同位素分馏系数(α_3-4)变化范围为1.019 4至1.033 3。低温条件下矿物(如碳酸盐、黏土矿物(蒙脱石和伊利石)、针铁矿、水锰矿、硼酸盐)与溶液间硼同位素分馏行为除了受p-T-pH影响外,矿物表面吸附引起的分馏效应十分显著。在中高温过程(蒙脱石伊利石化、富硼电气石和白云母矿物与热液流体,以及硅酸盐熔体与流体)中硼同位素分馏行为受到硼配位构型、化学成分以及物理化学条件的控制。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及越来越完善的地质储库硼同位素端员特征表征,硼同位素地球化学指标可以灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式和重建成矿过程物理化学条件。目前矿床硼同位素地球化学研究的难点在于实现不同赋存相(如流体、矿物和熔体)中硼配位键合结构和硼同位素组成的精细化表征。     

CO2分压条件下煤中矿物质溶解度数值模拟

查明煤中矿物质在不同温度和CO₂分压条件下溶解度变化规律,能为注入CO₂过程中煤储层渗透率分析提供重要依据。借助水文地球化学模拟软件PHREEQC对在不同温度和CO₂分压条件下煤中各矿物的溶解度进行了水化学模拟,得出不同温度和CO₂分压条件下矿物质溶解度的变化规律。结果表明:在无CO₂分压时,随着温度的升高各矿物的溶解度增加;当溶液中CO₂分压增加到一定程度时,随着温度的升高各矿物的溶解度降低（石英除外）;在温度相同时,随着CO₂分压的增加,所有矿物（石英除外）溶解度均增加,方解石的溶解度随着CO₂分压的升高呈现出迅速增加的趋势,其他矿物随着CO₂分压的升高,溶解度增加的速率较为缓慢。      

广东省丰良地热田高氟地热流体成因及热储温度评价

广东丰顺丰良地区出露的地热水温度高达96℃,热储层为裂隙发育的下侏罗统的英安斑岩,F-含量较高。但关于其地热流体的补给来源、循环演化过程及热储温度研究较少。本文基于早期开展的勘探工作和补充采集、测试的地热水和气体数据,探讨了该地热系统的流体成因及热储温度。结果表明,丰良地区地热水存在2类,A类地热水温度普遍低于40℃,Ca2+含量高,Na+和K+含量低,以HCO-3—Ca2+型为主;B类地热水Na+含量高,Ca2+含量低,为HCO-3—Na+型。A类地下水可能受浅层地下水混入影响,但缺少直接证据。B 类地下水由周边山区的大气降水补给,沿裂隙或者断裂系统进入英安斑岩储层,循环深度和水—岩相互作用时间分别可达5200~6300 m和22 ka;储层温度条件下铝硅酸盐矿物的溶解以及阳离子交换作用促进了富N2、SiO2、F-、Na+、Sr和Li的地热水的形成;深部地热水上升至地表过程中,受冷水混入（混入比例为10%~25%）及少量CO2脱气（蒸汽散失比例为0. 3%~0. 5%）的影响;F-含量受控于富氟副矿物萤石矿物的溶解,与温度和pH值成正比。基于校正了混合作用和CO2脱气作用的地温计组合方法,得到深部热储温度为138~143℃,与其南部的汤坑地热系统热储温度一致,二者有可能属于同一大的地热系统。     

雄安新区容城地热田地热流体化学特征

地热流体的水文地球化学特征及演化可以揭示地热水的深部循环机理,对地热资源的开发利用有着重要意义。基于容城地热田的地热地质条件,本文选取了容城地热田16个深部地热井水和2个保定山区浅层冷水井进行了水化学特征及同位素分析,计算了热储温度和热循环深度,最后进行了反向水文地球化学路径模拟分析地热流体在深部的水岩反应运移过程。结果表明研究区深部地热井水化学类型为HCO₃·Cl-Na型,保定山区水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型,在容城地热田中几乎所有离子与Cl都不存在显著正相关关系,微量元素主要来源于相关矿物的溶解。容城地热田Na⁺浓度很高,说明容城地热田的地下水径流较长,热循环深度大,HBO₂的含量较多,说明其地下热水径流较小,流速比较弱。D、¹⁸O同位素基本在大气降水线附近,计算地热井的补给高程为665.17～165.17m,与保定山区海拔相近,表明了研究区地热水来源为山前补给和大气降水。研究区深部热储温度为57～98℃,热循环深度在1331～2483m之间。     

石城地热带水文地球化学特征与成因分析

石城地热带蕴藏着丰富的地热资源,从水文地球化学角度系统研究其地热水演化机理,对支撑地热带盲区靶区优选和隐伏型地热水的发掘,对推动地热资源的可持续规模化开发利用具有重要意义。本文在充分分析石城地热带地热地质条件的基础上,根据地热水与冷水水化学分析结果,采用Piper三线图、溶质间相关分析、地球化学温标法等手段,对地热水化学特征、矿物元素来源、热储温度与埋藏条件、浅层冷水的混合机制等进行了讨论分析。结果表明,石城地热带所有地热田同属一个地热系统,大气降水在北东部牙梳山中低山区自然入渗补给,深部循环获取幔源大地热流的供热,并与营上岩体富钾花岗岩充分水-岩作用富集K⁺、SiO₂等矿物元素,遇石城断裂阻水后转向南西侧向径流和浅部排泄。地热水水质由HCO₃-Ca型向SO₄-Na型、SO₄·HCO₃-Na·Ca型、HCO₃-Na·Ca型转化,这种分带性是受深部地热水径流距离、浅部冷水混合比例、上涌途经地层与矿体特征等联合控制的结果。     

黔东北地区地热水化学特征及起源

目前在黔东北地区未系统地开展过地热水水文地球化学特征以及地热水来源方面的研究,存在地热水来源、补给区域、径流和排泄等特征不清等问题.在充分了解黔东北地热地质条件的基础上,采集区内15组地热水进行水化学全分析、收集12组地热水氢氧同位素和3组地热水碳同位素数据,得到了该区地热水的水化学特征和同位素特征,分析出地热水的补给来源,估算了地热水的补给高程、补给温度、热储温度、循环深度以及冷水混入比例.结果表明,受地形地貌及地质构造的影响,该区地热水总体由南向北径流,水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Mg、HCO₃-Ca·Mg、HCO₃-Na、SO₄-Ca·Mg及SO₄-Ca型,有益元素主要有F-和H₂SiO₃,沿径流方向地热水呈现pH降低、TDS增加的趋势,水化学类型则由重碳酸盐型水变为硫酸盐型水.同位素分析结果表明,该区地热水补给源为大气降水,补给区为海拔1 500~2 000 m的梵净山地区,地热水年龄为（6 400~11 570）±560 a,补给时的年平均气温为7.0~9.1℃;选用二氧化硅温标及lg（Q/K）-T法估算热储温度为45.0~107.0℃,地热水循环深度为1 000~3 000 m;硅-焓混合模型估算地热水混合前的热储温度极大值为110~200℃,地热水在上升过程中受浅部冷水混合,冷水混入比例为50%~90%.      

广安市铜锣山背斜三叠纪岩溶热储结构特征及热水成因研究

为探讨广安市铜锣山背斜三叠纪岩溶热储特征、地热水水化学与同位素组成、热储温度及地热水循环机理,采用地热钻探、水化学与同位素取样测试、热水溶质组分图解分析等手段和方法,开展了地热水成因的研究工作。结果表明:研究区三叠纪碳酸盐岩热储结构相对完整,热储盖层、热储层和热储下部隔水层形成独立的地热水文地质单元。岩溶地热水水化学类型主要为SO₄-Ca·Mg和SO₄-Ca型,富含F、Sr、Li、B和SiO₂物质,其水源补给为大气降水,补给区位于铜锣山以北的大巴山一带,深部地热水补给高程大于1 100 m,补给区年均温度为9 ℃。热储温度为56~76 ℃,热水循环深度为2 013~3 030 m。地热水在循环过程中,主要发生碳酸盐岩和蒸发岩溶解、冷热水混合过程,且冷水混入比例大于80%。结合区域地热地质条件,构建了研究区地热水成因概念模型。      

济源市盘古寺—五龙口断裂带地热区地热水化学特征分析及地热资源量估算

为分析济源市盘古寺-五龙口断裂带地热区地热水化学特征和估算地热资源量,在分析地热区地质背景的基础上,根据地热井地热水水质分析结果,采用Gibbs图对地热水的水化学类型和地热水化学组分成因进行分析,采用热储法对地热区的地热资源量进行估算。结果表明,第四系松散岩热储层地热水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型,寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储层地热水化学类型为SO₄·HCO₃-Na·Ca型,太古界片麻岩热储层地热水化学类型为Cl·SO₄-Na型,化学组分的形成主要受水岩作用与蒸发作用控制;地热区热储中储存的热量为3.62×10¹⁶J,可开采热量为4.79×10¹⁵J,为该地热区地热资源的开发利用提供参考。     

广东省龙门岩溶热储温度计算及流体演化特征

岩溶地热系统具有巨大的能源开发潜力,广东省龙门县马星和隔陂地热异常区是两个典型的岩溶地热田.为探究热储温度及流体演化特征,基于离子比值关系、氘氧同位素、地温计等方法对其进行分析讨论.结果表明研究区为中性偏碱性低TDS的HCO₃型地热水,方解石类碳酸盐矿物和硅酸盐矿物溶解及阳离子交换作用共同控制了水化学演化过程.大气降水是区内地热水的主要补给来源,马星和隔陂地热田的热储温度分别约为105.0～148.0℃和101.5～131.0℃,冷水混入的体积比约为44.2%和48.5%.在热储水化学及温度特征的基础上,建立了流体演化概念模型.     

广东神灶海上温泉的流体地球化学特征及循环模式

广东神灶温泉出露于海水之中,揭示其流体循环机制对地热资源的可持续开发利用具有重要意义.通过采集神灶温泉区地热水、地热气体和海水样品,测试其流体地球化学组成及主要同位素组成,得到以下认识：神灶温泉水化学类型为Cl-Na·Ca型,主要由大气降水补给;水中盐分主要来自硅酸盐矿物溶解和现代海水混入,海水混入比例为29%～32%.利用化学温度计估算热储温度为130℃,地热水循环深度约4 km.地热气体以大气起源N₂为主要组分,CO₂、CH₄为壳内有机沉积物的热变质产物.此外,He同位素指示幔源组分占比不足5%,研究区大地热流值为67～69 mW/m².综上,神灶温泉区是以壳内放射性生热为主要热源的中温对流型地热系统.     

人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟

人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层位地下水环境质量的重要因素。采用室内实验和水文地球化学模拟等技术对人工回灌过程中的水-岩相互作用机理进行了分析。研究结果表明：受混合作用影响,随着回灌水比例的增加,混合水中TDS质量浓度降低,水化学类型由Cl·HCO₃-Na型水逐渐转变为HCO₃·Cl-Na·Ca型水;受水-岩作用影响,在同一混合比例条件下,随着水-岩作用的进行,混合水中TDS质量浓度升高,各主要离子质量浓度呈现升高的趋势,但只有回灌水比例占10%时,混合水TDS质量浓度才大于原始地下水（涨幅约5%）。实验介质溶解于水的离子中,Ca²⁺、Mg²⁺和HCO^-₃主要来源于碳酸盐矿物的溶解, Na⁺主要来自岩盐的溶解。在人工回灌过程中,发生的水-岩相互作用主要包括方解石、白云石、钾长石、岩盐、CO₂的溶解和伊利石的沉淀。其中:钾长石溶解量与伊利石沉淀量、碳酸盐矿物溶解量与CO₂溶解量的相关性较强,其相关系数分别为1.00和0.78（显著性水平为0.05）;硅酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.97（显著性水平为0.01）,相关性极强;而碳酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.52（显著性水平为0.01）,相关性较弱。上述相关性分析为确定人工回灌过程中的水-岩相互作用机理、地下水中主要离子组分的来源途径以及定量分析人工回灌对含水层介质的影响提供了依据。     

氧协同菱铁矿降解微囊藻毒素机理研究

已知在无氧条件下天然矿物菱铁矿能成功水解微囊藻毒素-LR(MC-LR),然而实际应用过程中难以避免水中溶解氧(O₂)的存在,因此有必要深入研究不同溶氧量(DOC)条件下菱铁矿对MC-LR降解的影响。本文通过在无氧和有氧条件下菱铁矿对MC-LR的降解实验,发现在有氧条件下(溶氧量1.62～21.87 mg/L), MC-LR的降解速率均比无氧条件(k₀=0.030 16 mg·L^-1·h^-1)高且其降解速率随O₂含量增加而依次增加,当O₂加入量为1.0 mL(溶氧量21.87 mg/L)时,菱铁矿对MC-LR降解速率最大(0.083 34 mg·L^-1·h^-1),为无氧条件下的2.76倍。通过外加腐殖酸(humic acid, HA)和自由基进行捕获实验,发现FeCO₃能直接活化O₂产生超氧自由基(·O~-₂),以实现对MC-LR的氧化,但外加HA抑...     

高温地热生产井碳酸钙结垢定量评价：水文地球化学——以西藏羊八井为例

高温地热井井筒结垢是地热开发遇到的突出问题之一,其中涉及到复杂的水文地球化学过程.本文首先联合井筒两相流动、水-气-结垢物水文地球化学和井壁粘附模型,建立了井筒碳酸钙结垢定量评价的耦合模型.针对西藏羊八井地热田典型井开展了井口取样和分析,结果显示井筒结垢物为碳酸钙,地热流体中碳酸盐矿物过饱和,非凝结气体主要成分是CO₂.利用建立的耦合模型及实测流体数据,定量评价了井筒碳酸钙的结垢位置和速率,并给出了其在井筒中的结垢形状.CO₂分压对碳酸钙的析出有控制性的作用,最大结垢厚度位置发生在闪蒸面以上10～20 m位置,持续1年的开采最大结垢厚度在考虑井筒粘附动力学时为14～25 mm,假设完全粘附条件下为200 mm.流体中CO₂含量越高,结垢厚度也越大.     

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组含碱层段韵律特征及成因*

准噶尔盆地玛湖凹陷早二叠世风城组沉积时期为典型的碳酸盐型咸化湖盆,湖盆咸化过程中析出大量的碱矿(钠碳酸盐类矿物)。通过含碱层段主量元素、碳氧同位素分析,结合岩心宏观及微观矿物岩石特征,探讨了含碱层段韵律特征及形成机理。研究层段碱矿与沉凝灰岩互层,形成明暗相间的咸化韵律。浅色碱矿层质地较纯,主要为苏打和小苏打,主量元素表现为 Na₂O含量高,CaO、MgO、SiO₂和Al₂O₃含量低;暗色层段主要为含斑点状碳钠钙石的沉凝灰岩,主量元素表现为Na₂O含量低,CaO、MgO、SiO₂和Al₂O₃含量高。浅色碱矿层和暗色沉凝灰岩段碳氧同位素值均为正,表明其沉积水体具高盐度特征。浅色含碱层段具有更高的 δ¹⁸O 值,反映了碱矿层沉积时期强烈蒸发的气候条件。根据δ¹⁸O/δ¹³C值的波动将研究层段划分为炎热干旱和相对湿润的气候条件,并据此解释不同韵律层盐类矿物形成机理。暗色的沉凝灰岩沉积代表地表流水注入量大于蒸发量,沉凝灰岩中盐类矿物含量少或者呈斑点状从颗粒间的卤水中析出;随着蒸发量的增高以及古气候由温暖潮湿转变为干旱炎热,地表流水注入量急剧减少,强烈蒸发控制了碱矿的沉积,形成浅色质地较纯的碱矿层。气候的频繁交替形成了风二段碱矿与沉凝灰岩频繁互层的特征。