海南岛莺歌海-九所盆地水热型地热系统地球化学特征、成因模式及开发前景

王文梅 ,  王江思 ,  徐子东 ,  杨勇昌

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11171-11184

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11171-11184 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507099
天文学、地球科学

海南岛莺歌海-九所盆地水热型地热系统地球化学特征、成因模式及开发前景

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Geochemical Characteristics, Genetic Model and Development Prospect of Hydrothermal Geothermal System in Yinggehai-Jiusuo Basin, Hainan Island

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摘要

海南岛莺歌海-九所盆地位于华南板块,处于尖峰-吊罗断裂 (F1)和九所-陵水断裂(F2)附近,地热资源丰富,且广泛分布于莺歌海-九所盆地沉积砂层及花岗岩裂隙中。为解决区域沉积盆地型地热研究薄弱的问题,通过采集43件水化学样品、27件氢氧同位素样品,结合离子比例计算、PHREEQC矿物饱和指数模拟、阳离子温标、SiO2温标、考虑最大蒸汽损失的硅-焓图解法,系统分析了地热水化学特征、物质循环规律及成因模式。研究结果表明:地热水化学呈显著空间与垂向分异,从基岩区向盆地南部,水化学类型由HCO3-Ca·Na型转化为SO4·HCO3-Na型,F-含量均值从0.5 mg/L升至10.2 mg/L,垂向上莺歌海地热水TDS、Na+、Cl-随深度降低,九所地热水则呈升高趋势;水化学组分主要受岩石风化控制,整体封闭性较差,阳离子受硅酸盐矿物溶滤与Ca2+、Mg2+置换矿物Na+、K+的交换吸附双重调控,莺歌海地热水还受蒸发浓缩影响;F-富集为萤石溶解、碱性环境促进、方解石沉淀及尖峰-吊罗断裂(F1)与九所-陵水断裂(F2)协同结果;热储温度优选硅-焓图解法计算,研究区热储温度范围为84~234 ℃,福报千家最高167~234 ℃、莺歌海最低84~96 ℃;地热水源自大气降雨,补给高程513~977 m,呈现基岩区>盆地北部>盆地南部;建立地热成因模式,高海拔降雨沿F1下渗深循环,经燕山期花岗岩加热与水-岩作用后,形成基岩裂隙型、盆地层状-带状复合型热储,叠加F2断裂作用后形成九所高氟(F-)复合型热储。基于计算热储温度与实测水化学特征,进行了地热资源开发潜力分区,研究成果可为华南沿海同类沉积盆地型地热资源勘查与开发利用提供理论支撑和实践参考。

Abstract

The Yinggehai-Jiusuo Basin is located within the South China Plate and situated near the Jianfeng-Diaoluo Fault(F1) and the Jiusuo-Lingshui Fault (F2). It boasts abundant geothermal resources, which are extensively distributed in the sedimentary sand layers of the Yinggehai-Jiusuo Basin and granite fractures. To resolve the issue of insufficiency in regional sedimentary basin-type geothermal research, 43 hydrochemical samples and 27 hydrogen-oxygen isotope samples were collected. Combined with ion ratio calculation, PHREEQC-based mineral saturation index simulation, cation geothermometer, SiO2 geothermometer, and the silicon-enthalpy graphic method considering maximum steam loss, a systematic analysis was conducted on the hydrochemical characteristics of geothermal water, laws of material cycling and genetic model. The results show the following. The hydrochemistry of geothermal water exhibits significant spatial and vertical differentiation. From the bedrock area to the southern part of the basin, the hydrochemical type transforms from HCO3-Ca·Na to SO4·HCO3-Na, and the average concentration of F- increases from 0.5 mg/L to 10.2 mg/L. Vertically, the contents of TDS, Na+, and Cl- in geothermal water from Yinggehai decrease with depth, while those in Jiusuo show an increasing trend. The hydrochemical components are mainly controlled by rock weathering, with poor overall confinement. Cations are subject to dual regulation by the leaching of silicate minerals and cation exchange adsorption,where Ca2+ and Mg2+ displace Na+ and K+ in minerals. The enrichment of F- is the synergistic result of fluorite dissolution, calcite precipitation promoted by an alkaline environment, and the combined action of the Jianfeng-Diaoluo Fault (F1) and Jiusuo-Lingshui Fault (F2). The silicon-enthalpy graphic method is preferred for calculating geothermal reservoir temperature, with a range of 84~234 ℃. The temperature is the highest in the Fubao Qianjia geothermal field (167~234 ℃) and the lowest in the Yinggehai geothermal field (84~96 ℃). Geothermal water originates from atmospheric precipitation, with a recharge elevation ranging from 513 m to 977 m, showing a variation pattern of “bedrock area > the northern part of the basin>the southern part of the basin”. A geothermal genetic model was established: high-altitude precipitation infiltrates along F1 and undergoes deep circulation. After being heated by Yanshanian granite and undergoing water-rock interaction, it differentiates to form bedrock fracture-type geothermal reservoirs and basin layered-banded composite geothermal reservoirs. With the superposition of the F2 fault, the Jiusuo high-F- composite geothermal reservoir is formed. Based on the calculated geothermal reservoir temperature and measured hydrochemical characteristics, the zoning of geothermal resource development potential was carried out.The research results can provide theoretical support and practical reference for the exploration, development and utilization of similar sedimentary basin-type geothermal resources in the coastal areas of South China.

Graphical abstract

关键词

莺歌海-九所盆地 / 水热型地热 / 地球化学特征 / F-富集 / 热储温度 / 成因模式

Key words

Yinggehai-Jiusuo Basin / hydrothermal geothermal / geochemical characteristics / F- enrichment / geothermal storage temperature / genetic model

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王文梅, 王江思, 徐子东, 杨勇昌. 海南岛莺歌海-九所盆地水热型地热系统地球化学特征、成因模式及开发前景[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11171-11184 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507099
WANG Wen-mei, WANG Jiang-si, XU Zi-dong, YANG Yong-chang. Geochemical Characteristics, Genetic Model and Development Prospect of Hydrothermal Geothermal System in Yinggehai-Jiusuo Basin, Hainan Island[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11171-11184 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507099

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地热能作为一种新型可再生清洁能源,可助力碳达峰碳中和目标实现[1-2]。根据赋存热量载体的不同,地热资源可划分为水热型、干热岩型[3];水热型地热资源按照地质成因、赋存介质和运移条件,可分为沉积盆地型与隆起山地型[3],前者因赋存条件稳定、分布范围广而成为当前勘查开发的重点领域,其开发利用价值直接取决于资源规模、温度等级及地球化学适配性[4-5]。
海南岛地处华南板块南缘[6-8],地形呈中高、四周低的穹隆状,中部广泛出露花岗岩,断裂构造发育,北部、南部沿海广泛分布沉积地层,全岛已发现36处隆起山地型自流温泉(水温32~97 ℃),4处沉积盆地型地热田(水温32~55 ℃)。关于海南岛地热资源成因的研究目前多集中在隆起山地型:文献[9-11]依据地球化学信息及岩石热物理参数对南平地热田成因机制进行了研究;文献[12-14]分别针对福报、崖城、官塘等地热田,从地球化学角度分析了成因规律。然而对于沉积盆地型研究相对薄弱,文献[15-19]对龙沐湾、九所、琼北盆地地热田成因进行了研究,但整体存在以下不足:一是多以单一地热田为研究单元,缺乏对盆地的区域构造关联性分析;二是对热储流体的地球化学特征(如同位素组成、微量组分空间分布)与循环过程的耦合机制认识不足;三是层状与带状热储的成生联系及控热构造的作用机理尚未明确。这些不足制约了对区域地热资源潜力的精准评估与可持续开发。
鉴于此,现以莺歌海-九所盆地为研究对象,在区域构造背景约束下,整合水文地球化学与环境同位素数据,重点探讨:①地热流体的地球化学特征空间差异及其控制因素;②断裂构造对地热流体运移-聚集的调控机制;③沉积盆地与隆起山地地热系统的相互作用过程;④基于地球化学特征和成因模式的地热资源开发利用潜力分析。研究成果旨在阐明该区域水热型地热系统的形成机理,明确其开发利用方向与潜力,为华南沿海类似盆地的地热资源勘查与开发利用提供理论支撑与技术参考。

1 研究区概况

研究区位于海南岛西南部乐东黎族自治县,涵盖龙沐湾、莺歌海、九所三处沉积盆地型地热田及盆地外的福报千家裂隙型地热田,如图1所示。其中,龙沐湾地热田分布于佛罗镇,莺歌海、九所地热田分别位于莺歌海镇和九所镇,三者均隶属于莺歌海-九所沉积盆地;福报千家地热田则处于盆地东侧的中低山丘陵区,为独立的基岩裂隙型热储。区域地势受构造控制呈“东高西低”倾斜,东部福报千家、尖峰一带为中低山丘陵,西南部莺歌海-九所盆地为滨海平原。

研究区地处华南褶皱系南缘,受多组深大断裂与次级断裂共同控制,构成“东西向主控、北东-北西向次级交织”的构造格架:北部为尖峰-吊罗断裂带(F1),南部为九所-陵水断裂带(F2),均为切穿地壳的深大断裂,控制海南岛南部地热资源的总体展布。沿断裂带燕山期岩浆活动强烈,花岗岩广泛侵入,为地热系统提供热源与储热介质。盆地内部发育北东向和北西向次级隐伏断裂,控制带状热储空间展布。

研究区地层岩性复杂,从老至新可分为三大类:变质岩出露于东部丘陵区,主要包括志留系陀烈组(S1t)碳质板岩、千枚岩,长城系峨文岭组(Che)石英云母片岩及戈枕村组(Chg)混合片麻岩。岩浆岩以中生代花岗岩为主,涵盖二叠纪-白垩纪黑云母正长花岗岩、花岗闪长岩,广泛分布于尖峰岭、福报及盆地基底;白垩系六罗村组(K1ll)流纹岩、汤他大岭组(K1t)英安岩、白垩系鹿母湾组(K1l)安山-英安岩等火山岩零星出露于盆地边缘。沉积岩分布于白垩系鹿母湾组(K1l)砂砾岩,报万组(K1b)长石砂岩、泥岩中。莺歌海-九所盆地内自上而下为第四系和新近系地层[图1(a)~图1(d)],第四系地层为全新统(Qh)、全新统烟墩组(Qh3y)、上更新统八所组(Qp3bs)、中更新统北海组(Qp2b)、下更新统秀英组(Qp1x),岩性为砂质黏土、中细砂;新近系上新统望楼港组(N2w)为灰色黏土、黏土质砂,中新统佛罗组(N1f)为中粗砂、含砾砂,两者构成层状热储主体。

区内地下水类型包括松散岩类孔隙水(潜水与承压水)和基岩裂隙水。孔隙潜水赋存于第四系,分布于莺歌海-九所沉积盆地;孔隙承压水主要赋存于新近系佛罗组(N2w)与望楼港组(N1f),剖面上最多分布9层承压含水层,各含水层之间具有一定水力联系;基岩裂隙水分布于东部丘陵区,受构造裂隙控制,富水性不均。研究区盆地内为“层状-带状”复合型热储系统,层状热储以望楼港组(N2w)、佛罗组(N1f)中粗砂、黏土质砂为主,带状热储分布于基底花岗岩裂隙中,混合水温32~47 ℃;盖层为第四系(Q)及望楼港组(N2w)黏土,隔水性强,为热储提供良好保温条件。东部基岩区为带状热储系统,分布于花岗岩构造裂隙带,水温33.5~47 ℃,富水性受断裂破碎程度控制,福报千家地热田为此类型典型代表,盖层为花岗岩风化土。

2 数据来源与研究方法

为了分析莺歌海-九所盆地地热地质分布特征、成因及开发利用潜力,采用资料收集、水文地球化学分析等方法进行研究。

本次研究收集了区域大量相关资料,主要有:①《中国区域地质志·海南志》(2017年出版)、1∶50万区域地质图、海南地质大队编制的《海南岛1∶20万水文地质普查报告》;②海南地质综合勘察设计院编制的《海南省乐东县龙沐湾国际旅游度假区热矿水资源评价报告》(2009年);③海南省地质调查院形成的《海南省乐东县龙沐湾孔隙-裂隙型地热田热矿水预可行性勘查报告》(2016年);④海南省水文地质工程地质勘察院编制的《乐东龙沐湾国际旅游度假区供水水文地质勘探》(2010年)、《海南省乐东县莺歌海孔隙-裂隙型地热田热矿水预可行性勘查报告》(2016年)、《海南省乐东县九所孔隙-裂隙型地热田热矿水预可行性勘查报告》(2016年)、《海南省乐东县福报地热田预可行性勘查报告》(2016年)、《海南省乐东县千家地热田预可行性勘查报告》(2017年),以上资料均真实可靠,且通过主管部门验收。

共采集样品70件,其中水质常规分析样43件(热水井39件、地下冷水井4件),氘氧同位素样27件,如图1所示。现场采用便携式水质检测仪测定pH值、溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)、温度等,阳阴离子、氢氧按要求取样送至具有相应检测资质的实验室测试。阴阳离子分析由海南省地质测试研究中心完成,分别采用分光光度计(型号为751-GW)、ICP-AE光谱仪测试(IRISIntrepidXSP);氢氧同位素由岩溶所自然资源部地下水科学与工程重点实验室测定,使用同位素分析仪(型号为L2130i)完成测试分析工作。

3 结果与讨论

3.1 水化学主要特征

水化学特征是地下水历史时期和地质作用的综合反映。通过研究水化学主要组成差异,可以揭示水岩相互作用、地下热水形成和演化等补径排关系。

从空间分布来看,研究区热水水化学类型及组分呈现显著的区域分异特征(图2和表1):福报千家地热田以HCO3-Ca·Na型为主,F-含量为0.3~0.8 mg/L,均值0.5 mg/L;龙沐湾地热田以HCO3-Na·Ca型为主,F-含量为0.2~1.3 mg/L,均值0.5 mg/L;莺歌海地热田以HCO3-Na型为主,0.7~2.8 mg/L,均值1.3 mg/L;九所地热田以SO4·HCO3-Na型为主,F-含量0.66~19 mg/L,均值10.2 mg/L。整体上,研究区水化学类型及组分从基岩山区至盆地内、盆地北部至南部,阳离子由Ca2+转变为Na+为主,阴离子由${\mathit{HCO}}_{3}^{-}$转变为${\mathit{SO}}_{4}^{2-}$为主,F-含量逐渐增大,反映水岩相互作用逐渐增强。这种水化学分异特征对不同区域地热资源的开发利用方向具有重要影响,低F-区域更适宜直接用于康养洗浴,高F-区域需进行除氟处理。

从单点垂直剖面分析,地下水化学组分表现出明显的分层规律(表1):莺歌海地热田从浅部至深部,地热水TDS、Na+、Cl-整体呈现逐渐降低趋势,推测为莺歌海盐场、养虾塘海水渗入导致,F-高值集中分布于新近系佛罗组(N1f)、望楼港组(N2w)含水层中,反映特定地层条件对F-富集的控制作用,也表明该地热田深部基岩裂隙带并非主要控热导水断裂发育区,其控热导水断裂推测分布于盆地上游区;九所地热田则表现为浅部至深部,地热水TDS、Na+、Cl-、F-呈现逐渐升高趋势,F-高值出现在深部基岩裂隙含水层,这种垂向分异特征反映水岩相互作用强度逐步增强,在开发过程中可根据不同含水层的水化学特征进行分层利用。

Gibbs图可用于判断水化学组分来源,Gibbs将地下水成因控制因素归为3类[19]:大气降水控制型(atmospheric precipitation-dominated,APD)、岩石风化控制型(rock weathering-dominated,RWD)、蒸发浓缩控制型(evaporation-concentration-dominated,ECD)。图3中所有地热水TDS含量位于图中上部,表明地热水主要受岩石风化控制,大部分热水受硅酸盐风化控制,这是由于研究区热储岩性以花岗岩为主,其主要矿物为石英、斜长石、钾长石、黑云母,这些硅酸盐的溶滤造成热水中阳离子毫克当量比值r(Na++K+)/r(Na++K++Ca2+)更高,结合${\mathit{HCO}}_{3}^{-}$/Na+与Ca2+/Na+离子比端元图4发现,福报千家、龙沐湾地区热水受硅酸盐岩及碳酸盐岩共同控制;图3显示莺歌海地区热水还受蒸发浓缩影响,这与莺歌海地区存在晒盐导致海水渗入影响分析一致。

3.2 热水特征系数

分析地下水中特定离子当量浓度比值,能够有效揭示地下水的多种状态及所经历的地质作用过程。这一分析手段已广泛应用于热水运移过程及环境特征的研究中[20-24]。地下水变质系数[20](γNa+/γCl-),可用于表征地层封闭性及地层水变质程度等特征,通常而言,γNa+/γCl-越小,表明地下水变质程度越高,其所处环境的封闭条件越优;反之,该比值越大,说明地下水受渗入水的影响越显著,封闭性则越差;未受人为干扰情况下,岩盐溶滤的γNa+/γCl-=1。γCa2+/γMg2+可用于判断Ca2+、Mg2+来源,若γCa2+/γMg2+>2,则说明来源硅酸盐岩或石膏;γCa2+/γMg2+介于1~2,说明来源于方解石;γCa2+/γMg2+=1,则说明来源白云石[21]。研究区图5(a)中所有热水点的γNa+/γCl-均大于1,图5(b)中大部分水样γCa2+/γMg2+>2,说明研究区地下热水整体封闭性差,受降雨渗入影响大,阳离子受到硅酸盐岩溶解控制为主,其次为碳酸盐岩,该结果与Gibbs图一致。

γCl-/γCa2+可判断地下水流动条件。γCl-/γCa2+>10说明地下水径流更新速率缓慢,γCl-/γCa2+<10说明地下水径流快、更新快[22-23];盐化系数γCl-/(${γHCO}_{3}^{-}$)可判断地下水浓缩程度[24],γCl-/(${γHCO}_{3}^{-}$)<1表明地下水循环速度快,γCl-/(${γHCO}_{3}^{-}$)>1表明地下水循环慢,蒸发浓缩强,常见于封闭盆地、深层地下水或受海水入侵影响[25]。图5(c)和图5(d)显示研究区大部分γCl-/γCa2+<10、γCl-/${γHCO}_{3}^{-}$<1,表明研究区地下热水整体流通性较好、水循环较快、径流路径短;其中L-ZK6、L-ZK8、L-ZK15、Y-ZK3a的γCl-/${γHCO}_{3}^{-}$>1,且γNa/γCl接近1,显著低于区域均值,此结果表明龙沐湾、莺歌海地区新近系地下热水受到盐场或养虾塘海水渗入影响;福报千家地热水出露基岩山丘区,地形起伏及水力梯度大,同时受北东、北西构造断裂交错控制渗透性好,γCl-/γCa2+呈现显著低值特征;滨海平原区作为地热水排泄区,下部隐伏断裂发育程度低,地势平缓,水力坡度小,水流缓慢,γCl-/γCa2+呈现显著高值特征。

地下水阳离子不仅受硅酸盐及大气降水输入影响,还受到阳离子交换吸附影响,可用氯碱指数(CAI-1、CAI-2)判别[26-27],根据氯碱指数(CAI-1、CAI-2)的理论特性,其数值正负与水中阳离子交换方向紧密相关:当CAI-1和CAI-2数值均为正值时,水体中的Na+与K+会取代岩石矿物中的Ca2+和Mg2+,若二者均为负值,则离子交换方向逆向进行,即Ca2+、Mg2+从水中进入岩石矿物,置换出Na+和K+,CAI绝对值越大,阳离子交换程度越高,公式为

$\begin{array}{l}\mathit{C}\mathit{A}\mathit{I}-1=\frac{\mathit{C}{\mathit{l}}^{-}-(\mathit{N}{\mathit{a}}^{+}+{\mathit{K}}^{+})}{\mathit{C}{\mathit{l}}^{-}}\left(1\right)\\ \mathit{C}\mathit{A}\mathit{I}-2=\frac{\mathit{C}{\mathit{l}}^{-}-(\mathit{N}{\mathit{a}}^{+}+{\mathit{K}}^{+})}{\mathit{H}\mathit{C}{\mathit{O}}_{3}^{-}+\mathit{S}{\mathit{O}}_{4}^{2-}+\mathit{C}{\mathit{O}}_{3}^{2-}+\mathit{N}{\mathit{O}}_{3}^{-}}\end{array}$

研究区地热水样本分析发现,所有水样的CAI-1和CAI-2值均呈现负值,意味着地热水中Ca2+、Mg2+主导岩石矿物中Na+、K+的交换过程。图6显示,莺歌海地热田区域内的阳离子交换作用强度显著高于其他地区,水体中的Ca2+和Mg2+置换岩石矿物中的Na+与K+最显著。

3.3 F-的富集特征

地热水中氟受多种因素控制,主要与含氟矿物(长石、云母、角闪石和萤石等)溶解及水岩相互作用相关。为了分析地下热水水化学演化中水岩相互作用,运用F-与其他离子相关性分析、PHREEQC计算方解石和萤石饱和指数分析方法,绘制F-与各离子浓度及矿物饱和指数之间的相互关系图,如图7所示。

为了消除海水渗入对离子影响,本部分重点分析除莺歌海以外其余地热田F-分布规律及控制机制。图7(a)~图7(f)显示,区域高F-地热水表现为贫Ca2+、${\mathit{HCO}}_{3}^{-}$,富集Na+,TDS及水温较高,pH偏碱性的分布特征;图7(g)~图7(i)显示热水样品萤石饱和指数普遍小于0,方解石饱和指数普遍大于0,F-与萤石饱和指数呈现正相关关系,F-高值集中方解石和萤石饱和指数为0附近。

上述特征揭示,F-富集受萤石溶解与方解石沉淀的协同控制:一方面,萤石饱和指数小于0,表明萤石始终处于持续溶解状态,为水体提供稳定的F-来源;另一方面,方解石饱和指数大于0,方解石沉淀消耗Ca2+促进萤石溶解;其次研究区高F-地热水的碱性环境可促进方解石沉淀,同时加速萤石中F-的溶出效率,最终打破离子平衡,推动F-在水体中富集[28-29],核心反应为

CaF2+2OH-=Ca(OH)2+2F-
CaF2+2CaHCO3=CaCO3+2Na++2F-+2H2O+CO2

从区域水文地质背景来看,F-含量的空间分异进一步受地下水循环条件与地质构造的调控:低F-区,福报千家、龙沐湾地热田位于基岩山区及盆地边缘,毗邻尖峰-吊罗断裂带(F1)补给区,地下水循环交替强烈、径流速率快,水-岩相互作用时间短且不充分,含氟矿物溶滤程度有限,导致F-难以形成有效富集,表现为区域内F-含量处于低值水平;中F-区,莺歌海地热田位于盆地中部,距离尖峰-吊罗断裂(F1)带更远,为含氟矿物的持续溶滤提供了有利条件,因此F-含量显著升高;高F-区,九所地热田位于盆地南部,距离尖峰-吊罗断裂带最远,且受九所-陵水深大断裂(F2)构造的直接影响,该断裂作为深部热能与流体的运移通道,造就了高地温异常环境,进一步加速了萤石、长石等含氟矿物的溶解进程,促使F-随水文地球化学作用持续累积,最终呈现出区域内最为显著的F-富集特征。

3.4 地热水热储温度计算

地热温标有阳离子温标、二氧化硅温标、矿物平衡法、硅-焓图解法等[30-33]。地热水离子达到平衡状态可使用阳离子温标,地热水平衡状态可采用Na-K-Mg三角图判断[30-31],由图8可知,研究区热水样品位于镁离子的右下角顶点处,属于“部分饱和水”和“未成熟水”,其中龙沐湾、福报千家地热田热水样位于“未成熟水”区域,处于水岩作用的初级阶段,或受上部冷水混合作用较大,九所、莺歌海地热田热水样位于“部分饱和水”区域,表明该地区地下热水与围岩介质的水岩作用强度高。常见阳离子温标有Na-K温标、K-Mg温标、Na-K-Ca温标等[31-32],其中Na-K温标主要用于水温150 ℃以上热水,对于冷水混合和沸腾的影响小;K-Mg温标适用于中低温地热水,对于热水从深部沿断层通道上升到地表的过程中经过传导冷却或与浅层冷水混合情况适应性差;Na-K-Ca适用于富含Ca2+、温度较低及不平衡热水。表2计算显示,不同阳离子温标计算结果差异较大,主要因研究区地热水处于 “部分饱和水” 和 “未成熟水” 状态,不符合阳离子温标的理想适用条件,故阳离子温标仅具参考价值。

SiO2温标是利用地下热水中SiO2溶解度与温度的关系计算地下水的热储温度,对温度变化敏感,适合未受混合或沸腾干扰的封闭系统[34-35]。常用的SiO2温标包含石英、玉髓温标,根据图9中lg(SiO2)-lg(K2/Mg)对比图与 PHREEQC 计算的矿物饱和指数(SI),九所、莺歌海地热水分布于石英矿物指示线附近,且石英 SI 更接近 0,石英主要控制着该区SiO2的溶解度,故优选石英温标;龙沐湾、福报千家地热水分布于玉髓矿物指示线附近,且玉髓SI更接近 0,故优选玉髓温标。

矿物平衡法是利用矿物饱和状态与温度的关系函数,找到使得多种矿物组分同时达到平衡状态的温度,即为热储温度[36],其本质为水岩平衡假设。

根据岩石矿物资料,选取玉髓、石英、硬石膏、方解石、文石、白云石、石膏、无定性SiO2、滑石、岩盐、菱铁石11种矿物,利用PHREEQC进行饱和指数计算,结果显示,大部分矿物难以同时满足平衡条件,说明研究区地热水未达到平衡状态,为混合水、未成熟水。

硅-焓图解法能有效校正混合效应影响,但对蒸汽损失敏感,为了计算地热水中冷水混合比例,采用硅-焓图解法[37],核心公式为

${\mathit{H}}_{\mathit{c}}\mathit{X}+{\mathit{H}}_{\mathit{h}}(1-\mathit{X})={\mathit{H}}_{0}$
$\mathit{S}{\mathit{i}}_{\mathit{c}}\mathit{X}+\mathit{S}{\mathit{i}}_{\mathit{h}}(1-\mathit{X})=\mathit{S}{\mathit{i}}_{0}$

式中:Hc和Sic分别为浅部冷水的焓值和SiO2含量;Hh和 Sih分别为深部热水的焓值和SiO2含量;H0和 Si0分别为混合后地热水的实测焓值和实测SiO2含量;X为冷水混合比例。

计算模型如图10所示。根据硅焓图解法结果,研究区地热水冷水混合比例为0.6~0.937,说明地热水上升过程中受冷水混合比例较大,直接采用 SiO2温标误差较大;同时地热水离子和混合后地热水焓值);SiC、Sih、Si0为浅层冷水、深部热水和混合后地热水SiO2的浓度处于未平衡及部分平衡区域,阳离子温标适用性有限;矿物平衡法因混合作用失效。综合考虑热储温度计算优选硅-焓图解法。

为了消除蒸汽损失对硅-焓图解法的影响,采用考虑最大蒸汽损失的硅-焓图解法[33,38]计算蒸汽损失、冷水混合比例及热储温度。如图11所示,A为研究区冷水、B为计算点地下热水,根据BC与AC的比值可以计算冷水与深部热水的混合比例。

混合前蒸汽损失的计算公式为

$\mathit{Y}=1-\mathit{S}\mathit{i}{\mathit{O}}_{2}\left(\mathit{E}\right)/\mathit{S}\mathit{i}{\mathit{O}}_{2}\left(\mathit{D}\right)$

式(7)中:Y为蒸汽损失质量百分比;SiO2(E)为E点SiO2的浓度;SiO2(D)为D点SiO2的浓度。

基于最大蒸汽损失硅-焓图解法,对研究区域热水上升阶段扣除蒸汽损失后的冷水混合比例及蒸汽损失量展开分析。对于AB直线斜率为负值的情况,说明热水上升过程在与冷水混合前已经失去热量。所有热储成果如表2所示。结果显示龙沐湾地热田冷水混合比例为0.441~0.899,热储温度98~134 ℃,蒸汽损失质量百分比介于3.3%~27.4%;莺歌海地热田冷水混合比例为0.473~0.476,对应热储温度为84~96 ℃,蒸汽损失质量百分比较低;九所地热田冷水混合比例为0.433~0.668,对应热储温度为91~167 ℃,蒸汽损失质量百分比为6.6%~15.8%;福报千家地热田冷水混合比例为0.617~0.854,对应热储温度为168~234 ℃,蒸汽损失质量百分比为16.2%~27.5%。当计入最大蒸汽损失影响时,地热水初始温度及冷水混合比例均呈现不同程度降低,部分地热田在热水上升流动中已出现显著热量散失,其水温与冷水温度趋于一致。

4 地下水的起源和形成

4.1 地下热水的成因

大气中δD与δ18O含量根据地面高程的增加而降低,该方法可确定地下水的补径排高程。大气降水中的δD与δ18O的含量呈线性关系,全球大气降水线[39]为

δD=8δ18O+10

海南岛雨水线[40]为

δD=7.37δ18O+11.07

龙沐湾地区大气降水线[16]为

δD=8.02δ18O+7.64

采用全球雨水线、海南岛雨水线和龙沐湾雨水线作为标准,研究本区地下热水的起源。表3数据显示,全部热水样品δD介于-63‰~-51.4‰,δ18O介于-9.10‰~-7.45‰,河水同位素值明显偏正,与热水样形成清晰分区。结合图12所示,地热水落在全球大气降水线上、海南雨水线右侧,莺歌海、龙沐湾地热水及望楼河水存在正向的氧同位素漂移。表明研究区地下热水补给源为大气降雨;莺歌海、九所地热水补给水源高程基本一致;莺歌海、龙沐湾地热水及望楼河水受水岩相互作用及蒸发影响,且作用越强,氧漂移越大。

4.2 地下热水的补给高程

根据δD和δ18O同位素的高度效应,大气降水中的δD和δ18O随地形高程增加而降低,计算地下热水的补给区高度为

$\mathit{H}={\mathit{H}}_{0}+\mathit{D}-{\mathit{D}}_{1}/\mathit{g}$

式(11)中:H为地下热水补给区的高程;H0为取样点的高程;D为补给水的δD;D1为参考点水样的δD;g为δD随高程变化的递减梯度,中国西南地区g为-2.5‰/100 m。

采用海口地区大气降雨D为-38.9‰,H0为13.3 m。龙沐湾地热水补给区高程669~845 m,莺歌海地热水补给区高程513~621 m,九所地热水补给区高程521~613 m,福报千家地热水补给区高程577~977 m。

5 地热田水化学演化成因机理

由图13概念模型可见,海南岛西南部莺歌海-九所盆地形成的大规模水热型地热田,其成因机理可概括为:高海拔区域(高程 513~977 m)的大气降雨,沿着尖峰~吊罗深大断裂带下渗进行深循环。下渗冷水在深部循环过程中,受断裂带燕山期花岗岩热源加热,形成热储温度最高达 234 ℃的深部热水;同时,热水与地壳内部含长石、云母、萤石等矿物的花岗岩发生强烈水-岩相互作用,导致水中 Na+、F-含量升高,形成富 Na+、高 F-的水化学特征。深部热水在水力梯度驱动下,沿断裂构造裂隙向上运移,部分热水在基岩区通过构造裂隙对流至地表浅部,形成福报千家基岩裂隙型地热田;部分热水继续向西南部沉积盆地运移,通过深部隐伏构造裂隙带进入莺歌海-九所盆地。进入盆地的深部热水,一方面通过热传导与浅部冷水混合,进入新近系佛罗组(N1f)、望楼港组(N2w)沉积含水层,形成龙沐湾、莺歌海沉积盆地型地热田;另一方面,在盆地南部受九所-陵水深大断裂(F2)叠加控制强化水-岩相互作用,最终形成九所高F-沉积盆地型地热田。

6 地热能开发利用潜力分析

基于上述地球化学特征及计算热储温度研究成果,福报千家热储温度167~234 ℃,为高温资源潜力区,具备规模化地热发电潜力,发电余热可实现梯级利用,提供稳定清洁电力;龙沐湾、九所热储温度90~167 ℃,为中高温资源潜力区,可用于区域城镇制冷与工业加热,替代传统能源以降低碳排放和企业能耗成本;莺歌海热储温度84~96 ℃,为中低温资源潜力区,适配现代农业种植与水产养殖产业升级需求。开发过程中,福报千家、龙沐湾等地F-区域的地热水可直接用于打造康养旅游产业集群,九所、莺歌海等高F-区域需针对性开展水质处理,并建立科学的环境地质风险防控体系,保障地热资源高效、安全、可持续开发利用。

7 结论

针对海南岛西南部莺歌海-九所盆地的地热水,开展水化学及氢氧同位素特征分析,得到以下结论。

(1)尖峰-吊罗断裂(F1)、九所-陵水断裂(F2)控制了区域地热水的循环、分异及储集特征。F1控制地热水初始补给与深部循环,补给高程为513~977 m,F2叠加调控盆地南部热能与物质分布,促成九所地区高F-异常。

(2)地热水化学组分受构造与区域环境影响呈规律性演变,从基岩山区至盆地北部、南部,由HCO3-Ca·Na型过渡为SO4·HCO3-Na型,F-含量逐步递增,从0.5 mg/L升至10.2 mg/L。水化学组分主要受岩石风化作用控制;阳离子受水-岩相互作用与阳离子交换吸附控制;莺歌海受蒸发浓缩作用最大。F-的富集规律受萤石溶解、碱性环境与、构造协同作用。

(3)地热水整体封闭性差,受降雨影响显著,以“部分饱和水”和“未成熟水”为主,且受冷水混合(混合比例0.433~0.899)与蒸汽损失(3.3%~27.4%)影响,采用最大蒸汽损失的硅-焓图解法计算热储更可靠,热储温度范围为84~234 ℃,其中福报千家地热田热储温度较高(167~234 ℃),莺歌海地热田较低(84~96 ℃)

(4)依据计算热储温度,福报千家为高温发电潜力区,龙沐湾、九所为中温潜力区,可服务城镇制冷与工业加热,莺歌海可作为中低温支撑现代农业。高 F-区域康养旅游产业发展中需加强水质处理与环境地质风险防控。

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基金资助

海南省财政厅资助项目(HNDZDC-2025-1)

海南省海洋地质资源与环境重点实验室开放课题(25-HNHYDZZYHJKF059)

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