Провинция Цзянси расположена на юго-востоке Китая и характеризуется распространением термальных вод, которые активно используются местным населением в бальнеологических целях и в качестве альтернативного источника энергии. Широкое использование термальных вод в различных целях объясняет повышенное к ним внимание со стороны ученых. Наибольший интерес представляют механизмы и процессы формирования термальных вод. Как известно, температура термальных вод на поверхности отличается от температуры на глубине и является результатом охлаждения путем обмена теплом с горными породами по мере движения вод к местам разгрузки или их разбавления более холодными грунтовыми водами и атмосферными осадками. Детальное исследование формирования термальных вод невозможно без восстановления условий протекания этих процессов, в частности без понимания температурного режима на глубине циркуляции. В этой связи целью настоящей работы является оценка глубинных температур термальных вод провинции Цзянси для дальнейшей разработки модели их формирования.

Материалы и методы исследования

В основу работы положены результаты гидрохимического опробования, проведенного в 2015 и 2017 гг. На месте отбора проб были определены pH и температура с помощью прибора AMTAST AMT03 (USA). Общий химический анализ проводился несколькими методами: HCO3-, CO32- определялись методом титрования при помощи анализатора жидкости «Анион 7-51» (Россия); Ca2+ и Mg2+ – атомно-абсорбционным методом; Cl-, F-, SO42-, Na+, K+ – методом ионнообменой хроматографии с использованием хроматографа ICS-00 «Dionex» (США). Содержание Si определялось с помощью современного высокочувствительного метода – масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой NexION 300D (PerkinElmer, USA). Анализы проводились проблемной научно-исследовательской лабораторией гидрогеохимии Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Томск) и Центром химического анализа и физических испытаний Восточного китайского технологического университета (г. Наньчан, Китай).

Для оценки глубинных температур использованы различные геотермометры, представляющие собой эмпирические и расчетные соотношения, связывающие пластовую температуру и концентрацию или отношения концентрации следующих растворенных компонентов: Si, Na/Li, Mg/Li, Na/K, Na-K-Ca [1].

В работах [2, 3] предложены несколько расчетных формул оценки температуры на глубине по содержанию кремния, основывающиеся на изменении растворимости SiO2 в зависимости от температуры. Для расчета глубинных температур исследуемых вод использованы формулы Si-геотермометров с учетом форм кремнезема (кварц, кристобалит, халцедон, аморфный кремнезем) и диапазона температур.

Принимая во внимание то, что температура термальных вод провинции Цзянси меньше температуры кипения, а воды приурочены в основном к гранитным породам, для оценки температур на глубине применены кварцевые геотермометры при адиабатическом (1) и кондуктивном охлаждении раствора (2) [2]:

T, °С = 1522 / (5,75 – log (SiO2)) – 273,15, (1)

T, °С = 1309 / (5,19 – log (SiO2)) – 273,15, (2)

где SiO2 – концентрация SiO2 в мг/л.

Na-K-геотермометр меньше подвержен влиянию процессов кипения и охлаждения, поскольку используется не абсолютное значение (как в Si-геотермометре), а отношение концентраций. Расчет глубинных температур с помощью Na-K-геотермометров проведен по формулам

T, °С = [1217 / (1,483 + log (Na / K))] – 273,15 [4], (3)

T, °С = [1178 / (1,470 + log (Na / K))] – 273,15 [5]. (4)

На территории провинции преимущественно распространены углекислые и азотные термальные воды, которые приурочены к глубинным разломам, развитым в разных геологических структурах. В настоящей работе рассмотрены только азотные термальные воды, в газовом составе которых азот составляет 95–99 об. % [6]. В геологическом отношении выходы азотных терм сложены преимущественно гранитами юрского возраста, в меньшей степени позднепротерозойского эона, а также кембрий-ордовикскими гранитами (С-O) и каменноугольными и девонскими гранитоидами (С-D) [6].

Азотные термы провинции Цзянси характеризуются низкой величиной общей минерализации, до 0,5 г/л, при этом величина pH изменяется от 8,50 до 9,25. Температура терм варьирует от 27 до 83 °C. Среди анионов преобладающим является HCO3-, концентрации которого составляют 58–186 мг/л, в меньшей степени содержится SO42- (11–104 мг/л) и Cl- (1,5–6,7 мг/л). Среди катионов доминирующим является Na+ (55–110 мг/л), содержания Ca2+, K+ и Mg2+ весьма низкие и не превышают 8,1 мг/л, 5,1 мг/л и 0,7 мг/л соответственно. По химическому составу рассматриваемая группа терм, в соответствии с классификацией С.А. Щукарева, относится к HCO3-Na, либо HCO3-SO4-Na, лишь в единичном случае SO4-HCO3-Na (рис. 1). Кроме этого, состав рассматриваемых терм характеризуется повышенными концентрациями SiO2 (32–134 мг/л) и F- (2,8 до 15,6 мг/л) [6–8].

Рис. 1. Химические типы термальных вод провинции Цзянси

Таблица 1

Результаты расчетов глубинных температур по разным геотермометрам

Результаты исследования и их обсуждение

Глубинные температуры азотных термальных вод провинции Цзянси рассчитаны по разным геотермометрам. Результаты расчетов приведены в табл. 1 и несколько отличаются друг от друга.

Диапазоны температур, рассчитанных по кварцевому геотермометру при адиабатическом и кондуктивном охлаждении, незначительно отличаются. В первом случае рассчитанные температуры варьируют от 85 до 147 °С, во втором – от 82 до 154 °С. Температуры, оцененные с помощью Na/K-геотермометров несколько выше и изменяются в более широком диапазоне от ~80 °С до ~185 °С.

Сравнение полученных с помощью разных геотермометров результатов оценки глубинных температур азотных терм показывает хорошую корреляцию с измеренной температурой в местах выходов вод на поверхность (рис. 2).

Рис. 2. Соотношение температуры разгрузки и глубинных температур азотных термальных вод провинции Цзянси, рассчитанных по разным геотермометрам

Наряду с этим, между температурами, рассчитанными по разным геотермометрам, также наблюдается прямая корреляция (рис. 3). Исключение составляют два родника (на рис. 3 выделены пунктирным овалом), которые выбиваются из общей тенденции взаимосвязи Si- и Na/K-геотермометров. Вполне вероятно, такие завышенные температуры, полученные по Na/K-геотермометрам, являются ошибочным результатом, ввиду пределов применения этого геотермометра, или, наоборот, заниженные температуры по Si-геотермометру можно объяснить смешением с более холодными водами по мере движения терм на поверхность.

Оценить степень смешения термальных вод с грунтовыми водами или атмосферными осадками и более точно определить глубинную температуру можно с помощью нанесения фигуративных точек на модель смешения Si-энтальпия [9–11]. Теоретически линия, проведенная из точки наиболее холодного компонента смешения (грунтовые воды или атмосферные осадки) через смешанные горячие воды (исследуемые родники) до пересечения с линией растворимости кварца, дает истинные содержания кремния и энтальпии термальных вод и называется линией смешения [2]. Кроме этого, при определении глубинной температуры с помощью Si-энтальпии диаграммы следует учитывать процесс кипения термальных вод, который сопровождается выделением пара. Если по мере движения терм на поверхность кипение терм не происходит до момента смешения с холодными водами, то точка пересечения линии смешения и кривой растворимости кварца дает значения энтальпии на глубине циркуляции. В случае, если кипение терм и, соответственно, выделение пара произошли до момента смешения, то из точки пересечения линии смешения и вертикали, относящейся к температуре кипения 100 °С (H = 419 Дж/г), проводится прямая, параллельная оси энтальпии, до пересечения с кривой растворимости при максимальной потере пара. Полученная точка пересечения отражает значения энтальпии и соответственно температуры на глубине циркуляции при заданных условиях. Для соотношения значений энтальпии и температуры использовали справочные данные [2].

Из рис. 4 видно, что по мере движения терм на поверхность большая часть родников в той или иной степени была подвержена смешению с более холодными водами. В случае, если кипение не произошло до момента их смешения с холодными водами, то проекции точек пересечения линии смешения и кривой растворимости кварца, точек В и Г дают значения энтальпии ~800 и ~1050 Дж/г соответственно. Следовательно, температура циркуляции терм при рассматриваемых условиях варьирует от 188 °С до 243 °С. Если кипение произошло до момента смешения, то температура терм изменяется в диапазоне от 137 °С до 155 °С (H = ~575 и ~650 Дж/г), точки Д и Е соответственно. В целом полученные глубинные температуры с учетом кипения до момента смешения схожи с их оценками по Na/K-геотермометрам.

Рис. 3. Соотношение глубинных температур азотных термальных вод провинции Цзянси, рассчитанных по Si- и Na/K-геотермометрам

Рис. 4. Расположение фигуративных точек азотных термальных вод провинции Цзянси на модели смешения Si-энтальпия

Кроме этого, среди рассматриваемых вод выявлены некоторые отклонения от общей тенденции. Из рис. 4 также видно, что линия, проходящая через холодные воды и фигуративные точки азотных терм 15–10 и 15–7, не пересекает кривую растворимости кварца, что в свою очередь свидетельствует об отсутствии смешения. В данном случае глубинные температуры относятся к точкам пересечения линий, соединяющих точку пара и родников, с линией растворимости кварца (рис. 4, точки А и Б). Проекции этих точек на ось энтальпии дают значения ~475 Дж/г для родника 15-7 и ~560 Дж/г для родника 15-10, что соответственно относится к температурам 113 °С и 133 °С. Полученные температуры соответствуют результатам расчетов по Si-геотермометру при адиабатическом охлаждении и Na/K-геотермометру [4].

Выводы

Полученные результаты оценки глубинных температур с помощью различных геотермометров показали разные результаты. Диаграмма Si-энтальпия наглядно демонстрирует смешение подавляющей части азотных терм с более холодными водами по мере их движения на поверхность. В этой связи при выборе метода оценки глубинных температур рассматриваемых вод следует отдавать предпочтение Na/K-геотермометру [4], поскольку, в отличие от Si-геотермометров, в меньшей степени подвержен влиянию смешения вод и отражает реальные условия температурного режима на глубине циркуляции терм. Таким образом, температура азотных термальных вод провинции Цзянси на глубине циркуляции составляет от 92 до 185 °С.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда проекта № 17-17-01158.