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伊凡Morales-Arredondo,玛丽亚极光Armienta Nuria塞戈维亚, ”地下水化学和超压在山丘普列托地热领域证据”,Geofluids, 卷。2017年, 文章的ID2395730, 13 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/2395730
地下水化学和超压在山丘普列托地热领域证据
文摘
为了了解地质和水文地质过程影响的水文地球化学行为山丘普列托地热田(CP)含水层,墨西哥,采集水样本的特征从地热水井。不同水化学图被用来评估盐水含水层的进化。确定深度压力条件,计算了利用CP的静水和地面属性,考虑研究区域的地质特征和理论一些盆地环境信息。地下水水文地球化学和成岩演化的地质证据表明超压条件。一些物理、化学、结构和岩性矿物性质报道专栏CP解释理解进化过程的沉积含水层组成的材料。
纪念博士现任罗德里格斯的C。
1。介绍
不同作者已经观察到一些世界各地的卤水的起源可能是由于成岩作用演化和在埋藏过程中孔隙水困1- - - - - -3]。通常,孔隙水显示特征根据沉积环境(4]。埋藏成岩作用的不同阶段是由沉积盆地和压实的材料;砂岩和页岩进行身体的变化,化学,结构,和矿物学性质反映在沉积物密度、颗粒的压缩包,和孔隙度损失(5];此外,化学变化发生在砂岩产生胶结和岩化作为一个产品的化学沉淀影响碎屑颗粒,解散,再结晶,或矿物蚀变(6]。硅是最丰富的砂岩胶结剂,碳酸钙相比,方解石和霰石,因为后者更容易溶解在与地下水接触,主要是第二个(7]。在成岩阶段,间质液体不断迷失在大多数页岩(8];这种现象可以发生在低深度和持续成千上万甚至几十万年或者更长的时间和更大的深度;但当它突然发生,介质的渗透率是如此之低,不允许泄漏的组织液,可以生成越来越程度的压力(9];这种地质事件被称为超压(10]。超压异常高压在地下的静水压力超过一定深度;这种压力在毛孔进行间质流体的压力增加的大衣增加(11,12]。超压表明开发的高压压实期间不消散效率(10),可以生成系统中水力压裂(压力应用于可压缩的岩石和流体膨胀)。这些过程产生超压流体与孔隙度减少,孔隙水流动变化,由于压实成岩反应和不平衡在一个沉积盆地12- - - - - -14]。超压也可以与化学压实由于矿物学变化(例如,离子交换,溶解/沉淀)或成岩过程和流体热水在孔隙空间的扩张。
山丘普列托地热田(CP),位于西北墨西哥(32 43°24′′′N, 115°14′41′′W),是一个盐水与高温地热系统的特点。几项研究的起源和行为CP地下水已报告(15- - - - - -18]。根据地质证据,大量的积累从大陆和海洋沉积物质来源、上覆沉积盆地与盐水的起源(17]。沉积材料显示了成岩演化证据和埋葬过程中泥沙颗粒之间的孔隙水被困。孔隙水盐高Cl−,Na+、钙2 +和K+浓度;在地热卤水这个特征是常见的1,2,10];成分主要取决于主起源、沉积物的矿物组成及其改性由于成岩过程(例如,相分布),和水热特征(15,19]。最明显的成岩过程中CP胶结,矿产替代,再结晶,自生作用,结核和结核的增长16]。另一方面,在沉积盆地深CP、机械变形有关葬礼的过程是常见的机制;同样,静压和地面条件随着深度增加由于叠加增加了流体液压连接,通过孔隙和沉积物过载(施加的压力10]。如果在深层含水层孔隙压力像CP是高于预期从静水条件下,异常压力(超压)可以生成;超压是常见的主要在2 - 4.5公里深度(10- - - - - -12]。
根据地球化学证据,地热盐水在CP的起源可能是由混合过程相关的水热环境和沉积材料位于深度显示埋藏成岩作用演化overpressurized环境水文地球化学证据。本研究的目的是评价地热地下水水文地球化学行为及其与成岩过程,包括超压。
2。本地化
山丘普列托地热田(CP),位于墨西卡利山谷,SE墨西卡利市的墨西哥下加利福尼亚州(图1),是一盆索尔顿海(17]。气候干旱,气温高达40°C和7月4°C在冬天。平均年降水量是55毫米/年和年平均蒸发量2200毫米/年(23]。地下水在CP提取地热井的不断开发发电。这场墨西哥联邦德Electricidad (CFE)经营和管理地热田。CP发电720兆瓦,由五个人单位:CP1, CP2, CP3, CP4, CP5;每个单元都有一个总容量与特定数量的生产井的生产。取样井在图表示1。本地化的五个人CP单位包括在表中1。所有的井都位于区“β”1500到3100米深度17]。
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2.1。CP地质
CP周围的岩性由片麻岩(quartz-feldspars)页岩(quartz-mica)、大理石、角闪岩和石英岩Permic侏罗纪(24]和变质、花岗岩和花岗闪长岩岩石由batholitic侵入岩石(16从中新世),与英安岩、安山岩和流纹英安岩第四纪[25]。构造盆地是由沉积材料,由于埋葬,压实,和成岩作用过程,进化到灰色页岩从晚中新世(页岩和粉砂页岩,从浅灰色到黑色不等);本单元覆盖地下室花岗质和镁铁质侵入,被渗透砂岩夹层(组成的石英和长石组成;长石砂岩类型)。厚度是附近3000米(21,26]。上方的一层棕色的页岩(页岩和粉砂页岩),灰色页岩夹层渗透砂岩和砂由碳酸盐胶结,厚度约500米(21]。在这些区域,地热流体的快速分配提高了充电。不稳定的泥岩层和疏松的碎屑沉积物(粘土、淤泥、砂和砾石)躺在以前的单位。这些单元的厚度是400至250026]。沉积材料显示了成岩演化过程和再结晶过程的证据由于初期的低级变质作用。
CP是一个复杂的地质演化的混合断裂,快速的三角洲沉积,并且大规模走滑断层位于索尔顿海盆地(16,19,21,27]。地热田是放置在一个剪切带-和NE-SW断层系统相交。帝国,更重要的是断层Cucapa山丘普列托,米却肯州(21]。这个断层系统是一个主要的一部分区域容貌穿透深入地壳基底岩石和作为地热流体的管道。系统起源于5200米深度的构造盆地,由冲积三角洲沉积物从第三纪到第四纪[21]。
Vonder哈雾和霍华德(27)发现,在砂岩和页岩单位,沿着裂隙发生了矿物溶解/沉淀,原始次生孔隙度和新沉淀热液矿物,导致渗透率的降低。同样,长老等人。20.观察胶结,矿物替代,再结晶,自生作用,和增长的结核结节;这些过程都与成岩作用有关。
2.2。CP水文地质
一些作者认为CP盐水可能已经形成了从海洋蒸发盐溶解,部分是由科罗拉多河水蒸发了16,19,21,28- - - - - -31日]。然而,根据地质证据,大量积累沉积材料,上覆沉积盆地,从大陆和海洋的起源和大气水混合(30.- - - - - -33),与盐水的起源(17]。沉积材料显示了成岩演化证据和埋葬过程中颗粒之间的孔隙水被困。同位素评估(18啊,2H)和化学分析(Cl−和Br)阐述了Coplen34)和Birkle et al。35)表明,索尔顿海可能前身高氯化CP的地下水。
3所示。方法
进行了水文地质和水文地球化学研究地热地下水样本中CP APHA-AWWA[标准方法后38]。水样本收集的地热井的不断开发。温度、pH值和电导率测量领域在2010年夏季和校准到水温在每个站点。主要元素的化学分析,B和SiO2分析化学实验室,进行地球物理研究所的自治、墨西哥(国际校准实验室参与演习的化学分析地热水域)。硼是由比色法通过与胭脂红酸反应(方法4500 - b C) APHA-AWWA [38]。SiO2确定了用火焰原子吸收分光光度法和紫外可见光谱(molybdosilicic酸方法)。主要分析了离子后标准方法(38]。和容量分析测定盐酸(滴定),Ca吗2 +和毫克2 +是由容量分析(与EDTA滴定),Cl吗−是由与选择性电极电位测定法(4500 - cl吗−)[38),钠+和K+原子发射分光光度法测定(3500 - na吗+和K+),是由比浊法(4500 -)。分析质量评估通过离子平衡(少于10%)和认证(NIST)的使用参考解决方案。
为了评估盐水CP的进化,使用不同的技术:(a)的木匠39)评估主要元素使用的行为情节与浓度溶解氯浓度的函数,考虑到海水的成分在蒸发和成岩作用;使用CP地下水的化学结果阐述了类似的评估;(b) Davisson和纵纵横40)设计了一个图来确定矿物学在卤水的地球化学演化应用评估和在水样;水文地球化学的结果样本CP与这张图进行评估;(c) Boschetti [3)认为B-Cl浓度解释地下水的演化过程;B-Cl图被用来确定CP的主要地质环境。地球化学模拟测量水浓度进行了使用Phreeqc©程序来确定饱和指数。
为了确定压力条件下,计算了利用CP的静水和地面属性,考虑研究区域的地质特征和理论一些盆地环境信息。估计压力条件()地质柱施加的深度()境外地质形成,(1)使用12]: 有必要考虑纯水柱体重在海平面 ,海水深度列 ,海水的密度 公斤/米3引力常数 (米/秒2),材料密度(岩石或沉积物) 。积分的上覆岩层重量沉积物可以取而代之的是个体层次的权重之和(12]: ,重要的是要考虑数量的层()和厚度(是米)的层数测量、岩石密度(公里/米3),孔隙度 ,和水的密度(与盐度变化可以改变,而温度和压强的依赖相对较小或可以忽略不计)。
估计压力储层单元从CP认为研究区位于在岸,几米以上海水水平;因此积分包括海水的重量列是零;独特的地层单位,他们的厚度,和每个取样的深度被认为是;奥尔森(报告的孔隙度值41]和Hiriart勒伯特[42在地质材料使用CP(在0.15和0.25之间),岩性单位没有报道孔隙度;不同的作者提出的理论价值研究与地质材料和深度使用(例如,泥岩和页岩、板岩、石英,长石组成,未胶结的砂岩,或者砂岩储层)(43- - - - - -46]。
4所示。结果与讨论
4.1。CP地下水的主要元素
表1显示了主要的地下水中溶质浓度CP。
在表1化学研究的结果显示井。总溶解固体计算从电导率措施之间显示值12945.5和49251.2 mg / L。这些值之间由盐水(> 1000 mg / L)和盐水(> 35000)。所有取样井水库位于β(17,47]。解释地球化学变化CP盐水有必要评估组成和溶质的清除盐沉淀根据图提出的木匠(39)在正常海水的圆圈代表solute-chloride组成;线代表evaporation-dilution曲线的海水和淡水之间的限制(图2)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图2表明,地下水在CP是由高浓度的钠+K+、钙2 +,Cl−。当Cl−浓度增加钠+K+,Ca2 +浓度也增加比率1:1,1:1和2:分别为1(数字2(一个),2 (b),2 (c))。碳酸氢盐离子、镁2 +,有一个低浓度(数据吗2 (d),2 (e),2 (f)),钠+价值观是平行并与各自evaporation-dilution曲线接近重合(图2(一个)),Ca2 +值交叉evaporation-dilution曲线(图2 (b)),和K+也会增加与Cl−但值扩大相对于海水evaporation-dilution曲线(图2 (c))。在CP盐水,Mg2 +谎言浓度远低于海水蒸发轨迹显示重要的元素的损耗。根据Hanor [48和Hanor[]和Kharaka博士1]毫克2 +在卤水浓度降低地下温度升高时,当碱度降低(49]。大陆的蒸发水有更多的水样本中变量浓度范围CP由于蒸发大陆和海洋与大气水(水的混合物50]。
在CP盐水枯竭和丰富的一些主要元素浓度的结果反应与热液过程和水岩相互作用。主要元素浓度控制的改变和形成的矿物质feldspar-K、斜长石、石英、黑云母、角闪石、绿泥石、黄铁矿,斜钙沸石、葡萄石、绿帘石、滑石,报道,莫斯科在CP长老et al。20.)和Izquierdo et al。16)和饱和指数计算值(数据所示3和4)。
K+起源是feldspar-K受制于变更,由俄国人的伊利石、黑云母和形成。非常低的和可以抑制浓度CP水与无水石膏的互动,白云石、滑石、黄铁矿和方解石(表1;数据2和3);长老等人。20.在深度报告黄铁矿的形成。低浓度的毫克2 +和高浓度的Ca2 +可能与白云石化作用的石灰石作为Ca的主要来源2 +;和低毫克2 +内容与绿泥石的进化和云母当温度和深度增加根据矿物学在CP(图3);类似的行为一直在报道之前水热卤水与成岩演化证据(51)(图3)。钠长石反应深度在高温下能与轻微的Na+减少(16,30.,31日]。
4.2。饱和指数
饱和指数的计算结果如图所示4。从这些结果无定形氧化硅(SiO2),钠长石、钾长石和在某些情况下k-mica表现出的行为与液体接近平衡状态。此外,石英、玉髓、滑石和crysocole过饱和的。白云石、方解石和霰石欠饱和在一些网站和过饱和的其他人,与数据的协议2和3。
4.3。Na(赤字)ca(多余)情节
图5被用来解释的初始成分卤水和流动的相互作用的本质。在图中,盆地流体线(BFL)是一条直线与一个单位斜率表示2 na-1ca交换关系(40];BFL代表斜长石的钠长石化水成分的影响。海水蒸发的轨迹是一个表示海水蒸发的自然趋势是由大量积极的和小的负面 ;反应涉及海水蒸发沿着垂直降落,然后产生巨额赤字水平的趋势。岩盐溶解在海水或淡水可以产生负斜率为1:4。
确定CP盐水的起源、地球化学演化,一个评价和应用于解释流动相互作用的初始成分和性质(图5)。CP位于正确的所有分析水样,海水蒸发轨迹(设置)- - - - - -图(图5)表明液体盐水的产物,通过岩盐降水蒸发(沿轴)。CP大量积极的水平线和一个小的负面 ,但流体更丰富比预期从海水蒸发。
白云石化作用产生Ca含量升高,增加不改变 ,并在CP可以解释观察到的现象。其他溶解矿物质可以交互进化过程中盐水除了上述的,如方解石、硬石膏、石英、岩盐,illitization蒙脱石转变。通常,这些地球化学过程分别处理,但在某些情况下的起源与混合过程和不是相互排斥的1]。伊利石形成涉及反应相关的成岩作用:(a)释放的水转换期间的长石高岭石和蒙脱石;(b)硅钾和预算(2,52]。这些过程可以发生在CP。
地质的CP与粘土(图显示了平衡4);地下水显示高浓度的K+。也反应之间的方解石、伊利石和K+形成钾长石可以参与盐水进化。根据结果数据2和5)的起源CP地下水溶解蒸发产品是一个进化的结果(例如,岩盐),剩余残余水在海水蒸发岩的溶解沉淀,和水岩相互作用(例如,粘土、粉砂岩和页岩)但可能略有贡献交换反应1 ca 2 na含水层中斜长石的钠长石化,这可能会改变离子液体的合成(图5卡彭特提出的),按照下列反应(39],Hanor [48],和Demir Seyler [53]:
4.4。超压
4.1.1。B-Cl情节
一些水文地球化学证据(数据2和5B-Cl图(图所示)6)表明,overpressurized流体参与CP地热盐水的进化过程。硼行为有助于定义这些地质环境因为B是由粘土矿物吸附和释放到流体在深环境中,主要由垂直和/或当构造应力横向压实高和温度随深度增加,产生更强的地质变形(10,12,54]。
10/24/11。估计由于上覆岩层压力条件
一些作者(55,56]估计压力在CP深度考虑主机岩石密度在一个特定的深度。获得的值在0.5至42 MPa范围。这些计算只考虑从提取区地热水资源条件,没有从地层岩性信息使用列的每个站点。确认超压的水文地球化学证据,计算确定压力条件下进行使用CP静水和岩石静特性和理论一些盆地环境(图的信息7)。有必要考虑到正常压力随深度根据静水压力梯度(10 MPa /公里),或高或低梯度值,以及相关的深度被认为是异常压力(例如,超压)。静岩压力相当于总电荷覆盖沉积物的地质形成和增加根据静岩压力梯度(23 MPa /公里)10- - - - - -12,57]。
一般来说,超压系统可以发生当孔隙水不开除岩石以适当的速度,剩余的静水压力下。过压的体积岩石必须被低渗层的液体缓慢的地方,即使有高压环境。超压影响行为的有效应力之间的谷物在岩石和生成一个压缩的变化。在世界各地的许多领域活跃的沉降速度,在深层地下水孔隙水压力(> 1公里)高于预计将从静水环境10,57- - - - - -59]。有必要考虑热膨胀的孔隙空间体积(增加)和增加系统的温度由热条件和流体运动和矿物相转变11]。据斯沃布里克et al。11]和Kauerauf Hantschel [12)二级过压的化学胶结孔隙度时可能发生在大深度减少dissolution-diffusive transport-precipitation硅水泥(温度影响diffusion-precipitation速率)或通过流体膨胀过程当气体或热解决方案是起源于高度渗透相相互关联的本地在一定深度产生压实水平,减少颗粒的重排,在孔隙空间。这些条件可能发生在CP含水层(22]。
获得的结果证实CP存在超压(数字7和8)。积极的异常增加深度显示0.6至3.1公里;这种现象可能是由于液压密封。超压的同时,岩性变化CP [22),当沉积材料砂和粘土组成的变化由于粘土和砂页岩和砂岩成岩作用和页岩压实(图7)。在CP,砂岩是由一层低渗透的页岩和粉砂岩为这个过程创造充分的条件。超压在CP盐水可能发生结果的快速沉积,沉积,和积累的细粒度的物料沿时间和沉积物由于压力增加,压缩或膨胀液体的热液作用。
(一)
(b)
(c)
CP的地质证据表明矿物学变化发生在深度,主要由成岩过程(图5)。根据地球化学行为观察CP,矿物溶解沉淀过程可能产生这种现象;渗透、浮力和构造或岩浆过程可以生成矿物学变化(例如,长石伊利石和蒙脱石向伊利石转化),成岩作用,碳酸盐和硅酸盐胶结。在CP、砂岩和页岩单位透露堵塞,矿物溶解,沿着裂隙和矿物沉淀的Vonder哈雾和霍华德(27]。研究区域的方解石溶解和/或胶结更有可能发展,冷水与热石英和钾长石的岩石或降水发生在温泉与冷岩石(16,20.]。Na的交换+通过K+更高的离子半径是在矿物进行转换和固体的体积增加矩阵(12];这个过程是由温度控制和K+可用性的矿物质。
砂岩的渗透率CP促进反应之间的岩石和热液流体(例如,一些矿物的溶解);这些反应可以减少或增加孔隙度和生成二次压裂或微裂缝和修改物理性质(16,21),这可能导致超压(数字7和8)。砂质页岩和粉砂岩相CP是最适合增加微裂缝。在砂岩(高温占主导地位)和页岩CP、矿物溶解沉淀沿着裂隙发生,产生的次生孔隙度和新热液矿物沉淀,导致渗透率的降低。
5。地温测量
碱性长石地温计是最常用的工具来确定化学平衡在液体深度在地热系统(60]。钠/钾和Na-K-Ca地温计开发评估温度高焓地热系统(61年];这些地温计不太受化学reequilibration混合区,但计算的温度可能会影响到混合用冷水或铝钛矿物的沉积或粘土62年]。钠/钾地温计用于温度之间的180和350°C。钠/钾地温计一直在CP(通常用于估计温度36,37,62年]。我们应用(4)和(5)[61年,62年评估CP水库的温度: CP水库的温度范围,计算与Na / K地温计,236和306°C之间的不同(4)和251至318°C (5)(表2)。
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6。结论
CP显示中间盐水(Na-Ca-Cl)高K特征+、钙2 +和盐度的内容;Na的关系+/ Cl−小于1。
孔隙水组成在CP从它的主要起源和演变是由交互修改,矿物质的沉积物质。盐水特点deep-burial成岩作用过程和获得的低品位高温变质作用。结果表明由于压实超压流体的地球化学证据。
CP的地下水样本显示海洋和大陆的混合水;这种情况部分与大陆和蒸发的前兆。水文地球化学证据表明沉积材料颗粒之间的孔隙水,葬礼过程中,被困。成岩过程可能产生高浓度的氯−,Na+K+,Ca2 +。钙浓缩,Na+损耗,和K+释放可能与贡献的交换反应1 ca 2 na的含水层由斜长石的钠长石化或illitization过程,分别和次生矿物的沉淀。高K+和低毫克2 +内容变更相关的feldspar-K、伊利石、黑云母,莫斯科的形成。Ca-Na与斜长石交流可能是地球化学控制液体的CP和可以直接解释轻微和在盐水。
超压在CP和葬礼有关机制;二级超压与化学矿物变化和流体膨胀的压力,从而增加与深度。超压的大小可能是由沉积形成的一些特点(葬礼),渗透率演化沉积材料,岩石和流体的压缩性。二级超压系统中与化学有关的压力和孔隙度的变化由于矿物溶解可以在大深度生成。流体膨胀发生在水库产生压实,重排的谷物,并减少孔隙空间。硼在超压释放条件可以与高K的内容有关+在水里。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢Aguayo。Ceniceros N。,Cruz O. for chemical determinations. The authors acknowledge Comision Federal de Electricidad for support on sampling within the Cerro Prieto Geothermal Field.
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