粤西沿海高盐度中低温地热系统水化学特征及形成演化

Hydrochemical Characteristics and Formation⁃Evolution Analysis of Medium⁃Low Temperature Geothermal Systems with High Salinity in Coastal Western Guangdong

摘要

沿海地区地热系统易受到海水入侵，导致地热水的盐度升高，降低利用效率，增加利用成本.广东省作为我国重要的中低温地热资源分布区，其沿海地带地热系统的海水入侵情况及其影响作用等仍缺乏系统研究.基于粤西地区35个地热水、1个地下冷水和1个海水的理化数据，综合水化学、同位素及多种图解分析，探讨其水化学特征、海水入侵情况及形成演化.研究结果表明沿海地区地热水明显受到海水入侵影响，具有高盐度的特点，最高混合比例达到41.88%，从内陆到沿海地区，地热水的水化学类型由重碳酸盐型转变为氯化物型.地热水主要补给来源是大气降水，在晚更新世至全新世时期，云开山脉与天露山脉地区的大气降水下渗，与90~126 ℃的热储围岩接触而逐渐升温；而后海进运动使得地热水受到大规模古海水混入，热对流的“抽吸效应”还会加速海水运移，临海地区持续受到海水侵入，最终形成高盐度中低温地热水.

Abstract

Coastal geothermal systems are prone to seawater intrusion, which can increase the salinity of geothermal water, reduce its utilization efficiency, and raise operational costs. As a significant region for medium-low temperature geothermal resources in China, the coastal areas of Guangdong Province still lack systematic research on seawater intrusion into geothermal systems and its impacts. This study investigates the hydrochemical characteristics, seawater intrusion extent and formation mechanisms based on physicochemical data from 35 geothermal water samples, one cold groundwater sample and one seawater sample in western Guangdong Province. Comprehensive analyses including hydrochemistry, isotopes and multivariate graphical interpretation methods, are employed to explore these aspects. The research results indicate that coastal geothermal water exhibits visible seawater intrusion characteristics with high salinity levels, demonstrating a maximum mixing proportion reaching 41.88%. The hydrochemical types evolve from bicarbonate-type in inland areas to chloride-type in coastal zones. The geothermal water is primarily recharged by atmospheric precipitation. During the Late Pleistocene to Holocene period, infiltrated meteoric water from the Yunkai Mountain and Tianlu Mountain areas interacted with geothermal reservoir rocks at a temperature of 90-126 ℃, undergoing gradual temperature elevation. Subsequently, marine transgression events induced large-scale paleo-seawater mixing into the geothermal system, where seawater migration was accelerated by thermal convection “pumping effects”. Thereafter, sustained seawater intrusion has persistently affected coastal areas, ultimately forming medium-low temperature geothermal water with high salinity characteristics.

Graphical abstract

关键词

中低温地热水 / 水化学 / 海水入侵 / 高盐度 / 地热能 / 同位素.

Key words

medium⁃low temperature geothermal water / hydrochemistry / seawater intrusion / high salinity / geothermal energy / isotopes

0 引言

地热资源作为一种可再生的绿色、低碳、清洁能源，因其储量巨大、用途众多、分布广泛等特点，受到了国际社会的高度关注（庞忠和等，2012；Zhu et al.， 2015）.我国地热资源丰富，约占全球地热能储量的7.9%（Zhu et al.， 2015）.其中，高温地热资源（热储温度≥150 ℃）具有能量转换效率高，可利用价值高的特点（Zhang et al.， 2019）.而中低温地热资源（热储温度30~150 ℃）的优点在于地域覆盖广，开发利用条件便利，同样拥有广阔的发展前景.

广东省位于欧亚板块的东南沿海地区，是我国中低温地热资源最丰富和温泉资源储量最高的省份之一.全省已探明所有地级市均有地热温泉出露，其中低温以上的天然温泉数量超过三百处（Luo et al.， 2022）.然而，沿海地热系统易受到海水入侵的影响，使得地热水盐度升高.高盐度会降低地热水的利用效率，导致设备结垢、腐蚀加剧等问题，增加资源开发成本，影响地热能的可持续利用.因此，研究沿海地热系统的水化学特征及海水入侵机制，对于优化地热资源的开发与利用具有重要的科学价值和工程意义.已有多位学者对广东省沿海地区地热水的高盐度来源进行了分析，但结论尚存争议：徐钫一鸣和卢国平（2017）将新洲地热田的热咸水解释为地热水和海水的混合作用；Mao et al.（2021）根据饱和指数和主要离子与TDS（总溶解性固体）的关系，认为新洲地热田的高盐度主要来源于盐岩溶解，地热系统中并未发生海水侵入；Yuan et al.（2022）研究了广东沿海地区地下咸热水的水文地球化学演化，认为Cl型地热水存在海水侵入的迹象.前人的研究多将范围集中于新洲地热田，缺乏对海水入侵的具体情况和发生时期的深入分析，同时未充分考虑地热系统与海水入侵的相互作用.

本研究选取粤西沿海地区中低温地热系统的地热水为研究对象，在分析地热水化学特征的基础上，利用同位素、离子比值、海水与淡水混合比例分析等方法，对其化学组分、来源、海水混染程度等进行探讨，结合古海平面的变化构建了粤西高盐度中低温地热水的形成演化模型，并考虑了地热对流对流体横向运移的作用，为广东省及其他沿海地区中低温地热资源的进一步勘探、开发和利用等提供一定依据.

1 研究区概况

研究区为广东省西南部沿海地区，包括阳江市、茂名市、云浮市、恩平市、台山市和开平市，地理坐标范围为东经110°56′32.2″~ 112°58′54.4″，北纬21°28′34″~22°34′38.9″.该地区地热资源丰富，其中阳江新洲地热田温泉水的出露温度最高、流量最大.研究区受季风影响明显，属于亚热带季风气候，年平均气温在21~23 ℃，年平均降雨量一般在1 800~2 500 mm.

研究区三大岩类齐全，自元古宙到第四纪地层均有不同程度的出露，伴有沉积间断，其中出露面积较大的沉积岩是泥盆纪（D）粉砂岩、细砂岩和第四纪（Q）砂、粉砂、松散砾石、砂质黏土和黏土.区内岩浆侵入活动较为强烈，按其发生时代，主要有加里东期、海西‒印支期和燕山二期，岩性主要为黑云母花岗岩、二长岩和闪长岩等，研究区地热水的热储围岩主要为晚侏罗世的黑云母二长花岗岩（ηγJ₃²；汪啸，2018）.受原岩类型、岩浆侵入活动、韧性和脆性断裂等作用的影响，区内形成了多种岩性复杂的变质岩，包括变质砂岩、千枚岩类、板岩类、片岩类和片麻岩类等.

研究区在大地构造上处于粤中地块，华南褶皱系粤中拗陷的西南段.燕山运动期间，拉张作用使得岩石圈减薄，为地热资源的形成创造了良好的地质构造环境（Wang et al.， 2022）.同时，该时期侵入的花岗岩产热量在3~10 μW/m³，为华南盆地带来了高放射性热量（Zhou et al.， 2020；Li et al.， 2021）.喜山运动期间，太平洋板块和亚欧大陆之间不断挤压碰撞，强烈的构造活动造就了众多断裂带，如NE向的恩平‒新丰断裂带和吴川‒四会断裂带等（Wang et al.， 2013；Kuang et al.， 2021），研究区就处于这两大断裂带之间（图1）.切割较深的深大断裂带能够沟通深部软流圈地幔物质，形成局部软流圈上隆区，将深部热量传导至地壳上层，提高区域大地热流值.广东省的大地热流平均值为74.0 mW/m²（汪啸，2018），高于全国平均值 63.0 mW/m²（王一波等，2024），研究区的部分区域大地热流值甚至高于80.0 mW/m².高大地热流值与生热花岗岩共同组成了研究区地热水的热量来源，而多次强烈的岩浆活动和深大断裂带的反复活动则为中低温地热资源提供了有利的储层和构造通道（Feng， 2023；Li et al.， 2024；熊波等，2024）.

2 样品采集与测试方法

本研究共采集12组温泉水样（图1和附表1：W⁃01~W⁃12），每组水样设置3个平行子样，分别用来测试水样中的阳离子、阴离子、氢氧同位素.其余水样数据来源于Yuan et al.（2022）（附表1： W⁃13~W⁃23、Z⁃01~Z⁃05、地下冷水和海水），Wei et al.（2021，2024）（附表1：W⁃24~W⁃26、Z⁃06~Z⁃09）.

在采样时，使用注射器和0.45 μm的微孔滤膜对采集的水样进行过滤，将过滤后的水样转移到预先用所采水样润洗3次后的50 mL HDPE瓶中，在此过程中，保证水样充满整个采样瓶，以排尽瓶内多余空气，贴上标签避光保存.采用超纯硝酸对用来测试阳离子（K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺等）和微量元素的水样进行酸化，直至水样的pH值低于2.用来测试水样中阴离子（F^-、Cl^-、Br^-、SO₄^2-等）和同位素（δD和δ¹⁸O）的样品则不需要进行特殊处理.

现场采样时，对于易变水理化参数：温度（T）、pH值和TDS等，使用哈希多功能参数测试仪（HQ40D，美国Danaher）进行现场测定，样品的碱度则采用浓度为0.052 mol/L的盐酸标液进行现场滴定.

采用离子色谱仪IC（761/813型，瑞士万通）对阳离子（K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺）和阴离子（F^-、Cl^-、Br^-、SO₄^2-等）进行测定，微量元素则采用ICP⁃MS（IRIS INTREⅡXSP，美国Thermo Electron）进行测试，氢氧同位素使用同位素水质分析仪（IWA⁃35EP，美国LGR）进行测定，数据结果根据VSMOW标准得出，δD及δ¹⁸O的测试误差分别为±0.5‰和±0.15‰，以上测试工作均在中国地质大学（武汉）地质微生物与环境全国重点实验室完成.

3 水化学特征

3.1　水化学类型

地热水样的水化学特征统计结果见附表1.区内热水温度为42.00~97.50 ℃，平均值为70.53 ℃，属于中低温地热资源，变异系数特征表明地热水温度的空间变异性较小.pH为6.61~9.48，平均值为8.02，属于弱碱性水.TDS值为130.00~11 800.00 mg/L，平均值为2 589.45 mg/L，其变异系数为1.37，表明其空间变异性很大，参照地下水分类标准（张人权等，2018），区内微咸水样占比17.14%，咸水样占比17.14%，盐水样占比8.57%，表明区内地热水盐度总体偏高.地热水中阳离子平均含量Na⁺>Ca²⁺>K⁺>Mg²⁺，阴离子平均含量Cl^->SO₄^2->HCO₃^->F^->Br^-，除HCO₃^-和F^-外，其余离子均表现出强烈的空间变异性.除F^-和SiO₂外，总体上呈现出距离海洋越近，TDS与各离子含量越高的趋势，而F^-表现出相反的特征，SiO₂含量变化则较小，主要在高水温水样中含量较高.

将地热水的K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、HCO₃^-、SO₄^2-的离子浓度转换为毫克当量浓度后，投影到Piper三线图上（图2）.研究区地热水中阳离子以Na⁺为主，部分热泉水含有较高含量的Ca⁺，热泉水中阴离子以HCO₃^-和Cl^-为主，热井水以Cl^-为主.地热水水化学类型多样，主要为Cl⁃Na·Ca、HCO₃⁃Na、Cl⁃Na型，结合采样点平面分布特征，研究区临海距离由远及近，地热水水化学类型逐步由重碳酸盐型转变为氯化物型，在内陆阳春市地区（Z⁃03）还存在硫酸盐型地热水，结合TDS空间分布特点可以推测研究区地热水受到了不同程度的海水入侵.

3.2　氘氧同位素特征

研究区地热水中的δ¹⁸O和δD值分别介于-7.40‰~-5.00‰和-48.7‰~-32.1‰，其平均值分别为-6.48‰和-41.9‰.将水样的δ¹⁸O和δD值绘制在散点图上，得到图3a.图中所有样品均落在当地大气降水线（LMWL）和全球大气降水线（GMWL）（Ndikubwimana et al.， 2020）附近，表明研究区地下热水主要接受大气降水补给，属于大气降水成因地热水.部分样品明显偏于LMWL和GMWL的右侧，其主要分布在沿海地区，且在piper三线图中靠近海水端元的位置分布，表明¹⁸O的富集主要是由海水混入导致.同时，含水层岩石相较于地下水具有高δ¹⁸O、低δD的特点（杨超等，2024），地下热水与岩石矿物经长期同位素交换作用后会在δD⁃δ¹⁸O关系图上向右移动.

当地下水主要补给来源是大气降水时，可以利用其高程效应估算地下水的补给区海拔高度（杨超等，2024）.同位素交换反应和分馏作用对于δD的影响远小于δ¹⁸O，选择δD进行海拔高度计算的结果更加可靠（公式1）.图3b表明补给区海拔范围在590~1 400 m，平均海拔931 m.高度范围与研究区西北部云开山脉‒天露山脉地区较为一致，推测研究区地热水主要是降雨在地质历史时期从云开山一带下渗补给的.

H=h+(-\mathrm{\delta }{D}_{\mathrm{p}}-\mathrm{\delta }D)/\alpha，（1）

其中：H为补给区海拔高度，m；h为采样点位海拔高度，m；δD_p为当地大气降水的氘同位素组成，为-60.1‰（袁建飞，2013）；δD为地热水样品的氘同位素组成，α为广东省的氘同位素高程梯度，取-2‰/100 m（陈珲等，2022）.

3.3　 ¹⁴C定年

地热水的循环深度较深，更新速度慢，可选用¹⁴C测年法对研究区地热水样进行年龄的测定.由于难以确定地热水中的初始¹⁴C含量，且含水层中存在着很多影响¹⁴C含量的因素，比如含碳物质中的碳同位素交换反应（朱东波等，2020），为正确测定水体的年龄，需要采取一定的方法对地下水年龄进行校正.利用①Vogel模型、②Tamers模型、③Pearson模型、④Gonfiantinie模型、⑤Mook模型、⑥Frontes⁃Garnier模型计算后，由于③、④、⑤、⑥的结果均出现负值，最终使用以下校正模型：①Vogel模型、②Tamers模型，并取两个模型的平均值，测定结果如图4所示.

校正后的结果显示，研究区地热水的¹⁴C年龄在2 744~27 690 a之间，属于晚更新世‒全新世时期.其中，最年轻的地下水存在于新兴县地区（W⁃22），最高值在阳春市圭岗镇（W⁃18）.在内陆地区阳春市北东一带分布着高值区域，地热水年龄较老，表明该区域的热储流体进行了深部循环，地热水滞留时间长.整体上，研究区地热水的年龄差值较大，在空间上分布不均，在高值区域也存在着较为年轻的地热水，表明研究区内的地热系统具有一定的独立性，并非大区域的地下水径流模式，水平运移路径较短.

4 地热水形成演化

4.1　混合作用

4.1.1　海水入侵标志

在地热水与海水混合的过程中，保守组分（Cl^-、I^-、B^-和Br^-）受矿物溶解平衡的影响相对较小，仍保留着其来源的端元特征存在于混合水体中，故保守组分常被用来识别水体的混合过程和程度，非保守组分（K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和HCO₃^-）与某些保守组分（如Cl^-）的比值常被用来判断地下水的盐分来源.通常将Cl^-含量为250 mg/L（李雪和叶思源，2016；李志威等，2020）和TDS值为1~2 g/L（李志威等，2020）作为判断海水浸染的界限值.研究区水样中有12个样品的Cl^-含量远高于250 mg/L，15个样品的TDS值处于1.0~11.8 g/L.海水中Na⁺和Cl^-的含量比较稳定，不同海域其波动值在2%以内（Möller， 1990），标准海水的Na⁺/Cl^-比值约为0.87，小于该值表示地下水可能受到了海水入侵的影响（Vengosh and Rosenthal， 1994；Krishna and Achari， 2024）.由图5a可知地热水样中有19个点位Na⁺/Cl^-值小于0.87，9个点位Na⁺/Cl^-值远小于0.87.此外，Br^-在地下淡水中的含量通常很低，而在海水中含量较高，因此Br^-/Cl^-可以用来判断地热水中的盐分来源，指示海水入侵程度.标准海水的Br^-/Cl^-比值为3.47×10^-3，研究区实测海水的Br^-/Cl^-为3.58×10^-3.图5b中，接近或位于海水稀释线之上的水样属于海相来源，盐岩溶解线的Br^-/Cl^-比值为1.00×10^-3，接近或位于该线之上的水样来源于盐岩的溶滤作用.地热水样中共有17个点位检测出Br^-，其中15个接近或位于海水稀释线上方.

综合Cl^-、TDS、Na⁺/Cl^-和Br^-/Cl^-四个指标的分析结果，发现这些指标的异常点位高度重合，这表明研究区确实受到了不同程度的海水入侵.

4.1.2　混合比例

为定量说明海水入侵造成的海水与地热水混合程度，本研究将海水和地下淡水作为两个端元，计算地热水样品中海水的混合比例（F）.Cl^-是地下水中的保守示踪剂，与地下淡水和含水介质的反应程度很小（Wang et al.， 2021；Jiang et al.， 2022），对海水入侵结果的反映具有良好的代表能力，因此选取Cl^-作为混合比例的计算指标.海水端元Cl^-浓度为14 256.9 mg/L，淡水端元选择距海较远的低TDS（336 mg/L）的HCO₃·SO₄⁃Na型水 W⁃18的Cl^-浓度.其计算公式（赵长荣等，2012）如下：

f=(C_{\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}}-D_{\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}})/(S_{\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}}-D_{\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}})\times \mathrm{100}\mathrm{\%}，（2）

其中：f为以Cl^-为计算指标的海水与淡水的混合比例；C\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}是地热水样中Cl^-的浓度，mg/L；D\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}是淡水端元Cl^-的浓度，10.14 mg/L；S\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}是海水端元Cl^-的浓度.研究区内共有18个地热水样的混合比例超过1%，9个点位的混合比例达到10%以上，最大值为阳西县W⁃04的41.88%.将计算结果进行经验贝叶斯克里金插值得到图6，混合比例的分布结果与临海距离呈明显负相关关系，在海滨地带混合比例最高，向北逐渐降低，在电白区西南、阳西县、台山市东部和西南地区形成四个高值中心.将5.01%~10.00%分区的上界线作为研究区的海侵界线，海侵界线以上的点位划分为内陆组（19个点），界线以下的点位划分为临海组（16个点），以进行后续分析.

4.2　水文地球化学相演化

水文地球化学相演化图（HFE⁃D）（Giménez⁃Forcada， 2014）通过阴阳离子的百分比分布来指示沿海含水层海水入侵和淡水淡化阶段，其可分出4种异质相，分别是：Na⁃Cl海水相（4）、Ca⁃HCO₃/SO₄淡水相（13）、Ca⁃Cl相（16）和Na⁃HCO₃/SO₄相（1）两个咸水相.据图7，地热水样均未沿着保守混合线（CML）进行相序演化，说明混合过程较为复杂，碱基交换反应的影响较为明显.临海组水样主要分布在海水相，在海水入侵地热系统的初期，首先会发生咸淡水混合（Ⅰ），致使地热水的盐度增加，与此同时发生反向离子交换作用（Ⅱ），含水层介质捕获Na⁺、释放出Ca²⁺，如式（3）所示，因此地热水中阳离子仍以Ca²⁺为主，使得地热水从Ca⁃HCO₃相演化为Ca⁃Cl相（点Z⁃04）.随着海水入侵的不断进行，地热水和海水发生进一步混合（Ⅲ），最终演化为Na⁃Cl相（16⁃12⁃8⁃4）.临海组除W⁃03和Z⁃09外均分布于CML下方，表明沿海地区地热水正处于咸化阶段，其仍在受到海水入侵的影响.

2Na⁺+Ca-X₂→2Na-X+Ca²⁺，（3）

Ca²⁺+2Na-X→Ca-X₂+2Na⁺.（4）

内陆组水样主要分布在Na⁃HCO₃/SO₄相，而点W⁃09、W⁃25、Z⁃03位于海水相和Na⁃MixCl相交界附近.当淡水冲刷高盐度地热水时，Cl^-含量下降，并引起正向离子交换作用（Ⅱ'），含水层介质捕获Ca²⁺、释放Na⁺，如式（4）所示，地热水从Na⁃Cl相向Na⁃HCO₃相演变（4⁃3⁃2⁃1）， W⁃09、W⁃25、Z⁃03正处于这一演化路径上（Ⅰ'）.内陆组除Z⁃08外均分布于CML上方，且多数水样距离CML较远，表明内陆组淡化趋势较强.

4.3　水岩相互作用

饱和指数（SI）可以反映出水溶液溶解和沉淀矿物的能力，进而揭示地热水中所发生的水文地球化学过程（Nath et al.， 2008）.SI=0时，矿物处于平衡状态；SI>0时，矿物处于过饱和状态，趋于沉淀； SI<0时，矿物处于非饱和状态，趋于溶解.利用PHREEQC计算研究区所采地热水水样的SI，结果如图8.总体上，研究区地热水中硬石膏（CaSO₄）的SI<0，表明硫酸盐类矿物处于未饱和状态；大部分水样中文石（CaCO₃）和方解石（CaCO₃）的SI在-0.5~0.5范围内波动，说明碳酸钙类矿物在地热水中趋近于平衡状态，部分发生沉淀；白云石（CaMg（CO₃）₂）的SI<0，说明碳酸钙镁类矿物尚未达到平衡状态，仍能继续溶解；大多数水样中萤石（CaF₂）的SI在-0.5~0范围内波动，即将达到平衡状态；岩盐（NaCl）和钾石盐（KCl）的SI基本都小于-5，说明石盐矿物远未达到饱和，能够继续溶解；石英和玉髓的SI值主要处于-0.5~0.5之间，表明其在地热水中基本达到平衡状态.内陆组除硫酸盐类矿物与岩盐矿物外，其余矿物相较临海组均更接近于平衡状态，这可能是由于CaSO₄和氯盐的溶度积明显大于其他盐类，且在海水中具有更高的含量.

Gibbs图（Gibbs， 1970）可表征地下水中阳离子比γNa⁺/γ（Na⁺+Ca²⁺）和阴离子比γCl^-/γ（Cl^-+HCO₃^-）与TDS的关系，并将天然水体水化学特征的主要控制因素划分为蒸发浓缩作用、水岩作用和降水作用.在图9a中，多数水样的Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）比值分布在三个主导区域之外，表明研究区地热水的离子组成受到多个过程的混合影响，而在图9b中，内陆组水样集中于水岩作用区内，表明其水化学特征主要受到水岩相互作用的影响，而临海组水样如图9a中同样靠近当地海水端元，指示出海水混合的影响.

若地下水中的Ca²⁺/（HCO₃^-+SO₄^2-）比值大于1，则说明地下水受到深部卤水上涌的影响（Vengosh and Rosenthal， 1994），研究区地热水样中80%的样品的Ca²⁺/（HCO₃^-+SO₄^2-）值均小于1，故受深部卤水影响的可能性较小.而从SI值和Gibbs图可以看出内陆组地热水的水岩相互作用程度高于临海组，在排除深部卤水上涌的影响后，表明偏内陆地区地热水的组分主要来源仍是水岩相互作用，靠海洋地区地热水的组分主要来源明显有海水加入.

4.4　热储温度

4.4.1　地热温度计

热储温度是评价地热资源的基本参数，常用地热温标法进行计算，如阳离子温度计、SiO₂温度计.地热温标的应用前提是水溶液与矿物达到平衡状态，采用Na⁃K⁃Mg三角图（Giggenbach， 1988）进行判断.将在研究区内所采水样的Na⁺、K⁺和Mg²⁺浓度投影到Na⁃K⁃Mg三角图中，图10表明，多数水样处于部分平衡水区域，内陆点位中W⁃14、W⁃19水样处于完全平衡区域.内陆组一条相关性较好的Na⁃K比温度线指示热储温度在190 ℃左右，表明研究区地热水受到冷水混合作用的影响，冷水的混合会使地热水被稀释，平衡状态降低.地热水在发生冷却的过程中，富含钠钾的矿物会发生再平衡，但Na⁃K比值并不受到沸腾及传导冷却的影响（Giggenbach， 1988），受混合作用及蒸发作用影响也较小（Nitschke et al.， 2018）.但在中低温地热系统中，高Ca²⁺含量会显著提高Na⁃K温度计的计算结果（李洁祥等，2024；赵钵渊等，2024），而Na⁃K⁃Ca地热温度计可以很好地克服这一问题（Fournier and Truesdell， 1973）.此外，SiO₂含量也与热储温度密切相关，且研究区样品中石英和玉髓均已基本达到平衡状态.因此，本研究选用Na⁃K温度计、Na⁃K⁃Ca温度计和SiO₂温度计进行热储温度的计算.

阳离子温度计和SiO₂温度计计算结果见表1，临海组和内陆组温度计算结果相似：对于Na⁃K温度计，由于三角图表明多数地热水样并未达到完全平衡，因此该温度计结果并不适用（姜颖等，2023；王思佳等，2024）；临海组Na⁃K⁃Ca温度范围为118~242 ℃，平均温度为160 ℃，内陆组温度范围124~218 ℃，平均温度为161 ℃，该温度计与热储层中任何特定的矿物平衡皆无关（Li et al.， 2020），结果相较于Na⁃K温度计更为合理；石英温度计在无蒸汽损失和最大蒸汽损失条件下平均温度均在110 ℃左右，玉髓温度计均在85 ℃左右，但多个水样的玉髓温度计结果低于采样温度，表明玉髓温度计并不适用.Na⁃K⁃Ca温度计和石英温度计计算结果差距较大，可能是受到混合作用的影响，结果仅具有一定参考意义，还需要结合其他计算方法校正.

4.4.2　硅焓模型

硅焓模型能够计算理想状态下的热储初始温度，并且适用于有冷水混入的地热水样（Truesdell and Fournier， 1977）.该模型以流体焓值作为横坐标，流体中SiO₂含量为纵坐标，将当地冷水和地热水划分为两个端元，两个端元数据连接为一条直线并延伸，该直线与石英无蒸汽损失线交于一点，交点焓值对应温度即为未发生蒸汽损失的热储温度.直线与当地沸点对应焓值的垂直线相交，过交点作X轴的平行线，平行线与石英最大蒸汽损失线的交点温度即为发生最大蒸汽损失的热储温度.

临海组由于受到明显海水混入的影响，冷水端元添加了海水数据.根据该模型（图11），若混合前没有发生蒸汽损失，临海组热储温度为212 ℃和115 ℃，内陆组热储温度为226 ℃和126 ℃；若混合前发生蒸汽损失，临海组热储温度为151 ℃和110 ℃，内陆组热储温度为157 ℃和115 ℃.拟合线2、4得到的温度与石英温度计计算结果相似，拟合线1、3最大蒸汽损失的温度与Na⁃K⁃Ca温度计接近.

4.4.3　多矿物平衡图解

多矿物平衡法（Reed and Spycher， 1984）提出当多数矿物在某一温度下趋于平衡时，该温度即为热储温度.选择微斜长石作为强制性平衡矿物，通过FixAl修正后，以20 ℃为步长，使用PHREEQC程序计算在20~200 ℃的温度范围内部分地热水样的矿物饱和指数，并绘制温度与饱和指数的关系，如图12所示，热储温度范围在75~133 ℃之间，同样与石英温度计的计算结果相似.

3种不同的热储温度计算方法得到的结果具有一定的重合性，因此，笔者认为研究区的热储温度介于90~126 ℃.

5 地热流体演化概念模型

晚更新世至全新世海平面变化（张虎男和赵红梅，1990）已绘制于图4中，研究区内大部分地热水形成时期，其海平面高度远低于现今海平面，海水水头压力相对较小，故海水在地热水形成初期就混入地热系统内的可能性较小；在距今15 000 a左右，古海平面开始大幅度抬升，不断向陆地侵入；在距今6 000 a左右，海平面达到最高水平，高出现今海平面5~10 m，到达阳春市新洲地区（Z⁃01、Z⁃02）（图13），临海组多个采样点被海水覆盖或处于海陆交界带，海水能够侵入地下淡水含水层或进入岩石裂隙和断裂带中被封存下来.而研究区地热水在热力学浮力的驱动下沿构造通道上升，使得封存的海水混入地热水中.同时，热驱动作用引发热对流，地热水的持续快速上升形成“抽吸效应”，带动水平方向的流体运动，从而加速临海一侧海水的侵入（图13）.该作用对于一般的地热系统可能并不显著，但广东省整体具有高大地热流值，分布有大量地热水出露点，能够增强这一效应，徐钫一鸣和卢国平（2017）在对新洲地热田的研究中通过数值模拟试验也证明了这一机制的可能性，这也能够解释部分采样点具有高混合比例海水和较高海拔地区的地热水同样有海水混入的原因.随着海平面逐渐下降并在现今海平面附近波动，海水楔后退，相对远离海岸的地热水受到海水入侵的影响减弱，并受到来自淡水的冲刷，逐渐淡化，最终形成重碳酸盐型地热水.同时，在内陆一侧，“抽吸效应”主要带动地下淡水运移，由此影响淡化的过程.沿海地区的地热水则持续受到海水混染的影响，形成氯化物型地热水.

综上，可以得到研究区地热水的形成演化概念模型（图13）：晚更新世至全新世时期，云开山脉‒天露山脉地区大气降水下渗至地下深处，与温度约90~126 ℃的热储层接触，通过吸收围岩热量不断升温，形成地热水；地热水在沿断裂带或侵入体边缘向地表运移的过程中，与全新世中期海进活动带来的古海水混合，温度下降，地热水的盐度升高，形成高盐度地热水.

6 结论

本文主要研究了粤西沿海中低温地热系统地热水的水化学特征及其形成演化过程.首先对其水化学特征与类型进行分析，判断海水混染程度，而后通过同位素特征分析地热水主要来源及形成时期，根据研究区海平面历史变化特征推断海水入侵的时期，建立了研究区地热水的形成演化概念模型.主要结论如下：

（1）研究区地热水属于中低温地热资源，具有盐度较高的特点，其水化学类型多样，从内陆到沿海地区，地热水水化学类型由重碳酸盐型转变为氯化物型，Cl^-、TDS单指标以及Na⁺/Cl^-、Br^-/Cl^-离子比值证明研究区地热水受到海水混合的影响，最高混合比例达到41.88%，内陆组地热水化学组分主要来源于水岩作用，临海组地热水化学组分主要来源于水岩作用和海水.

（2）地热水的主要起源为晚更新世至全新世时期云开山脉‒天露山脉地区的大气降水，年龄差值较大且空间分布不均，表明研究区地热系统具有一定的独立性.

（3）根据石英温度计、硅‒焓模型、多矿物平衡图解计算出研究区地热水的热储温度为90~126 ℃，为中低温热储.

（4）研究区地热水的形成演化概念模型：大气降水下渗至地下深处，经循环加热后，在上升运移至地表的过程中，受到古海水侵入，并在热对流驱动下加速海水的横向运移，而沿海地带持续受到影响，最终形成高盐度地热水.

附表见https://doi.org/10.3799/dqkx.2025.108.

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基金资助

地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项(2024ZD1003601)

国家自然科学基金项目(42202334)