乌干达西部布兰加地热田地热流体的起源、水文地球化学演化及储层特征

《Journal of African Earth Sciences》：Origin, hydrogeochemical evolution and reservoir characteristics of geothermal fluids from the Buranga geothermal field, Western Uganda

　　

摘要

布兰加地区位于乌干达西部，属于东非裂谷系的东部分支。此前的地球物理和地质研究表明，布兰加地区是开发地热能的最适宜区域。不过，地热流体的起源、水文地球化学演化过程以及储层特征仍不明确。用于分析流体起源和水文地球化学特性的方法包括水文地球化学模拟、主要离子比值分析、同位素示踪以及地温计测定。根据δ¹⁸O和δ²H数值判断，这些地热水是由大气降水与古水混合而成的。气体同位素分析结果显示，二氧化碳的主要来源是地幔。地热水属于Na-Cl型，而非地热水则属于Ca-HCO₃型。温泉中钠离子和氯离子的主要来源分别是硅酸盐的溶解，钙离子、镁离子和碳酸氢根离子则来自相关的硅酸盐矿物，而钾离子则来自含钾矿物，如钾长石。相反，硫酸根离子则是火山起源的无机硫化物氧化后的产物。从流体的水文地球化学过程来看，布兰加温泉水中常见的多数阳离子和阴离子都源自高温水与岩石之间的相互作用。经评估，这些地热流体与围岩处于完全平衡状态。因此，采用最可靠的Na-K（1988）地温计估算的储层温度在160.8℃到163.9℃之间。推测这些地热水的深度在地下2,812米到2,876米之间。

内容节选

背景

近年来，化石燃料的过度使用引发了诸多环境问题，比如资源枯竭、二氧化碳排放过多以及全球变暖（Wang等人，2023年）。随着传统能源资源（即化石燃料）逐渐短缺且需求不断下降，同时人们对清洁能源的需求日益增加，人们开始研究利用中低温地热场的可行性（Finster等人，2015年）。

全球统计数据表明

采样与检测

这项研究对从4个间歇泉采集的4份气体样本进行了成分分析，同时还收集了15份样本用于化学分析（包括13处温泉、1处冷泉以及一口钻孔中的样本）。在δ²H与δ¹⁸O分析中，共使用了20份来自温泉、冷泉和溪流的水样。所分析的同位素包括氢（δ²H_H2O、³H_H2O）、氧（δ¹⁸O_H2O）、碳（δ¹³C_DIC）以及硫（δ³⁴S_SO4），其中DIC代表溶解无机碳。此外还进行了温度的现场测量

同位素组成

布兰加地热流体中气体的平均体积百分比顺序为CO₂ > N₂ > O₂ > CH₄ > Ar > C₂H₆。布兰加地热流体中二氧化碳含量很高，而乙烷含量很低，前者占比在87.04%到95.84%（93.10±4.09%）之间，后者则在0%到0.12%（0.06±0.07%）之间。该地热流体的δ¹³C_{PDB (CO2)}同位素组成范围为-3.78‰到-2.54‰（-3.17±0.65‰）（见表2）。温泉中δ²H的同位素值为-19.4‰到-12.2‰（-14.74±2.71‰），冷泉中的这一数值为-6.4‰到-3‰（-4.78±1.21‰）

二氧化碳

布兰加地热流体中气体的平均体积百分比顺序为CO₂ > N₂ > O₂ > CH₄ > Ar > C₂H₆。布兰加地热流体中二氧化碳含量很高，而乙烷含量很低，前者占比在87.04%到95.84%（93.10±4.09%）之间，后者则在0%到0.12%（0.06±0.07%）之间。二氧化碳是构造活跃或火山活跃区域中常见的气体成分（Li等人，2024年）。布兰加地区的温泉位于东非裂谷系的西侧支脉，该区域地质较为年轻，仍

结论

δ¹³C_CO2的值在-3.3‰到-2.54‰之间，这表明这些二氧化碳可能源自火山活动或地幔活动，也可能是碳质岩石的变质作用产生的。布兰加地热流的δ¹⁸O、δ²H值以及极低的氚含量（小于0.2 TU），都表明这些地热水来源于大气降水，且其中混有古水成分。

这些温泉的总溶解固体含量很高，介于14,000毫克/升到22,400毫克/升之间，属于Na-Cl型，且pH值呈弱碱性，介于7.5到8.7之间，这一特性既反映了蒸发作用的影响，也体现了良好的地热条件

作者贡献说明

MICHAEL OWOR：负责文本撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理、实地调查、概念构思。 DENIS MUTEBI：负责文本撰写——审阅与编辑、数据可视化、项目监督、项目管理。 Ambrose AYESIGA：负责文本撰写——初稿编写、数据可视化、结果验证、软件应用、资源协调、项目管理、研究方法设计、实地调查、资金筹集、正式数据分析、数据整理、概念构思。 BETTY NAGUDI：负责文本撰写——审阅与编辑、结果验证、项目监督、研究方法设计

未引用参考文献

Arnórsson等人，1983年；Fournier和Potter，1979年；Karingithi，2014年；Macgregor，2015年；Yuan等人，2022年；Yuan等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

这项研究是Ambrose Ayesiga在马凯雷雷大学攻读硕士学位时的论文内容之一。作者们感谢乌干达共和国能源与矿产资源部地热资源部门，感谢他们提供了本研究所需的数据集。

Ambrose Ayesiga|Denis Mutebi|Betty Nagudi|Michael Owor

乌干达坎帕拉，马凯雷雷大学地质与石油研究系，邮政信箱7062