天津地區(qū)地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征

天津地區(qū)地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征

天津擁有豐富的地?zé)豳Y源。地?zé)豳Y源通常用于城市居民的冬季供暖、生活用水、溫泉清潔、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)使用等用途，極大地改善了天津的城市環(huán)境和生活條件。薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層是天津地區(qū)主要的開采熱儲(chǔ)層之一,合理開采對天津地區(qū)地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要,因此,對鉆探該熱儲(chǔ)層類型的地?zé)峋牡刭|(zhì)與地?zé)崃黧w水文地球化學(xué)特征的研究,對于指導(dǎo)可持續(xù)利用具有重要意義。1熱對井的控制和引導(dǎo)作用區(qū)域上大的構(gòu)造主要有2組:北北東向褶皺斷裂帶和北西西向斷裂帶,地?zé)岙惓^(qū)的形成明顯受活動(dòng)性斷裂的控制,基底凸起對地?zé)岙惓Ｒ灿泻艽笥绊?。SR28、SR29地?zé)釋挥谔旖蚴袞|麗區(qū)東麗湖溫泉旅游度假區(qū)內(nèi),井位坐標(biāo)分別為SR28:x=20542092,y=4339340;SR29:x=20542470;y=4340215。對井在地質(zhì)構(gòu)造上處于滄縣隆起之大小東莊凸起的西緣,滄東斷裂帶附近,山嶺子地?zé)岙惓^(qū)中心(圖1)。該地?zé)釋責(zé)崃黧w的存儲(chǔ)和運(yùn)移明顯受到滄東斷裂帶的影響和控制。趙蘇民等認(rèn)為:滄東斷裂在上地殼淺部能將下部熱儲(chǔ)層高位熱能以熱對流形式傳遞到淺部,影響范圍隨遠(yuǎn)離斷裂帶而減弱,整體上斷裂帶及兩盤巖體具有廣泛的從北東向南西的較強(qiáng)導(dǎo)水能力,但在局部有一定的差異性。另外,地?zé)釋幍纳綆X子地?zé)崽餅榈責(zé)崴挠行碓础Ｔ摰責(zé)崽镂挥跍婵h隆起北端的大小東莊凸起之上,是以元古界地層為核心的短軸半背斜。地?zé)崽镏饕芍性沤缣妓猁}巖形成的巖溶—裂隙型熱儲(chǔ)和新近系碎屑巖形成的孔隙—裂隙型熱儲(chǔ)組成,第四系形成地?zé)崽锏纳w層。2中、上元古界天津地區(qū)絕大部分被第四系覆蓋,基巖露頭僅出現(xiàn)在薊縣北部。在廣大覆蓋區(qū)內(nèi),第四系之下存在中、上元古界,古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系,中生界三疊系、侏羅系、白堊系和新生界新近系。SR28、SR29地?zé)釋巺^(qū)域?qū)儆谛律鷽_積平原,鉆遇的地層深度及巖性描述見表1。3井底層裂隙厚度中元古界薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層是天津地區(qū)主要的開采熱儲(chǔ)層之一,其地?zé)崴x存條件好,水溫高,單井出水量大,水質(zhì)好,回灌效果佳,SR28、SR29地?zé)釋捎么藷崃黧w儲(chǔ)集層作為開采和回灌目的層。根據(jù)測井解釋成果圖,SR28井目的層揭露厚度508.99m,一、二類有效取水層裂隙厚度分別為32.1m和26.6m,孔隙度為2.52%~8.65%,滲透率為(0.1~3.71)×10-3μm2,泥質(zhì)含量為4.01%~8.68%;SR29井目的層揭露厚度為534.01m,一、二類有效取水層裂隙厚度分別為14.65m和36.72m,孔隙度為4.46%~19.05%,滲透率為(0.86~101.98)×10-3μm2,泥質(zhì)含量為4.93%~9.65%。通過抽水試驗(yàn)測得:SR28井出水溫度為102℃,出水量為132.99m3/h;SR29井出水溫度為98.5℃,出水水量為126.04m3/h。通過水質(zhì)化學(xué)全分析,測得地?zé)崴懈髟亟M分含量見表2。3.1主要的離子函數(shù)3.1.1熱井na+與k+摩爾濃度配比陽離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+與陰離子Cl-、SO2-42?4、HCO-3是SR28、SR29地?zé)峋闹髟?。其中Na+與K+是天津地?zé)崃黧w中最主要的陽離子,但是K+的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Na+,這是因?yàn)镵+在地殼中為營養(yǎng)元素容易被植物吸收,另外K+為成礦元素,尤其在較高的溫壓條件下大量參與并形成不溶于水的次生礦物,如水云母、蒙脫石、絹云母等,SR28、SR29地?zé)峋甆a+與K+摩爾濃度百分比之和均占到整個(gè)陽離子的89%。Ca2+、Mg2+堿土金屬主要來源于碳酸鹽的溶解與遷移,在地下水中,一般Ca2+比Mg2+含量要高,因?yàn)镸g2+容易參與次生礦物的形成,SR28、SR29地?zé)峋瓹a2+約是Mg2+的3倍之多。Cl-主要來源于地下水流經(jīng)含氯巖鹽礦床或巖石中的巖鹽(NaCl、MgCl、CaCl等)而聚集的,Cl-不容易被地層所吸附而大量存在于地下水溶液中,SR28、SR29地?zé)峋诧@示了這一地下水特征,Cl-的摩爾濃度百分比均占到整個(gè)陰離子的近50%。SO2-42?4一般認(rèn)為是地下水流經(jīng)含石膏礦物的巖石時(shí)將巖石中的石膏等硫酸鹽溶濾形成的,另外硫化物礦床氧化帶氧化產(chǎn)物的溶解也是地下水中SO2-42?4來源之一,SO2-42?4也是地?zé)釡厝械闹饕庪x子。在地下水中,當(dāng)pH值在5~8時(shí),碳主要以HCO-3型式出現(xiàn),SR28、SR29這兩口井的地?zé)崴畃H值分別為7.96和7.82,HCO-3主要來源于碳酸鹽巖的溶解,碳酸鹽巖在本區(qū)域內(nèi)廣泛存在,如奧陶系和寒武系的灰?guī)r、青白口系的泥灰?guī)r、薊縣系霧迷山組的白云巖,都是HCO-3的有效來源。3.1.2地下水滲流對抗高、廢水污染的成分Mn與Fe在內(nèi)生條件下常共生在一起,在表生條件下由于風(fēng)化時(shí)環(huán)境pH值不同,兩者可能發(fā)生分離。Mn和Fe的水文地球化學(xué)特征受Eh、pH控制。天津地?zé)崃黧w中的Mn主要以+2價(jià)氧化態(tài)形式存在,本次水質(zhì)分析沒有區(qū)分Fe2+、Fe3+,給出的是總鐵的含量。地下水中有關(guān)Mn、Fe含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)pH值為7.9時(shí),Mn、Fe含量分別為0.06mg/L、0.03mg/L。水質(zhì)分析結(jié)果顯示SR28、SR29地?zé)峋甅n的含量以及SR28地?zé)峋瓼e的含量與上面論述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致,SR29地?zé)峋瓼e的含量偏高。N、P在地殼中屬于營養(yǎng)元素,地下水中NH+4、NO-2、NO-3的形成與含蛋白質(zhì)有機(jī)生物的分解有關(guān),PO3-43?4主要來源于磷酸鹽的溶解。NH+4、NO-2、NO-3可以作為地下水污染的指標(biāo),SR28、SR29井的NH+4、NO-2、NO-3、PO3-43?4含量甚微,屬于未污染的天然水。3.2熱儲(chǔ)溫度與溫度的關(guān)系SiO2廣泛存在于地殼中的各種巖石和礦物里,在一般環(huán)境下SiO2的溶解十分緩慢,受溫度和壓力的影響比較大。Fournier等人在20世紀(jì)七八十年代通過大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M,研究了不同溫度、壓力條件下SiO2的溶解平衡問題,建立了一些十分有效的平衡方程式,同時(shí)也提出過利用井、泉水的SiO2含量來預(yù)測熱儲(chǔ)溫度,在0~250℃溫度區(qū)間內(nèi)不同礦物相SiO2的溶解度都隨溫度升高而增大。陳墨香等在1988年利用華北地區(qū)和廣東省大量地?zé)崴畼臃治鲑Y料統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明,小于100℃的低溫?zé)崴梢岳肧iO2地?zé)釡貥?biāo)來預(yù)測熱儲(chǔ)溫度。胡燕等在2007年利用天津地區(qū)幾十口地?zé)峋責(zé)崴锌扇苄許iO2含量作圖,顯示出地?zé)崴锌扇苄許iO2的含量與溫度存在明顯的正相關(guān)性,與礦化度沒有明顯的相關(guān)性,SR28、SR29井地?zé)崴扇苄許iO2的含量分別為74.2mg/L和85.0mg/L,將這兩個(gè)數(shù)值投到可溶性SiO2含量與溫度的坐標(biāo)圖上,也符合上面的正相關(guān)性規(guī)律(圖2)。因此,天津地區(qū)地?zé)崴锌扇苄許iO2的含量可以作為一種化學(xué)溫標(biāo)來指示地?zé)崴臏囟?。SR28、SR29地?zé)峋挥跍鏂|斷裂帶附近,地?zé)崴V化度分別為1671、1709mg/L,按礦化度分類屬于微咸水,礦化度在1~3g/L,據(jù)統(tǒng)計(jì),該斷裂帶附近的熱流體礦化度普遍高于其他地區(qū),尤其是基巖熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w?？傆捕仁侵杆兴珻a2+、Mg2+的總量,SR28、SR29地?zé)峋从捕确诸悓儆谲浰?ρ(CaCO3)=75~150mg/L。一般情況下,地下水的硬度往往反應(yīng)它所接觸的地層巖性的性質(zhì),碳酸鹽地層水的硬度一般較大,而處于碳酸鹽地層的SR28、SR29地?zé)峋畢s屬于軟水,這一點(diǎn)可以說明薊縣系霧迷山組碳酸鹽熱儲(chǔ)層主要是SR28、SR29地?zé)峋膬?chǔ)水層,其真正的水源來自外源水的補(bǔ)給。SR28、SR29地?zé)峋膒H均在7~9,屬于弱堿性水。3.3水的分類及特點(diǎn)地下水化學(xué)成分的特點(diǎn)可以反應(yīng)它的不同形成條件,而不同的形成條件是由不同的自然環(huán)境所決定的,相似的自然條件下所形成的地下水化學(xué)成分相似,因此可以將相同成因和相同化學(xué)特點(diǎn)的水劃分為一類。根據(jù)庫爾洛夫分類方法,毫克當(dāng)量大于25%的離子按遞增排列表示,SR28為HCO-3、SO-4、Cl-、Na+,SR29為SO-4、HCO-3、Cl-、Na+;而根據(jù)舒卡列夫分類,毫克當(dāng)量大于25%的離子按遞增排列表示,SR28為Cl-、SO-4、HCO-3、Na+,SR29為Cl-、HCO-3、SO-4、Na+。由此可以看出,2種分類方法的SR28、SR29地?zé)峋瘜W(xué)類型基本一致,除了SO2-42?4、HCO-3離子因?yàn)楹可杂胁煌顾念愋捅硎臼诫x子順序不同。3.4地?zé)崴甶系數(shù)在地下水中,w(Cl)/w(Br)大于300屬于貧溴的含巖鹽地層溶濾水,小于300屬于殘余海水,約為300一般屬于大洋水。從表3可以看出,SR28、SR29地?zé)峋膚(Cl)/w(Br)均大于300,屬于貧溴的含巖鹽地層溶濾水,另外這也可以看到這個(gè)地區(qū)的深層地下水沒有受到臨近的濱海地區(qū)海水入侵的影響。從w(Br)/w(I)系數(shù)來看,SR28、SR29地?zé)峋南禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常海水的系數(shù)1300,認(rèn)為該水屬于陸相沉積水。標(biāo)準(zhǔn)海水的r(Na)/r(Cl)系數(shù)平均值為0.85,海相沉積水的r(Na)/r(Cl)系數(shù)小于0.85,含巖鹽地層溶濾水的r(Na)/r(Cl)系數(shù)接近于1。SR28、SR29地?zé)峋膔(Na)/r(Cl)系數(shù)均大于1,同樣可以認(rèn)為該水屬于陸相沉積水或者海相沉積水,經(jīng)過大氣降水而淡化。r(Mg)/r(Ca)可以用來判斷地下水是來自灰?guī)r還是白云巖含水層,如果來自灰?guī)r含水層,r(Mg)/r(Ca)系數(shù)小于1;如果來自白云巖含水層,r(Mg)/r(Ca)系數(shù)接近于1。SR28、SR29地?zé)峋膔(Mg)/r(Ca)系數(shù)均小于1,從r(Mg)/r(Ca)系數(shù)來看這兩口井的地?zé)崴鶃碜曰規(guī)r含水層。然而SR28、SR29地?zé)峋娜∷畬游痪鶠樗E縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層,而薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層的巖性主要為微晶質(zhì)和隱晶質(zhì)的白云巖,所以同樣可以這樣推測,薊縣系霧迷山組白云巖含水層主要是SR28、SR29地?zé)峋膬?chǔ)水層,其真正水源來自外源水流經(jīng)上層灰?guī)r地層的補(bǔ)給。3.5熱井水腐蝕型水il5當(dāng)?shù)叵聼崴泻蠬CO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+等離子成分時(shí),將地?zé)崴槌龅乇?由于溫度、壓力條件的變化,尤其在有空氣參與的情況下,熱水的動(dòng)態(tài)平衡就會(huì)受到破壞,使得熱水中化學(xué)成分產(chǎn)生系列變化,引起腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象。水垢化學(xué)成分主要為碳酸鈣、硫酸鈣和硅酸鹽三類。對于Cl-的毫克當(dāng)量百分比>25%的地?zé)崴?可用拉申指數(shù)(IL)判斷其腐蝕性與碳酸鈣垢:ΙL=[ρ(Cl-)+ρ(SΟ2-4)]/Κal,式中:ρ為離子濃度,Kal為總堿度,二者均以等當(dāng)量的CaCO3(mg/L)表示。以拉申指數(shù)評價(jià)腐蝕性程度的標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)IL<0.5時(shí),為無腐蝕型水,結(jié)碳酸鈣垢;當(dāng)0.5<IL<3時(shí),為微腐蝕型水,不結(jié)碳酸鈣垢;當(dāng)IL>3時(shí),為腐蝕型水。經(jīng)過計(jì)算,SR28、SR29地?zé)峋腎L分別是2.54和2.65,均屬于微腐蝕型水,且不結(jié)碳酸鈣垢。地?zé)崃黧w溫度小于100℃時(shí),CaSO4垢主要是以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)的形式沉淀。地?zé)崃黧w中硫酸鈣垢的生成趨勢可用Sr來定性判斷,其表達(dá)式為Sr石膏=lg[ρ(Ca2+)]+lg[ρ(SΟ42-)]-lg[ρ(Κ)],式中:Sr石膏為石膏(CaSO4·2H2O)相對飽和度;K為與溫度和總固形物有關(guān)的常數(shù)。判定標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)Sr石膏<0時(shí),無CaSO4·2H2O垢生成;當(dāng)Sr石膏>0時(shí),可能有CaSO4·2H2O垢生成。經(jīng)過計(jì)算,SR28、SR29地?zé)峋腟r石膏分別是-1.34和-1.36,均無CaSO4·2H2O垢生成的可能。硅酸鹽垢的結(jié)垢通常采用無定形SiO2的相對飽和度Sr硅酸鹽來評價(jià),其表達(dá)式為Sr硅酸鹽=ρ(SiΟ2)/(2.466×104×e-15.53/Τ)?式中:ρ(SiO2)為分子濃度;T為絕對溫度。判定標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)Sr硅酸鹽<1時(shí),無SiO2垢生成;當(dāng)Sr硅酸鹽>1時(shí),可能有SiO2垢生成。經(jīng)過計(jì)算,SR28、SR29地?zé)峋腟r硅酸鹽分別是1.20和1.37,均有SiO2垢生成的可能。另外,根據(jù)地?zé)崴锌扇苄許iO2的含量與溫度的正相關(guān)性,如果SR28、SR29地?zé)峋鳛闇厝丛∷?一般的溫泉洗浴水溫控制在40℃左右適合人們正常洗浴?？梢愿鶕?jù)圖2中的公式,將x值代入40℃,可以得出y值為20.247mg/L,因此,根據(jù)SR28、SR29地?zé)峋锌扇苄許iO2的含量,當(dāng)SR28、SR29地?zé)峋疁囟冉档偷?0℃時(shí),可以算出每升地?zé)崴謩e可結(jié)出53.953、64.753mg的SiO2垢。4天然水地下水環(huán)境SR28地?zé)峋@遇的地層從新到老依次為:新生界第四系、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組,中生界,古生界奧陶系、寒武系,中元古界薊縣系霧迷山組;SR29地?zé)峋@遇的地層從新到老依次為:新生界第四系、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組,中生界,古生界寒武系,中元古界青白口系、薊縣系霧迷山組。根據(jù)w(Cl)/w(Br)、w(Br)/w(I)、r(Na)/r(Cl)系數(shù)可知,SR28、SR29地?zé)崴畬儆诤瑤r鹽地層溶濾的陸相沉積水。根據(jù)r(Mg)/r(Ca)系數(shù)可知,SR2