天津地區(qū)地熱水水文地球化學特征

天津地區(qū)地熱水水文地球化學特征

天津擁有豐富的地熱資源。地熱資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層是天津地區(qū)主要的開采熱儲層之一,合理開采對天津地區(qū)地熱資源的可持續(xù)發(fā)展至關重要,因此,對鉆探該熱儲層類型的地熱井的地質(zhì)與地熱流體水文地球化學特征的研究,對于指導可持續(xù)利用具有重要意義。1熱對井的控制和引導作用區(qū)域上大的構造主要有2組:北北東向褶皺斷裂帶和北西西向斷裂帶,地熱異常區(qū)的形成明顯受活動性斷裂的控制,基底凸起對地熱異常也有很大影響。SR28、SR29地熱對井位于天津市東麗區(qū)東麗湖溫泉旅游度假區(qū)內(nèi),井位坐標分別為SR28:x=20542092,y=4339340;SR29:x=20542470;y=4340215。對井在地質(zhì)構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,山嶺子地熱異常區(qū)中心(圖1)。該地熱對井地熱流體的存儲和運移明顯受到滄東斷裂帶的影響和控制。趙蘇民等認為:滄東斷裂在上地殼淺部能將下部熱儲層高位熱能以熱對流形式傳遞到淺部,影響范圍隨遠離斷裂帶而減弱,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導水能力,但在局部有一定的差異性。另外,地熱對井所處的山嶺子地熱田為地熱水的有效來源。該地熱田位于滄縣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。地熱田主要由中元古界碳酸鹽巖形成的巖溶—裂隙型熱儲和新近系碎屑巖形成的孔隙—裂隙型熱儲組成,第四系形成地熱田的蓋層。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地熱對井所處區(qū)域屬于新生代沖積平原,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層是天津地區(qū)主要的開采熱儲層之一,其地熱水賦存條件好,水溫高,單井出水量大,水質(zhì)好,回灌效果佳,SR28、SR29地熱對井采用此熱流體儲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)化學全分析,測得地熱水中各元素組分含量見表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地熱井的主元素。其中Na+與K+是天津地熱流體中最主要的陽離子,但是K+的含量遠遠小于Na+,這是因為K+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地熱井Na+與K+摩爾濃度百分比之和均占到整個陽離子的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,因為Mg2+容易參與次生礦物的形成,SR28、SR29地熱井Ca2+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地熱井也顯示了這一地下水特征,Cl-的摩爾濃度百分比均占到整個陰離子的近50%。SO2-42?4一般認為是地下水流經(jīng)含石膏礦物的巖石時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也是地熱溫泉水中的主要陰離子。在地下水中,當pH值在5~8時,碳主要以HCO-3型式出現(xiàn),SR28、SR29這兩口井的地熱水pH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化時環(huán)境pH值不同,兩者可能發(fā)生分離。Mn和Fe的水文地球化學特征受Eh、pH控制。天津地熱流體中的Mn主要以+2價氧化態(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Mn、Fe含量的統(tǒng)計結果表明,當pH值為7.9時,Mn、Fe含量分別為0.06mg/L、0.03mg/L。水質(zhì)分析結果顯示SR28、SR29地熱井Mn的含量以及SR28地熱井Fe的含量與上面論述的統(tǒng)計結果基本一致,SR29地熱井Fe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)有機生物的分解有關,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,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熱儲溫度與溫度的關系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世紀七八十年代通過大量的實驗模擬,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,同時也提出過利用井、泉水的SiO2含量來預測熱儲溫度,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)和廣東省大量地熱水樣分析資料統(tǒng)計計算結果表明,小于100℃的低溫熱水可以利用SiO2地熱溫標來預測熱儲溫度。胡燕等在2007年利用天津地區(qū)幾十口地熱井地熱水中可溶性SiO2含量作圖,顯示出地熱水中可溶性SiO2的含量與溫度存在明顯的正相關性,與礦化度沒有明顯的相關性,SR28、SR29井地熱水可溶性SiO2的含量分別為74.2mg/L和85.0mg/L,將這兩個數(shù)值投到可溶性SiO2含量與溫度的坐標圖上,也符合上面的正相關性規(guī)律(圖2)。因此,天津地區(qū)地熱水中可溶性SiO2的含量可以作為一種化學溫標來指示地熱水的溫度。SR28、SR29地熱井位于滄東斷裂帶附近,地熱水礦化度分別為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,該斷裂帶附近的熱流體礦化度普遍高于其他地區(qū),尤其是基巖熱儲層地熱流體?？傆捕仁侵杆兴珻a2+、Mg2+的總量,SR28、SR29地熱井水按硬度分類屬于軟水,ρ(CaCO3)=75~150mg/L。一般情況下,地下水的硬度往往反應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地熱井水卻屬于軟水,這一點可以說明薊縣系霧迷山組碳酸鹽熱儲層主要是SR28、SR29地熱井水的儲水層,其真正的水源來自外源水的補給。SR28、SR29地熱井水的pH均在7~9,屬于弱堿性水。3.3水的分類及特點地下水化學成分的特點可以反應它的不同形成條件,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成分相似,因此可以將相同成因和相同化學特點的水劃分為一類。根據(jù)庫爾洛夫分類方法,毫克當量大于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地熱井水化學類型基本一致,除了SO2-42?4、HCO-3離子因為含量稍有不同而使水的類型表示式離子順序不同。3.4地熱水i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地熱井水的w(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地熱井水的系數(shù)遠遠低于正常海水的系數(shù)1300,認為該水屬于陸相沉積水。標準海水的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地熱井水的r(Na)/r(Cl)系數(shù)均大于1,同樣可以認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地熱井水的r(Mg)/r(Ca)系數(shù)均小于1,從r(Mg)/r(Ca)系數(shù)來看這兩口井的地熱水均來自灰?guī)r含水層。然而SR28、SR29地熱井的取水層位均為薊縣系霧迷山組熱儲層,而薊縣系霧迷山組熱儲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地熱井水的儲水層,其真正水源來自外源水流經(jīng)上層灰?guī)r地層的補給。3.5熱井水腐蝕型水il5當?shù)叵聼崴泻蠬CO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+等離子成分時,將地熱水抽出地表,由于溫度、壓力條件的變化,尤其在有空氣參與的情況下,熱水的動態(tài)平衡就會受到破壞,使得熱水中化學成分產(chǎn)生系列變化,引起腐蝕和結垢現(xiàn)象。水垢化學成分主要為碳酸鈣、硫酸鈣和硅酸鹽三類。對于Cl-的毫克當量百分比>25%的地熱水,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,二者均以等當量的CaCO3(mg/L)表示。以拉申指數(shù)評價腐蝕性程度的標準為:當IL<0.5時,為無腐蝕型水,結碳酸鈣垢;當0.5<IL<3時,為微腐蝕型水,不結碳酸鈣垢;當IL>3時,為腐蝕型水。經(jīng)過計算,SR28、SR29地熱井水的IL分別是2.54和2.65,均屬于微腐蝕型水,且不結碳酸鈣垢。地熱流體溫度小于100℃時,CaSO4垢主要是以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)的形式沉淀。地熱流體中硫酸鈣垢的生成趨勢可用Sr來定性判斷,其表達式為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的常數(shù)。判定標準為:當Sr石膏<0時,無CaSO4·2H2O垢生成;當Sr石膏>0時,可能有CaSO4·2H2O垢生成。經(jīng)過計算,SR28、SR29地熱井水的Sr石膏分別是-1.34和-1.36,均無CaSO4·2H2O垢生成的可能。硅酸鹽垢的結垢通常采用無定形SiO2的相對飽和度Sr硅酸鹽來評價,其表達式為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。判定標準為:當Sr硅酸鹽<1時,無SiO2垢生成;當Sr硅酸鹽>1時,可能有SiO2垢生成。經(jīng)過計算,SR28、SR29地熱井水的Sr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)地熱水中可溶性SiO2的含量與溫度的正相關性,如果SR28、SR29地熱井水作為溫泉洗浴水,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地熱井水中可溶性SiO2的含量,當SR28、SR29地熱井水溫度降低到40℃時,可以算出每升地熱水分別可結出53.953、64.753mg的SiO2垢。4天然水地下水環(huán)境SR28地熱井鉆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地熱井鉆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地熱水屬于含巖鹽地層溶濾的陸相沉積水。根據(jù)r(Mg)/r(Ca)系數(shù)可知,SR2