天津塘沽地區(qū)館陶組地熱流體演變特征研究

張芬娜，賈志，李虎，高亮，宗振海

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津300250）

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天津塘沽地區(qū)館陶組地熱流體演變特征研究

張芬娜，賈志，李虎，高亮，宗振海

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津300250）

摘要：本文通過對塘沽地區(qū)館陶組長觀地熱井的地熱流體水化學數(shù)據(jù)進行整理分析，研究了地熱流體中Na+、Cl-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+的形成和演變規(guī)律。研究表明，塘沽地區(qū)館陶組地熱流體具有溶濾水的特征，地熱流體的補給和循環(huán)比較強烈。通過對微量元素的對比分析，發(fā)現(xiàn)塘沽館陶組地熱流體補給來源相同。

關鍵詞：塘沽地區(qū)；地熱流體；館陶組；補給來源

作為一座能源短缺的城市，地熱資源作為清潔能源在天津市燃煤鍋爐改造中起著重要的作用，對改善天津市的大氣環(huán)境問題有著重要的意義。塘沽地區(qū)是新近系館陶組熱儲層集中開采的地區(qū)，因此對塘沽地區(qū)新近系館陶組地熱流體的物質(zhì)來源、演化規(guī)律和成因分析等方面的研究，對科學可持續(xù)性地開發(fā)地熱資源具有重要的指導意義。有許多學者就天津市地熱流體水化學特征［1］和塘沽地區(qū)新近系地熱流體礦化度和水化學類型［2］、薊縣系霧迷山組熱流體形成和運移特征［3］、奧陶系地熱流體水化學特征［4］以及地熱流體垂向演化特征［5］等進行了研究。本文以塘沽地區(qū)新近系館陶組為研究對象，根據(jù)采集的地熱流體水化學數(shù)據(jù)，分析地熱流體中常量組分的形成和演變以及微量元素的水文地球化學特征。

圖1　天津市塘沽區(qū)構造單元分區(qū)圖Fig.1 Tectonic distribution of the Tanggu，Tianjin City

渤

海

1　天津塘沽區(qū)地質(zhì)條件

1.1構造特征

研究區(qū)從北至南縱跨了北塘凹陷和板橋凹陷兩個Ⅳ級構造單元，西以滄東斷裂為界，南以海河斷裂為界與板橋凹陷相連，東以澗南斷裂為界，北以漢沽斷裂為界［6］（圖1）。

1.2熱儲特征

研究區(qū)主要開采的熱儲層自上而下為新近系明化鎮(zhèn)組（Nm）、館陶組（Ng）熱儲層和古近系東營組（Ed）熱儲層。本文主要以新近系館陶組熱儲層為研究對象。

館陶組熱儲層在研究區(qū)內(nèi)普遍分布，該熱儲層自上而下分為上、下兩個熱儲段。上段巖性以粉細砂巖為主；下段上部巖性以粉細砂巖為主，中部以泥巖為主，底部普遍發(fā)育底礫巖。該熱儲層單井出水量為40～120 m3/h，水溫45～78℃［7］。

2　地熱流體水化學特征

本次共采集新近系館陶組熱儲層地熱流體化學分析數(shù)據(jù)14組，采樣位置見圖1，部分測試結果見表1，所有樣品均由具有MA資質(zhì)的天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心進行檢測。該熱儲層地熱流體礦化度自北東向南西增加，礦化度1 109～1 822 mg/L，pH值7.34～

資助項目：天津市國土局“孔隙型地熱資源開發(fā)對地面沉降影響研究（國土房任［2014］12號）”

表1　新近系館陶組熱儲層地熱流體化學分析數(shù)據(jù)表Tab.1　The chemical data of geothermal fluid in Neogene Guantao thermal reservoir

3　地熱流體常量組分的形成和演變

深循環(huán)的地熱流體，在補給、徑流、埋藏和排泄的長期演化過程中，不斷對圍巖系統(tǒng)進行淋濾并發(fā)生著組分的交換作用，使水中穩(wěn)定組分聚集，不穩(wěn)定組分則聚集于圍巖孔隙中，隨著時間的累積，各主要離子的含量有著不同的變化趨勢［8］。本次選取長觀資料完整的3眼館陶組地熱井1號、9號和13號作為主要研究對象。

圖2　館陶組地熱流體Piper圖Fig.2 Piper diagram of the Guantao geothermal water

3.1氯離子（Cl-）和鈉離子（Na+）

研究區(qū)內(nèi)館陶組地熱流體大部分rNa/rCl大于1，一般在1.4～7.2之間，具有溶濾水的特征。通過歷年離子演化圖（圖3）可以看出離子的變化趨勢。

從圖3可以看出，1號井地熱流體在近14年中Na+、Cl-離子有一個先減少后增加而后基本穩(wěn)定的趨勢；9號井地熱流體Na+離子先減少后增加而后又減少、增加，而Cl-離子變化不大，基本保持穩(wěn)定的狀態(tài)；13號井地熱流體呈先減少后增加的趨勢，其中Cl-離子的增加趨勢較Na+離子大。

3.2硫酸根離子（SO42-）和重碳酸根離子（HCO3-）

這3眼地熱井地熱流體中主要的陰離子為HCO3-，所占比例分別為45.7%，71.3%和47.2%，SO42-離子所占比例從6.5%～20%不等。SO42-和HCO3-的產(chǎn)生及不同比例的出現(xiàn)可能取決于以下的過程［9、10］：①在氧化條件下硫化礦物溶解于地下水中，生成產(chǎn)物H2SO4，隨后H2SO4又與硅酸鹽（主要存在于長石中）反應，被中和了一部分。②地下水中溶解的H2CO3也與硅酸鹽（主要存在于長石中）反應，生成HCO3-。

過程①使水中的Na2SO4增多，而NaHCO3則產(chǎn)生于過程②，通過對地熱流體成分的分析推斷，過程②在三個地熱井地熱流體的形成過程中起主要作用。

從圖4可以看出，13號井地熱流體SO42-有明顯的增加趨勢，而相對應的HCO3-則有所減少，這說明隨著時間的變化，13號井地熱流體中的化學反應過程①所起的作用越來越大；1號井地熱流體的SO42-先減少后增加，HCO3-對應的先增加后減少；9號井地熱流體的SO42-和HCO3-的變化則更加清晰的體現(xiàn)了兩者此消彼長的對應變化規(guī)律，HCO3-先減少后增加然后又減少，SO42-則對應地反方向變化，說明了化學反應①和②的交替活躍過程。

圖3　Na+、Cl-離子演化圖Fig.3 The evolution of the Na+and Cl-

圖4　SO42-、HCO3-離子演化圖Fig.4 The evolution of the SO42-and HCO3-

3.3鈣（Ca2+）和鎂離子（Mg2+）

研究區(qū)內(nèi)地熱井的Ca2+、Mg2+含量都很低，這主要是因為館陶組含水層巖性以含鈉、鉀長石為主。另外，陰離子中占主要比例的SO42-和HCO3-鈣鹽化合物溶解度都比較低，即使有部分Ca2+、Mg2+從巖石中溶出，也會在與K+、Na+的交替吸附作用過程中被圍巖吸附。

3.4微量元素水文地球化學特征

地熱流體中含有多種對人體有益的微量元素。一般來說，其含量都較低，但在某些特定條件下，也可能達到較高的值。本文著重討論硼、氟在地熱流體中的特征。

研究區(qū)內(nèi)館陶組地熱流體中偏硼酸含量在20.5～30.78 mg/L，其中13號井地熱流體中硼的含量較低為7.33 mg/L，1號井和9號井地熱流體中硼的含量分別為6.09 mg/L和6.58 mg/L。由于影響硼含量的重要因素是壓力和溫度，隨著壓力和溫度的增高，硼在水中的溶解度增大。

13號井地熱流體中氟的含量5.89 mg/L，9號井地熱流體中氟的含量7.29 mg/L，1號井地熱流體中氟的含量9.00 mg/L，由于3～6 mg/L的氟含量就可以造成氟中毒，因此該地熱流體的氟含量嚴重超標，不適于飲用，但用于治療皮膚病和風濕都有很好的療效。

一般來說，地下水中的氟含量與圍巖的氟含量、地下水的類型、溫度、pH值等有關。在地熱流體中尤其與溫度有很好的相關關系。圖5是1、9和13號井地熱流體中氟含量與水溫、pH值的關系圖，氟含量與兩者都呈明顯的負相關關系。對于館陶組地熱流體，雖然溫度從45～69℃，幾乎具有同一濃度的氟離子。也就是說整個區(qū)域氟離子含量較高，說明了塘沽地區(qū)館陶組地熱流體具有相同的來源。

圖5　各地熱井氟離子與溫度、pH關系Fig.5 Relationship between the F-，temperature and pH in geothermal well

4　結論

（1）從Piper圖中可以看出，館陶組地熱流體的主要陽離子為Na+，其次是Ca2+和K+，主要陰離子為HCO3-和Cl-，其次為SO42-。

（2）研究區(qū)內(nèi)館陶組地熱流體的變質(zhì)系數(shù)rNa/ Cl大于1，分別為1.4，7.2和1.6，具有溶濾水的特征。

（3）隨著時間的變化Na+、Cl-還有SO42-、HCO3-波動明顯，說明該地熱流體補給和循環(huán)比較活躍。

（4）館陶組地熱流體含有較為豐富的微量元素，且氟離子含量明顯較高，說明了塘沽地區(qū)館陶組地熱流體都具有相同的來源。

參考文獻：

1］胡燕，高寶珠，靳寶珍，等.天津地熱流體水化學分布及形成機理［J］.地質(zhì)調(diào)查與研究，2007，30（3）：213-218.

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中圖分類號：P641.5；P341.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4135（2016）02-0149-04

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：張芬娜（1981-），女，工程師，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）水文與水資源工程，現(xiàn)主要從事地熱方面的研究，E-mail：ying-ying22@163.com。.54，為中性或弱堿性水，總硬度14.5～95.1 mg/L，總堿度362.8～450.4 mg/L，水化學類型由HCO3·Cl-Na型過渡為Cl·HCO3-Na型［7］。圖2為研究區(qū)地熱流體Piper圖，從圖中可以看出，館陶組地熱流體的主要陽離子為Na+，其次是Ca2+和K+，主要陰離子為HCO3-和Cl-，其次為SO42-。由Piper圖可以直觀的看出，館陶組地熱流體，無論溫度高低、流量大小、分布遠近，基本上具有相近的水化學特征。只有個別離子的含量有一定的差異，這是導致地熱流體水化學類型不同的主要原因，研究區(qū)水質(zhì)類型以HCO3·CL-Na為主，亦有Cl·HCO3-Na型。

Evolution of geothermal fluids in Guantao layer of Tanggu district in Tianjin

ZHANG Fen-na，JIAZhi，LI Hu，GAO Liang，ZONG Zhen-hai
（Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design，Tianjin 300250，China）

Abstract：This article aimed to study the formation and evolution of the elements Na-，Cl-，HCO3-，SO42-，Ca2+and Mg2+n the geothermal fluid by analysing of hydrochemical data in geothermal fluid collected from the geothermal obervation wells in Guantao layer of Tanggu district.The results show that the geothermal fluid has the characterstics of lixiviation.Geothermal fluid has full recharge and strong circulation.By comparison of the trace elements，geothermal fluids in Guantao layer have the same sources of supply.

Keywords：Tanggu district；geothermal fluids；Guantao layer；sources of supply