渭河盆地西部地熱水水化學特征分析

宋一民， 申小龍， 王 偉， 劉 軍

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021)

地熱資源是指能夠經(jīng)濟地被人類所利用的地球內(nèi)部的地熱能、地熱流體及其有用組分[1]。結(jié)合熱儲介質(zhì)、構(gòu)造成因、水熱傳輸方式等條件綜合考慮地熱溫度范圍、可被開發(fā)利用方式等影響因素將地熱資源分為淺層地溫能、水熱型地熱能和干熱巖型地熱能三種類型[2]。淺層地溫能指地下200m以淺，地溫普遍低于25℃，多采用地埋管熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)進行利用；水熱型地熱能，指賦存在埋藏深度較深的天然地下水及其水蒸氣中的地熱資源。根據(jù)溫度差異可分為：高溫型(溫度>l50℃)、中溫型(90～150℃)以及低溫型(<90℃)[3]；干熱巖地熱能，指特殊地質(zhì)構(gòu)造條件造成高溫但少水甚至無水的溫度不低于180℃干熱巖體，通過注入低溫水與周圍的高溫巖石進行熱交換，再將產(chǎn)生的高溫水進行利用。其利用還未實現(xiàn)完全的規(guī)?；蜕虡I(yè)化[2]。我國水熱型地熱能受構(gòu)造、巖漿活動、地層巖性等因素控制分布不均勻，其中中低溫地熱資源主要分布于大型沉積盆地，其地熱資源儲集條件好、儲層多、厚度大、分布廣，是地熱資源開發(fā)潛力最大的地區(qū)[4]。

研究區(qū)位于我國西北地區(qū)陜西省寶雞市某縣城，地處秦嶺以北“元寶形”渭河斷陷盆地，屬典型的暖溫帶大陸性半濕潤氣候，冬季平均溫度2.7℃，取暖期較長，剛性供暖需求突出。渭河盆地在西部收窄，研究區(qū)處于“元寶形”盆地的左端[5]，在地質(zhì)歷史構(gòu)造運動時期受多期構(gòu)造運動影響，其斷裂構(gòu)造多為導水導熱斷裂，基巖上覆蓋了巨厚層半膠結(jié)粗-粉砂的新近系(250～500m)，其中新近系的藍田灞河組半膠結(jié)砂巖是區(qū)域主要含水層，多期構(gòu)造形成的斷裂體系是地下水儲存與運動的主要含水空間。水文地球化學方法是認識地熱資源形成機制、賦存環(huán)境以及循環(huán)機理的有效手段[6]。本文以渭河斷陷盆地西端地區(qū)為研究對象，通過研究區(qū)域地熱地質(zhì)特征，采用水文地球化學測試與分析方法，對研究區(qū)地熱水化學特征進行系統(tǒng)分析，對于研究區(qū)進行地熱資源開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)汾渭地層分區(qū)渭河地層小區(qū)，地層主要為中元古界石英片巖和新生界松散巖類。由老到新分述如下：

1.1.1 中元古界寬坪群(Pt2Kp)

巖性主要為絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、云母石英片巖及少量大理巖。根據(jù)地熱鉆探結(jié)果，目前揭露最大厚度732m，未揭穿，厚度不詳。本地層視電阻率隨深度逐漸升高，明顯有大幅度增高趨勢(>60Ω·m)。

1.1.2 新生界新近系藍田-灞河組(N2l+b)

埋藏于基底之上，北深南淺，北厚南薄，厚度250～500m，往東逐漸變厚。同一構(gòu)造分區(qū)內(nèi)，東西向厚度、埋深變化相對較小。巖性頂部為棕-暗紅色泥巖與灰白色粗-粉砂巖不等厚互層；中下部為棕-暗紅色泥巖與灰白色、淺灰色細-粉砂巖及砂礫巖不等厚互層，砂礫巖泥質(zhì)半膠結(jié)。視電阻率(20～60Ω·m)，電阻率變化基本呈線性增高趨勢；縱向連續(xù)性較好，水平方向連續(xù)性一般。

1.1.3 新生界第四系(Q)

下部巖性為黏土層、砂質(zhì)黏土和細砂巖不等厚互層，夾薄層泥灰?guī)r，具明顯的韻律結(jié)構(gòu)、水平層理或交錯層理。上部沉積物主要為淺黃-灰黃黏土、細砂巖與砂礫層互層，從下至上沉積物顆粒由細變粗。厚度420～450m。視電阻率整體較小(5～30Ω·m)。

1.2 構(gòu)造

項目區(qū)在大地構(gòu)造上處于渭河斷陷盆地之寶雞凸起東部的眉縣淺凹。主要構(gòu)造單元屬華北板塊(柴達木—華北板塊)渭河斷陷盆地(E—Qh)。據(jù)已有資料，研究區(qū)周邊存在四條區(qū)域性的大斷裂，分別為秦嶺山前斷裂(F1)、余下斷裂(F2)、啞柏斷裂(F3)、渭河斷裂(F4)。

研究區(qū)位于渭河斷裂以南，根據(jù)2019年在研究區(qū)所做的鉆探和物探工作，確定區(qū)內(nèi)發(fā)育三條斷裂，推斷為渭河斷裂的次級斷裂構(gòu)造。經(jīng)綜合研究，研究區(qū)縣城北部發(fā)育MF1斷層，其南側(cè)700～1 000m發(fā)育次生斷層MF2，同時推斷南部發(fā)育疑似斷層MF3；MF1、MF2及MF3均傾向北，傾角70°～80°，為隱伏正斷層。

1.3 熱儲概況

根據(jù)項目區(qū)周邊地熱井揭露地層巖性特征綜合分析，可劃分出第四系保溫蓋層及新近系藍田-灞河組、基巖風化帶、斷層裂隙帶熱儲層。

1.3.1 第四系保溫蓋層

厚度420～450m。上部為灰-黃色粗砂、含礫粗砂及礫石、卵石層；中部為厚層狀黃色黏土、粗中砂層；下部為以黃色粗-中砂層與黃色-棕紅色粉質(zhì)黏土互層。巨厚的第四系沉積為地熱資源形成起到隔熱保溫作用，同時細粒相黏土層儲熱條件相對較差，視為隔熱保溫層。

1.3.2 新近系上新統(tǒng)藍田-灞河組熱儲層段

厚度250～500m。頂部為棕-暗紅色泥巖與灰白色粗-粉砂巖不等厚互層；中下部為棕-暗紅色泥巖與灰白色、淺灰色細-粉砂巖及砂礫巖不等厚互層，砂礫巖泥質(zhì)半膠結(jié)。據(jù)測井解釋成果反映，該層熱儲砂層共28層，單層厚度0.9～11.9m，砂巖累計厚度82.9m，砂厚比為21.28%。該熱儲層砂巖孔隙度56.03%～47.66%，滲透率58.85～1 511.23mD。富水性較好。

1.3.3 基巖風化帶和斷層裂隙帶熱儲層段

位于中元古界寬坪群，厚度大于730m，為絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、云母石英片巖及少量大理巖。據(jù)測井解釋成果反映，共有53層砂巖，砂巖總厚度為98.2m，砂厚比為43.1%，單層厚度最大為5.9m，最薄為0.6m，平均單層厚度1.85m。該層砂巖孔隙度1.11%～31.21%，滲透率0.01～282.36mD。主要富集裂隙水，富水性好。

1.4 工程概況

本次分析研究工作是依托陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司在研究區(qū)的清潔能源供暖系統(tǒng)建設(shè)項目，對老城區(qū)和新城區(qū)的已建、在建建筑進行供熱改造和新增供熱服務(wù)，規(guī)劃供熱面積約300萬m2。利用地下熱水(尾水回灌)作為能源進行清潔化改造建設(shè)。目前施工8口地熱井，平均井深1 300m，終孔層位中元古界寬坪群，取熱目標層位是斷層裂隙。平均井口自流水量140m3/h，井口平均水溫達46℃，由于管網(wǎng)建設(shè)原因，目前利用3口，供熱面積達到100萬m2，已完成2個供暖季，基本形成了研究區(qū)城區(qū)清潔能源供暖系統(tǒng)建設(shè)與運行。

2 材料與研究方法

2.1 樣品采集

目前已完成8口地熱井施工，所利用的地熱水來源為新近系上新統(tǒng)藍田-灞河組下部熱儲層段和基巖風化帶和斷層裂隙帶熱儲層段。對8口地熱井采集了地熱水樣品，開展了測試工作。測試項目為簡分析、全分析包括特殊組分、放射性等。以此為基礎(chǔ)充分對研究區(qū)地熱水水化學特征進行分析研究。

2.2 研究方法

3 結(jié)果分析

3.1 水化學基本特征

目前研究區(qū)實施的8口地熱井，均位于縣城區(qū)北部渭河南岸的眉塢大道兩側(cè)，處于前期通過物探手段確認的MF1、MF2兩條斷層的附近。地熱井熱水的水化學基本特征如表1所示。結(jié)合收集資料研究、地熱井布孔設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、地熱勘查工作，采樣分析得出研究區(qū)利用的地熱水主要來自新近系上新統(tǒng)藍田-灞河組下部熱儲層段和基巖風化帶以及斷層裂隙帶熱儲。地熱水溫度41.5～53.0℃，均值46.3℃，屬于中低溫水熱資源。地熱水礦化度為647.95～930.35mg/L，均值752.35mg/L，屬淡水。pH值7.83～8.75，均值8.30，弱堿性水。

從表1可以看出，研究區(qū)主要的陽離子為Na+；陰離子主要是HCO3-，Cl-和SO42-次之。地熱水的水化學類型主要為HCO3-Na型，個別為HCO3·SO4-Na型和HCO3-Na型。

表1 研究區(qū)地熱水化學基本特征

3.2 特殊組分

另外，偏硅酸(H2SiO3)是一種對人體非常有益的礦物元素，根據(jù)測試結(jié)果分析，研究區(qū)地熱井H2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，平均29.9 mg/L。除了最東部的G101井為16.6 mg/L以外，其余地熱井偏硅酸含量均達到了礦水濃度標準和有醫(yī)療價值濃度(理療熱礦水水質(zhì)標準，>25mg/L)。另外位于工作區(qū)最西部的三口地熱井(其余井未檢出)總硫化氫(H2S)含量1.18～3.97mg/L，平均2.34mg/L。達到了命名礦水濃度的標準(理療熱礦水水質(zhì)標準，>2mg/L)，可命名為硫化氫水。

通過分析特殊組分，研究區(qū)地熱水富含氟、偏硅酸(H2SiO3)等對人體有益的各種元素。

3.3 TDS、地熱水腐蝕性和結(jié)垢趨勢評價

總?cè)芙夤腆w(TDS)是地下水質(zhì)的一個重要綜合性指標，其受地層、巖性及地熱水補徑排的影響，根據(jù)采樣化驗結(jié)果，研究區(qū)地熱水TDS在 513～692mg/L，平均值596 mg/L，屬淡水。

地熱水中因含有氯根、硫酸根、游離二氧化碳和硫化氫等組分對金屬有一定的腐蝕性，一般地熱水的TDS越大，其腐蝕性越強[8-9]。按照《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范(GB/T11615—2010)》中的評價方法參照工業(yè)上用腐蝕系數(shù)來衡量研究區(qū)地熱水的腐蝕性：

(1)

式中：Kk為腐蝕系數(shù)；γ為熱水中離子含量的每升毫摩爾數(shù)。

當?shù)責崴新入x子含量較低(<25%摩爾當量)時，可根據(jù)以下公式定性計算地熱水碳酸鈣的結(jié)構(gòu)趨勢：

RI=2pHs-pHa

(2)

pHs=-lg[Ca2+]-lg[ALK]+Ke

(3)

根據(jù)施工地熱井的水質(zhì)化驗分析結(jié)果，經(jīng)計算，研究區(qū)地熱水均為非腐蝕性水；結(jié)垢指數(shù)6.42～8.55，結(jié)垢趨勢為輕微-不結(jié)垢。

3.4 K-Mg地熱溫標

地球化學溫標計算法是一種有效估算地熱田熱儲層溫度的方法。水與圍巖系統(tǒng)中，K-Mg溶質(zhì)到達平衡最為快速，對于溫度的變化調(diào)整速度也很快[10]，而且K-Mg溫標也更適用于低溫熱水系統(tǒng)。所以應(yīng)用此溫標來估算研究區(qū)熱儲層溫度，計算公式如下：

(4)

式中：t為熱儲溫度，℃；c1為熱水中K+的含量，mg/L；c2為熱水中Mg2+的含量，mg/L。

從表2可以看出，C201和G101井的熱儲推算溫度相對于其它地熱井明顯偏低，為45.6～47.8℃，其余地熱井熱儲溫度64.6～83.5℃。查看K+、Mg2+濃度，C201和G101井相對于其它地熱井也明顯偏小，平面位置上此2口地熱井在工作區(qū)的最東部，推斷可能是熱儲層巖性不同所造成的原因。整體地熱井井口水溫小于地熱溫標推斷熱儲溫度是由于施工地熱井均為混合取水，包括上部新近系上新統(tǒng)藍田-灞河組水和下部斷層裂隙帶水。由于新近系水溫較低，所以井口出水溫度低于地熱溫標推斷熱儲溫度[11-15]。

表2 研究區(qū)地熱水化學溫標及實測溫度

4 結(jié)論

1)研究區(qū)地處關(guān)中盆地西部，在地質(zhì)歷史構(gòu)造運動時期受多期構(gòu)造運動影響，其斷裂構(gòu)造多為導水導熱斷裂。區(qū)域內(nèi)有第四系保溫蓋層及新近系藍田-灞河組、基巖風化帶、斷層裂隙帶熱儲層，其中斷層裂隙帶是研究區(qū)的主要熱儲層。

3)研究區(qū)地熱水中氟的含量2.78～9.30mg/L，偏硅酸含量H2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，部分地熱井的總硫化氫含量1.18～3.97mg/L，均達到了理療熱礦水水質(zhì)標準的有醫(yī)療價值濃度、礦水濃度和命名礦水濃度的標準，具有很好的醫(yī)用理療價值。

4)研究區(qū)地熱水均為非腐蝕性水；結(jié)垢指數(shù)6.42～8.55，結(jié)垢趨勢為輕微-不結(jié)垢。對管道的腐蝕、設(shè)備的侵蝕作為非常小，該地熱水可以長期作為縣城清潔供暖的熱力載體。

5)利用K-Mg地熱溫標法對熱儲溫度的估算，熱儲推算溫度45.6～83.5℃。