天津市華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地?zé)崃黧w化學(xué)特征及質(zhì)量評(píng)述

李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陳瑞軍，靳寶珍

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津，300250）

天津市華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地?zé)崃黧w化學(xué)特征及質(zhì)量評(píng)述

李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陳瑞軍，靳寶珍

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津，300250）

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)的熱儲(chǔ)層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系，通過地球化學(xué)分析，推斷其地?zé)崃黧w均屬于大氣降水成因，化學(xué)組分均表現(xiàn)出自東向西或自北東向南西、由山前到盆地中心的水平分帶特征。本區(qū)各熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w及淺層第四系地下水在垂向上有較大變化，經(jīng)分析，明化鎮(zhèn)組有接受上覆第四系地下水的越流補(bǔ)給可能，而館陶組熱流體則在凸起區(qū)接受了下伏基巖熱流體的頂托補(bǔ)給。經(jīng)推斷，地?zé)崃黧w補(bǔ)給源位于華苑產(chǎn)業(yè)園東側(cè)或東北側(cè)，補(bǔ)給緩慢。本區(qū)地?zé)崃黧w具有輕微-強(qiáng)腐蝕性，有硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，不宜直接作為飲用水源和漁業(yè)用水，也不適宜農(nóng)業(yè)灌溉用水；但明化鎮(zhèn)組適合大多數(shù)工業(yè)用水。可喜的是，各層熱流體中偏硅酸和氟的含量都較高，經(jīng)過一定的處理，可具醫(yī)療價(jià)值，如在此開發(fā)溫泉旅游，將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

地?zé)崃黧w；化學(xué)特征；水平分帶；越流補(bǔ)給；華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)；天津

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)（以下簡(jiǎn)稱園區(qū)）位于天津市西南部，是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的首批國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)之一的天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的主體產(chǎn)業(yè)區(qū)和中心區(qū)。隨著產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展建設(shè)，對(duì)能源的需求量越來越大，而地?zé)豳Y源作為清潔的可再生能源，不僅是緩解能源緊張的重要措施，還擁有在建設(shè)生態(tài)城市進(jìn)程中其他能源所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，得到了社會(huì)各界的高度重視。

天津地?zé)豳Y源利用范圍非常廣泛，不僅用于建筑物供暖、生活用洗浴、理療，還用于印染、紡織、木材烘干、溫室大棚和水產(chǎn)養(yǎng)殖等，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。

園區(qū)發(fā)育的熱儲(chǔ)層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系，1988年提交的《天津市區(qū)及王蘭莊地?zé)崽锟碧綀?bào)告》[1]及2000年提交的《天津市深部地?zé)崞詹閳?bào)告》[2]均對(duì)各熱儲(chǔ)特征進(jìn)行了相應(yīng)分析，為園區(qū)的開發(fā)利用提供了大量的數(shù)據(jù)參考。不過從開發(fā)利用現(xiàn)狀來看，園區(qū)各熱儲(chǔ)層的開發(fā)利用程度不高：明化鎮(zhèn)組地?zé)峋蚱渌疁厮康南拗?，僅用于生活洗浴；館陶組尚未開發(fā)，而奧陶系地?zé)峋m然水溫水量較好，但由于水質(zhì)較差（礦化度大于4000 mg/L），均未正常使用。因此，研究園區(qū)的地?zé)崃黧w化學(xué)成分，使其更好的應(yīng)用于生產(chǎn)生活及城市建設(shè)顯的尤為重要。本文結(jié)合區(qū)域地?zé)崃黧w化學(xué)特征及相關(guān)地?zé)峋Y料，對(duì)園區(qū)的地?zé)崃黧w化學(xué)特征和開發(fā)利用作一簡(jiǎn)要分析。

1 區(qū)域地?zé)崃黧w化學(xué)特征

1．1 明化鎮(zhèn)組地?zé)崃黧w化學(xué)特征

以往地?zé)岬刭|(zhì)研究成果表明[1]，明化鎮(zhèn)組地?zé)崃黧w在區(qū)域上具有明顯的由北向南的水平分帶規(guī)律，化學(xué)類型為HCO3-Na·Ca型（圖1）。礦化度也由北部的600 mg/L增加至南部的2500 mg/L。區(qū)域上還有一個(gè)重要的特點(diǎn)是由于受到下伏地層缺失的影響，在東側(cè)一線明化鎮(zhèn)組地層與基巖直接接觸，水質(zhì)受到頂托補(bǔ)給，水質(zhì)變差，水化學(xué)類型局部復(fù)雜，為Cl· HSO4-Na型水，礦化度升高。

1．2 館陶組地?zé)崃黧w化學(xué)特征

根據(jù)區(qū)域研究成果[1],館陶組地?zé)崃黧w在區(qū)域上具有明顯的由北向南的水平分帶規(guī)律，化學(xué)類型由武清等北部地區(qū)簡(jiǎn)單的HCO3-Na·Ca型逐漸變?yōu)槭袇^(qū)的Cl·HCO3-Na型，南部則為較復(fù)雜的Cl·SO4-Na型（圖2）；礦化度也由北部的不足1000 mg/L增加至南部的5000 mg/L。推測(cè)園區(qū)館陶組熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w水質(zhì)類型為Cl·HCO3-Na型，礦化度在1000～2500 mg/L。由于館陶組熱儲(chǔ)層在本區(qū)東側(cè)一線缺失，造

成徑流條件差的南部地區(qū)水質(zhì)明顯變差，礦化度升高。

圖1 明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層水化學(xué)類型圖Fig．1 Hydrochemistry type graph of the Minghuazhen reservoir

圖2 館陶組熱儲(chǔ)層水化學(xué)類型圖Fig．2 Hydrochemistry type graph of the Guantao reservoir

1．3 奧陶系地?zé)崃黧w化學(xué)特征

根據(jù)天津市的奧陶系地?zé)峋臃治鰯?shù)據(jù)，做出奧陶系熱儲(chǔ)層水化學(xué)類型圖[2]（圖3），從圖可以看出，奧陶系流體化學(xué)類型在北部周良莊為HCO3-Na型，向西南至西青、武清等凹陷區(qū)為SO4·Cl-Na·Ca型，明顯受到奧陶系埋藏深度的影響，埋藏越深，徑流條件越差[3]。礦化度也由不足1000 mg/L增加至園區(qū)的4000 mg/L以上,再到武清凹陷區(qū)的5000 mg/L以上，呈現(xiàn)由低到高的變化趨勢(shì)。

圖3 奧陶系儲(chǔ)層水化學(xué)類型圖Fig．3 Hydrochemistry type graph of the Ordovician Reservoir

1．4 地?zé)崃黧w的垂向變化特征

收集園區(qū)及附近各熱儲(chǔ)層地?zé)峋乃瘜W(xué)分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)于表1?？梢钥闯?，園區(qū)各層地?zé)崃黧w及淺層第四系地下水在垂向上有較大變化，大體可以劃分為兩套系統(tǒng)：1）新近系明化鎮(zhèn)組熱流體與第四系地下水之間化學(xué)特征相仿，表明兩者之間存在一定的水力聯(lián)系，明化鎮(zhèn)組有接受上覆第四系地下水的越流補(bǔ)給可能[4]；2）新近系館陶組熱流體與下伏基巖熱流體化學(xué)特征相近，表明兩者為同源水或存在著水力聯(lián)系[5]，結(jié)合區(qū)域資料綜合分析，中間沒有穩(wěn)定的隔水層，且基巖水位高于館陶組的水位，所以

推測(cè)本區(qū)館陶組熱流體在凸起區(qū)接受下伏基巖熱流體的頂托補(bǔ)給。

表1 各熱儲(chǔ)層垂向化學(xué)類型對(duì)比表Table 1 Vertical comparison of the geothermal water classification for every reservoir

2 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)流體化學(xué)特征

2．1 一般化學(xué)組分分析

無論是新近系熱流體還是奧陶系熱流體，分析其Cl、Na、SO4主要陰陽(yáng)離子含量與礦化度關(guān)系圖[6]（圖4）可看出：隨著流體中Cl-、Na+、SO2-4離子含量的增加，礦化度均呈上升趨勢(shì)，基本呈正相關(guān)關(guān)系。

另外，將園區(qū)各層熱流體化學(xué)組分與海水化學(xué)組分對(duì)比分析，兩者之間有較大的區(qū)別（表2）：熱流體中Cl-、Na+含量低于海水十倍至幾十倍；I-、F-含量超過海水的1.02～5倍；Br-含量低于海水平均值幾十至幾百倍；成因系數(shù)rNa/rCl和Cl/Br值分別為0.99～2.79和367.1～502.2，均大于海水[7]。說明園區(qū)無論是新近系還是奧陶系熱流體均非海水成因，而是在漫長(zhǎng)的歷史過程中由大氣降水所形成，具有典型的滲入、溶濾特征。

圖4 Cl、Na、SO4離子含量與礦化度關(guān)系圖Fig．4 Relationship between the concentrations of Cl,Na,SO4and TDS

2．2 地?zé)崃黧w特征元素分析

分析園區(qū)熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w中SiO2的含量與流體的溫度的關(guān)系圖[6](圖5)可見，二者與熱流體溫度基本上呈正相關(guān)趨勢(shì)，從趨勢(shì)線上看，SiO2的含量的增長(zhǎng)幅度在新近系和奧陶系中有所不同，流體溫度每升高10℃，增長(zhǎng)幅度分別為14 mg/L和7 mg/L，由此可見，SiO2的變化與流體溫度關(guān)系密切，可作為確定本區(qū)熱儲(chǔ)溫度的參考性指標(biāo)元素[8]。

2．3 Na-K-Mg三角圖

利用Na-K-Mg含量三角圖來估算水巖平衡，其原理為鈉、鉀的平衡調(diào)整極為緩慢，而鉀、鎂含量即使在低溫也調(diào)整得相當(dāng)快[9]，將井點(diǎn)的水質(zhì)資料，投影在（圖6）上，可看出本次所選各地?zé)峋耐逗饩€，表明熱流體沒有達(dá)到平衡，靠近鎂區(qū)是因于重碳酸型水。而明化鎮(zhèn)兩眼井已經(jīng)達(dá)到或接近平衡線，Na-K-Mg含量趨于平衡。

表2 園區(qū)地?zé)崃黧w與海水化學(xué)特征對(duì)照表Table 2 Comparison of hydrochemistry characteristics between the seawater and geothermal water

圖5 SiO2含量與水溫相關(guān)關(guān)系圖Fig．5 Relationship between SiO2concentrations and the temperature

圖6 地?zé)崃黧wNa-K-Mg含量三角圖Fig．6 Na-K-Mg triangular diagram of the geothermal water

3 地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)

3．1 醫(yī)療礦泉水評(píng)述

對(duì)比醫(yī)療礦泉水分類標(biāo)準(zhǔn)（表3），本區(qū)地?zé)崃黧w有一定的醫(yī)療價(jià)值，且各個(gè)熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w中的氟、偏硼酸、偏硅酸均達(dá)到了礦水標(biāo)準(zhǔn)，其中大部分地?zé)峋蟹x子含量達(dá)到命名標(biāo)準(zhǔn)。各熱儲(chǔ)層溫度均在40℃以上，礦化度普遍偏高，最小為侯臺(tái)子井，亦在1000 mg/L以上[10]。

3．2 漁業(yè)用水評(píng)價(jià)

對(duì)照漁業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)（表4），本區(qū)地?zé)崃黧w溫度較高，超過魚類生長(zhǎng)適宜溫度。而且氟離子含量均超過1 mg/L，不宜直接用于養(yǎng)魚，但可以適當(dāng)與低氟的冷水混合后使用。對(duì)于礦化度較高的各井應(yīng)根據(jù)不同種類魚的水質(zhì)要求做水溫及相應(yīng)的超標(biāo)離子等處理。

3．3 熱流體腐蝕性與結(jié)垢性評(píng)價(jià)

3.3.1 地?zé)崃黧w的腐蝕性

地?zé)崃黧w對(duì)一般的金屬表面都會(huì)產(chǎn)生程度不同的腐蝕，按腐蝕原理或腐蝕形式可分為若干類型，地?zé)崃黧w對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕—金屬表面與電解質(zhì)溶液中的某些化學(xué)成分發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞，其特點(diǎn)是在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。

對(duì)于氯離子的毫克當(dāng)量成分比＞25%的地?zé)崴?，可用拉伸指?shù)判斷其腐蝕性，方程式為：

從表5中可以看出：本區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組地?zé)崃黧w為結(jié)垢性水(天津大學(xué)地?zé)嶂行木?，館陶組地?zé)崃黧w為結(jié)垢性水和中等腐蝕性水，奧陶系的地?zé)崃黧w都為強(qiáng)腐蝕性熱水。

3.3.2 地?zé)崃黧w的結(jié)垢性

流體結(jié)垢的化學(xué)組分主要為碳酸鈣、硫酸鈣和硅酸鹽類。當(dāng)結(jié)垢形成時(shí)，會(huì)加大輸水系統(tǒng)流體阻力，增加阻熱系數(shù)，降低熱效率，嚴(yán)重者使系統(tǒng)堵塞，不能維持正常運(yùn)行；在垢層不完整處，還會(huì)造成垢下腐蝕。因此結(jié)垢問題不容忽視。現(xiàn)依據(jù)地?zé)峥辈橐?guī)范和地?zé)崂媒?jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)調(diào)查區(qū)地?zé)崃黧w的結(jié)垢性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（1）碳酸鈣垢

形成碳酸鈣垢的原因是熱流體中Ca2+濃度與CO32-濃度的乘積超過溶度積，則CaCO3在溶液中析出并附著在供熱設(shè)備和管道上。

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T11615—2000），當(dāng)?shù)責(zé)崴新入x子毫摩爾百分含量大于25%時(shí)，可用拉伸指數(shù)LI判斷碳酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)，其表達(dá)式見方程式（1）。

以拉伸指數(shù)評(píng)價(jià)碳酸鈣結(jié)垢程度的標(biāo)準(zhǔn)是：

當(dāng)：LI＞0.5時(shí)，不結(jié)垢；

LI＜0.5時(shí)，可能結(jié)垢。

表3 醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)值對(duì)比表（mg/L）Table 3 Comparison between the quality standard of medical mineral water and the measured value(mg/L)

表4 漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)值對(duì)比表（mg/L）Table 4 Comparison between the quality standard of fishing water and the measured value(mg/l)

表5 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地?zé)崃黧w腐蝕性評(píng)價(jià)表Table 5 Corrosive evaluation of the geothermal water in the Huayuan area

根據(jù)表6可知：本區(qū)新近系地?zé)崃黧w可能生成碳酸鈣垢，奧陶系地?zé)崃黧w則不會(huì)。

（2）硫酸鈣垢

在熱流體溫度小于100℃的狀態(tài)下，CaSO4垢主要是以二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）的形式沉淀。其沉淀的機(jī)理是：當(dāng)流體中硫酸鈣的分子濃度積超過其溶度積，二水硫酸鈣就沉淀。判定CaSO4垢的生成趨勢(shì)

通常采用相對(duì)飽和度（RS1）來定性估算，其表達(dá)式為：

相對(duì)飽和度并不能說明其沉積速度，RS1在0.8～1.2之間的解釋是不能確定的，只能說明其趨勢(shì)，但當(dāng)RS1值大于1.2時(shí)，則可判斷能夠產(chǎn)生CaSO4垢。表6中列舉了本區(qū)地?zé)崃黧w的可能結(jié)垢程度。

根據(jù)表6可知：本區(qū)新近系、奧陶系地?zé)崃黧w均有硫酸鈣詬生成。

（3）硅酸鹽垢

硅酸鹽垢的結(jié)垢比較復(fù)雜，其垢通常含有40%～50%二氧化硅，25%～30%的鐵和鋁的氧化物，以及10%～20%的氧化鈉。硅酸鹽垢的結(jié)垢通常采用無定形二氧化硅的相對(duì)飽和度R·S來評(píng)價(jià)，其表達(dá)式為：R·S=SiO2/2.466×104e-1553/T（3）

計(jì)算結(jié)果（表7）表明，本區(qū)地?zé)崽餆崃黧w無硅酸鹽結(jié)垢條件。即使化學(xué)結(jié)垢條件具備，但通常在低溫地?zé)崃黧w（49～105℃）中，二氧化硅的沉積速度非常緩慢，溶液過飽和也不會(huì)產(chǎn)生二氧化硅沉淀。

表6 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地?zé)崃黧w硫酸鈣結(jié)垢性評(píng)價(jià)表Table 6 Evaluation of the calcium sulfate scaling of geothermal water in the Huayuan area

表7 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地?zé)崃黧w硅酸鹽結(jié)垢性評(píng)價(jià)表Table 7 Evaluation of the silicate scaling of geothermal water in the Huayuan area

4 結(jié)論

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)是天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的主體產(chǎn)業(yè)區(qū)和中心區(qū)，具有綜合利用條件，在地?zé)豳Y源開發(fā)中應(yīng)該發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，應(yīng)盡可能加大開發(fā)利用深度，推行梯級(jí)利用、綜合利用，提高地?zé)豳Y源的利用率，以節(jié)約和保護(hù)寶貴的地?zé)豳Y源[11]。

本文針對(duì)華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)的地?zé)崃黧w化學(xué)特征進(jìn)行了分析，討論了地?zé)崃黧w的平面、垂向變化規(guī)律及其成因、補(bǔ)給來源，并作出了地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)述，進(jìn)一步探討了開發(fā)利用的方向。其中，奧陶系地?zé)崴哂袕?qiáng)腐蝕性，由于水質(zhì)不佳而利用率較低。因此，奧陶系地?zé)崃黧w的水質(zhì)處理問題顯得尤為重要，希望在不久的將來，能夠?qū)栴}解決并擴(kuò)大其利用規(guī)模，以提高地?zé)豳Y源的利用率。

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Chemical Characteristics and Quality Evaluation of the Geothermal Fluids in the Huayuan Economical Area,Tianjin

LI Yuan-yuan,TANG Yong-xiang,LI Jun-feng CHEN Rui-jun JIN Bao-zhen
(Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design,Tianjin 300250,China)

The reservoirs in the Huayuan EconomicalArea are mainly in the Minghuazhen,Guantao and Ordovician Formations.Based on the geochemical analysis,we deduced the geothermal fluids here is original from precipitation.All the chemical compositions obey the horizontal strip characteristics from east to west, north-east to south-west and mountain front to basin center.The geothermal fluids of each reservoirs and groundwater of Quaternary System all change a lot in vertical.By analysis,it is possible for the Minghuazhen reservoir to accept the leakage recharge from Quaternary groundwater.And the geothermal fluids in the Guantao reservoir may accept the top alimentation from bed-rock in hump area.In deduction,the recharge area is location in the east or north-east of the Huayuan Economical Area and the speed of recharge is very slow.In addition,the geothermal fluids here have light-strong corrosivity and scaling tendency of calcium sulfate,it is not suitable for drinking water and fish farm directly.And also,it is not suitable for agricultural irrigation.But fluids of the Minghuazhen Reservoir is suitable for most of industry.To be gratified,there is a great value on quantity of metasilicic acid and luorine in geothermal fluids of each reservoir.After dealing with it,there may be a good value in medical.If developing hot spring tourism here,there must be a great economic benefit.

geothermal fluids;chemical characteristics;horizontal zoning;leakage recharge;Huayuan EconomicalArea；Tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）03-0226-07

2013-05-24

天津市地?zé)豳Y源規(guī)劃項(xiàng)目（2011-2015年）（國(guó)土房任[2011]4號(hào)）

李嫄嫄（1982-）女，水工環(huán)工程師，工程碩士在讀，主要從事地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)工作，Email：tj_lyy@126.com。