運(yùn)城市地?zé)崴瘜W(xué)特征及評價(jià)研究

李 強(qiáng)

(山西省運(yùn)城市水資源委員會(huì)辦公室，山西 運(yùn)城044004)

地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、綠色、污染小的新型能源，已在供發(fā)電、取暖、淋浴、養(yǎng)魚和游泳等方面得以應(yīng)用，并取得了較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。隨著地?zé)崴Y源大量開采，很多地?zé)峋蚋珊远鴹売?，地?zé)崴目沙掷m(xù)利用遭遇危機(jī)。因此加強(qiáng)地?zé)崴Y源評價(jià)及水化學(xué)特征分析對于該地區(qū)地?zé)崴暮侠砝糜兄匾饬x。

目前國內(nèi)外有關(guān)地?zé)崴?、低溫的研究都有較快的發(fā)展:不同地區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征通過水－巖過程來實(shí)現(xiàn)的[1－5]，地?zé)崴菰创蠖纪ㄟ^穩(wěn)定同位素來實(shí)現(xiàn)[6－8]，溫煜華、劉穎超等[9－11]針對中國不同地區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征進(jìn)行了研究分析，分析這些地區(qū)地?zé)崴鹪从诖髿饨邓?，受水－巖同位素交換不明顯;Ahmad M等[12]運(yùn)用地?zé)釡貥?biāo)估算出巴基斯坦北部地區(qū)熱儲(chǔ)溫度;呂苑苑等[13]對滇藏地?zé)釒нM(jìn)行了B含量和B同位素測定，以此分析地球化學(xué)特征，表明滇藏地?zé)釒崴年懴喑梢?。近年來，關(guān)于運(yùn)城城區(qū)對地?zé)崴难芯窟€沒有完全展開，特別是地?zé)崴Y源評價(jià)方面更少。本文擬對研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征及評價(jià)開展研究，通過對該地區(qū)8個(gè)采樣點(diǎn)采樣，分析運(yùn)城市地?zé)崴瘜W(xué)特征以及利用C14、δD、δO18同位素來追溯該地區(qū)地?zé)崴鹪?，進(jìn)而對運(yùn)城市地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度進(jìn)行測算，對運(yùn)城市地?zé)崴Y源量進(jìn)行評估，為該地區(qū)地?zé)崴暮侠砝锰峁┮罁?jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)簡介

研究區(qū)位于山西省運(yùn)城市范圍內(nèi)(110°59'30″～111°03'00″E，35°00'00″～ 35°03'15″N)，區(qū)域構(gòu)造較為復(fù)雜，由南向北形成了鹽湖地塹、隴崗地壘、涑水河谷沖積平原及峨嵋臺(tái)塬等不同的地質(zhì)地貌單元。

1.1 熱儲(chǔ)構(gòu)造

研究區(qū)有著良好的地?zé)岬刭|(zhì)邊界條件，主要的熱儲(chǔ)構(gòu)造是中條山前北部大斷裂和峨嵋臺(tái)塬南側(cè)斷裂，中條山前北部大斷裂，總體走向?yàn)楸睎|向，顯示出向南東呈弧形的斷裂特征，延長130 km左右，該斷裂帶在上元古代以前形成，中生代活動(dòng)強(qiáng)烈，晚新生代更為強(qiáng)烈。峨嵋臺(tái)塬南側(cè)斷裂，具有強(qiáng)烈分異運(yùn)動(dòng)的差異性，相鄰兩塊的斷距很大，為正斷層，斷裂帶為新生代地層所覆蓋，總體走向?yàn)楸睎|東——南西西向，延長110 km左右，據(jù)鉆孔地質(zhì)資料，在臨猗縣城關(guān)附近第三系頂界地層斷距達(dá)130 m左右，傾角很陡。斷裂構(gòu)造是深部地?zé)崮芟蛏蠑U(kuò)散、運(yùn)移的良好通道，也是地下熱水溝通、傳導(dǎo)的良好通道。中條山北麓山前大斷裂與峨嵋臺(tái)塬南側(cè)斷裂切割深度較大，據(jù)歷史記載，斷裂帶附近曾有多次地震發(fā)生，沿?cái)嗔褞н€有地?zé)嵩?水)分布，說明斷裂帶聯(lián)通深部地?zé)崮?，使其能向淺部地層巖性運(yùn)移和傳導(dǎo)，是兩條導(dǎo)熱、導(dǎo)水的構(gòu)造通道。區(qū)內(nèi)出露地層和地?zé)峥辈榭?井)所揭露地層由老到新依次為下古生界寒武系、新生界下第三系平陸群、上第三系及第四系。地下熱水主要賦存于上第三系中新統(tǒng)以及下第三系漸新統(tǒng)、始新統(tǒng)承壓孔隙裂隙含水層中(見圖1)。

圖1 運(yùn)城盆地地?zé)崴疅醿?chǔ)層剖面圖

1.2 地溫場特征

研究區(qū)淺層無地溫異常，地下300 m～350 m埋深，水溫一般為18℃ ～20℃。深部靠地?zé)嵩鰷囟纬蓛?chǔ)熱層，平均增溫梯度 2.85℃ /100 m ～3.26℃ /100 m;1 000 m埋深，水溫一般在35℃ ～40℃;1 600 m埋深，水溫一般在40℃ ～45℃;2 000 m埋深，水溫一般在50℃ ～55℃;3 000 m埋深，水溫一般在60℃ ～65℃。本區(qū)南側(cè)鹽湖地帶開采熱水井，上第三系中新統(tǒng)(N1)底面埋深1 600 m～1 800 m，EH－4勘測剖面電阻率值也偏底，深部地溫場均有顯示，該井施工深度2 121 m，開采的漸新統(tǒng)(E3)含水層段1 800 m～2 100 m的熱儲(chǔ)層，平均水溫65℃ ～70℃，地?zé)崽荻仍?3.1 ℃ /100 m ～3.4 ℃ /100 m。運(yùn)城市城區(qū)中心南風(fēng)廣場開采熱水井，開采的下第三系漸新統(tǒng)(E3)與始新統(tǒng)(E2)含水層段2 100 m～3 200 m的熱儲(chǔ)層，平均水溫60℃ ～65℃，地?zé)崽荻仍?.8℃ /100 m ～3.4℃ /100 m。以上特征與同一類型的渭河盆地地溫場特征大致相同，具有由淺到深遞減的趨勢。這一規(guī)律說明熱源主要來自深部熱流的傳導(dǎo)。根據(jù)已有地?zé)峋Y料顯示，運(yùn)城盆地地?zé)峋疁y井溫度曲線如圖2所示。

圖2 運(yùn)城盆地地?zé)峋疁y井溫度曲線

綜合上述分析，本區(qū)具備形成地?zé)釡囟葓龅臈l件，上部有巨厚的保溫層，下部有良好的儲(chǔ)存及埋藏深度條件，具備了開發(fā)和利用地?zé)崮艿那疤釛l件。

2 地?zé)崴瘜W(xué)分析

為系統(tǒng)研究地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)，在運(yùn)城市共布置8處熱勘探孔(井)。根據(jù)現(xiàn)場測定和實(shí)驗(yàn)室分析的水化學(xué)分析結(jié)果(見表1)得到水中陽離子以Na+為主，其次為Ca2+、Mg2+。陰離子以 C1－為主，其次為SO42－、HCO3－。按照舒卡列夫分類法，含量大于25%毫克當(dāng)量的陰離子和陽離子進(jìn)行組合，該地?zé)峋瘜W(xué)類型為C1－Na型水?？扇苄钥偣腆w為17 522 mg/L，pH 值為7.14，總硬度為2 117 mg/L，總堿度為 140.9 mg/L，總酸度為 19.08 mg/L，這3種都以CaCO3來計(jì)的，屬于中性硬咸水。

運(yùn)城涑水盆地由于受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，地?zé)崴瘜W(xué)特征呈現(xiàn)出較為清楚的分帶性。具體特征如表1所示。由表1可知，垂向上，涑水平原區(qū)(含本工作區(qū)與鹽湖湖心區(qū))屬深層地?zé)崴?，而峨嵋臺(tái)塬區(qū)、中條山前區(qū)為淺層地?zé)崴偷責(zé)崛?，其水化學(xué)特征也存在著明顯的差異性。

表1 地?zé)崴瘜W(xué)主要特征表

勘查區(qū)內(nèi)地下熱水為較好的醫(yī)療熱礦水，可溶性總固體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，為鹽水，其中鍶含量達(dá)到命名礦水的標(biāo)準(zhǔn)要求，可命名為鍶水，硫酸根含量大于500 mg/L對混凝土來說有很強(qiáng)的結(jié)晶類腐蝕性。

3 穩(wěn)定同位素分析

穩(wěn)定同位素氫、氧分析是地?zé)崴吩醋畛Ｓ玫挠行е笜?biāo)之一[14]。根據(jù)勘探孔(井)采集的水樣，進(jìn)行 C14、δD、δO18同位素測定，其測試結(jié)果見表 2，由測試結(jié)果可知:

(1)本區(qū)的 δD和 δO18關(guān)系值，基本符合 H.Craigh降水直線方程公式

式中:δD為水的同位素組成;δO18為氧的同位素測定結(jié)果。

以及相鄰地區(qū)西安市的降水直線方程公式δD=7.4δO18+9.52的函數(shù)關(guān)系[15]，由此查明大氣降水是運(yùn)城市地?zé)崴饕獊碓?，且受水－巖同位素交換不明顯。

(2)由C14測定結(jié)果可以得出，運(yùn)城市范圍內(nèi)第三系地下熱水埋藏較深，熱水年齡在36 000 a左右，由此可見本區(qū)地下熱水運(yùn)移距離長、運(yùn)移速度緩慢、運(yùn)移時(shí)間長。

表2 地?zé)崴凰販y定結(jié)果表

4 地?zé)豳Y源評價(jià)

4.1 地?zé)豳Y源總量

(1)計(jì)算范圍

研究區(qū)范圍選取的原則總體以地?zé)岬刭|(zhì)邊界為準(zhǔn)，即北、東、南分別以峨嵋臺(tái)塬南側(cè)斷裂、皇莆至介村隱伏斷裂、湖岸壟崗斷裂為計(jì)算邊界，西部以工作區(qū)地質(zhì)坐標(biāo) X=3 896 860、Y=19 489 250和 X=3 878 760、Y=19 506 140連線為計(jì)算邊界。計(jì)算面積175 km2。

將水資源視為不可再生的能源。本區(qū)地下熱水的年齡在36 000 a左右，說明地下熱水循環(huán)極其緩慢，因而可將熱水儲(chǔ)層視為靜水層，進(jìn)行資源估算時(shí)不考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。

(2)計(jì)算方法

本研究熱水天然儲(chǔ)量(包括熱水儲(chǔ)量和儲(chǔ)存熱量)，計(jì)算采用體積法:

式中:Qw為熱水天然儲(chǔ)量，m3;Qr為熱儲(chǔ)層儲(chǔ)存熱量，kJ;A為熱儲(chǔ)面積，m2;D為熱儲(chǔ)厚度，m;φ為孔隙度，%;ρc、ρw為熱儲(chǔ)巖石和水的密度，kg/m3;Cc、Cw為熱儲(chǔ)巖石和水的比熱容，kJ/(kg·℃);Tr為熱儲(chǔ)溫度，取計(jì)算熱儲(chǔ)層的平均溫度，℃;Tj為基準(zhǔn)溫度，℃。

計(jì)算方法采用可采系數(shù)法。該方法對于資源勘探程度不高和熱儲(chǔ)工程實(shí)驗(yàn)參數(shù)資料有限的條件下，能給出可采資源的概略估計(jì)，可采系數(shù)約在0.1～0.5之間。結(jié)合運(yùn)城市實(shí)際情況，本研究取0.25。

(3)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述相關(guān)公式和相關(guān)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果表

4.2 地?zé)豳Y源評價(jià)

按目前單井開采量120 m3/h取值，并考慮到開采井之間的井群干擾因素，一般要求水量減少系數(shù)不小于0.20～0.25，因此水量減少系數(shù)取 0.25 進(jìn)行地?zé)崴Y源量計(jì)算。

地?zé)崴_采井單井平均每年開采地?zé)崴繛?4×105m3。運(yùn)城市175 km2勘查范圍內(nèi)每年可開采地?zé)豳Y源的總熱水量為7.9×107m3。

4.3 水位降深預(yù)測

關(guān)于地下熱水水位降深預(yù)測問題，就目前所掌握城區(qū)地下熱水開采井的熱水水位動(dòng)態(tài)資料，開采初期，城區(qū)地?zé)崴乃换靖哂诘乇?0 m左右，初始開采水位下降較快，后期水位下降基本趨緩，大多數(shù)地?zé)峋?008年開采后，目前運(yùn)城市城區(qū)地下熱水開采中心的熱水水位最大降深已達(dá)120 m，平均每年水位下降18.57 m，地?zé)崴Y源屬于超采狀態(tài)。

5 結(jié)論

在綜合分析研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合8處采樣點(diǎn)采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)對運(yùn)城市地?zé)崴瘜W(xué)特征及評價(jià)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)果:

(1)運(yùn)城涑水盆地由于受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，地?zé)崴瘜W(xué)特征呈現(xiàn)出較為清楚的分帶性。南部中條山前區(qū)呈弱堿性微咸水，北部峨嵋臺(tái)塬區(qū)的地?zé)崴瘜W(xué)類型呈弱堿性半咸水;中部涑水平原區(qū)呈弱酸性咸水。垂向上，涑水平原區(qū)(含本工作區(qū)與鹽湖湖心區(qū))屬深層地?zé)崴?，而峨嵋臺(tái)塬區(qū)、中條山前區(qū)為淺層地?zé)崴偷責(zé)崛?，其水化學(xué)特征也存在著明顯的差異性;

(2)研究區(qū)地?zé)豳Y源采用可采系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算得到，研究區(qū)內(nèi)可開采地?zé)豳Y源的總量為熱水3.95×109m3，熱量 2.42 ×1015kJ。如果按 50 a開采計(jì)算，每年可開采地?zé)豳Y源的總熱水量為7.90×107m3，熱量 4.84 ×1013kJ;

(3)運(yùn)城城區(qū)地?zé)崴饕x存于下第三系漸新統(tǒng)(E3)與始新統(tǒng)(E2)粉細(xì)砂巖含水層中，目前地?zé)崴黄骄杲瞪?8.57 m，地?zé)崴Y源屬于超采狀態(tài)。因此應(yīng)盡量采取采、停交替的方式才能使運(yùn)城市地?zé)崴軌蚩沙掷m(xù)利用。

[1]Gemici U，Tarcan G，Colak M，et al. Hydrogeochemical and hydrogeological investigations of thermal waters in the Emet area(Kütahya，Turkey)[J]. Applied Geochemistry，2004，19:105-117.

[2]Cruz V J，F(xiàn)rana Z. Hydrogeochemistry of thermal and mineral water springs of the Azores archipelago(Portugal)[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research，2006，151(4):382-398.

[3]柯柏林.北京城區(qū)地?zé)崽镂鞅辈康責(zé)岬刭|(zhì)特征[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23(1):49-56.

[4]王廣才，張作辰，汪 民，等.延懷盆地地下熱水與稀有氣體的地球化學(xué)特征[J].地震地質(zhì)，2003，25(3):421-429.

[5]于 湲.北京城區(qū)地?zé)崽锏叵聼崴乃瘜W(xué)及同位素研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)，2006.

[6]Ahmad M，Akram W，Hussain D S，et al. Origin and subsurface history of geothermal water of Murtazabad area，Pakistan－anisotopic evidence[J]. Applied Radiation and Isotope，2001，55(5):731-736.

[7]Papp C D，Nitoi E. Isotopic composition and origin of mineral and geothermal waters from Tusnad Bǎi Spa，Harghita Mountains，Romania[J]. Journal of Geochemical Exploration，2006，89(1):314-317.

[8]王 瑩，周 訓(xùn)，于 氵爰，等.應(yīng)用地?zé)釡貥?biāo)估算地下熱儲(chǔ)溫度[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2007，21(4):605-612.

[9]溫煜華，王乃昂，朱錫芬，等.天水及其南北地區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征及起源[J].地理科學(xué)，2011，31(6):668-673.

[10]劉穎超，劉 凱，等.北京市地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征[J].南水北調(diào)與水利科技，2015，13(2):57-61.

[11]陳軍鋒，鄭秀清，苗春燕，等.太原市親賢地壘區(qū)地下熱水成因及地?zé)豳Y源評價(jià)[J].水電能源科學(xué)，2015，32(2):68-71.

[12]Ahmad M，Akram W，Ahmad N，et al.Assessment of reservoir temperatures of thermal springs of the northern areas of Pakistan by chemical and isotope geothermometry[J]. Geothermics，2002，31(5):613-631.

[13]呂苑苑，鄭綿平，趙 平，等.滇藏地?zé)釒У責(zé)崴鹜凰氐厍蚧瘜W(xué)過程及其物源示蹤[J].中國科學(xué):地球科學(xué)，2014，44(9):1968-979.

[14]王 蔚，張景榮，胡桂興，等.湘西北地區(qū)現(xiàn)代溫泉地球化學(xué)[J].中國科學(xué):B 輯，1995，25(4):427-433.

[15]高志發(fā).西北地區(qū)大氣降水/地表水及地下水同位素組成特征探討[J].甘肅地質(zhì)學(xué)報(bào)，1993，2(2):94-101.