天津東麗湖地區(qū)地?zé)崃黧w地球化學(xué)特征及其賦存環(huán)境

趙　娜，王光輝，江國勝，王　鵬

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.天津市國土資源和房屋管理局地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300042)

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天津東麗湖地區(qū)地?zé)崃黧w地球化學(xué)特征及其賦存環(huán)境

趙娜1，王光輝2，江國勝1，王鵬1

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.天津市國土資源和房屋管理局地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300042)

摘要：東麗湖地區(qū)位于山嶺子地?zé)岙惓^(qū)中心地帶，滄東斷裂帶之上，有3個(gè)熱儲(chǔ)層。其中，奧陶系與霧迷山組水質(zhì)相似，水化學(xué)類型以Cl·HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na為主，礦化度1 400～1 750 mg/L，為部分平衡水；而明化鎮(zhèn)組以HCO3·Cl-Na為主，礦化度1 500 mg/L，為完全平衡水。地?zé)崃黧wγ(Na)/γ(Cl)均較高，二氧化碳分壓(pco2)為10-1.98～10-2.7Mpa，地下水碳酸平衡具有開系統(tǒng)的特征。流體中方解石、白云石、文石處于微飽和狀態(tài)。深部奧陶系水質(zhì)與霧迷山組熱儲(chǔ)溫度適合用玉髓溫標(biāo)計(jì)算，而淺部明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)溫度則用Na-K溫標(biāo)計(jì)算。東麗湖奧陶系與霧迷山組連通性較好，垂向上對流強(qiáng)烈。明化鎮(zhèn)儲(chǔ)層局部地區(qū)受到了基巖裂隙型地?zé)崃黧w的垂向補(bǔ)給。

關(guān)鍵詞：東麗湖地區(qū)地?zé)崃黧w；地球化學(xué)特征；賦存環(huán)境；滄東斷裂；天津市

0引言

天津地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源，已普遍用于城市居民供暖、生活用水、溫泉洗浴、漁業(yè)養(yǎng)殖等各個(gè)方面，其作為清潔能源，極大地改善了城市環(huán)境。東麗湖地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件較好，是天津市地?zé)衢_發(fā)較早的地區(qū)。地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征是地?zé)豳Y源最重要的特征之一。為更好地保護(hù)和開發(fā)該類資源，近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者就不同地質(zhì)背景下各種地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。本文從水化學(xué)的角度探討東麗湖地區(qū)地?zé)崃黧w特征及其約束因素，這對研究該地區(qū)地?zé)崃黧w的起源、演化及生產(chǎn)應(yīng)用具有一定的理論意義。

1區(qū)域地質(zhì)背景

東麗湖地區(qū)構(gòu)造位置位于滄縣隆起之潘莊凸起上(圖1)、山嶺子地?zé)崽锏臇|北部，地溫梯度值高，地?zé)豳Y源豐富。附近主要發(fā)育滄東斷裂，東麗湖地區(qū)地?zé)崃黧w的存儲(chǔ)和運(yùn)移明顯受到滄東斷裂的影響和控制。趙蘇民等[1]認(rèn)為，滄東斷裂在上地殼淺部能將下部熱儲(chǔ)層高位熱能以熱對流形式傳遞到淺部，影響范圍隨遠(yuǎn)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向南西向較強(qiáng)的導(dǎo)水能力，但局部有一定的差異性。

圖1　區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1　Structural map of study area

東麗湖地區(qū)所處的山嶺子地?zé)崽镂挥跍婵h隆起北端的潘莊凸起之上，為由元古宇構(gòu)成核心的低短軸半背斜，主要由中元古界碳酸鹽巖形成的巖溶裂隙型熱儲(chǔ)和上覆新近系碎屑巖形成的孔隙裂隙型熱儲(chǔ)組成，第四系形成地?zé)崽锏纳w層[2]。滄東斷裂西側(cè)為滄縣隆起，基巖以古生界為主，頂板埋深1 000～2 000m；東側(cè)為黃驊坳陷中的北塘凹陷，古近系孔店組很薄，主要為沙河街組和東營組，厚3～5km，西側(cè)的前古生界與東側(cè)的新近系對接。

區(qū)域主要被第四系沉積物所覆蓋，揭露的地層主要有第四系、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古生界奧陶系和寒武系、中新元古界青白口系和薊縣系霧迷山組[3]。該地區(qū)目前已開發(fā)的熱儲(chǔ)層為明化鎮(zhèn)組、奧陶系和霧迷山組。由于滄東斷裂帶的作用，局部缺失館陶組和寒武系[4]。

2地?zé)崃黧w化學(xué)特征

(2)γ(Na)/γ(Cl)值。區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧wγ(Na)/γ(Cl)[5]較高，為1.67～2.54，均>1，說明地?zé)崃黧w在地下發(fā)生過強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)，可能是降水起源的溶濾水中Ca與海相地層中的Na交換后，水中Na增加所致。

(3)二氧化碳分壓。據(jù)東麗湖各地?zé)峋瘜W(xué)成分分析，地?zé)崃黧w中的二氧化碳分壓pco2為10-1.98～10-2.7MPa，均高于大氣圈的pco2(10-4.5MPa)，說明地?zé)崃黧w在從補(bǔ)給區(qū)滲流過程中溶解了更多的CO2，地下水碳酸平衡具有開系統(tǒng)二氧化碳分壓穩(wěn)定的特征。

(4)熱水氣體成分。地下水中常見的氣體成分有O2，N2，CO2，CH4，H2S等，以前3種為主。地?zé)峋畾怏w成分可說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境。通

表1　各地?zé)峋黧w水化學(xué)成分

注：J為霧迷山組(Jxw)，O為下古生界奧陶系(O)，N為新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)。測試單位：國土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心。

表2　地?zé)峋黧w氣體檢測結(jié)果

圖2　礦化度與取水段埋深關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.2　Scattered point diagram showing salinity vs sampling depth relation

過分析DLH-1地?zé)崃黧w中的氣體(表2)，霧迷山地?zé)崴械獨(dú)夂枯^高，說明地?zé)崃黧w來源于大氣降水入滲補(bǔ)給。地?zé)崃黧w中既含有游離O2，又含有N2和CH4，表明該熱儲(chǔ)層處于氧化和還原環(huán)境之間的過渡環(huán)境，CO2是地?zé)崃黧w中含量較高的氣體，含碳酸鹽類的巖石在深部高溫條件下，可生成一定量的CO2，地下水中含CO2越多，其溶解碳酸鹽巖與對結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力越強(qiáng)。

(5)礦化度與儲(chǔ)層埋深的關(guān)系。孔隙型地?zé)崃黧w的礦化度與埋深存在著正相關(guān)關(guān)系。因?yàn)樵较蛏钐?，更高的熱?chǔ)層溫度使地層中的化學(xué)元素更多地溶于地?zé)崃黧w中，從而導(dǎo)致礦化度增高。天津市一般孔隙型熱水井地?zé)崃黧w的礦化度與埋深成正相關(guān)。而圖2中明化鎮(zhèn)地?zé)崃黧w的礦化度并沒有隨埋深增大而增大。在垂直方向上，基巖裂隙型地?zé)崃黧w的礦化度與埋深的相關(guān)性不大，霧迷山和奧陶地?zé)峋乃|(zhì)較好[8]，礦化度相差不大，說明受滄東斷裂的影響，基巖裂隙發(fā)育，奧陶系與霧迷山組基巖連通性較好，垂向上對流強(qiáng)烈。

3地?zé)崃黧w的形成及其賦存環(huán)境

隨著熱力學(xué)方法在解決水文地球化學(xué)問題中的應(yīng)用和推廣，綜合考慮化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論以及化學(xué)分析數(shù)據(jù)，可推知水中存在組分以及各種組分在水中的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)，可進(jìn)一步了解地?zé)崃黧w的形成及存在的環(huán)境。

中華大地所具有的獨(dú)一無二的紅色文化，不止在革命時(shí)期對馬克思主義大眾化和中國化的馬克思主義理論的形成和發(fā)展有著重要積極作用，而且在新時(shí)代中國特色社會(huì)主義發(fā)展的新階段對馬克思主義大眾化有著更為重要的文化精神支撐作用。弘揚(yáng)紅色文化，傳承紅色精神，讓紅色文化的特性和功用得到全方位的發(fā)揮，強(qiáng)化人們的文化歸屬感，“使人們普遍認(rèn)同、接納和信仰當(dāng)代中國化的馬克思主義、馬克思主義中國化的最新成果——習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想”[1],并用紅色精神來指導(dǎo)實(shí)踐。

3.1飽和指數(shù)

溶液的飽和指數(shù)(SI)是指示水與礦物處于何種狀態(tài)的參數(shù)。SI=0，說明水與礦物達(dá)到平衡狀態(tài)；SI>0，說明溶液處于飽和狀態(tài)；SI<0，說明溶液處于非飽和狀態(tài)。利用美國地質(zhì)調(diào)查局的PHREEQC模型[6]，對樣品進(jìn)行熱力學(xué)模擬，計(jì)算出的礦物飽和指數(shù)見圖3，方解石、白云石、文石處于微飽和狀態(tài)，表明熱田區(qū)地?zé)崃黧w在一定情況下會(huì)沉淀析出，在地?zé)崂霉┧艿澜宇^處的部分垢狀物是這一系列過程的產(chǎn)物；石英、玉髓、螢石處于基本平衡狀態(tài)，而硬石膏、石膏、巖鹽處于非飽和狀態(tài)，由于熱田內(nèi)各種水體的礦化度都不很高，石鹽類礦物的飽和度均較低。

圖3　地?zé)崃黧w中礦物的飽和指數(shù)Fig.3　Saturation index of minerals in geothermal waters1.方解石；2.白云石；3.玉髓；4.石膏；5.石英；6.沸石；7.文石；8.巖鹽；9.硬石膏

圖4　Na—K—Mg含量三角圖Fig.4　Na-K-Mg plot

3.2Na—K—Mg平衡

利用Na—K—Mg含量三角圖反映水化學(xué)的平衡狀況[7-8]。Na—K—Mg三角圖由Giggenbach于1988年提出，圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水(處于巖石溶解淋濾過程中的水)3個(gè)區(qū)域。將井點(diǎn)的水質(zhì)資料投影至圖4，在東麗湖地?zé)崃黧w的投影點(diǎn)出現(xiàn)了2種不同的情況，即霧迷山組、奧陶系各井地?zé)崃黧w處于平衡曲線的下方且位于部分平衡區(qū)域，靠近鎂區(qū)，說明水樣還未與周圍的巖石完全達(dá)到平衡，這與前面對水樣化學(xué)信息的分析結(jié)果是一致的。這種情況也說明霧迷山組、奧陶系熱儲(chǔ)層是相對開放的空間，地?zé)崃黧w受到外界流體的補(bǔ)給較充足，并與之發(fā)生了混合作用，深部地?zé)崃黧w與圍巖之間的反應(yīng)尚未達(dá)到平衡，在溫度、壓力的作用下，熱流體與圍巖之間的反應(yīng)將繼續(xù)進(jìn)行，直至地?zé)崃黧w達(dá)到飽和狀態(tài)。

由于巖溶裂隙發(fā)育，在垂向上受到上覆和下伏儲(chǔ)層的補(bǔ)給，尤其在滄東斷裂附近，極有可能存在大的徑流通道，形成了對熱儲(chǔ)層補(bǔ)給的“天窗”。另一方面也說明Na—K—Mg地?zé)釡貥?biāo)不適合奧陶系及霧迷山組儲(chǔ)層溫度的評估。而明化鎮(zhèn)組地?zé)峋堰_(dá)到或接近平衡線，Na—K—Mg含量趨于平衡，分析認(rèn)為，明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層雖然相對較多地接受了大氣降水和地表水補(bǔ)給，但由于地層巖性的限制，補(bǔ)給的流體在孔隙中滲入緩慢，地?zé)崃黧w在熱儲(chǔ)層中有充分的時(shí)間來達(dá)到平衡狀態(tài)，同時(shí)也說明Na—K—Mg地?zé)釡貥?biāo)較適用于明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層。

3.3熱儲(chǔ)溫度

熱儲(chǔ)溫度是劃分地?zé)嵯到y(tǒng)的成因類型和評價(jià)地?zé)豳Y源潛力不可缺少的重要參數(shù)，地球化學(xué)溫標(biāo)方法是提供這一參數(shù)的經(jīng)濟(jì)而有效的手段[9]。地球化學(xué)溫標(biāo)是建立在某種反應(yīng)產(chǎn)物的平衡和反映溫度相關(guān)這一基礎(chǔ)上的。由于溫度的變化對溶液中的陽離子比和水溶性二氧化硅的濃度有很大影響，目前應(yīng)用最廣的是硅溫標(biāo)、陽離子溫標(biāo)(主要是Na/K溫標(biāo))。用地?zé)釡貥?biāo)來估算熱儲(chǔ)溫度，其前提是地?zé)崃黧w與周圍礦物達(dá)到礦物平衡。此次采用Watch[10]軟件計(jì)算東麗湖地區(qū)地?zé)峋疁囟?表3)。從表3可見，玉髓溫度計(jì)計(jì)算的地?zé)崴畠?chǔ)層溫度接近于地?zé)崴跍囟?，而采用石英溫度?jì)計(jì)算的地?zé)崴畠?chǔ)層溫度偏高，在低溫?zé)醿?chǔ)的估算中，玉髓與水反應(yīng)大多

表3　熱儲(chǔ)溫度計(jì)算

量的單位：℃。

數(shù)情況下要比石英與水反應(yīng)更接近平衡。采用Na/K溫標(biāo)計(jì)算霧迷山和奧陶系熱儲(chǔ)溫度差異較大，不適合奧陶系及霧迷山組儲(chǔ)層溫度的評估，這與之前分析結(jié)果一致，但Na/K溫標(biāo)較適宜計(jì)算明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)溫度。

4結(jié)論

(1)東麗湖地區(qū)的地?zé)崃黧w溫度較高，明化鎮(zhèn)組水質(zhì)類型以HCO3·Cl-Na為主，奧陶系和霧迷山組水質(zhì)類型以Cl·HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na為主。γ(Na)/γ(Cl)比較高，說明東麗湖地區(qū)熱流體在地下發(fā)生過強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)。地?zé)崃黧w中含有較多的CO2，且含有游離O2以及N2和CH4，表明該熱儲(chǔ)層處于氧化和還原環(huán)境之間的過渡環(huán)境。

(2)地?zé)崃黧w中各種礦物飽和度指數(shù)模擬結(jié)果顯示，地?zé)崃黧w從儲(chǔ)層向地面遷移及利用過程中會(huì)發(fā)生少量碳酸鹽沉淀，這一結(jié)論與現(xiàn)場觀測到的現(xiàn)象是一致的。同時(shí)，地?zé)崃黧w中pco2較高，在利用過程中極易發(fā)生CO2脫氣，生成碳酸鹽沉淀。利用地球化學(xué)溫標(biāo)對熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行計(jì)算，玉髓溫標(biāo)計(jì)算的地?zé)崴畠?chǔ)層溫度接近于地?zé)崴跍囟?，同時(shí)Na/K溫標(biāo)較玉髓溫標(biāo)適宜新近系明化鎮(zhèn)組溫度計(jì)算。

(3)東麗湖地區(qū)熱儲(chǔ)受滄東斷裂的影響，基巖裂隙較為發(fā)育，奧陶系與霧迷山組基巖連通性較好，垂向上對流強(qiáng)烈。東麗湖基巖熱儲(chǔ)層是個(gè)相對開放的空間，地?zé)崃黧w受到外界流體的補(bǔ)給比較充足，并發(fā)生了混合作用，明化鎮(zhèn)儲(chǔ)層局部地區(qū)受到了基巖裂隙型地?zé)崃黧w的垂向補(bǔ)給。綜上認(rèn)為，東麗湖地區(qū)受滄東斷裂的影響較大，垂向上對流強(qiáng)烈，深部地?zé)崃黧w與圍巖之間的反應(yīng)尚未達(dá)到平衡；而明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層受地層巖性的限制，補(bǔ)給的流體在孔隙中滲入緩慢，地?zé)崃黧w在熱儲(chǔ)層中有充分的時(shí)間來達(dá)到平衡狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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GeochemicalcharacteristicsandoccurrenceenvironmentofgeothermalwaterinDongliLakearea，Tianjin，China

ZHAONa1,WANGGuanghui2,JIANGGuosheng1,WANGPeng1

(1.Tianjin Geothermal Exploration Development Designing Institute, Tianjin 300250,China；2.Tianjin Bureau of Land, Resources and Real Estate Management, Center of Geology, Tianjin 300042,China)

Abstract：Dongli Lake area is located in the center of Shan Lingzi geothermal anomaly at the Cangdong fault zone with three geothermal reservoirs. The water of Ordovician System and Wumishan Formation is similar in quality with the main hydrochemical type of Cl· HCO3· SO4-Na and Cl· SO4· HCO3-Na, salinity of 1 400-1 750 mg/L and partial equilibrium water. Water in Minghuazhen Formation is mainly the HCO3· Cl-Na type, the complete equilibrium water with salinity of 1 500 mg/L, higher γ(Na) /γ(Cl) ratio, carbon dioxide partial pressure (pco2) 10-1.98to 10-2.7Mpa, carbonate equilibrium characterized by an open system and near saturation of calcite, dolomite, aragonite. Quality, temperature of the deep reservoir in Ordovician system and Wumishan Formation is suitably calculated with chalcedony geothermometer, temperature of the shallow reservoir in Minghuazhen Formation with the K-Na geothermometern. In Dongli Lake area the geothermal water in Ordovician system and Wumishan Formation is well connected and convects strongly in vertical direction. Reservoir in Minghuazhen Formation is locally supplied with water through vertical cracks in the bedrock.

Key Words：geothermal fluid in Dongli Lake area; geochemical characteristic; occurrence environment; cangdong fault zone; Tianjin

收稿日期：2015-01-09；責(zé)任編輯：趙慶

基金項(xiàng)目：中央財(cái)政礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用項(xiàng)目和天津市濱海新區(qū)東麗湖地區(qū)基巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源保護(hù)工程項(xiàng)目(編號：國土房任[2010]12號)資助。

作者簡介：趙娜(1982—)，女，工程師，2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，從事水工環(huán)和地?zé)岬刭|(zhì)工作。

通信地址：天津市河?xùn)|區(qū)衛(wèi)國道189號，天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院；郵政編碼：300250；E-mail：tjdrzn@126.com

doi：10. 6053/j. issn.1001-1412. 2016. 01. 019

中圖分類號：P641.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A