天津山嶺子地熱田霧迷山組熱儲流體水化學特征

岳冬冬， 李勝濤,3*, 賈小豐, 張秋霞, 馮昭龍, 楊 濤

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 保定 071051； 2. 自然資源部地熱與干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心，保定 071051； 3.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室， 長春 130021)

山嶺子地熱田屬天津市區(qū)及其近郊的三大地熱異常區(qū)之一，主要位于天津市東麗區(qū)，東側(cè)為塘沽區(qū)，西側(cè)為河北區(qū)，距離市中心超過20 km，全區(qū)人口約30萬，其中農(nóng)業(yè)人口20余萬。地熱田的開發(fā)利用始于20世紀70年代，隨著地熱勘查工作的開展和技術(shù)經(jīng)濟條件的進步，主要開采目的層由第三系向薊縣系霧迷山組轉(zhuǎn)移。

熱田水化學成因是地熱科學研究的熱點之一，主要通過分析流體中各種水化學組分的比例揭示地熱流體的水化學成因機理，形成演化規(guī)律和賦存環(huán)境[1-5]。針對天津市薊縣系霧迷山組的水化學特征，國內(nèi)外學者也開展了廣泛的研究。天津市薊縣系霧迷山組地熱水水化學類型和溶解性總固體(total dissolved solids, TDS)在天津市空間上呈現(xiàn)明顯的分帶規(guī)律[6-9]，水質(zhì)情況穩(wěn)定，主要成分含量多年來無明顯變化[10]。通過Na-K-Mg平衡圖法判斷霧迷山組熱流體未達到平衡，表明天津市深部地熱流體中有相當比例的淺層水混入[11-14]，或與奧陶系、寒武系地熱流體之間存在明顯的水力聯(lián)系，賦存環(huán)境相對開放[15-16]。

對于天津市地熱水的水化學特征主要受補給過程中圍巖的溶解以及含水層的巖性控制[17-18]。而對于具體的水化學作用有待進一步明確，水化學的成因有待進一步研究。

基于此，現(xiàn)利用2017年以來在研究區(qū)采集的不同熱儲地熱流體樣品，采用飽和指數(shù)分析、離子比值分析、Na-K-Mg平衡圖等方法，系統(tǒng)研究山嶺子地熱田霧迷山組熱儲流體發(fā)生的水文地球化學作用，總結(jié)其水化學形成機理。

1 地熱地質(zhì)條件概況

山嶺子地熱田是1986—1991年天津市勘查完成的一個大型地熱田，在天津市地熱勘查開發(fā)歷史上具有重要的意義。

山嶺子地熱田大部分位于滄縣隆起北端的潘莊凸起構(gòu)造區(qū)之上；東側(cè)、東南側(cè)為黃驊坳陷，西北側(cè)為冀中坳陷，北起潘莊凸起中部，南至海河斷裂，西側(cè)為天津斷裂，西南側(cè)為白塘口凹陷，其與滄縣隆起潘莊凸起的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 山嶺子地熱田位置示意與采樣點分布Fig.1 Location of Shanlingzi geothermal field and distribution of sampling points

薊縣系霧迷山組熱儲層在研究區(qū)內(nèi)普遍分布，自上而下可分為四段。目前研究區(qū)內(nèi)的滄東斷裂以東因埋藏深，尚未有鉆孔揭露。在斷裂以西只揭露了三、四段，頂板埋深為1 600～2 000 m，揭露厚度為500～600 m，巖性以白云巖為主，巖溶、裂隙、空隙較發(fā)育，富水性強，是該區(qū)主要的基巖熱儲層之一。裂隙率1.85%～12.3%，滲透率為0.1×10-3～4.71×10-3μm2，泥質(zhì)含量為1.0%～6.0%；單井出水量為80～120 m3/h，最大可達204.61 m3/h，出水溫度為96～102 ℃。

2 樣品采集與測試

表1 各水體樣品測試項目及數(shù)量

圖2 DL-15主要離子含量動態(tài)監(jiān)測圖Fig.2 DL-15 dynamic monitoring chart of main ion content

3 水化學特征分析

3.1 水化學動態(tài)特征

天津地區(qū)開展了多年地熱井監(jiān)測工作，以DL-15井為例，該井自2004年開始監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示雖然某些離子濃度出現(xiàn)小幅波動，但是主要離子濃度和總礦化度呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。并沒有因人為開采擾動而出現(xiàn)水化學成分的明顯變化，可以在一定程度上說明各熱儲之間水力聯(lián)系較弱，沒有發(fā)生明顯的混合作用。

3.2 離子組分特征

霧迷山組地熱流體水化學組分統(tǒng)計規(guī)律如表2所示。

表2反映出霧迷山組熱水TDS含量差異較小，為1 170.41～1 687.03 mg/L。Na+的含量為363～451 mg/L，遠大于Ca2+(7.75～41.9 mg/L)和Mg2+(0.96～12.50 mg/L)的含量。HCO3-的含量為364～441 mg/L，大于Cl-(169～396 mg/L)和SO42-(163～317 mg/L)的含量。H2SiO3的含量為66～130 mg/L，pH為7.23～8.40，為弱堿性水。

研究區(qū)霧迷山組水化學類型在平面上的分布特征如圖3所示。由圖3可見，霧迷山組地熱流體TDS由北向南逐漸增大，由1 000 mg/L左右增加至市區(qū)的2 200 mg/L左右。水化學類型分帶性明顯，大部分為Cl·SO4·HCO3-Na型，北部局部為Cl·SO4-Na型，東南部局部為Cl·HCO3·SO4-Na型。

表2 霧迷山組水化學成分統(tǒng)計規(guī)律

圖3 霧迷山組地熱流體礦化度和水化學類型分區(qū)圖Fig.3 Zoning diagram of the salinity and hydrochemical types of the geothermal fluids in Wumishan Formation

垂向上的TDS變化如表3和圖4所示，隨著埋深的增大，地熱流體的TDS不斷增大。霧迷山組地熱流體礦化度為700～6 670 mg/L，平均值為2 022 mg/L。表明隨著熱儲埋深的增大，地熱流體與含水介質(zhì)發(fā)生反應的時間更長，水巖作用程度更高。

表3 不同熱儲地熱流體埋深與溶解性總固體含量

圖4 地熱流體TDS與埋深關(guān)系Fig.4 Relation between geothermal fluid TDS and burial depth

3.3 水化學形成機理

3.3.1 礦物飽和指數(shù)

霧迷山組巖石露頭樣品的X衍射分析結(jié)果如表4所示，可見霧迷山組含水介質(zhì)巖性以石英和白云石為主。

采用AquaChem軟件計算了礦物的飽和指數(shù)(saturation index, SI)如圖5所示。由圖5可知，玉髓、螢石和石英在霧迷山組地熱流體中絕大部分達到飽和狀態(tài)。方解石、白云石、石膏等礦物的lgSI為負值、不飽和狀態(tài)，可以繼續(xù)溶解。

3.3.2 混合作用

繪制兩個端元，一個是霧迷山組典型水樣，一個是奧陶寒武系典型水樣，繪制TDS與Cl-的關(guān)系圖，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)霧迷山組和奧陶寒武系水樣都落在兩個端元的連接線上，說明兩個熱儲層的地熱流體之間的水力聯(lián)系密切，發(fā)生了混合作用。

表4 霧迷山組巖石露頭樣品的X衍射分析結(jié)果

圖5 霧迷山組地熱流體礦物飽和指數(shù)Fig.5 Geothermal fluid mineral saturation index of Wumishan Formation

圖6 Cl--TDS相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation of Cl--TDS

水文地質(zhì)條件方面，由于兩個熱儲層的巖溶裂隙發(fā)育，尤其是在滄東斷裂附近，由于受到滄東斷裂導水作用控制，兩個熱儲層之間發(fā)生明顯的水力聯(lián)系，導致兩者發(fā)生混合作用。

圖7 TDS-γNa/γCl關(guān)系圖Fig.7 Relationship between TDS-γNa/γC

3.3.3 陽離子交替吸附作用

在TDS-γNa/γCl關(guān)系圖(圖7)中，樣品點均位于0.85海水線的上部，表明地下水與現(xiàn)代海水無關(guān)。巖鹽溶解為Na+的主要來源的地下水，采樣點會按沿γNa∶γCl=1∶1線分布。而在γNa-γCl相關(guān)關(guān)系圖[圖8(a)]中，樣品點落在1∶1線上方，表明Na有其他來源。

巖石顆粒表面帶有負電荷，能夠吸附水溶液中的陽離子。在一定的條件下，顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，該作用即為陽離子交替吸附作用[19]。由于地層中未檢出鋁硅酸鹽和膏巖礦物，Na+的來源可能為Ca2+、Mg2+與Na+發(fā)生交替吸附使得Na+進入地下水中。由研究區(qū)霧迷山組含水介質(zhì)礦物組成分析可知，霧迷山組熱儲含水介質(zhì)的礦物組成以白云石和石英為主。而石英為難溶礦物，即便在高溫環(huán)境下其溶解度也是有限的。霧迷山組熱儲流體的化學組成應當受控于白云石的溶解。而在Ca+Mg-HCO3+CO3關(guān)系圖[圖8(b)]和Ca+Mg-SO4+HCO3+CO3[圖8(c)]中，數(shù)據(jù)點均位于1∶1線以下，且遠離1∶1線，表明HCO3-可能有其他來源，而Ca2++Mg2+則可能發(fā)生了陽離子交替吸附作用。

圖8 離子比值關(guān)系圖Fig.8 Ion ratio diagram

由于研究區(qū)地下水中Na+的主要來源為巖鹽的溶解，Ca2+的主要來源為碳酸鹽巖的溶解，可以認為Na+、K+相對于Cl-的富余量來自陽離子交換導致的Na+增加，Ca2+、Mg2+相對于HCO3-的虧損量來自于陽離子交換導致的Ca2+、Mg2+減少，繪制Ca/Mg虧損量與Na/K富余量的相關(guān)關(guān)系圖[圖8(d)]。由圖8(d)可見，霧迷山組地熱流體和寒武系樣品點基本位于1∶1線附近，說明霧迷山組與寒武系樣品中發(fā)生了陽離子交替吸附作用。

研究區(qū)含水介質(zhì)以白云巖和石英為主，白云巖的溶解是區(qū)域水化學特征形成的基礎。補給熱儲的地下水Na+含量處于正常水平，由于發(fā)生了Na+置換Ca2++Mg2+進入地下水中的陽離子交替吸附作用，使得Na+含量增加，也增加了地下水中的Na+，以上作用造成了區(qū)域以HCO3-、Cl-、Na+為主的水化學特點。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)演化史的研究，霧迷山組屬于濱海-淺海-濱海相的沉積地層。含水介質(zhì)中的Na+與溶解碳酸鹽巖形成的地下水發(fā)生陽離子交替吸附作用而使得地下水中的Na+含量較高。

3.4 地熱流體賦存環(huán)境

Na-K-Mg三角圖由Giggenbach于1988年提出[20]，可以反映水化學的平衡狀況。平衡圖分為完全平衡、部分平衡和不平衡3個區(qū)域，分別代表水巖作用達到平衡狀態(tài)的水、水巖作用達到部分平衡狀態(tài)的水和處于巖石溶解淋濾過程中的水。將本次工作采集到的流體樣品的測試數(shù)據(jù)用Phreeqc軟件繪制的Na-K-Mg平衡圖如圖9所示。

圖9 Na-K-Mg平衡圖Fig.9 Na-K-Mg equilibrium diagram

由圖9可見，霧迷山組和奧陶系、寒武系的樣品點均落在未成熟水范圍內(nèi)，表明霧迷山組地熱流體處于不平衡狀態(tài)?？梢酝茰y霧迷山組和上覆寒武系熱儲的水力聯(lián)系十分密切。館陶組地熱流體一部分落在完全平衡線之上，一部分落在不平衡線之上，指示館陶組地熱流體部分已經(jīng)與含水介質(zhì)達到水巖平衡狀態(tài)，部分樣品則處于部分平衡甚至不平衡狀態(tài)。明化鎮(zhèn)組地熱流體則大部分落在完全平衡線上，表明明化鎮(zhèn)組地熱流體大部分已經(jīng)達到水巖平衡狀態(tài)。

不同熱儲流體的水化學狀態(tài)主要受到熱儲構(gòu)造和巖性的控制。明化鎮(zhèn)組熱儲埋深大多在1 200 m以下，與大氣降水聯(lián)系較弱，巖性主要為灰、灰綠色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和灰黃、棕紅色泥巖，滲透率在10～15 μm2，地下水在介質(zhì)中運移緩慢，因而與圍巖之間可以進行充分的水巖作用。而薊縣系霧迷山組含水層主要巖性為白云巖等碳酸鹽巖，巖溶裂隙發(fā)育，容易接受相鄰含水層地下水的補給。尤其是滄東斷裂附近的霧迷山組采樣點，由于滄東斷裂的導水作用[21]，更加容易與上覆奧陶系、寒武系熱儲流體發(fā)生混合作用，接受來自斷裂補給的流體，導致霧迷山組地熱流體始終處于與相鄰含水層地下水的混合狀態(tài)，持續(xù)與圍巖發(fā)生水巖作用，處于不平衡狀態(tài)，這一結(jié)論同樣可以說明Na-K-Mg溫標不適用于巖溶熱儲的溫度計算。

4 結(jié)論

利用離子比值分析等方法對天津山嶺子地熱田霧迷山組熱儲流體的形成機理進行了系統(tǒng)研究，得出如下結(jié)論。

(1)山嶺子地熱田霧迷山組地熱流體水化學組分常年趨于穩(wěn)定。礦化度由北向南逐漸增大，由1 000 mg/L左右增加至市區(qū)的2 200 mg/L左右。水化學類型大部分為Cl·SO4·HCO3-Na型，北部局部為Cl·SO4-Na型，東南部局部為Cl·HCO3·SO4-Na型。

(2)離子比值分析結(jié)果表明，山嶺子地熱田霧迷山組熱儲流體水化學的形成過程受到與上覆寒武系熱儲流體的混合作用、碳酸鹽溶解作用和陽離子交替吸附作用。

(3)山嶺子地熱田霧迷山組地熱流體水化學處于不平衡狀態(tài)。表明由于巖溶裂隙發(fā)育，斷裂附近受到滄東斷裂的導水作用影響，與上覆奧陶系、寒武系地熱流體存在密切的水力聯(lián)系，系統(tǒng)處于相對開放的環(huán)境。