天津?yàn)I海新區(qū)深部地?zé)崃黧w水文地球化學(xué)特征

石曉今，李嫄嫄，黃賢龍

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

0 引言

濱海新區(qū)位于天津東部沿海地區(qū)，是京津冀協(xié)同發(fā)展的核心地區(qū)之一。伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和節(jié)能減排任務(wù)的日益加重，地?zé)崮茉醋鳛榭稍偕茉粗唬哂休^大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

水文地球化學(xué)特征是地?zé)豳Y源的重要研究特征。天津?yàn)I海新區(qū)賦存有極為豐富的地?zé)豳Y源[1]，前人對(duì)這些淺層熱儲(chǔ)(新近系館陶組)做過(guò)大量的勘查及綜合研究工作，取得了重要的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為館陶組地?zé)崃黧w礦化度在1 800～2 200 mg/L之間，水質(zhì)普遍較好，水化學(xué)類(lèi)型屬于Cl·HCO3-Na型，滄東斷裂影響著館陶組熱儲(chǔ)層，與下覆熱儲(chǔ)層存在水力聯(lián)系[2]。目前，針對(duì)濱海新區(qū)深部的地?zé)豳Y源未做過(guò)系統(tǒng)的綜合研究工作，該文通過(guò)研究深部地?zé)崃黧w水文地球化學(xué)特征，以期為濱海新區(qū)地?zé)豳Y源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濱海新區(qū)位于天津市東部沿海，構(gòu)造上分屬黃驊坳陷Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，自北向南為寧河凸起、北塘凹陷、板橋凹陷、港西凸起及岐口凹陷五個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。該區(qū)地?zé)豳Y源以中低溫為主，賦存于孔隙型和基巖裂隙型熱儲(chǔ)層，其中東營(yíng)組是目前開(kāi)發(fā)利用最深的孔隙型熱儲(chǔ)，頂板埋深1 600～2 400 m，除在萬(wàn)家碼頭—大臺(tái)子—徐莊子—郭莊子、寧河凸起區(qū)缺失外，在坳陷區(qū)內(nèi)普遍分布，巖性為泥質(zhì)巖類(lèi)與砂巖、砂礫巖互層；基巖裂隙型熱儲(chǔ)層主要為霧迷山組，在研究區(qū)普遍分布，埋深多超過(guò)4 000 m，區(qū)內(nèi)4 000m以淺的薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層主要分布在寧河凸起、萬(wàn)家碼頭地?zé)崽锖透畚魍蛊?北大港斷裂帶)附近(圖1)。

圖1 研究區(qū)內(nèi)地?zé)峋植技暗刭|(zhì)構(gòu)造Fig.1 Distribution of geothermal wells and geological structure map in the study area

本次采集了5眼東營(yíng)組地?zé)峋甋T-01、ST-01B、塘20-2、TG-34、TG-33和4眼霧迷山組地?zé)峋瓸ST-01、DG-53、DG-46、DG-45B的流體數(shù)據(jù)，為方便對(duì)比研究，結(jié)合大氣降水、第四系水樣及新近系水樣進(jìn)行了同位素分析。

2 地?zé)崃黧w水化學(xué)特征

地?zé)崃黧w的化學(xué)組分是在與圍巖的長(zhǎng)期交換作用下形成的，黃驊坳陷古近系東營(yíng)組及基巖熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w的化學(xué)特征受?chē)鷰r巖性、地層結(jié)構(gòu)、補(bǔ)徑排距離、斷裂構(gòu)造等多種因素的影響。

2.1 水化學(xué)類(lèi)型及礦化度分析

本次取樣的5眼東營(yíng)組地?zé)峋植加诒碧涟枷莺桶鍢虬枷荼辈?。由圖2地?zé)崃黧wPiper圖可知，區(qū)內(nèi)東營(yíng)組地?zé)崃黧w水質(zhì)類(lèi)型為Cl·HCO3-Na型。由北塘凹陷到板橋凹陷，礦化度由2 400～2 900 mg/L，地?zé)崃黧w在熱儲(chǔ)埋深相差不大的情況下(熱儲(chǔ)2 000～2 800 m)，礦化度自NE向SW呈逐漸增大趨勢(shì)，由此推斷東營(yíng)組地?zé)崃黧w賦存環(huán)境相對(duì)封閉，徑流方向?yàn)樽訬E向SW。

圖2 地?zé)崃黧wPiper圖Fig.2 Piper diagram of geothermal water

本次取樣的霧迷山組地?zé)峋校?眼(BST-01)位于寧河凸起，3眼(DG-53、DG-46、DG-45B)位于板橋凹陷。由圖2可知，霧迷山組地?zé)崃黧w在不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的水化學(xué)特征。板橋凹陷滄東斷裂帶附近地?zé)崃黧w水化學(xué)類(lèi)型表現(xiàn)為多樣性，為Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或Cl-Na型，礦化度2 000 mg/L左右；寧河凸起地?zé)崃黧w水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na型，礦化度1 120 mg/L，水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于板橋凹陷其他同層地?zé)崃黧w。地?zé)崃黧w組分信息見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)地?zé)崃黧w主要組分含量Table 1 The mail components of geothermal water in the study area

2.2 地?zé)崃黧w的氣體組分

本次選取霧迷山組(BST-01)和東營(yíng)組(TG-34、ST-01)地?zé)崃黧w進(jìn)行氣體測(cè)試，并對(duì)照分析，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可知，東營(yíng)組地?zé)崃黧w中的氣體成分有O2、N2、CH4、CO2以及微量H2，其中N2/O2(體積比)比值為4.06～4.33，略高于大氣中二者的比值[3]，這是因?yàn)榇髿饨邓谘a(bǔ)給區(qū)滲入地下，進(jìn)入熱儲(chǔ)層后，在封閉的條件經(jīng)過(guò)深循環(huán)，至使N2含量的損失相對(duì)O2稍小些。霧迷山組地?zé)崃黧w主要?dú)怏w成分為N2、CH4，O2含量很少，氣體類(lèi)型為N2型。N2型氣體都出現(xiàn)在低溫地?zé)嵯到y(tǒng)，這類(lèi)水熱系統(tǒng)的循環(huán)深度往往比較淺，熱水呈HCO3-Na型[3]。

表2 地?zé)崃黧w水樣溶解及溢出氣體組分占比Table 2 Generally dissolved gas components in geothermal fluid water samples

對(duì)霧迷山組BST-01地?zé)崃黧w微量氣體成分進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，并繪制He-Ar-N2氣體三角圖解(圖3)。BST-01地?zé)崃黧w中He組分主要是地殼來(lái)源，氦同位素比(3He/4He)是分離大陸地殼和地幔組分的有用參數(shù)。R/Ra值(即地?zé)崃黧w中3He/4He值相對(duì)于大氣中3He/4He值，其中大氣中3He/4He值為1.4×10-6[2])為0.2，遠(yuǎn)高于地殼物質(zhì)特征值0.02，這說(shuō)明熱田之下的熔融體并非完全是地殼物質(zhì)的局部重熔，可能混染了一部分幔源物質(zhì)，這些幔源物質(zhì)沿?cái)嗔褬?gòu)造帶上侵定位于地殼淺層[4]。

圖3 BST-01地?zé)崃黧wHe-Ar-N2氣體三角圖Fig.3 He-Ar-N2 gas triangular diagram of BST-01 fluid

表3 BST-01地?zé)崃黧w水樣微量氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)Table 3 Trace gas composition data sheet of BST-01 geothermal fluid water sample

3 熱儲(chǔ)溫度估算

3.1 地?zé)崃黧w的水巖平衡判斷

利用Na-K-Mg含量三角圖來(lái)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[5]。由圖4可以看出，東營(yíng)組地?zé)崃黧w全部位于全平衡區(qū)，說(shuō)明流體處于較為封閉的環(huán)境中，循環(huán)較慢；板橋凹陷霧迷山組的地?zé)崃黧w為部分平衡的混合流體，可能與取樣點(diǎn)在斷裂附近有關(guān)，寧河凸起霧迷山組地?zé)崃黧w處于未成熟水的邊界線上，推斷其鄰近補(bǔ)給源，補(bǔ)給量比較充足。

圖4 Na-K-Mg含量三角圖Fig.4 Na-K-Mg content triangular diagram

3.2 熱儲(chǔ)溫度估算

使用地?zé)釡貥?biāo)方法的基本前提是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲(chǔ)中礦物達(dá)到平衡狀態(tài)[6]。霧迷山組地?zé)崃黧w處于未成熟或部分成熟區(qū)域，因此不適宜用陽(yáng)離子溫標(biāo)計(jì)算；從圖5可以看出，SiO2隨著溫度增加而增加，說(shuō)明其可以用來(lái)指示熱儲(chǔ)溫度。

圖5 SiO2與溫度關(guān)系Fig.5 SiO2 and temperature diagram

表4列出了各類(lèi)地?zé)崃黧w溫標(biāo)。 計(jì)算結(jié)果顯示，玉髓溫標(biāo)和井口溫度接近，不能真實(shí)反映熱儲(chǔ)溫度，K-Na溫標(biāo)計(jì)算的霧迷山熱儲(chǔ)溫度偏高，也證實(shí)了陽(yáng)離子溫標(biāo)對(duì)霧迷山組地?zé)崃黧w不適宜。壓力和礦化度的改變對(duì)300 ℃以下的石英和非晶質(zhì)硅的溶解度影響較小，因此可用各類(lèi)SiO2溫標(biāo)計(jì)算各熱儲(chǔ)溫度[7]。綜上用石英溫標(biāo)計(jì)算出的霧迷山組熱儲(chǔ)溫度約119～134 ℃，熱儲(chǔ)平均溫度126 ℃，用K-Na溫標(biāo)和石英溫標(biāo)計(jì)算的東營(yíng)組熱儲(chǔ)溫度介于89～111 ℃，熱儲(chǔ)平均溫度100 ℃。

表4 地?zé)崃黧w熱儲(chǔ)溫度估算Table 4 Thermal temperature estimation of geothermal fluid ℃

4 同位素及水文地球化學(xué)分析

4.1 地?zé)崃黧w的起源

為方便對(duì)比研究，本次結(jié)合大氣降水、第四系水樣及新近系水樣進(jìn)行同位素分析，水樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。研究區(qū)大氣降水、第四系流體以及各個(gè)熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w的δD值和δ18O值波動(dòng)范圍不大，δD值范圍為-73‰～-65‰，δ18O值范圍為-9.6‰～-7‰。由圖6研究區(qū)δ18O-δD關(guān)系曲線圖可以看出，冷水及地?zé)崃黧w基本位于天津雨水線之上或附近，說(shuō)明其補(bǔ)給直接或間接來(lái)源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓木徒霛B，地?zé)崃黧w較冷水中富重同位素，說(shuō)明其補(bǔ)給高程大，或經(jīng)歷徑流循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)[8]。與其他流體相比，東營(yíng)組地?zé)崃黧w產(chǎn)生了較大的18O漂移，推斷其與巖石交換時(shí)間更長(zhǎng)些，循環(huán)能力較弱，與上述分析一致，TG-33為東營(yíng)組與館陶組混采，其同位素投點(diǎn)靠近館陶組地?zé)峋?8O漂移不明顯；寧河凸起霧迷山組地?zé)崃黧w補(bǔ)給較充足，循環(huán)時(shí)間短，板橋凹陷霧迷山組地?zé)崃黧w位于斷裂附近，推測(cè)地?zé)崃黧w向上徑流混入了淺層流體，因此其δ18O介于新近系與東營(yíng)組之間。

表5 研究區(qū)水樣同位素組分Table 5 Isotope components of water sample in the study area

圖6 研究區(qū)流體δD-δ18O曲線Fig.6 δD-δ18O curve diagram in the study area

4.2 主要組分的水文地球化學(xué)反應(yīng)

濱海新區(qū)霧迷山組熱儲(chǔ)主要礦物為白云石、石膏、方解石等，東營(yíng)組東營(yíng)組沉積時(shí)以弱氧化—還原環(huán)境為主，主要礦物有石英、石膏、長(zhǎng)石、高嶺石等。

如圖7a所示，研究區(qū)不同熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w的Cl-隨著Na+的升高而增大，二者呈線性關(guān)系，表明地?zé)崃黧w主要發(fā)生了溶濾作用，Cl-主要來(lái)自巖鹽溶解。地?zé)峋c(diǎn)均位于r(Na+)∶r(Cl-)=1之上，說(shuō)明其不僅發(fā)生了巖鹽溶解作用，可能同時(shí)還發(fā)生硅鋁酸鹽礦物的溶解或者陽(yáng)離子交換作用。

如圖7b，地?zé)峋c(diǎn)均位于1∶1關(guān)系線附近，說(shuō)明陽(yáng)離子交換有很大的影響，圍巖中泥質(zhì)含量高，泥土中的吸附Na容易被Ca交換，使流體中Na增加，Ca減少。

如圖7c，東營(yíng)組地?zé)峋齌G-33外，其余均分布在r(Ca)∶r(SO4)=1∶1線附近，說(shuō)明地?zé)崃黧w受控于石膏；霧迷山組地?zé)狳c(diǎn)大部分遠(yuǎn)離r(Ca)∶r(SO4)=1∶1線，表明溶解石膏不是主要的反應(yīng)，偏向SO4一側(cè)，很可能是產(chǎn)生沉淀的結(jié)果。由于白云巖中夾有石膏，地?zé)崃黧w與巖層發(fā)生水巖交換，石膏、鈣長(zhǎng)石不斷溶解，增大了Ca、SO4的濃度，同時(shí)因離子效應(yīng)及熱儲(chǔ)溫度的共同作用產(chǎn)生CaCO3沉淀。長(zhǎng)期沉淀作用，使Ca與SO4相差較大，CO3也消耗殆盡[9]。如圖7d，霧迷山組熱儲(chǔ)井點(diǎn)分布在r(HCO3-)∶[r(Ca2+)+r(Mg2+)]=2線附近，說(shuō)明霧迷山組地?zé)崃黧w主要受方解石和白云石等碳酸鹽礦物溶解生成，距離較遠(yuǎn)的2眼板橋凹陷霧迷山組地?zé)崃黧w可能是受滄東斷裂影響，與上覆地層發(fā)生了混合。地?zé)崃黧w的HCO3-與Ca2+成反比，這是因?yàn)橛绊懥黧wHCO3-增加的主要因素是Ca2+，只有在貧Ca2+的流體中，HCO3-才能有較高含量[10]。

圖7 研究區(qū)地?zé)崃黧w主要離子關(guān)系Fig.7 Main ion relationship diagram of geothermal fluid in the study area

5 主要認(rèn)識(shí)

1)東營(yíng)組地?zé)崃黧w水質(zhì)類(lèi)型為Cl·HCO3-Na型，其賦存環(huán)境相對(duì)封閉，徑流方向?yàn)樽訬E向SW向，N2/O2比值略高于大氣中二者的比值，指示地?zé)崃黧w主要來(lái)源于大氣降水；寧河凸起霧迷山組地?zé)崃黧w水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-Na型，水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于漢沽斷裂以南其他同層地?zé)崃黧w，地?zé)崃黧w為N2型，He同位素可能混染了一部分幔源物質(zhì)。

2)東營(yíng)組地?zé)崃黧w已接近水巖平衡的“成熟水”，循環(huán)速度較慢，用K-Na溫標(biāo)和石英溫標(biāo)計(jì)算的東營(yíng)組熱儲(chǔ)平均溫度100 ℃；用石英溫標(biāo)計(jì)算出的寧河凸起霧迷山組熱儲(chǔ)平均溫度約126 ℃。

3)地?zé)崃黧w主要來(lái)源于大氣降水， 東營(yíng)組地?zé)崃黧w產(chǎn)生了較大的18O漂移，推斷其與巖石的同位素交換時(shí)間更長(zhǎng)些，循環(huán)能力較弱。地?zé)崃黧w徑流過(guò)程中主要發(fā)生了溶濾作用、陽(yáng)離子交換作用、沉淀作用及混合作用。