北京城區地熱田某地熱井熱水地球化學(xué)研究

   地熱田的監測對地熱資源管理, 特別是對于經(jīng)受長(cháng)期開(kāi)采的地熱系統具有極其重要的意義。地熱流體化學(xué)成分的監測可以提供許多有關(guān)地熱系統變化的寶貴信息。地熱的開(kāi)采會(huì )引起熱儲壓力的降低, 這可能導致溫度較低的地下水的流入, 也可能導致深部更高溫度的熱流體的補充[ 1] 。溫度更高的熱流體的補充是人們期望出現的變化。溫度較低的地下水的流入會(huì )增加熱儲的補給水源, 在一定程度上有利于開(kāi)采貯存在熱儲巖石中的熱量。但是,如果低溫地下水的補給過(guò)多, 可能會(huì )引起熱儲的冷卻, 降低地熱資源的使用價(jià)值。地熱流體中許多組分的濃度依賴(lài)于熱流體溫度的高低。不同溫度的水發(fā)生混合會(huì )破壞地熱系統的化學(xué)平衡, 從而改變地熱流體的化學(xué)成分。由于低溫地下水的入侵而引起的地熱流體化學(xué)成分的變化往往先于地熱系統的物理變化。

 

  北京城區地熱田涵蓋北京城區大部分范圍, 面積約400 km2 , 是北京地區最為重要的地熱田。由于長(cháng)期開(kāi)采, 熱儲壓力明顯下降, 地熱水化學(xué)成分也發(fā)生了一些細微的變化。本文根據1984 年以來(lái)地熱水化學(xué)監測資料, 研究了地熱水的化學(xué)成分、地球化學(xué)溫標的變化規律、地熱活動(dòng)的總體強度和水/巖平衡礦物中的示溫礦物的變化趨勢, 說(shuō)明地熱的開(kāi)采既引起了地熱田水補給的加強, 又導致了地熱田熱補給的加強。

 

  1  地熱田概況

 

  在大地構造上, 北京城區地熱田屬于北京斷陷內的次級構造———坨里—豐臺凹陷。地熱田西北以黃莊—高麗營(yíng)斷裂為界, 東南以南苑—通縣斷裂為界(與大興凸起相鄰)。地熱田的東北部與西南部分別為天竺地熱田與良鄉地熱田, 分別以北西向的太陽(yáng)宮斷裂與永定河斷裂為界。地熱田內還存在一系列北東向展布的斷裂構造, 其中最為重要的是良鄉—前門(mén)斷裂帶(圖1)。除第四系外, 地熱田內廣泛分布的地層有第三系、白堊系、侏羅系和薊縣系, 在地熱田的西南部還存在寒武系和青白口系;其中薊縣系鐵嶺組和霧迷山組為硅質(zhì)白云巖, 巖溶比較發(fā)育, 構成地熱田的熱儲;而上覆地層滲透性差, 構成地熱田的蓋層。在地熱田的東南部, 熱儲的埋藏深度較淺, 一般為1 000 ～ 2 000 m ;在地熱田的西北部熱儲的埋藏較深, 達2 000 m 以上;向凹陷的中部延伸熱儲的埋藏逐漸變深, 甚至可達3 500 m以上。

 

  北京城區地熱田的熱儲溫度主要受埋藏深度或蓋層厚度的控制。在蓋層較薄的東南部, 熱儲溫度一般為40 ～ 60 ℃;隨著(zhù)蓋層厚度的增加, 熱儲溫度也逐步增高, 到凹陷的中部熱儲溫度可達90 ℃左右。

 

  1971 年在北京城區地熱田的東南部鉆鑿成功第一眼地熱井, 開(kāi)采薊縣系白云巖熱儲地熱水。之后, 地熱井數量不斷增多, 地熱水開(kāi)采量逐年增加, 熱儲壓力逐年降低, 到1985 年開(kāi)采量已經(jīng)接近500 萬(wàn)m3 , 熱儲壓力水頭累計下降了大約30m 。此后地熱水開(kāi)采量雖然有所減少, 但熱儲壓力仍然在持續降低。2001 年北京城區地熱田共有地熱開(kāi)采井51 眼, 總開(kāi)采量為336.25 萬(wàn)m3 , 熱儲壓力水頭比開(kāi)采初期降低了55 m 左右① 。地熱田的東南部具有較好的地熱水開(kāi)采條件, 集中了地熱田的大部分地熱井和北京城區地熱田90 %以上的開(kāi)采量。

 

  京熱-42 井位于北京城區地熱田的東南部, 是北京城區地熱田的水化學(xué)的長(cháng)期觀(guān)測井。該地熱井建成于1984 年, 每年取地熱水全分析樣兩次, 已積累了17 年的資料, 可用來(lái)研究城區地熱田東南部熱水地球化學(xué)特征隨開(kāi)采的多年變化以及開(kāi)采對地熱田的潛在影響。該井井深2 070 m , 薊縣系鐵嶺組和霧迷山組的埋深分別為1 440 m 和1 844 m ,開(kāi)采霧迷山組熱儲地熱水。京熱-42 井地熱水的總溶解固體為486 mg/L , 水化學(xué)類(lèi)型為HCO-3 -SO2-4 -Na+-Ca2 +型。據2000 年6 月采樣測試, 其地熱水的14C 年齡為(19 400 ±330)a 。根據該井地熱水的氘和18O 同位素的研究, 其地熱水和北京地區基巖含水層中賦存的常溫地下水一樣, 均起源于大氣降水, 說(shuō)明北京城區地熱田的地熱水是大氣降水經(jīng)深循環(huán)加熱而形成的② 。

 

  2  水化學(xué)動(dòng)態(tài)

 

  從1984 年到2001 年, 京熱-42 井地熱水的主要離子含量未發(fā)現明顯的升高或降低, 只有重碳酸根的含量略有增高(后期比1984 年平均增加0.7 mg/L), 而總溶解固體量緩慢下降(圖2)。一般來(lái)說(shuō), 重碳酸根是常溫地下水的典型組分, 其含量的增加說(shuō)明隨著(zhù)熱田的開(kāi)采常溫地下水對熱儲的補給有所增加。同樣, 常溫地下水的總溶解固體量一般低于地熱水, 其緩慢的下降趨勢也指示常溫地下水對熱儲的補給在緩慢增加[ 3] 。另一方面, 地熱水的二氧化硅的含量有所增加, 后期比1984 年平均增加0.2 mg/L 。二氧化硅是地熱水的標型組分, 其含量的增高指示熱儲同時(shí)得到了深部高溫熱流體的補給。

 

  3  溫度動(dòng)態(tài)

 

  地熱井的出水溫度因受開(kāi)泵和停泵時(shí)間的干擾, 往往不能準確地反映熱儲溫度隨開(kāi)采時(shí)間的影響而變化, 而地熱溫標是根據地熱水的化學(xué)成分計算出來(lái)的, 一般可更為客觀(guān)地反映熱儲溫度的變化趨勢。

 

  鉀鎂地熱溫標是從熱動(dòng)力平衡推導出來(lái)的公式, 它適用于低溫地熱水。用鉀鎂地熱溫標算得的溫度又稱(chēng)鉀鎂溫度(Tkm), 一般高于熱水井的出水溫度, 被認為是鉆探可及溫度, 即繼續往深部鉆進(jìn)有可能達到的溫度。石英傳導溫標可以指示地熱水曾經(jīng)達到過(guò)的最高溫度。用石英傳導溫標算得的溫度, 又稱(chēng)石英傳導溫度(Tqc), 一般高于熱水井的出水溫度10 ～ 20 ℃, 通常不作為鉆探期望溫度。地熱水在深部地球化學(xué)環(huán)境中溶解的二氧化硅遵循石英的溶解度曲線(xiàn), 溫度越高二氧化硅的溶解度越大, 但這部分熱水在溫度下降時(shí)暫時(shí)不會(huì )將過(guò)飽和二氧化硅析出(須達非晶質(zhì)二氧化硅的溶解度時(shí)才呈過(guò)飽和析出), 因此地熱水都有“記憶” 其曾達到過(guò)溫度的功能[ 4] 。

 

  在1984 ～ 2001 年, 京熱-42 井的鉀鎂溫度和石英傳導溫度均呈升—降—升的變化趨勢(表1 ,圖3)。鉀鎂溫度在最后有明顯上升, 石英傳導溫度最終略有下降, 但總的來(lái)說(shuō)后期高于前期。這種現象也說(shuō)明地熱田的開(kāi)采既導致了周?chē)氐叵滤a給的增加, 同時(shí)也導致了深部熱補給的增加。

 

  4  地熱活動(dòng)總體強度動(dòng)態(tài)

 

  水/巖平衡計算可以給出深部地熱流體與26 種可溶性礦物之間的平衡情況。若某礦物溶度積對數的計算值大于其理論值, 則表示該礦物已經(jīng)達到了水和巖石(礦物)之間的平衡, 也表示該處深部熱儲中存在這種礦物, 我們可稱(chēng)其為平衡礦物。對于每一次水/巖平衡的計算來(lái)說(shuō), 平衡礦物的數量有時(shí)多、有時(shí)少, 這意味著(zhù)該處地熱活動(dòng)的強或弱,可以用地熱活動(dòng)總體強度來(lái)表示這一特性, 平衡礦物的總數越多表示地熱活動(dòng)的總體強度越大。對京熱-42 井地熱水多年來(lái)的水/巖平衡研究顯示, 隨著(zhù)熱水的開(kāi)采, 熱田深部的地熱活動(dòng)總體強度在1989 年以前基本穩定, 從1989 年冬季開(kāi)始, 平衡礦物明顯增多, 地熱活動(dòng)總體強度呈波動(dòng)式逐步增大。1989 年冬季之前, 出現的平衡礦物只有7 ～ 9個(gè), 平均為8.2 個(gè);1989 年到1994 年出現的平衡礦物平均為14.5 個(gè);1995 ～ 2001 年間出現的平衡礦物增至平均18.8 個(gè)。這種顯著(zhù)的增高趨勢說(shuō)明北京城區地熱田的地熱活動(dòng)總體強度在顯著(zhù)增大。

 

  5  示溫礦物

 

  水/巖平衡礦物中有許多是示溫礦物。蒙脫石、濁沸石和斜鈣沸石分別代表140 ～ 150 ℃、110 ～230 ℃和230 ～ 300 ℃的環(huán)境溫度。水/巖平衡計算結果中出現這類(lèi)礦物指示地熱水經(jīng)歷過(guò)上述溫度的環(huán)境條件。

 

  對京熱-42 井自1984 年以來(lái)的水化學(xué)監測資料的水/巖平衡分析計算顯示, 蒙脫石礦物在1989年冬季開(kāi)始出現, 以后逐漸增多;濁沸石也在1989 年冬季以后多見(jiàn), 至1999 年春季出現了斜鈣沸石, 代表高溫礦物的陸續出現, 指示熱水的溫度越來(lái)越高, 說(shuō)明北京城區熱田的開(kāi)采導致了深部更高溫度熱水的補給。

 

  6  結 論

 

  綜合前述京熱-42 井1984 年以來(lái)地熱水化學(xué)成分、地熱溫標、地熱活動(dòng)總體強度和示溫礦物的研究可知, 隨著(zhù)北京城區地熱田的長(cháng)期開(kāi)采, 深部高溫熱水對熱儲的補給得到了加強;同時(shí), 常溫地下水對熱儲的補給也有所加強, 說(shuō)明開(kāi)采引起了熱儲壓力的降低, 從而導致了熱儲水和熱的補給的加強。