天津市华苑产业园区地热流体化学特征及质量评述

李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陈瑞军，靳宝珍

（天津地热勘查开发设计院，天津，300250）

天津市华苑产业园区地热流体化学特征及质量评述

李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陈瑞军，靳宝珍

（天津地热勘查开发设计院，天津，300250）

华苑产业园区的热储层主要为新近系明化镇组、馆陶组和奥陶系，通过地球化学分析，推断其地热流体均属于大气降水成因，化学组分均表现出自东向西或自北东向南西、由山前到盆地中心的水平分带特征。本区各热储层地热流体及浅层第四系地下水在垂向上有较大变化，经分析，明化镇组有接受上覆第四系地下水的越流补给可能，而馆陶组热流体则在凸起区接受了下伏基岩热流体的顶托补给。经推断，地热流体补给源位于华苑产业园东侧或东北侧，补给缓慢。本区地热流体具有轻微-强腐蚀性，有硫酸钙结垢趋势，不宜直接作为饮用水源和渔业用水，也不适宜农业灌溉用水；但明化镇组适合大多数工业用水。可喜的是，各层热流体中偏硅酸和氟的含量都较高，经过一定的处理，可具医疗价值，如在此开发温泉旅游，将带来良好的经济效益。

地热流体；化学特征；水平分带；越流补给；华苑产业园区；天津

华苑产业园区（以下简称园区）位于天津市西南部，是国务院批准的首批国家高新技术产业开发区之一的天津新技术产业园区的主体产业区和中心区。随着产业园区的发展建设，对能源的需求量越来越大，而地热资源作为清洁的可再生能源，不仅是缓解能源紧张的重要措施，还拥有在建设生态城市进程中其他能源所不能比拟的优势，得到了社会各界的高度重视。

天津地热资源利用范围非常广泛，不仅用于建筑物供暖、生活用洗浴、理疗，还用于印染、纺织、木材烘干、温室大棚和水产养殖等，对经济发展起到极大的促进作用。

园区发育的热储层主要为新近系明化镇组、馆陶组和奥陶系，1988年提交的《天津市区及王兰庄地热田勘探报告》[1]及2000年提交的《天津市深部地热普查报告》[2]均对各热储特征进行了相应分析，为园区的开发利用提供了大量的数据参考。不过从开发利用现状来看，园区各热储层的开发利用程度不高：明化镇组地热井因其水温水量的限制，仅用于生活洗浴；馆陶组尚未开发，而奥陶系地热井虽然水温水量较好，但由于水质较差（矿化度大于4000 mg/L），均未正常使用。因此，研究园区的地热流体化学成分，使其更好的应用于生产生活及城市建设显的尤为重要。本文结合区域地热流体化学特征及相关地热井资料，对园区的地热流体化学特征和开发利用作一简要分析。

1 区域地热流体化学特征

1．1 明化镇组地热流体化学特征

以往地热地质研究成果表明[1]，明化镇组地热流体在区域上具有明显的由北向南的水平分带规律，化学类型为HCO3-Na·Ca型（图1）。矿化度也由北部的600 mg/L增加至南部的2500 mg/L。区域上还有一个重要的特点是由于受到下伏地层缺失的影响，在东侧一线明化镇组地层与基岩直接接触，水质受到顶托补给，水质变差，水化学类型局部复杂，为Cl· HSO4-Na型水，矿化度升高。

1．2 馆陶组地热流体化学特征

根据区域研究成果[1],馆陶组地热流体在区域上具有明显的由北向南的水平分带规律，化学类型由武清等北部地区简单的HCO3-Na·Ca型逐渐变为市区的Cl·HCO3-Na型，南部则为较复杂的Cl·SO4-Na型（图2）；矿化度也由北部的不足1000 mg/L增加至南部的5000 mg/L。推测园区馆陶组热储层地热流体水质类型为Cl·HCO3-Na型，矿化度在1000～2500 mg/L。由于馆陶组热储层在本区东侧一线缺失，造

成径流条件差的南部地区水质明显变差，矿化度升高。

图1 明化镇组热储层水化学类型图Fig．1 Hydrochemistry type graph of the Minghuazhen reservoir

图2 馆陶组热储层水化学类型图Fig．2 Hydrochemistry type graph of the Guantao reservoir

1．3 奥陶系地热流体化学特征

根据天津市的奥陶系地热井取样分析数据，做出奥陶系热储层水化学类型图[2]（图3），从图可以看出，奥陶系流体化学类型在北部周良庄为HCO3-Na型，向西南至西青、武清等凹陷区为SO4·Cl-Na·Ca型，明显受到奥陶系埋藏深度的影响，埋藏越深，径流条件越差[3]。矿化度也由不足1000 mg/L增加至园区的4000 mg/L以上,再到武清凹陷区的5000 mg/L以上，呈现由低到高的变化趋势。

图3 奥陶系储层水化学类型图Fig．3 Hydrochemistry type graph of the Ordovician Reservoir

1．4 地热流体的垂向变化特征

收集园区及附近各热储层地热井的水化学分析数据，统计于表1。可以看出，园区各层地热流体及浅层第四系地下水在垂向上有较大变化，大体可以划分为两套系统：1）新近系明化镇组热流体与第四系地下水之间化学特征相仿，表明两者之间存在一定的水力联系，明化镇组有接受上覆第四系地下水的越流补给可能[4]；2）新近系馆陶组热流体与下伏基岩热流体化学特征相近，表明两者为同源水或存在着水力联系[5]，结合区域资料综合分析，中间没有稳定的隔水层，且基岩水位高于馆陶组的水位，所以

推测本区馆陶组热流体在凸起区接受下伏基岩热流体的顶托补给。

表1 各热储层垂向化学类型对比表Table 1 Vertical comparison of the geothermal water classification for every reservoir

2 华苑产业园区流体化学特征

2．1 一般化学组分分析

无论是新近系热流体还是奥陶系热流体，分析其Cl、Na、SO4主要阴阳离子含量与矿化度关系图[6]（图4）可看出：随着流体中Cl-、Na+、SO2-4离子含量的增加，矿化度均呈上升趋势，基本呈正相关关系。

另外，将园区各层热流体化学组分与海水化学组分对比分析，两者之间有较大的区别（表2）：热流体中Cl-、Na+含量低于海水十倍至几十倍；I-、F-含量超过海水的1.02～5倍；Br-含量低于海水平均值几十至几百倍；成因系数rNa/rCl和Cl/Br值分别为0.99～2.79和367.1～502.2，均大于海水[7]。说明园区无论是新近系还是奥陶系热流体均非海水成因，而是在漫长的历史过程中由大气降水所形成，具有典型的渗入、溶滤特征。

图4 Cl、Na、SO4离子含量与矿化度关系图Fig．4 Relationship between the concentrations of Cl,Na,SO4and TDS

2．2 地热流体特征元素分析

分析园区热储层地热流体中SiO2的含量与流体的温度的关系图[6](图5)可见，二者与热流体温度基本上呈正相关趋势，从趋势线上看，SiO2的含量的增长幅度在新近系和奥陶系中有所不同，流体温度每升高10℃，增长幅度分别为14 mg/L和7 mg/L，由此可见，SiO2的变化与流体温度关系密切，可作为确定本区热储温度的参考性指标元素[8]。

2．3 Na-K-Mg三角图

利用Na-K-Mg含量三角图来估算水岩平衡，其原理为钠、钾的平衡调整极为缓慢，而钾、镁含量即使在低温也调整得相当快[9]，将井点的水质资料，投影在（图6）上，可看出本次所选各地热井的投衡线，表明热流体没有达到平衡，靠近镁区是因于重碳酸型水。而明化镇两眼井已经达到或接近平衡线，Na-K-Mg含量趋于平衡。

表2 园区地热流体与海水化学特征对照表Table 2 Comparison of hydrochemistry characteristics between the seawater and geothermal water

图5 SiO2含量与水温相关关系图Fig．5 Relationship between SiO2concentrations and the temperature

图6 地热流体Na-K-Mg含量三角图Fig．6 Na-K-Mg triangular diagram of the geothermal water

3 地热流体质量评价

3．1 医疗矿泉水评述

对比医疗矿泉水分类标准（表3），本区地热流体有一定的医疗价值，且各个热储层地热流体中的氟、偏硼酸、偏硅酸均达到了矿水标准，其中大部分地热井中氟离子含量达到命名标准。各热储层温度均在40℃以上，矿化度普遍偏高，最小为侯台子井，亦在1000 mg/L以上[10]。

3．2 渔业用水评价

对照渔业用水标准（表4），本区地热流体温度较高，超过鱼类生长适宜温度。而且氟离子含量均超过1 mg/L，不宜直接用于养鱼，但可以适当与低氟的冷水混合后使用。对于矿化度较高的各井应根据不同种类鱼的水质要求做水温及相应的超标离子等处理。

3．3 热流体腐蚀性与结垢性评价

3.3.1 地热流体的腐蚀性

地热流体对一般的金属表面都会产生程度不同的腐蚀，按腐蚀原理或腐蚀形式可分为若干类型，地热流体对金属结构的腐蚀属于电化学腐蚀—金属表面与电解质溶液中的某些化学成分发生电化学作用而产生的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。

对于氯离子的毫克当量成分比＞25%的地热水，可用拉伸指数判断其腐蚀性，方程式为：

从表5中可以看出：本区内明化镇组地热流体为结垢性水(天津大学地热中心井除外)，馆陶组地热流体为结垢性水和中等腐蚀性水，奥陶系的地热流体都为强腐蚀性热水。

3.3.2 地热流体的结垢性

流体结垢的化学组分主要为碳酸钙、硫酸钙和硅酸盐类。当结垢形成时，会加大输水系统流体阻力，增加阻热系数，降低热效率，严重者使系统堵塞，不能维持正常运行；在垢层不完整处，还会造成垢下腐蚀。因此结垢问题不容忽视。现依据地热勘查规范和地热利用经验及试验数据，对调查区地热流体的结垢性进行综合评价。

（1）碳酸钙垢

形成碳酸钙垢的原因是热流体中Ca2+浓度与CO32-浓度的乘积超过溶度积，则CaCO3在溶液中析出并附着在供热设备和管道上。

依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615—2000），当地热水中氯离子毫摩尔百分含量大于25%时，可用拉伸指数LI判断碳酸钙的结垢趋势，其表达式见方程式（1）。

以拉伸指数评价碳酸钙结垢程度的标准是：

当：LI＞0.5时，不结垢；

LI＜0.5时，可能结垢。

表3 医疗热矿水水质标准与实测值对比表（mg/L）Table 3 Comparison between the quality standard of medical mineral water and the measured value(mg/L)

表4 渔业水质标准与实测值对比表（mg/L）Table 4 Comparison between the quality standard of fishing water and the measured value(mg/l)

表5 华苑产业园区地热流体腐蚀性评价表Table 5 Corrosive evaluation of the geothermal water in the Huayuan area

根据表6可知：本区新近系地热流体可能生成碳酸钙垢，奥陶系地热流体则不会。

（2）硫酸钙垢

在热流体温度小于100℃的状态下，CaSO4垢主要是以二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）的形式沉淀。其沉淀的机理是：当流体中硫酸钙的分子浓度积超过其溶度积，二水硫酸钙就沉淀。判定CaSO4垢的生成趋势

通常采用相对饱和度（RS1）来定性估算，其表达式为：

相对饱和度并不能说明其沉积速度，RS1在0.8～1.2之间的解释是不能确定的，只能说明其趋势，但当RS1值大于1.2时，则可判断能够产生CaSO4垢。表6中列举了本区地热流体的可能结垢程度。

根据表6可知：本区新近系、奥陶系地热流体均有硫酸钙诟生成。

（3）硅酸盐垢

硅酸盐垢的结垢比较复杂，其垢通常含有40%～50%二氧化硅，25%～30%的铁和铝的氧化物，以及10%～20%的氧化钠。硅酸盐垢的结垢通常采用无定形二氧化硅的相对饱和度R·S来评价，其表达式为：R·S=SiO2/2.466×104e-1553/T（3）

计算结果（表7）表明，本区地热田热流体无硅酸盐结垢条件。即使化学结垢条件具备，但通常在低温地热流体（49～105℃）中，二氧化硅的沉积速度非常缓慢，溶液过饱和也不会产生二氧化硅沉淀。

表6 华苑产业园区地热流体硫酸钙结垢性评价表Table 6 Evaluation of the calcium sulfate scaling of geothermal water in the Huayuan area

表7 华苑产业园区地热流体硅酸盐结垢性评价表Table 7 Evaluation of the silicate scaling of geothermal water in the Huayuan area

4 结论

华苑产业园区是天津新技术产业园区的主体产业区和中心区，具有综合利用条件，在地热资源开发中应该发挥其优势，应尽可能加大开发利用深度，推行梯级利用、综合利用，提高地热资源的利用率，以节约和保护宝贵的地热资源[11]。

本文针对华苑产业园区的地热流体化学特征进行了分析，讨论了地热流体的平面、垂向变化规律及其成因、补给来源，并作出了地热流体质量评述，进一步探讨了开发利用的方向。其中，奥陶系地热水具有强腐蚀性，由于水质不佳而利用率较低。因此，奥陶系地热流体的水质处理问题显得尤为重要，希望在不久的将来，能够将问题解决并扩大其利用规模，以提高地热资源的利用率。

[1]卢润，李守初，高维勤,等．天津市区及王兰庄地热田勘探报告[R].天津地热勘查开发设计院，1988，31-44.

[2]林黎，王坤，林建旺,等．天津市深部地热普查报告[R].天津地热勘查开发设计院，2000，77-94。

[3]唐永香，刘洋，俞礽安．奥陶系高矿化度地热流体在天津地热开发利用中的分析[J]．地下水，2009，31(6)：168-171．

[4]张百鸣，林黎，赵苏民.天津地区地热形成机理分析[J].水文地质工程地质，2006，33(2)：28-107.

[5]高宝珠，黎雪梅，聂瑞平.等.天津市奥陶系热储层地热流体化学特征及主要影响因素[J].地球学报，2009，30(3)：369-374.

[6]钱会，马致远.水文地球化学[M].北京：地质出版社，2005.

[7]天津地热勘查开发设计院.天津市区附近奥陶系地热流体形成条件和地下热水成因、年龄及补给条件研究[R].天津地热勘查开发设计院，2008.

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[9]Arnórsson,S.Isotopic and chemical techniques in geothermal exploration,development and use.Sampling methods,data handling,interpretation[J].IAEA,Vienna, 2000，351.

[10]李奇．医疗矿水及其利用[J]．四川地质学报，2000，20 (4)：311-316.

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Chemical Characteristics and Quality Evaluation of the Geothermal Fluids in the Huayuan Economical Area,Tianjin

LI Yuan-yuan,TANG Yong-xiang,LI Jun-feng CHEN Rui-jun JIN Bao-zhen
(Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design,Tianjin 300250,China)

The reservoirs in the Huayuan EconomicalArea are mainly in the Minghuazhen,Guantao and Ordovician Formations.Based on the geochemical analysis,we deduced the geothermal fluids here is original from precipitation.All the chemical compositions obey the horizontal strip characteristics from east to west, north-east to south-west and mountain front to basin center.The geothermal fluids of each reservoirs and groundwater of Quaternary System all change a lot in vertical.By analysis,it is possible for the Minghuazhen reservoir to accept the leakage recharge from Quaternary groundwater.And the geothermal fluids in the Guantao reservoir may accept the top alimentation from bed-rock in hump area.In deduction,the recharge area is location in the east or north-east of the Huayuan Economical Area and the speed of recharge is very slow.In addition,the geothermal fluids here have light-strong corrosivity and scaling tendency of calcium sulfate,it is not suitable for drinking water and fish farm directly.And also,it is not suitable for agricultural irrigation.But fluids of the Minghuazhen Reservoir is suitable for most of industry.To be gratified,there is a great value on quantity of metasilicic acid and luorine in geothermal fluids of each reservoir.After dealing with it,there may be a good value in medical.If developing hot spring tourism here,there must be a great economic benefit.

geothermal fluids;chemical characteristics;horizontal zoning;leakage recharge;Huayuan EconomicalArea；Tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）03-0226-07

2013-05-24

天津市地热资源规划项目（2011-2015年）（国土房任[2011]4号）

李嫄嫄（1982-）女，水工环工程师，工程硕士在读，主要从事地热资源勘查评价工作，Email：tj_lyy@126.com。