天津东丽湖地区地热流体地球化学特征及其赋存环境

赵　娜，王光辉，江国胜，王　鹏

(1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042)



天津东丽湖地区地热流体地球化学特征及其赋存环境

赵娜1，王光辉2，江国胜1，王鹏1

(1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042)

摘要：东丽湖地区位于山岭子地热异常区中心地带，沧东断裂带之上，有3个热储层。其中，奥陶系与雾迷山组水质相似，水化学类型以Cl·HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na为主，矿化度1 400～1 750 mg/L，为部分平衡水；而明化镇组以HCO3·Cl-Na为主，矿化度1 500 mg/L，为完全平衡水。地热流体γ(Na)/γ(Cl)均较高，二氧化碳分压(pco2)为10-1.98～10-2.7Mpa，地下水碳酸平衡具有开系统的特征。流体中方解石、白云石、文石处于微饱和状态。深部奥陶系水质与雾迷山组热储温度适合用玉髓温标计算，而浅部明化镇组热储温度则用Na-K温标计算。东丽湖奥陶系与雾迷山组连通性较好，垂向上对流强烈。明化镇储层局部地区受到了基岩裂隙型地热流体的垂向补给。

关键词：东丽湖地区地热流体；地球化学特征；赋存环境；沧东断裂；天津市

0引言

天津地区蕴藏着丰富的地热资源，已普遍用于城市居民供暖、生活用水、温泉洗浴、渔业养殖等各个方面，其作为清洁能源，极大地改善了城市环境。东丽湖地区地热地质条件较好，是天津市地热开发较早的地区。地热流体的水化学特征是地热资源最重要的特征之一。为更好地保护和开发该类资源，近年来，许多国内外学者就不同地质背景下各种地热流体的水化学特征进行了系统地研究。本文从水化学的角度探讨东丽湖地区地热流体特征及其约束因素，这对研究该地区地热流体的起源、演化及生产应用具有一定的理论意义。

1区域地质背景

东丽湖地区构造位置位于沧县隆起之潘庄凸起上(图1)、山岭子地热田的东北部，地温梯度值高，地热资源丰富。附近主要发育沧东断裂，东丽湖地区地热流体的存储和运移明显受到沧东断裂的影响和控制。赵苏民等[1]认为，沧东断裂在上地壳浅部能将下部热储层高位热能以热对流形式传递到浅部，影响范围随远离断裂带而减弱，整体上断裂带及两盘岩体具有广泛的从北东向向南西向较强的导水能力，但局部有一定的差异性。

图1　区域地质构造图Fig.1　Structural map of study area

东丽湖地区所处的山岭子地热田位于沧县隆起北端的潘庄凸起之上，为由元古宇构成核心的低短轴半背斜，主要由中元古界碳酸盐岩形成的岩溶裂隙型热储和上覆新近系碎屑岩形成的孔隙裂隙型热储组成，第四系形成地热田的盖层[2]。沧东断裂西侧为沧县隆起，基岩以古生界为主，顶板埋深1 000～2 000m；东侧为黄骅坳陷中的北塘凹陷，古近系孔店组很薄，主要为沙河街组和东营组，厚3～5km，西侧的前古生界与东侧的新近系对接。

区域主要被第四系沉积物所覆盖，揭露的地层主要有第四系、新近系明化镇组和馆陶组、古生界奥陶系和寒武系、中新元古界青白口系和蓟县系雾迷山组[3]。该地区目前已开发的热储层为明化镇组、奥陶系和雾迷山组。由于沧东断裂带的作用，局部缺失馆陶组和寒武系[4]。

2地热流体化学特征

(2)γ(Na)/γ(Cl)值。区内地热流体γ(Na)/γ(Cl)[5]较高，为1.67～2.54，均>1，说明地热流体在地下发生过强烈的水岩反应，可能是降水起源的溶滤水中Ca与海相地层中的Na交换后，水中Na增加所致。

(3)二氧化碳分压。据东丽湖各地热井水化学成分分析，地热流体中的二氧化碳分压pco2为10-1.98～10-2.7MPa，均高于大气圈的pco2(10-4.5MPa)，说明地热流体在从补给区渗流过程中溶解了更多的CO2，地下水碳酸平衡具有开系统二氧化碳分压稳定的特征。

(4)热水气体成分。地下水中常见的气体成分有O2，N2，CO2，CH4，H2S等，以前3种为主。地热井气体成分可说明地下水所处的地球化学环境。通

表1　各地热井流体水化学成分

注：J为雾迷山组(Jxw)，O为下古生界奥陶系(O)，N为新近系明化镇组(Nm)。测试单位：国土资源部天津矿产资源监督检测中心。

表2　地热井流体气体检测结果

图2　矿化度与取水段埋深关系散点图Fig.2　Scattered point diagram showing salinity vs sampling depth relation

过分析DLH-1地热流体中的气体(表2)，雾迷山地热水中氮气含量较高，说明地热流体来源于大气降水入渗补给。地热流体中既含有游离O2，又含有N2和CH4，表明该热储层处于氧化和还原环境之间的过渡环境，CO2是地热流体中含量较高的气体，含碳酸盐类的岩石在深部高温条件下，可生成一定量的CO2，地下水中含CO2越多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化作用的能力越强。

(5)矿化度与储层埋深的关系。孔隙型地热流体的矿化度与埋深存在着正相关关系。因为越向深处，更高的热储层温度使地层中的化学元素更多地溶于地热流体中，从而导致矿化度增高。天津市一般孔隙型热水井地热流体的矿化度与埋深成正相关。而图2中明化镇地热流体的矿化度并没有随埋深增大而增大。在垂直方向上，基岩裂隙型地热流体的矿化度与埋深的相关性不大，雾迷山和奥陶地热井的水质较好[8]，矿化度相差不大，说明受沧东断裂的影响，基岩裂隙发育，奥陶系与雾迷山组基岩连通性较好，垂向上对流强烈。

3地热流体的形成及其赋存环境

随着热力学方法在解决水文地球化学问题中的应用和推广，综合考虑化学热力学和化学动力学理论以及化学分析数据，可推知水中存在组分以及各种组分在水中的物理状态和化学状态，可进一步了解地热流体的形成及存在的环境。

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3.1饱和指数

溶液的饱和指数(SI)是指示水与矿物处于何种状态的参数。SI=0，说明水与矿物达到平衡状态；SI>0，说明溶液处于饱和状态；SI<0，说明溶液处于非饱和状态。利用美国地质调查局的PHREEQC模型[6]，对样品进行热力学模拟，计算出的矿物饱和指数见图3，方解石、白云石、文石处于微饱和状态，表明热田区地热流体在一定情况下会沉淀析出，在地热利用供水管道接头处的部分垢状物是这一系列过程的产物；石英、玉髓、萤石处于基本平衡状态，而硬石膏、石膏、岩盐处于非饱和状态，由于热田内各种水体的矿化度都不很高，石盐类矿物的饱和度均较低。

图3　地热流体中矿物的饱和指数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.岩盐；9.硬石膏

图4　Na—K—Mg含量三角图Fig.4　Na-K-Mg plot

3.2Na—K—Mg平衡

利用Na—K—Mg含量三角图反映水化学的平衡状况[7-8]。Na—K—Mg三角图由Giggenbach于1988年提出，图中分为完全平衡、部分平衡和未成熟水(处于岩石溶解淋滤过程中的水)3个区域。将井点的水质资料投影至图4，在东丽湖地热流体的投影点出现了2种不同的情况，即雾迷山组、奥陶系各井地热流体处于平衡曲线的下方且位于部分平衡区域，靠近镁区，说明水样还未与周围的岩石完全达到平衡，这与前面对水样化学信息的分析结果是一致的。这种情况也说明雾迷山组、奥陶系热储层是相对开放的空间，地热流体受到外界流体的补给较充足，并与之发生了混合作用，深部地热流体与围岩之间的反应尚未达到平衡，在温度、压力的作用下，热流体与围岩之间的反应将继续进行，直至地热流体达到饱和状态。

由于岩溶裂隙发育，在垂向上受到上覆和下伏储层的补给，尤其在沧东断裂附近，极有可能存在大的径流通道，形成了对热储层补给的“天窗”。另一方面也说明Na—K—Mg地热温标不适合奥陶系及雾迷山组储层温度的评估。而明化镇组地热井已达到或接近平衡线，Na—K—Mg含量趋于平衡，分析认为，明化镇组热储层虽然相对较多地接受了大气降水和地表水补给，但由于地层岩性的限制，补给的流体在孔隙中渗入缓慢，地热流体在热储层中有充分的时间来达到平衡状态，同时也说明Na—K—Mg地热温标较适用于明化镇组热储层。

3.3热储温度

热储温度是划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力不可缺少的重要参数，地球化学温标方法是提供这一参数的经济而有效的手段[9]。地球化学温标是建立在某种反应产物的平衡和反映温度相关这一基础上的。由于温度的变化对溶液中的阳离子比和水溶性二氧化硅的浓度有很大影响，目前应用最广的是硅温标、阳离子温标(主要是Na/K温标)。用地热温标来估算热储温度，其前提是地热流体与周围矿物达到矿物平衡。此次采用Watch[10]软件计算东丽湖地区地热井温度(表3)。从表3可见，玉髓温度计计算的地热水储层温度接近于地热水井口温度，而采用石英温度计计算的地热水储层温度偏高，在低温热储的估算中，玉髓与水反应大多

表3　热储温度计算

量的单位：℃。

数情况下要比石英与水反应更接近平衡。采用Na/K温标计算雾迷山和奥陶系热储温度差异较大，不适合奥陶系及雾迷山组储层温度的评估，这与之前分析结果一致，但Na/K温标较适宜计算明化镇组热储温度。

4结论

(1)东丽湖地区的地热流体温度较高，明化镇组水质类型以HCO3·Cl-Na为主，奥陶系和雾迷山组水质类型以Cl·HCO3·SO4-Na和Cl·SO4·HCO3-Na为主。γ(Na)/γ(Cl)比较高，说明东丽湖地区热流体在地下发生过强烈的水岩反应。地热流体中含有较多的CO2，且含有游离O2以及N2和CH4，表明该热储层处于氧化和还原环境之间的过渡环境。

(2)地热流体中各种矿物饱和度指数模拟结果显示，地热流体从储层向地面迁移及利用过程中会发生少量碳酸盐沉淀，这一结论与现场观测到的现象是一致的。同时，地热流体中pco2较高，在利用过程中极易发生CO2脱气，生成碳酸盐沉淀。利用地球化学温标对热储层温度进行计算，玉髓温标计算的地热水储层温度接近于地热水井口温度，同时Na/K温标较玉髓温标适宜新近系明化镇组温度计算。

(3)东丽湖地区热储受沧东断裂的影响，基岩裂隙较为发育，奥陶系与雾迷山组基岩连通性较好，垂向上对流强烈。东丽湖基岩热储层是个相对开放的空间，地热流体受到外界流体的补给比较充足，并发生了混合作用，明化镇储层局部地区受到了基岩裂隙型地热流体的垂向补给。综上认为，东丽湖地区受沧东断裂的影响较大，垂向上对流强烈，深部地热流体与围岩之间的反应尚未达到平衡；而明化镇组热储层受地层岩性的限制，补给的流体在孔隙中渗入缓慢，地热流体在热储层中有充分的时间来达到平衡状态。

参考文献：

[1]赵苏民，高宝珠，黎雪梅，等. 沧东断裂(天津段)特征及导水导热性质分析[J]．地质调查与研究，2007，30(2)：121-127.

[2]廖志杰，陈振霞．天津山岭子地热田地下热水[J]. 北京大学学报：自然科学版，1993，29(2)：224 -232.

[3]林黎，沈健，赵娜，等．天津市滨海新区东丽湖地区基岩热储地热资源保护工程[R]．天津地热勘查开发设计院，2013.

[4]胡燕，林黎，孙宝成，等．天津市滨海新区地热资源可持续开发潜力评价报告[R]. 天津地热勘查开发设计院，2008.

[5]沈照理，朱宛华，钟佐燊．水文地球化学基础[M]. 北京：地质出版社，1993：71.

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[9]汪集旸，熊亮萍，庞忠和．中低温对流型地热系统[M]．北京：科学出版社，I993：67-82．

[10]ArnórssonS,BjarnasonJö.IcelandicWaterChemistryGrouppresentsthechemicalspeciationprogrammeWATCH[CP].ScienceInstitute,UniversityofIceland,Orkustofnun,Reykjavík, 1993:7.

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；责任编辑：赵庆

基金项目：中央财政矿产资源节约与综合利用项目和天津市滨海新区东丽湖地区基岩热储地热资源保护工程项目(编号：国土房任[2010]12号)资助。

作者简介：赵娜(1982—)，女，工程师，2005年毕业于中国地质大学(北京)，从事水工环和地热地质工作。

通信地址：天津市河东区卫国道189号，天津地热勘查开发设计院；邮政编码：300250；E-mail：tjdrzn@126.com

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

中图分类号：P641.3

文献标识码：A