天津塘沽地区馆陶组地热流体演变特征研究

张芬娜，贾志，李虎，高亮，宗振海

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）



天津塘沽地区馆陶组地热流体演变特征研究

张芬娜，贾志，李虎，高亮，宗振海

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）

摘要：本文通过对塘沽地区馆陶组长观地热井的地热流体水化学数据进行整理分析，研究了地热流体中Na+、Cl-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+的形成和演变规律。研究表明，塘沽地区馆陶组地热流体具有溶滤水的特征，地热流体的补给和循环比较强烈。通过对微量元素的对比分析，发现塘沽馆陶组地热流体补给来源相同。

关键词：塘沽地区；地热流体；馆陶组；补给来源

作为一座能源短缺的城市，地热资源作为清洁能源在天津市燃煤锅炉改造中起着重要的作用，对改善天津市的大气环境问题有着重要的意义。塘沽地区是新近系馆陶组热储层集中开采的地区，因此对塘沽地区新近系馆陶组地热流体的物质来源、演化规律和成因分析等方面的研究，对科学可持续性地开发地热资源具有重要的指导意义。有许多学者就天津市地热流体水化学特征［1］和塘沽地区新近系地热流体矿化度和水化学类型［2］、蓟县系雾迷山组热流体形成和运移特征［3］、奥陶系地热流体水化学特征［4］以及地热流体垂向演化特征［5］等进行了研究。本文以塘沽地区新近系馆陶组为研究对象，根据采集的地热流体水化学数据，分析地热流体中常量组分的形成和演变以及微量元素的水文地球化学特征。

图1　天津市塘沽区构造单元分区图Fig.1 Tectonic distribution of the Tanggu，Tianjin City

渤

海

1　天津塘沽区地质条件

1.1构造特征

研究区从北至南纵跨了北塘凹陷和板桥凹陷两个Ⅳ级构造单元，西以沧东断裂为界，南以海河断裂为界与板桥凹陷相连，东以涧南断裂为界，北以汉沽断裂为界［6］（图1）。

1.2热储特征

研究区主要开采的热储层自上而下为新近系明化镇组（Nm）、馆陶组（Ng）热储层和古近系东营组（Ed）热储层。本文主要以新近系馆陶组热储层为研究对象。

馆陶组热储层在研究区内普遍分布，该热储层自上而下分为上、下两个热储段。上段岩性以粉细砂岩为主；下段上部岩性以粉细砂岩为主，中部以泥岩为主，底部普遍发育底砾岩。该热储层单井出水量为40～120 m3/h，水温45～78℃［7］。

2　地热流体水化学特征

本次共采集新近系馆陶组热储层地热流体化学分析数据14组，采样位置见图1，部分测试结果见表1，所有样品均由具有MA资质的天津市地质矿产测试中心进行检测。该热储层地热流体矿化度自北东向南西增加，矿化度1 109～1 822 mg/L，pH值7.34～

资助项目：天津市国土局“孔隙型地热资源开发对地面沉降影响研究（国土房任［2014］12号）”

表1　新近系馆陶组热储层地热流体化学分析数据表Tab.1　The chemical data of geothermal fluid in Neogene Guantao thermal reservoir

3　地热流体常量组分的形成和演变

深循环的地热流体，在补给、径流、埋藏和排泄的长期演化过程中，不断对围岩系统进行淋滤并发生着组分的交换作用，使水中稳定组分聚集，不稳定组分则聚集于围岩孔隙中，随着时间的累积，各主要离子的含量有着不同的变化趋势［8］。本次选取长观资料完整的3眼馆陶组地热井1号、9号和13号作为主要研究对象。

图2　馆陶组地热流体Piper图Fig.2 Piper diagram of the Guantao geothermal water

3.1氯离子（Cl-）和钠离子（Na+）

研究区内馆陶组地热流体大部分rNa/rCl大于1，一般在1.4～7.2之间，具有溶滤水的特征。通过历年离子演化图（图3）可以看出离子的变化趋势。

从图3可以看出，1号井地热流体在近14年中Na+、Cl-离子有一个先减少后增加而后基本稳定的趋势；9号井地热流体Na+离子先减少后增加而后又减少、增加，而Cl-离子变化不大，基本保持稳定的状态；13号井地热流体呈先减少后增加的趋势，其中Cl-离子的增加趋势较Na+离子大。

3.2硫酸根离子（SO42-）和重碳酸根离子（HCO3-）

这3眼地热井地热流体中主要的阴离子为HCO3-，所占比例分别为45.7%，71.3%和47.2%，SO42-离子所占比例从6.5%～20%不等。SO42-和HCO3-的产生及不同比例的出现可能取决于以下的过程［9、10］：①在氧化条件下硫化矿物溶解于地下水中，生成产物H2SO4，随后H2SO4又与硅酸盐（主要存在于长石中）反应，被中和了一部分。②地下水中溶解的H2CO3也与硅酸盐（主要存在于长石中）反应，生成HCO3-。

过程①使水中的Na2SO4增多，而NaHCO3则产生于过程②，通过对地热流体成分的分析推断，过程②在三个地热井地热流体的形成过程中起主要作用。

从图4可以看出，13号井地热流体SO42-有明显的增加趋势，而相对应的HCO3-则有所减少，这说明随着时间的变化，13号井地热流体中的化学反应过程①所起的作用越来越大；1号井地热流体的SO42-先减少后增加，HCO3-对应的先增加后减少；9号井地热流体的SO42-和HCO3-的变化则更加清晰的体现了两者此消彼长的对应变化规律，HCO3-先减少后增加然后又减少，SO42-则对应地反方向变化，说明了化学反应①和②的交替活跃过程。

图3　Na+、Cl-离子演化图Fig.3 The evolution of the Na+and Cl-

图4　SO42-、HCO3-离子演化图Fig.4 The evolution of the SO42-and HCO3-

3.3钙（Ca2+）和镁离子（Mg2+）

研究区内地热井的Ca2+、Mg2+含量都很低，这主要是因为馆陶组含水层岩性以含钠、钾长石为主。另外，阴离子中占主要比例的SO42-和HCO3-钙盐化合物溶解度都比较低，即使有部分Ca2+、Mg2+从岩石中溶出，也会在与K+、Na+的交替吸附作用过程中被围岩吸附。

3.4微量元素水文地球化学特征

地热流体中含有多种对人体有益的微量元素。一般来说，其含量都较低，但在某些特定条件下，也可能达到较高的值。本文着重讨论硼、氟在地热流体中的特征。

研究区内馆陶组地热流体中偏硼酸含量在20.5～30.78 mg/L，其中13号井地热流体中硼的含量较低为7.33 mg/L，1号井和9号井地热流体中硼的含量分别为6.09 mg/L和6.58 mg/L。由于影响硼含量的重要因素是压力和温度，随着压力和温度的增高，硼在水中的溶解度增大。

13号井地热流体中氟的含量5.89 mg/L，9号井地热流体中氟的含量7.29 mg/L，1号井地热流体中氟的含量9.00 mg/L，由于3～6 mg/L的氟含量就可以造成氟中毒，因此该地热流体的氟含量严重超标，不适于饮用，但用于治疗皮肤病和风湿都有很好的疗效。

一般来说，地下水中的氟含量与围岩的氟含量、地下水的类型、温度、pH值等有关。在地热流体中尤其与温度有很好的相关关系。图5是1、9和13号井地热流体中氟含量与水温、pH值的关系图，氟含量与两者都呈明显的负相关关系。对于馆陶组地热流体，虽然温度从45～69℃，几乎具有同一浓度的氟离子。也就是说整个区域氟离子含量较高，说明了塘沽地区馆陶组地热流体具有相同的来源。

图5　各地热井氟离子与温度、pH关系Fig.5 Relationship between the F-，temperature and pH in geothermal well

4　结论

（1）从Piper图中可以看出，馆陶组地热流体的主要阳离子为Na+，其次是Ca2+和K+，主要阴离子为HCO3-和Cl-，其次为SO42-。

（2）研究区内馆陶组地热流体的变质系数rNa/ Cl大于1，分别为1.4，7.2和1.6，具有溶滤水的特征。

（3）随着时间的变化Na+、Cl-还有SO42-、HCO3-波动明显，说明该地热流体补给和循环比较活跃。

（4）馆陶组地热流体含有较为丰富的微量元素，且氟离子含量明显较高，说明了塘沽地区馆陶组地热流体都具有相同的来源。

参考文献：

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［2］阮传侠，于彦，高宝珠，等.天津塘沽地区地热流体水化学特征分析［J］.地下水，2010，32（1）：51-53.

［3］李俊峰，靳宝珍，程万庆，等.天津蓟县系雾迷山组地热流体水化学特征研究［J］.地质调查与研究，2008，31（4）：339-345.

［4］高宝珠，黎雪梅，聂瑞平，等.天津是奥陶系热储层地热流体水化学特征及其主要影响因素［J］.地球学报，2009，30 （3）：369-374.

［5］贾志，张芬娜，徐明.天津市地热流体化学成分垂向演化特征［J］.地质调查与研究，2015，38（1）：57-62.

［6］靳宝珍，张子亮，刘九龙等.天津市塘沽区东营组地热资源普查报告［R］天津地热勘查开发设计院，2008.

［7］阮传侠，于彦，高宝珠，等.天津滨海新区地热流体水化学特征分析［J］地下水，2010，32（1）：51-53.

［8］柳春晖.白庙温泉-赤诚温泉及塘子庙温泉的水化学及同位素研究［D］，中国地质大学（北京），2006.

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［10］沈照理主编.水文地球化学基础［M］.北京：地质出版社，1986.1-5.

中图分类号：P641.5；P341.1

文献标识码：A

文章编号：1672-4135（2016）02-0149-04

收稿日期：2015-10-27

作者简介：张芬娜（1981-），女，工程师，毕业于中国地质大学（北京）水文与水资源工程，现主要从事地热方面的研究，E-mail：ying-ying22@163.com。.54，为中性或弱碱性水，总硬度14.5～95.1 mg/L，总碱度362.8～450.4 mg/L，水化学类型由HCO3·Cl-Na型过渡为Cl·HCO3-Na型［7］。图2为研究区地热流体Piper图，从图中可以看出，馆陶组地热流体的主要阳离子为Na+，其次是Ca2+和K+，主要阴离子为HCO3-和Cl-，其次为SO42-。由Piper图可以直观的看出，馆陶组地热流体，无论温度高低、流量大小、分布远近，基本上具有相近的水化学特征。只有个别离子的含量有一定的差异，这是导致地热流体水化学类型不同的主要原因，研究区水质类型以HCO3·CL-Na为主，亦有Cl·HCO3-Na型。

Evolution of geothermal fluids in Guantao layer of Tanggu district in Tianjin

ZHANG Fen-na，JIAZhi，LI Hu，GAO Liang，ZONG Zhen-hai
（Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design，Tianjin 300250，China）

Abstract：This article aimed to study the formation and evolution of the elements Na-，Cl-，HCO3-，SO42-，Ca2+and Mg2+n the geothermal fluid by analysing of hydrochemical data in geothermal fluid collected from the geothermal obervation wells in Guantao layer of Tanggu district.The results show that the geothermal fluid has the characterstics of lixiviation.Geothermal fluid has full recharge and strong circulation.By comparison of the trace elements，geothermal fluids in Guantao layer have the same sources of supply.

Keywords：Tanggu district；geothermal fluids；Guantao layer；sources of supply