江苏省地热水水化学特征研究

冯志祥，徐海波，吴吉春，陈扣平

(1.江苏省节约用水办公室, 江苏 南京 210029；2.南京大学 地球科学与工程学院 水科学系， 江苏 南京 210093)

江苏省地热水水化学特征研究

冯志祥1，徐海波1，吴吉春2，陈扣平2

(1.江苏省节约用水办公室, 江苏 南京 210029；2.南京大学 地球科学与工程学院 水科学系， 江苏 南京 210093)

江苏省地处我国东部沿海，为我国经济最发达的地区之一，地热水资源较为丰富，地热水资源开发前景广阔，科学的开发利用好地热水资源对缓解能源压力、节能减排、保护生态环境，促进江苏低碳经济的发展具有十分重要的意义[1]。本文对江苏省178口地热井与温泉基本情况进行调查，并收集大量资料进行计算分析，对全省热储分布特征，微量元素的分布与区域地质背景之间关系以及其受水岩相互作用等条件的影响进行研究。结果表明，江苏省可按构造及地层特征划分为四大地热资源区，区内地热化学类型主要为HCO3-Na、Cl-Ca、Cl-Na、SO4-Ca、SO4-Na，地热水的矿化度范围为297～2 1087 mg/L，pH值范围为6.59～9.17。地热水微量元素以氟化物、锶、偏硼酸、偏硅酸四种微量元素为主，主要富集在40℃～60℃的地热水之中。该研究结果对江苏省地热水长期研究及开发利用提供参考。

地热水；热储分布；水化学特征；微量元素

地热水既是重要的水资源，也是重要的能源矿产，具有水资源和矿产资源的双重属性。地热水是21世纪最受人们关注的新能源之一，地热水资源是一种集“热”“矿”“水”于一体的清洁可再生能源，与其他新能源相比，具有持续稳定、可直接利用、成本低等一系列优点。中高温地热水资源主要用于地热发电，低温地热水资源主要用于地热供暖、生活热水、保健浴疗，娱乐、旅游及种植、养殖等诸多方面，利用价值和开发前景十分广泛。江苏省地处我国东部沿海，为我国经济最发达的地区之一，是我国地热水资源较丰富的省份之一，若能充分进行产业化、规模化开发，将产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。江苏省地热水资源开发前景广阔，科学的开发利用好地热水资源对缓解能源压力、节能减排、保护生态环境，促进江苏低碳经济的发展具有十分重要的意义[1]。

把地热水作为深循环热流载体加以研究，可以从一个侧面来探讨深部地热水资源赋存的可能性。 勘查、开发地热水资源对江苏省经济的可持续发展意义重大。本文通过调查江苏现有的178口地热井，在收集大量资料的基础上，对江苏省地热水资源的分布情况作了相关介绍，文章将江苏省分为四个地热资源区，对地热水的水化学特征进行分析，并对其中氟化物、锶、偏硼酸、偏硅酸等微量元素进行分析，找出各组分的分布特征以及不同组分之间的内在关联，寻求区内地热水的水化学特征所具有的指示意义，为日后江苏地热水的研究和开发提供一定参考。

1 江苏省地热水资源热储分布特征

中国东部沉降带的地热水资源丰富，主要为隐伏传导型中低温地热水资源，江苏是中国东部传导型地热水资源较为丰富的地区之一。根据构造及地层特征，江苏省域可划分为四大地热资源区，分别为徐州地热资源分区(Ⅰ)、宿迁-连云港地热资源分区(Ⅱ)、苏中地热资源分区(Ⅲ)和苏南地热资源分区(Ⅳ)[2]，地热资源分区见图1，地热岩性见表1。

图1 江苏省地热资源分布图

(1)徐州地热资源分区位于江苏西北部郯庐断裂带以西，在构造单元上对应华北地台区，总体上属于构造隆起区，主要控热构造为中新生代盆地及隆起区的有利褶皱构造，地热储层主要为晚元古代泥灰岩地层(裂隙含水层)。

(2)宿迁-连云港地热资源分区位于江苏北部郯庐断裂带以东(含郯庐断裂带)，淮安-响水断裂以北，在构造单元上对应郯庐断裂带及苏鲁造山带，总体上属于构造隆起区，主要控热构造为郯庐断裂带、中新生代盆地及隆起区深断裂构造，地热储层主要为古老变质岩中的各类破碎带，如断裂破碎带、侵入接触破碎带等裂隙含水层。

(3)苏中地热资源分区位于苏中新生代断陷盆地(北起淮阴-响水断裂，南至通扬隆起北缘，俗称苏北盆地)，该区是江苏地热资源最丰富的地区，新生界厚度可达数千米，盆地内具有很高的大地热流，控热构造主要为区内的隆起褶皱带、坳陷边缘断裂-断阶带及坳陷内-系列凸起构造，地热储层主要有新近纪砂砾层(松散岩类孔隙含水层)、古近纪砂岩(孔隙-裂隙含水层)及中生代、古生代碳酸盐岩地层(岩溶裂隙含水层)等。

(4)苏南地热资源分区位于苏北盆地以南，在构造上对应于苏南隆起区。总体上属于构造隆起区，中生代盆岭构造发育，以隆坳相间构造为特征，主要控热构造为盆地边缘断裂-断阶带、盆地内部的印支面凸起、隆起区有利褶皱构造等，地热储层主要是中生代、古生代碳酸盐岩地层(岩溶裂隙含水层)；古生代、中生代砂岩地层(裂隙含水层)；中生带火山岩及侵入岩中的破碎带等裂隙含水层。

表1 江苏省地热岩性表 m

2 江苏省地热水水化学基本特征

目前，根据13个市的热储分区，分析其水化学基本特征，江苏省地热水水化学特征表见表2，水化学特征数据主要来自国土资源部南京矿产资源监督检测中心。

(1)在徐州地热资源区中，现已开发的地热水资源主要位于徐州贾汪区大吴村和新城区，地热水的热储岩性为泥灰岩、砂质泥岩，地热水类型为HCO3-Na型水。矿化度在552～2 103 mg/L之间，pH值在6.95～7.81之间，总硬度为286 mg/L和662 mg/L，属微硬水。

(2)宿迁-连云港地热资源区中，已经开发利用的地热水资源主要位于项王故里、新丝路房地产开发公司旅游度假村及李埝林场。宿迁项王故里和新丝路房地产开发公司旅游度假村地热水的热储层年代较老，为元古代—中生代，其中项王故里地热井位于郯庐断裂带，地热水水化学类型为SO4-Ca和SO4-Na型，地热水的矿化度较高[3]，为7 810 mg/L和6 060 mg/L。

表2 江苏省地热水水化学特征一览表

(3)苏中地热资源区内地热水一般为SO4-Na，Cl-Na和HCO3-Na三种类型，矿化度在374～11 879 mg/L之间。淮安境内除蒋坝地热水的热储为花岗岩外，其他均为碳酸盐岩，蒋坝的地热水水化学类型为Cl-Na型，地热水的矿化度为10 410 mg/L，属于高矿化度水，水的硬度比较大。老子山的地热水化学类型为SO4-Na型[4]，矿化度在2 025～2 231 mg/L。盐城地区地热水的热储层主要为新近系盐城组[5]，水化学类型主要为HCO3-Na，矿化度相对来说较低，pH值变化在6.9～8.63之间，地热水中以Na+离子和HCO3-离子含量最高，分别在170～399 mg/L和331～438 mg/L之间。泰州溱湖1号井和泰成苑小区TCY1地热井热储为新近系盐城组及古近系三垛组，地热水水化学类型为HCO3-Na型和Cl-Na型，矿化度分别为1 694 mg/L、5 307 mg/L，三垛组矿化度较高，兴化市乌巾荡地热井热储为新近系盐城组砂岩，地热水水化学类型为Cl-Na型，矿化度为6 750 mg/L。扬州市醉温泉宾馆有限公司地热井，瘦西湖天沐温泉1#、2#井，扬州润泰投资凤凰岛地热井，热储为碳酸盐岩，地热水水化学类型都为SO4-Na型，地热水的矿化度在1 719～5 780 mg/L，pH值在7.35～8.45之间，偏碱性。马棚地区地热井的热储类型为古近系三垛组砂岩，水化学类型为Cl-Na型，矿化度达2 190 mg/L，理疗热矿水组分主要有偏硅酸和偏硼酸。南通地区地热水的热储层均为新近系盐城组[6]，地热水水化学类型为HCO3-Na型水，矿化度在1 616～3 724 mg/L。

(4)苏南地热资源分区镇江地区的地热储层主要为碳酸盐岩，花岗岩和侏罗系角砾岩[7]，地热水水化学类型主要为SO4-Ca型或HCO3-Mg·Ca型，矿化度在706～3 330 mg/L。南京汤山地区汤山镇地热水水化学类型主要为SO4-Ca型、SO4-Ca·Mg型[8]，水温在53℃～65℃。而在汤山西侧侯家塘附近，随着冷水混入比例的增加，地热水温度降至30℃～39℃，水化学类型逐渐由SO4-Ca向SO4·HCO3-Ca型水过渡。汤山镇东部温泉路地区地热水水温在53℃～73℃之间， pH值相对较小，在7.0～7.4之间，矿化度均大于1 500 mg/L，多数在1 680～1 850 mg/L之间，阳离子中Ca2+含量最高，含量范围为257～383 mg/L，百分比含量达到73.8%～74.8%，其次是Mg2+含量，在45.1～63 mg/L之间，大多介于40～60 mg/L，百分比含量达到20%。汤泉地区地热水水化学类型为SO4-Ca型，水温在29.4℃～50℃，阳离子浓度含量最高的钙离子含量介于387～530 mg/L，阴离子浓度含量最高的为硫酸根离子，含量为934～1 512 mg/L。pH值介于7.08～7.63，矿化度在1 765～2 491 mg/L之间[9]。常州地区地热水资源的热储为碳酸盐岩，侏罗系砂岩，水化学类型主要为SO4-Na型和HCO3-Na型。矿化度在635～1 536 mg/L之间。无锡地区地热水水化学类型均为HCO3-Na型水，热储岩性为花岗岩和砂岩，矿化度在423～2 140 mg/L。苏州地区地热水水化学类型主要为SO4-Ca，HCO3-Na和Cl-Na型，热储岩性主要为砂岩、花岗岩和碳酸盐岩，矿化度在298～21 807 mg/L之间，位于吴江区松陵镇的RWJ2地热井的矿化度最高，达21 807 mg/L。

3 江苏省地热水微量元素化学特征

3.1 江苏省地热水中微量元素含量

地热水中含有丰富的微量元素，如氟、锶、硼、硅等微量元素，这些微量元素具有一定的医疗和保健价值，它们被人体吸收后可补充人体所缺的微量元素。随着人民生活水平的日益提高，利用地热水洗浴来提高身体素质的需求也越来越多，因此寻找富含对人体有利的微量元素的地热水已成为重要研究课题之一[10-12]，本节主要分析江苏地热水资源微量元素(氟、锶、硼、硅)化学特征，为进一步开发利用地热水提供一定的参考。表3列出了江苏省地热水中4种微量元素的化学成分含量。表4列出了按不同标准对地热水进行评价时微量元素含量要求。

由表3、表4可分析得出：

(1)根据生活饮用水标准，水中氟化物浓度应小于1.0 mg/L，从表3中可以发现，江苏省内四个地热资源分区的地热水中氟离子含量基本大于1.0 mg/L，只有少量地热水中氟化物含量小于1.0 mg/L。

(2)根据理疗热矿水及命名矿泉水水质标准, 水中锶的浓度达到10 mg/L。徐州地热资源分区为晚元古代泥灰岩地层，锶含量达不到理疗价值浓度。宿迁-连云港地热资源分区中，宿迁地区的地热水中锶含量在10.3～20.8 mg/L, 基本能达到理疗价值浓度。苏中地热资源区内只有少部分地区如江都已开发的地热水中锶的浓度达到理疗价值所要求的浓度。苏南地热资源分区中，少部分地区如无锡、镇江地区存在锶水。

(3)徐州地热资源分区中，地热水中偏硅酸含量范围在28.7～48.9 mg/L，达到理疗热矿水水质标准。宿迁-连云港地热资源区中，地热水中偏硼酸，偏硅酸基本均达到了理疗热矿水水质标准，有一定的医疗价值。苏中地热资源区内苏北盆地地热水的理疗价值主要体现在偏硅酸上，少部分地区偏硼酸达医疗价值浓度。苏南地热资源分区中，地热水硅酸含量较高，理疗价值主要体现在偏硅酸上。

表3 江苏省地热水中有理疗效果化学成分含量一览表 mg/L

表4 地热水水质评价标准表 mg/L

图2 温度与微量元素浓度关系图

3.2 江苏省地热水中微量元素分布规律

本文选取江苏省内有详细水化学分析资料的86口地热井的水样分析数据，通过整理分析，从地热水的温度、pH值及矿化度与地热水中氟化物、锶、偏硼酸及偏硅酸含量的关系进行研究，找出地热水中微量元素的分布规律。

图2是地热水中氟化物、锶、偏硼酸及偏硅酸与地热水水温的关系图。从图2中可以看出，四种微量元素主要富集在40℃～60℃的地热水之中，其中偏硅酸随着温度的升高呈一定的正相关趋势，而锶元素、偏硼酸在中温的地热水中含量相对较高。

图3 pH与微量元素浓度关系图

图4 矿化度与微量元素浓度关系图

图3是地热水中氟化物、锶、偏硼酸及偏硅酸与地热水pH的关系图。分析图3可知，四种微量元素主要存在于pH值在7～9之间的地热水中，其中氟化物在pH值为8～9时含量较高，锶元素的含量大于15 mg/L时，pH值越高，锶的含量越高，而当锶的含量较低时，pH值的变化对锶元素含量的影响不明显。偏硼酸在pH值为7.5～8之间时，其含量相对较高，偏硅酸在pH值在7～8之间随着pH增大而增大，呈正相关，而当pH值在8～9之间时，地热水中偏硅酸的含量随着pH值的增大而减小。

图4是地热水中氟化物、锶、偏硼酸及偏硅酸与地热水矿化度之间的关系。从图4可知，当地热水矿化度浓度低于2 000 mg/L时，地热水中氟化物的浓度相对较高。矿化度大于1 000 mg/L的地热水中锶的含量相对较高。当地热水矿化度浓度较低时，地热水中的偏硼酸含量相对较低；当地热水中偏硼酸含量大于5 mg/L的地热水时，地热水的矿化度都高于2 000 mg/L。当地热水矿化度小于2 000 mg/L时，地热水中偏硅酸含量和矿化度呈一定的正相关关系，而当矿化度大于2 000 mg/L时，地热水中偏硅酸含量基本都大于25 mg/L。

4 结语

本文通过对江苏省现有地热水的水化学成分资料的分析整理，得到如下结论：

(1)根据构造及地层特征，江苏省域可划分四大地热资源区，分别为徐州地热资源分区、宿迁-连云港地热资源分区、苏中地热资源分区(苏北盆地)和苏南地热资源分区，四大地热资源区内地热水的水化学类型主要为HCO3-Na、Cl-Ca、Cl-Na、SO4-Ca、SO4-Na，地热水的矿化度范围为297～21 087 mg/L，pH值范围为6.59～9.17。

(2)江苏省内的地热水主要以偏硅酸水和氟水、锶水为主，扬州和苏州的地热水中偏硼酸含量较高。

(3)地热水中氟化物、锶、偏硼酸、偏硅酸四种微量元素主要富集在40℃～60℃的地热水之中，其中地热水中偏硅酸和温度呈一定的正相关。地热水中偏硼酸在pH值为7.5～8之间时，其含量相对较高，偏硅酸在pH值为7～8时，随着pH增大而增大，呈正相关，而当pH值在8～9之间时，地热水中偏硅酸的含量随着pH值的增大而减小。当地热水矿化度浓度低于2 000 mg/L时，地热水中氟化物的浓度相对较高。矿化度大于1 000 mg/L的地热水中锶的含量相对较高。

本文仅针对江苏省已有地热水水样资料进行了相关分析研究，而地热水的循环途径非常复杂，其化学成分的影响因素众多，通过本文初步的分析显然是不够全面，需要在今后不断收集资料，进行更加深入的分析研究。

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Study on Hydrochemical Characteristics of Geothermal Water in Jiangsu Province

FENG Zhi-xiang1, XU Hai-bo1, WU Ji-chun2, CHEN Kou-ping2

(1.Jiangsu Provincial Water Conservation Office,Jiangsu Nanjing 210029;2.Nanjing University School of Earth Science and Engineering Department of Water Science,Jiangsu Nanjing 210093)

Jiangsu Province is located in the eastern coastal area of China, which is one of the most economically developed areas in China. The geothermal water resources are abundant, and the development prospect is broad. Scientific development and utilization of geothermal water resources is of great significance to alleviate energy pressure, save energy and reduce emissions, protect the ecological environment and promote the development of low-carbon economy in Jiangsu. In this paper, the survey of 178 geothermal wells and hot springs in Jiangsu Province are carried out, and a large amount of data is collected for analysis. Also, the characteristics of the distribution of thermal storage in this province, the relationship between the distribution of trace elements and the regional geological background and the influence of water - rock interaction are studied. The results show that Jiangsu Province can be divided into four geothermal resource zones according to the characteristics of structure and stratum. The geothermal chemical types in the area are mainly HCO3-Na, Cl-Ca, Cl-Na, SO4-Ca and SO4-Na, the geochemical degree of geothermal water is 297～21 087 mg/L, pH value is 6.59～9.17. The trace elements of geothermal water are mainly composed of four kinds, listed as fluoride, strontium, metaboric acid and metasilicic acid, which are mainly enriched in geothermal water of 40 ℃～60 ℃. The results of this study provide a reference for the long - term research and development of geothermal water in Jiangsu Province.

the geothermal water; the distribution of thermal storage; hydrochemical characteristics; trace element

2017-03-27

冯志祥(1970-)，男，江苏滨海人，高级工程师，主要从事地下水开发利用方面工作。

陈扣平(1979-)，女，江苏泰州人，副教授，主要从事地下水环境方面研究。

P314.1

A

1004-1184(2017)04-0005-04