北京昌平新城地区地热流体质量评价

孙杰夫，雷晓东，李 晨，张哲峰，孟美杉

（1. 北京市地质勘察技术院，北京 102218；2. 北京市规划和国土资源管理委员会，北京 100045）

0 引言

地热资源作为替代传统化石能源的绿色能源之一，是节能减排的重要手段，对治理雾霾起着重要作用（汪集旸，2015；周巡等，2006）。北京地区中低温地热资源储量较大，现已探明延庆、小汤山、京西北等10大地热田（雷晓东等，2017）。昌平新城是北京重点建设的11个新城之一，位于北京市平原区西北部，一直未开展过系统的地热资源调查评价。地热流体质量评价是地热资源开发的基础和依据之一。地热流体质量评价在对地热流体采样进行全分析基础上进行，评价指标包括地热流体的物理性质、化学性质、微生物含量等，应依据不同用途按有关的国家标准或行业标准进行综合评价。本次在昌平新城及周边地区选取有代表性的地热井水质资料，分析水化学类型，开展地热水不同用途评价、腐蚀性和结垢性评价，为昌平新城规划和建设可持续利用地热资源提供科学依据。

1 地质背景

北京市平原区西北部，在大地构造位置上属于中朝准地台燕山台褶带内密怀中隆断（Ⅲ2）和西山迭坳褶（Ⅲ5）的结合部位。两个三级构造单元以南口-孙河断裂（图1，F1）为界。南口-孙河断裂带是北京地区规模最大的一条NW向第四纪活动断裂（张培震，2013；陈长云，2016；嘉世旭等，2005），大量研究表明，该断裂在北京平原区表现为枢纽特性，其NW段自昌平南口至北七家，断面倾向南西，控制了马池口-沙河第四纪凹陷的发育，且是小汤山地热田和京西北地热田的分界断裂（柯柏林，2009；张磊等，2016）。本次研究区范围为116° 03′～116°25′，40°06′～40°15′，覆盖了该断裂的NW段。在此区域南口-孙河断裂截切了燕山早期形成的北小营-昌平向斜和一系列NE向断裂。区域上热储层以蓟县系雾迷山组白云岩为主，在南口-孙河断裂以北，热储层埋深一般小于200m；断裂以南埋深变化大，从几百米至2000多米不等。在影壁山逆冲断裂以东，化庄至西沙屯一带，因蓟县系推覆到侏罗系之上，热储层呈现“双层结构”。盖层为第四系松散层、白垩系、侏罗系火山岩、石炭—二叠系砂页岩和青白口系砂页岩等，不同区域盖层组合型式差异较大；研究区西部南口至马池口一带形成的断陷盆地其沉降中心第四系厚度大于800m，加上北小营-昌平向斜核部分布有几百米至数千米厚的火山岩地层，构成了良好的隔热盖层。马池口以东至沙河、郑各庄一带，第四系盖层厚度略变薄，同时也缺失中生代地层。研究区南部和西南部燕山期侵入岩如阳坊花岗岩、花塔石英二长岩、葛村闪长岩等岩体形成了热储层的隔水边界（雷晓东等，2016）。区内地热孔平均孔深2800m，平均出水温度54℃，热水主要来源于西山高崖口—南口和北山十三陵—桃峪口两大岩溶水系统大气降水补给（郭高轩等，2011）。

图1 研究区基岩地质构造及井位分布图Fig.1 Locations of boleholes and tectonic background of survey area

2 水化学类型

本次地热流体质量评价共利用研究区及周边8眼有代表性的地热井水质资料，按照地热地质条件的差异，分4个区块进行评价。其中曹庄—马池口地区（A区）1眼、西沙屯—郑各庄地区（B区）3眼、化庄—百善地区（C区）2眼、南口—昌平地区（D区）2眼，各地热井位置见图1。

本次工作采用舒卡列夫分类方法进行评价。

辛店—马池口地区（A区）：依据“京昌-3”井水质分析结果，其热矿水的水化学类型属于SO4·HCO3·Cl-Na型水。该井地热水矿化度(TDS)为901.0mg/L，属淡水；pH值7.50，总硬度155mg/L，属于弱碱性、微硬水（表1）。

西沙屯—郑各庄地区（B区）：根据“沙热-7”、“沙热-8”和“沙热-12”井水质全分析结果，本区热矿水水化学类型属于HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3-Na·Ca型水。地热水矿化度(TDS)为477～510mg/L，属淡水；pH值7.49～7.79，总硬度143～178mg/L，属于弱碱性、微硬水。

化庄—百善地区（C区）：根据“沙热-3”和“昌热-4”井水质全分析结果，本区热矿水水化学类型属于HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg型水。地热水矿化度(TDS)为315～511mg/L，属淡水；pH值7.32～7.89，总硬度180mg/L左右，属于弱碱性、微硬水。

陈庄—昌平地区（D区）：参考工作区内“昌热-1”及凤山温泉度假村“昌热-7”井水质全分析结果，热矿水的水化学类型属于HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型水。该区地热水矿化度（TDS）367～522mg/L，属淡水；pH 值 7.60～7.82，总硬度197～200.2mg/L，属于弱碱性、微硬水。

表1 工作区热水水化学类型表Tab.1 Work area hot water chemical type table

3 地热水不同用途评价

3.1 热矿水评价

根据《天然矿泉水地质勘探规范》（GB/T13727-2016）对该区地热水进行评价。该区热矿水氟离子普遍含量大于2mg/L，水温大于34℃，矿化度小于1000mg/L，可命名为氟化物型淡温泉水。从区域上看，曹庄—马池口地区（A区）、西沙屯—郑各庄地区（B区）和化庄—百善地区（C区）的东南部氟含量相对偏高，均在6mg/L以上，而在南口—昌平地区（D区）及化庄—百善地区（C区）的西北部氟含量相对较低，在1～3.2mg/L之间（表2）。

氟的摄取量对于维持骨骼的正常发育是很重要的，适量的氟可加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。但当某一地区分布过高，人体摄入量偏多时又可引起特异的疾病——地方性氟病，或称地方性氟中毒，造成氟斑釉齿和氟骨症。

依据《地热资源地质勘查规范》（GB11615-2010）附录E《理疗热矿水水质标准》，热矿水中氟和偏硅酸含量较高，具有一定的医疗价值，普遍达到淡温泉水、氟水的命名条件，其中沙热-12井达到了硅水的命名条件（表2）。

其他井偏硅酸含量虽未达到定名标准，但也已达到具有医疗价值的浓度（偏硅酸＞25mg/L）。偏硅酸能提高皮肤的弹性，有助于骨的钙化，有利于儿童骨骼的成长，防止老年骨质疏松，对人体主动脉硬化具有软化作用，对心脏病、高血压、动脉硬化、神经功能紊乱、胃炎及消化道溃疡具有一定的保健作用。另外，热矿水中还含有多种对人体有益的微量元素，如：溴、锶、锂、钡、氡等，经常使用该热矿水洗浴能起到良好的保健作用。

3.2 矿泉水评价

除昌热-4井外，该区热矿水氟离子含量普遍大于2mg/L，超过国家《饮用天然矿泉水》（GB8537-2008）规定的限量指标（氟＜2.0mg/L），因此大部分地区地热水不能作为天然矿泉水饮用。

表2 理疗热矿水水质标准与已有地热井水质对比表Tab. 2 Physiotherapy hot mineral water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

3.3 生活饮用水评价

根据《生活饮用水卫生标准》（GB/5749-2006）对该区地热水进行评价。

（1）一般化学指标

除靠近山前的昌热-7井外，本区Fe2++Fe3+含量超过一般化学指标（铁含量＜0.3mg/L）要求。

（2）毒理学指标

该区热矿水中氟（F-）含量均超过毒理学指标（氟＜1.0mg/L）要求。

综上所述，该区热矿水一般化学指标、毒理学指标两项没有达到生活饮用水卫生标准要求，不适于作为生活饮用水。

3.4 渔业用水评价

根据《渔业水质标准》（GB11607-1989）对该区地热水进行评价，对比见表3，除C区昌热-4井外，其余地区地热井氟（F-）单项组分均大于标准限值，镉、铜、锌、镍、砷偶有超标，大部分组分满足渔业水质国家标准，因此重点对氟（F-）进行处理后可作渔业生产用水。

3.5 农业灌溉用水评价

根据《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）对该区地热水进行评价，对比见表4，各地区热水井所化验的水质项目，除水温单项组分大于标准限值外，其余组分均满足农田灌溉水质国家标准，因此仅需对水温进行降温处理后便可作农田灌溉生产用水。

4 地热水腐蚀性、结垢性评价

4.1 腐蚀性评价

地热流体中因含有氯根、硫酸根、游离二氧化碳根和硫化氢等组分而对金属有一定的腐蚀性，可通过挂片试验等测定其腐蚀率，对其腐蚀性做出评价，也可参照工业上计算腐蚀系数的方法来衡量地热水的腐蚀性：

若腐蚀系数Kk＞0，称为腐蚀性水；腐蚀系数Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＞0，称为半腐蚀性水；腐蚀系数Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＜0，称为非腐蚀性水。

腐蚀性系数的计算：

表3 渔业水质标准与已有地热井水质对比表Tab.3 Fishery water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

表4 农田灌溉水质标准与地热井水质对比表Tab.4 Farmland irrigation water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

对碱性水： Kk=1.008（rMg2+-）

其中：r是表示离子含量的每升毫克当量数（毫摩尔数mmol/L）；Ca2+对钙离子浓度以毫克每升（mg/L）表示。

经计算，为非腐蚀性水和半腐蚀性水（表5）。

4.2 结垢性评价

地下热水在使用中，当温度降低时，会使溶解其中的有些固体物质超过饱和度而在系统中产生结垢，引起井管口径减小，换热设备传热效率降低，输送地热水系统的阻力增加，能耗加大，严重者甚至造成换热设备及管道的阻堵，为此，应采取防结垢的措施。

表5 工作区热水腐蚀性评价Tab.5 Evaluation of Hot Water Corrosion in Work Area

对于地热流体中所含二氧化硅、钙和铁等组分因温度变化而产生结垢，可通过试验，也可以通过计算对碳酸钙结垢趋势做出判断。

对氯离子含量高（超过25%摩尔当量，如京昌-3井）的地热流体，可采用拉申指数（LI）判断碳酸钙结垢的趋势和腐蚀性程度。拉申指数（LI）按下式计算：

式中：Cl为氯化物或卤化物浓度；SO4为硫酸盐浓度；ALK为总碱度。3项均以等当量的CaCO3，单位为毫克每升（mg/L）表示；当LI＞0.5，不结垢，有腐蚀性；当LI＜0.5，可能结垢，没有腐蚀性；当0.5＜LI＞3.0，有轻腐蚀性；当3.0＜LI＞10.0，有强腐蚀性。

经过计算：LI=（177.9+164.7）/197.0=1.7，根据上述的标准，京昌-3井地热水不结垢。

当地热流体中氯离子含量较低（小于25%摩尔当量）时，可根据雷兹诺指数（R1）定性估计地热流体碳酸钙的结垢趋势。雷兹诺指数（R1）按下式计算：

式中：RI为雷兹诺指数；pHc为计算出的pH值；pHa为地热流体实测的pH值；[Ca2+]为地热流体中钙离子的摩尔浓度；[ALK]为总碱度，即重碳酸根离子摩尔浓度；Ke为常数（当总固形物200～6000mg/L时，取值1.8～2.6之间，温度大于100℃取低值，低于50℃取高值）。

当RI＜4.0，结垢非常严重；RI= 4.0～5.0，结垢严重；RI= 5.0～6.0，结垢中等；RI= 6.0～7.0，结垢轻微；RI＞ 7.0，不结垢。

本区其它地热井采用雷兹诺指数评价。由表6的评价结果来看，本区已有地热井的水质结垢趋势为“不结垢”或“轻微结垢”。从分区上看，A区西部、D区为“不结垢”，这些地区储层埋藏相对较浅；B区郑各庄—沙河一带、C区昌平老城东部为“轻微结垢”，这些地区储层埋藏相对较深。

表6 工作区热水结垢性评价Tab.6 Evaluation of hot water fouling in work area

5 结论

研究区地热属于中低温热矿水，水化学类型有 HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg 、HCO3·SO4-Na·Ca 、SO4·HCO3·Cl-Na型水等。矿化度一般300～900mg/L、pH值7.5～7.9，总硬度140～200mg/L，可以称为低矿化、弱碱性、微硬水。氟（F-）含量普遍大于2mg/L，达到了命名矿水标准，可命名为氟水；偏硅酸（H2SiO3）含量普遍大于25mg/L，达到了矿水浓度，有医疗价值。本区地热水不能作为天然矿泉水、生活饮用水使用，对氟处理后可作渔业生产用水，对水温进行降温处理后可作农田灌溉生产用水。腐蚀性评价结果为“非腐蚀性水”和“半腐蚀性水”，结垢性评价结果为“不结垢”或“轻微结垢”。