天津山岭子地热田雾迷山组热储流体水化学特征

岳冬冬， 李胜涛,3*, 贾小丰, 张秋霞, 冯昭龙, 杨 涛

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心， 保定 071051； 2. 自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心，保定 071051； 3.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室， 长春 130021)

山岭子地热田属天津市区及其近郊的三大地热异常区之一，主要位于天津市东丽区，东侧为塘沽区，西侧为河北区，距离市中心超过20 km，全区人口约30万，其中农业人口20余万。地热田的开发利用始于20世纪70年代，随着地热勘查工作的开展和技术经济条件的进步，主要开采目的层由第三系向蓟县系雾迷山组转移。

热田水化学成因是地热科学研究的热点之一，主要通过分析流体中各种水化学组分的比例揭示地热流体的水化学成因机理，形成演化规律和赋存环境[1-5]。针对天津市蓟县系雾迷山组的水化学特征，国内外学者也开展了广泛的研究。天津市蓟县系雾迷山组地热水水化学类型和溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)在天津市空间上呈现明显的分带规律[6-9]，水质情况稳定，主要成分含量多年来无明显变化[10]。通过Na-K-Mg平衡图法判断雾迷山组热流体未达到平衡，表明天津市深部地热流体中有相当比例的浅层水混入[11-14]，或与奥陶系、寒武系地热流体之间存在明显的水力联系，赋存环境相对开放[15-16]。

对于天津市地热水的水化学特征主要受补给过程中围岩的溶解以及含水层的岩性控制[17-18]。而对于具体的水化学作用有待进一步明确，水化学的成因有待进一步研究。

基于此，现利用2017年以来在研究区采集的不同热储地热流体样品，采用饱和指数分析、离子比值分析、Na-K-Mg平衡图等方法，系统研究山岭子地热田雾迷山组热储流体发生的水文地球化学作用，总结其水化学形成机理。

1 地热地质条件概况

山岭子地热田是1986—1991年天津市勘查完成的一个大型地热田，在天津市地热勘查开发历史上具有重要的意义。

山岭子地热田大部分位于沧县隆起北端的潘庄凸起构造区之上；东侧、东南侧为黄骅坳陷，西北侧为冀中坳陷，北起潘庄凸起中部，南至海河断裂，西侧为天津断裂，西南侧为白塘口凹陷，其与沧县隆起潘庄凸起的相对位置关系如图1所示。

图1 山岭子地热田位置示意与采样点分布Fig.1 Location of Shanlingzi geothermal field and distribution of sampling points

蓟县系雾迷山组热储层在研究区内普遍分布，自上而下可分为四段。目前研究区内的沧东断裂以东因埋藏深，尚未有钻孔揭露。在断裂以西只揭露了三、四段，顶板埋深为1 600～2 000 m，揭露厚度为500～600 m，岩性以白云岩为主，岩溶、裂隙、空隙较发育，富水性强，是该区主要的基岩热储层之一。裂隙率1.85%～12.3%，渗透率为0.1×10-3～4.71×10-3μm2，泥质含量为1.0%～6.0%；单井出水量为80～120 m3/h，最大可达204.61 m3/h，出水温度为96～102 ℃。

2 样品采集与测试

表1 各水体样品测试项目及数量

图2 DL-15主要离子含量动态监测图Fig.2 DL-15 dynamic monitoring chart of main ion content

3 水化学特征分析

3.1 水化学动态特征

天津地区开展了多年地热井监测工作，以DL-15井为例，该井自2004年开始监测，监测结果如图2所示，结果显示虽然某些离子浓度出现小幅波动，但是主要离子浓度和总矿化度呈现稳定状态。并没有因人为开采扰动而出现水化学成分的明显变化，可以在一定程度上说明各热储之间水力联系较弱，没有发生明显的混合作用。

3.2 离子组分特征

雾迷山组地热流体水化学组分统计规律如表2所示。

表2反映出雾迷山组热水TDS含量差异较小，为1 170.41～1 687.03 mg/L。Na+的含量为363～451 mg/L，远大于Ca2+(7.75～41.9 mg/L)和Mg2+(0.96～12.50 mg/L)的含量。HCO3-的含量为364～441 mg/L，大于Cl-(169～396 mg/L)和SO42-(163～317 mg/L)的含量。H2SiO3的含量为66～130 mg/L，pH为7.23～8.40，为弱碱性水。

研究区雾迷山组水化学类型在平面上的分布特征如图3所示。由图3可见，雾迷山组地热流体TDS由北向南逐渐增大，由1 000 mg/L左右增加至市区的2 200 mg/L左右。水化学类型分带性明显，大部分为Cl·SO4·HCO3-Na型，北部局部为Cl·SO4-Na型，东南部局部为Cl·HCO3·SO4-Na型。

表2 雾迷山组水化学成分统计规律

图3 雾迷山组地热流体矿化度和水化学类型分区图Fig.3 Zoning diagram of the salinity and hydrochemical types of the geothermal fluids in Wumishan Formation

垂向上的TDS变化如表3和图4所示，随着埋深的增大，地热流体的TDS不断增大。雾迷山组地热流体矿化度为700～6 670 mg/L，平均值为2 022 mg/L。表明随着热储埋深的增大，地热流体与含水介质发生反应的时间更长，水岩作用程度更高。

表3 不同热储地热流体埋深与溶解性总固体含量

图4 地热流体TDS与埋深关系Fig.4 Relation between geothermal fluid TDS and burial depth

3.3 水化学形成机理

3.3.1 矿物饱和指数

雾迷山组岩石露头样品的X衍射分析结果如表4所示，可见雾迷山组含水介质岩性以石英和白云石为主。

采用AquaChem软件计算了矿物的饱和指数(saturation index, SI)如图5所示。由图5可知，玉髓、萤石和石英在雾迷山组地热流体中绝大部分达到饱和状态。方解石、白云石、石膏等矿物的lgSI为负值、不饱和状态，可以继续溶解。

3.3.2 混合作用

绘制两个端元，一个是雾迷山组典型水样，一个是奥陶寒武系典型水样，绘制TDS与Cl-的关系图，如图6所示，可以发现雾迷山组和奥陶寒武系水样都落在两个端元的连接线上，说明两个热储层的地热流体之间的水力联系密切，发生了混合作用。

表4 雾迷山组岩石露头样品的X衍射分析结果

图5 雾迷山组地热流体矿物饱和指数Fig.5 Geothermal fluid mineral saturation index of Wumishan Formation

图6 Cl--TDS相关关系Fig.6 Correlation of Cl--TDS

水文地质条件方面，由于两个热储层的岩溶裂隙发育，尤其是在沧东断裂附近，由于受到沧东断裂导水作用控制，两个热储层之间发生明显的水力联系，导致两者发生混合作用。

图7 TDS-γNa/γCl关系图Fig.7 Relationship between TDS-γNa/γC

3.3.3 阳离子交替吸附作用

在TDS-γNa/γCl关系图(图7)中，样品点均位于0.85海水线的上部，表明地下水与现代海水无关。岩盐溶解为Na+的主要来源的地下水，采样点会按沿γNa∶γCl=1∶1线分布。而在γNa-γCl相关关系图[图8(a)]中，样品点落在1∶1线上方，表明Na有其他来源。

岩石颗粒表面带有负电荷，能够吸附水溶液中的阳离子。在一定的条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，该作用即为阳离子交替吸附作用[19]。由于地层中未检出铝硅酸盐和膏岩矿物，Na+的来源可能为Ca2+、Mg2+与Na+发生交替吸附使得Na+进入地下水中。由研究区雾迷山组含水介质矿物组成分析可知，雾迷山组热储含水介质的矿物组成以白云石和石英为主。而石英为难溶矿物，即便在高温环境下其溶解度也是有限的。雾迷山组热储流体的化学组成应当受控于白云石的溶解。而在Ca+Mg-HCO3+CO3关系图[图8(b)]和Ca+Mg-SO4+HCO3+CO3[图8(c)]中，数据点均位于1∶1线以下，且远离1∶1线，表明HCO3-可能有其他来源，而Ca2++Mg2+则可能发生了阳离子交替吸附作用。

图8 离子比值关系图Fig.8 Ion ratio diagram

由于研究区地下水中Na+的主要来源为岩盐的溶解，Ca2+的主要来源为碳酸盐岩的溶解，可以认为Na+、K+相对于Cl-的富余量来自阳离子交换导致的Na+增加，Ca2+、Mg2+相对于HCO3-的亏损量来自于阳离子交换导致的Ca2+、Mg2+减少，绘制Ca/Mg亏损量与Na/K富余量的相关关系图[图8(d)]。由图8(d)可见，雾迷山组地热流体和寒武系样品点基本位于1∶1线附近，说明雾迷山组与寒武系样品中发生了阳离子交替吸附作用。

研究区含水介质以白云岩和石英为主，白云岩的溶解是区域水化学特征形成的基础。补给热储的地下水Na+含量处于正常水平，由于发生了Na+置换Ca2++Mg2+进入地下水中的阳离子交替吸附作用，使得Na+含量增加，也增加了地下水中的Na+，以上作用造成了区域以HCO3-、Cl-、Na+为主的水化学特点。

根据区域地质演化史的研究，雾迷山组属于滨海-浅海-滨海相的沉积地层。含水介质中的Na+与溶解碳酸盐岩形成的地下水发生阳离子交替吸附作用而使得地下水中的Na+含量较高。

3.4 地热流体赋存环境

Na-K-Mg三角图由Giggenbach于1988年提出[20]，可以反映水化学的平衡状况。平衡图分为完全平衡、部分平衡和不平衡3个区域，分别代表水岩作用达到平衡状态的水、水岩作用达到部分平衡状态的水和处于岩石溶解淋滤过程中的水。将本次工作采集到的流体样品的测试数据用Phreeqc软件绘制的Na-K-Mg平衡图如图9所示。

图9 Na-K-Mg平衡图Fig.9 Na-K-Mg equilibrium diagram

由图9可见，雾迷山组和奥陶系、寒武系的样品点均落在未成熟水范围内，表明雾迷山组地热流体处于不平衡状态。可以推测雾迷山组和上覆寒武系热储的水力联系十分密切。馆陶组地热流体一部分落在完全平衡线之上，一部分落在不平衡线之上，指示馆陶组地热流体部分已经与含水介质达到水岩平衡状态，部分样品则处于部分平衡甚至不平衡状态。明化镇组地热流体则大部分落在完全平衡线上，表明明化镇组地热流体大部分已经达到水岩平衡状态。

不同热储流体的水化学状态主要受到热储构造和岩性的控制。明化镇组热储埋深大多在1 200 m以下，与大气降水联系较弱，岩性主要为灰、灰绿色砂岩、泥质粉砂岩和灰黄、棕红色泥岩，渗透率在10～15 μm2，地下水在介质中运移缓慢，因而与围岩之间可以进行充分的水岩作用。而蓟县系雾迷山组含水层主要岩性为白云岩等碳酸盐岩，岩溶裂隙发育，容易接受相邻含水层地下水的补给。尤其是沧东断裂附近的雾迷山组采样点，由于沧东断裂的导水作用[21]，更加容易与上覆奥陶系、寒武系热储流体发生混合作用，接受来自断裂补给的流体，导致雾迷山组地热流体始终处于与相邻含水层地下水的混合状态，持续与围岩发生水岩作用，处于不平衡状态，这一结论同样可以说明Na-K-Mg温标不适用于岩溶热储的温度计算。

4 结论

利用离子比值分析等方法对天津山岭子地热田雾迷山组热储流体的形成机理进行了系统研究，得出如下结论。

(1)山岭子地热田雾迷山组地热流体水化学组分常年趋于稳定。矿化度由北向南逐渐增大，由1 000 mg/L左右增加至市区的2 200 mg/L左右。水化学类型大部分为Cl·SO4·HCO3-Na型，北部局部为Cl·SO4-Na型，东南部局部为Cl·HCO3·SO4-Na型。

(2)离子比值分析结果表明，山岭子地热田雾迷山组热储流体水化学的形成过程受到与上覆寒武系热储流体的混合作用、碳酸盐溶解作用和阳离子交替吸附作用。

(3)山岭子地热田雾迷山组地热流体水化学处于不平衡状态。表明由于岩溶裂隙发育，断裂附近受到沧东断裂的导水作用影响，与上覆奥陶系、寒武系地热流体存在密切的水力联系，系统处于相对开放的环境。