原标题

兰州市城区深层地热水的水化学成因及其指示意义

摘要

关键词

张凌鹏(1984—),男,高级工程师,学士,主要从事地下水及地热资源勘查。E-mail:172482644@qq.com;

基金资助

甘肃省地质勘查基金项目“甘肃省兰州市中心城区地热资源普查项目”(201701-D21)；

甘肃省地矿局2020年度创新资金项目(2020CX03)；

国家自然科学基金项目(41702253)；

引用

张凌鹏，马宝强，范斌，等． 兰州市城区深层地热水的水化学成因及其指示意义［ J］ . 水利水电技术，2020，51( 8) : 129-139.

ZHANG Lingpeng，MA Baoqiang，FAN Bin，et al． Hydrochemical origin and indicative significance of deep geothermal water in Lanzhou City［ J］ . Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 8) : 129-139.

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0 引 言

甘肃省地热资源利用历史悠久,较早的有通渭县汤池河温泉、武山县聂家河温泉和清水县汤峪河温泉等,这些温泉都以天然状态出露于花岗岩裂 隙中,属隆起山地型地热资源,以洗浴理疗为主。沉积盆地型地热资源分布面积广、埋藏深度大、蕴藏量丰富,但因缺乏地质认识,开发利用程度较 低。地球正值壮年期,内核温度可达6 000 ℃,蕴含着丰富的地热能量 ,储存于地球内部的可利用地热资源能折合4 948万亿t标准煤 。新中国 成立后,在我国著名地质学家李四光教授的倡导下,开始向“地球要热”的进军。目前,全世界已接近有80个国家开发利用地热资源,其中中国地热的直 接利用规模位居世界首位 。甘肃省地热资源的勘查工作开始于20世纪60年代,至今取得了丰硕的成果,根据2018年最新出版的《中国地热志(华 北、东北、西北卷)》记载 ,目前甘肃省内已发现的温泉(13处)和地热孔(44处)共有57处,初步探明的沉积盆地型地热田和隆起山地型地热田各5 处,大部分为低温-中低温热水。

1 地热地质背景

1.1 控热构造及热储盖层特征

兰州市城区坐落于黄河上游河谷冲洪积平原,为黄河唯一穿城而过的省会城市,区内地形呈“两山夹一谷”的狭长地理空间,是典型的黄土高原山间 带状盆地城市(见图1)。从大地构造上讲,兰州处于祁连中间隆起带东段和兰州—民和盆地的兰州断陷带内,紧邻青藏高原东部边缘,构造主压应力方 向与印度板块挤压欧亚板块的方向基本一致,青藏高原隆起是导致这里地热异常的根本原因 。兰州断陷盆地为双侧不对称的压扭性断陷盆地, 南、北边界分别被宋家沟—直沟门断裂(F )和金城关断裂(F )控制,东、西边界盆地分别受限于南坡坪断裂(F )和刘家堡—雁滩南断裂东段(F ),并 以此构成了以中新生代断陷盆地为地质背景的兰州地热田。该地热田又被后期两条近南北向发育第四纪断裂(F 、F )分割成三个边界清楚、地热 流体水力联系密切的次级水文地质单元,即安宁—七里河地热田、城关地热田和西固地热田(见图1)。兰州地热田巨厚碎屑岩受沉积期分选韵律的控 制,地层岩性形成了自上而下较为完整的并以前寒武系(AnC-)变质岩为基底的沉积盆地型地热田所必需的盖层和热储。盖层岩性以新近系临夏组(N )和古近系野狐城组(N )砖红色泥岩、砂质泥岩夹薄层砂岩为主,厚度800～1 100 m,层位分布稳定,渗透性差,起到了保温隔热作用。热储岩性由 古近系西柳沟组(N )、白垩系河口群(K )厚层桔红、棕红色砂岩、砂砾岩组成,具有较强的渗透性和富水性,累计厚度214～830 m,其中西柳沟组 热储中夹有盐岩和石膏层。这些层状分布的热储地热流体层(通道)普遍具有承压性,水头高度(从隔水层顶板算起)、井口水温、流量与热储埋藏深 度和热储厚度有关,热储埋藏浅、厚度薄的城关、西固地热田,水头高度1 020～1 030 m、水温35.5～60 ℃、单井涌水量460～1 238 m /d;而安宁 —七里河地热田热储埋藏深、厚度大,水头高度达1 114～1 210 m、水温60～74 ℃、单井涌水量504～2 160 m /d。另外,地热流体在黄河低阶地 一带多呈自流状态,自流量的大小与热储的渗透性及水头有关。

图1 兰州市城区深层地热井位置及地质图

1.2 热源与传导方式

1.3 地热水补径排条件

新生代以来持续而强烈的隆升和沉降运动,在刻画出不同地貌景观同时,也为深层地热水的形成创造了水文地质条件。南部山地区基岩裸露、构 造裂隙发育,充沛的降水及由此形成的地表径流沿构造裂隙或岩石层间裂隙源源不断向地下入渗运移进入热储层,形成一个补给→径流→排泄条件清 晰地碎屑岩类层间承压水系统 。在漫长的地质历史时期,地下水在径流过程中经深部循环的加热后形成深层热水,水温又随热储埋深的增加逐渐 升高。据热储承压水位标高等值线图推测,地热水从S向N、NE方向的径流中,于城关东部的桑园峡一带基底隆起部位以地下潜流方式排入黄河(见 图2)。现状人工排泄量较小 。

图2 兰州市城区地热水成因示意

2 样品采集与测试

截止2019年,兰州市城区已成功实施了8眼地热井(见图1),其中城关地热田2眼、安宁—七里河地热田4眼、西固地热田2眼。这8眼地热井分别 为城关区东岗兰恺物流中心地热井(LKDR)、城关区红山绿茵地热井(HSDR)、安宁区仁寿山地热井(RSDR)、西固区深沟桥天庆国际新城地热井( SGDR)、七里河区运通大厦地热井(YTDR)、七里河区秀川西部欢乐园地热井(XCDR)、七里河区彭家坪地热井(PJDR)、西固区高压阀门厂地热 井(XGDR)。下文为叙述方便,均以地热井编号表示各地热井。本项目采集了兰州市城区8处地热钻孔的地热水样(见图1),分别对8处地热水样做了水 质全分析和氢氧稳定同位素分析,其中水质全分析单位为甘肃省地矿局第一勘查院地质实验测试中心;氢氧稳定同位素测试单位为兰州大学西部环境 教育部重点实验室。另外,对4处(XCDR、XGDR、PJDR、HSDR)地热井的岩芯样品做了矿物成分鉴定,检测单位为甘肃省中心实验室。

3 结果与讨论

地热水化学和氢氧稳定同位素分析测试结果具体如表1所列。

3.1 地热水化学基本特征

图3 兰州市城区地热水Piper三线图

表1 兰州市城区地热水水化学特征一览

图4 兰州市城区地热水Schoeller图

图5 地热水特殊组分柱状图

同时,区内地热水中富含锶、偏硅酸、偏硼酸等特殊组分(见图5),地热水中锶含量为2.22～35.71 mg/L,偏硅酸含量为4.48～58.18 mg/L,偏硼 酸含量为3.15～18.23 mg/L。根据地热资源地质勘查规范(GB/T 11615—2010) ,其中5处地热水达到了可以命名为锶水的命名矿水浓度标准(>1 0 mg/L),2处地热水达到了可以命名为硅水的命名矿水浓度标准(>50 mg/L),4处地热水达到了偏硼酸的矿水浓度标准(>5 mg/L)。

表2 地热水化学主要组分相关性分析

上述地热水质中Na 、Ca 、Cl 、SO 含量高所导致的高矿化水及其特殊组分与内陆湖相沉积地层热储含水岩石介质中盐矿、石膏等矿物 含量普遍较大关系密切,还与高温高压封闭环境下热储渗透性差异性所导致的溶滤作用强弱及时间有一定关联。

3.2 地热水化学组分相关性分析

3.3 地热水化学成因

地热水Ca /Mg 的比值(又被称为钙镁系数)大部分接近3或大于3,该值越大,则意味着地热水的封存时间长,变质程度高 。需要指出的 是,YTDR、PJDR、HSDR的TDS相比其它地热水的TDS低一个数量级(<10 g/L),它们的钙镁系数分别为3.1、2.9、1.5,相对偏低,而且PJDR、HS DR靠近地热田南部的补给源,初步推测这3处地热水的封存时间可能比较短,导致地热水的水岩相互作用不充分,还需要地热水年龄相关数据的进一 步验证。

图6 地热水主要离子散点图

地热水中的Na 比Ca 、Mg 都高,为了证明地热水中是否因为发生了阳离子交换作用而导致Na 增加的同时Ca 、Mg 降低,可用 [(Ca +M g )/(HCO +SO )]/(Na -Cl )的比值验证 ,若该比值落在一条斜率为-1的直线附近,那么就说明地下水中发生了阳离子交换作用。兰 州市城区地热水都落在阳离子交换线的上方[见图6(e)],远离阳离子交换线。如果地热水中存在阳离子交换作用,那么(Ca+Mg)的离子含量应该随着 Na 的增加而减少,同时(Na+Ca+Mg)的离子总量应该随着Na 的增加而保持不变,但地热水中的(Ca+Mg)和(Na+Ca+Mg)的含量都随着Na 的增加 而增加[见图6(f)],综合说明地热水中确实没有发生阳离子交换作用。因此地热水中Na 比Ca 、Mg 都高的原因应该是Na 溶解度高的原因。在矿 化度高的地下水中,Na 通常是主要的阳离子。Cl /Ca 与Cl 的关系可以指示地下水的水动力条件 ,兰州市城区地热水的Cl /Ca 都随着Cl 的增 加而减小[见图6(g)],说明地热水的水动力条件较好,经历了比较充分的溶滤作用。

3.4 地热水热储温度

兰州地热田8眼地热水的井口出水温度为35.5～74 ℃,均值59.5 ℃,因受热储测温时滞留时间较短未达到热平衡和地热井抽水过程中从热储至 井口热量的失散等的影响,出水温度并不等于热储层的热水温度。可以用地热温标法估算地热田的热储温度,目前应用最普遍的地热温标主要包括Si O 地热温标和阳离子地热温标 。使用地热温标的前提是地热水热储层中某种溶质、气体和矿物达到了溶解平衡。SiO 地热温标一般适 用于温度介于0～250 ℃、pH值大于7和不受稀释的地热水 。阳离子地热温标一般适用于平衡水,即矿物在一定温度条件下,达到了水岩溶解 平衡,主要有Na-K-Ca温标 、K-Mg温标 、K-Na温标 、Ca-Mg温标 等。

各阳离子的地热温标计算公式如下。

式中,C 、C 、C 、C 分别为Na 、K 、Ca 、Mg 的浓度(mg/L);β为Na-K-Ca温标的校正系数,当t大于100 ℃时,β为1/3,当t小于100 ℃时, β为4/3;∑eq为地热水主要离子的当量浓度之和(eq/L)。

图7 地热水的Na-K-Mg三角图解

根据GIGGENBACH 提出的Na-K-Mg三角图解,兰州市城区地热水均落在部分平衡水的范围(见图7),说明比较适合用阳离子地热温标来计 算热储温度,因此本次采用阳离子地热温标法估算地热水的热储温度。结果显示,Na-K-Ca温标、K-Mg温标、K-Na温标和Ca-Mg温标计算的热储温度分别为62～111 ℃、58～80 ℃、65～116 ℃和83.6～310.1 ℃,其中Ca-Mg温标计算的热储温度明显偏高。由于Na-K-Ca温标适合用于富钙地 热水热储温度的估算,LKDR的钙离子浓度占所有阳离子毫克当量百分数为36.83%,因此用Na-K-Ca温标估算的热储温度应该比较合理,而其它几处 地热水均不富钙,因此不适合用Na-K-Ca温标估算热储。K-Na温标适合用于温度大于150 ℃的地热水,因此K-Na温标估算得到的热储温度有所偏 高。Ca-Mg温标常被用来计算碳酸盐岩储层的中低温地热水 ,而兰州地热田热储层为碎屑岩,储层中碳酸盐类矿物比例较低,因此Ca-Mg温标估算 得到的热储温度也不准确。由于K-Mg温标适用于低温地热水,因此K-Mg温标估算得到的热储温度更符合本区的地热地质背景,估算得到热储温度为 58～90 ℃,根据地热资源地质勘查规范(GB/T 11615—2010)中对地热资源的温度分级,属于中低温地热水资源。需要说明的是,LKDR(城关)、HSD R(城关)、XGDR(西固)地热井估算热储温度较低,是由于井位所在地热田盖层厚度较薄、热储埋藏浅而导致不利于热量聚集的结果。其它5眼井处 于安宁—七里河地热田内,热储埋藏深、厚度大,加之盖层保温条件好,是兰州地热田地热水富集的有利部位。

表3 地热水的热储温度估算

图8 地热水的δ 2H、δ 1😯关系

统计表明 , 通常高程每上升100 m, δ O会降低-0.15‰～-0.5‰, δ H会降低-1‰～-4‰,因此可以利用同位素高程效应推断地下水补给高程与补给区。地下水补给高程计算公式为

式中,H为补给区的高程(m);h为取样地区的高程,本次取GNIP站点的高程为1517 m;δG为地下热水中的δ O值或δ H值,本次取8处地热水δ O 的均值为-9.65‰;δP为取样点附近大气降水的δ O值或δ H值,本次取GNIP大气降水监测数据(1985～1999年)的δ O平均值为-7.48‰;K为同位素 高度梯度,根据前人的研究成果 ,本次取值为-0.12‰/(100 m)～-0.24‰/(100 m)。

计算得到,兰州市城区地热水的补给高程介于2 421～3 325 m。

另外,可以估算兰州城区地热水的循环深度,地热水循环深度的估算公式 为

4 结 论

(1)兰州地热田为山间沉积盆地型水热资源,是一处地热资源蕴藏量丰富的大型地热田。热储主要为古近系西柳沟组和白垩系河口群砂岩、砂砾 岩。实测井口出水温度为35.5 ℃～74 ℃,单井涌水量460～2 160 m /d;TDS为3.89～22.04 g/L,为咸水-盐水;pH为6.62～7.84,为中性水。地热水 中阳离子以Na 、Ca 为主,阴离子以Cl 为主,并富含有锶、偏硅酸、偏硼酸等多种对人体健康有益的特殊组分,其中5处地热水的锶含量和2处地热 水偏硅酸含量达到了可以命名为矿水的浓度。因此,该地热水不仅可用于建筑供暖,也可用于医疗保健。

5 展 望

西北黄土高原半干旱区山间盆地中新生界沉积环境下形成的层状热储水化学条件复杂,采用水化学方法对兰州市城区以及其它地热地质条件相 似地区深层地热水资源认识具有重要指导价值,同时也对开发利用具有指导作用。在未来研究中,应采用 C、 Kr、 Sr/ Sr等同位素技术手段,以 更加准确地掌握本区地热水年龄和水岩作用机理,结合地质构造、地层岩性和岩石矿物成分等背景,有望进一步加深对兰州地热田地热水化学组分成 因的认识。

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水利水电技术

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