北京城区地热田某地热井热水地球化学研究

   地热田的监测对地热资源管理, 特别是对于经受长期开采的地热系统具有极其重要的意义。地热流体化学成分的监测可以提供许多有关地热系统变化的宝贵信息。地热的开采会引起热储压力的降低, 这可能导致温度较低的地下水的流入, 也可能导致深部更高温度的热流体的补充[ 1] 。温度更高的热流体的补充是人们期望出现的变化。温度较低的地下水的流入会增加热储的补给水源, 在一定程度上有利于开采贮存在热储岩石中的热量。但是,如果低温地下水的补给过多, 可能会引起热储的冷却, 降低地热资源的使用价值。地热流体中许多组分的浓度依赖于热流体温度的高低。不同温度的水发生混合会破坏地热系统的化学平衡, 从而改变地热流体的化学成分。由于低温地下水的入侵而引起的地热流体化学成分的变化往往先于地热系统的物理变化。

 

  北京城区地热田涵盖北京城区大部分范围, 面积约400 km2 , 是北京地区最为重要的地热田。由于长期开采, 热储压力明显下降, 地热水化学成分也发生了一些细微的变化。本文根据1984 年以来地热水化学监测资料, 研究了地热水的化学成分、地球化学温标的变化规律、地热活动的总体强度和水/岩平衡矿物中的示温矿物的变化趋势, 说明地热的开采既引起了地热田水补给的加强, 又导致了地热田热补给的加强。

 

  1  地热田概况

 

  在大地构造上, 北京城区地热田属于北京断陷内的次级构造———坨里—丰台凹陷。地热田西北以黄庄—高丽营断裂为界, 东南以南苑—通县断裂为界(与大兴凸起相邻)。地热田的东北部与西南部分别为天竺地热田与良乡地热田, 分别以北西向的太阳宫断裂与永定河断裂为界。地热田内还存在一系列北东向展布的断裂构造, 其中最为重要的是良乡—前门断裂带(图1)。除第四系外, 地热田内广泛分布的地层有第三系、白垩系、侏罗系和蓟县系, 在地热田的西南部还存在寒武系和青白口系;其中蓟县系铁岭组和雾迷山组为硅质白云岩, 岩溶比较发育, 构成地热田的热储;而上覆地层渗透性差, 构成地热田的盖层。在地热田的东南部, 热储的埋藏深度较浅, 一般为1 000 ～ 2 000 m ;在地热田的西北部热储的埋藏较深, 达2 000 m 以上;向凹陷的中部延伸热储的埋藏逐渐变深, 甚至可达3 500 m以上。

 

  北京城区地热田的热储温度主要受埋藏深度或盖层厚度的控制。在盖层较薄的东南部, 热储温度一般为40 ～ 60 ℃;随着盖层厚度的增加, 热储温度也逐步增高, 到凹陷的中部热储温度可达90 ℃左右。

 

  1971 年在北京城区地热田的东南部钻凿成功第一眼地热井, 开采蓟县系白云岩热储地热水。之后, 地热井数量不断增多, 地热水开采量逐年增加, 热储压力逐年降低, 到1985 年开采量已经接近500 万m3 , 热储压力水头累计下降了大约30m 。此后地热水开采量虽然有所减少, 但热储压力仍然在持续降低。2001 年北京城区地热田共有地热开采井51 眼, 总开采量为336.25 万m3 , 热储压力水头比开采初期降低了55 m 左右① 。地热田的东南部具有较好的地热水开采条件, 集中了地热田的大部分地热井和北京城区地热田90 %以上的开采量。

 

  京热-42 井位于北京城区地热田的东南部, 是北京城区地热田的水化学的长期观测井。该地热井建成于1984 年, 每年取地热水全分析样两次, 已积累了17 年的资料, 可用来研究城区地热田东南部热水地球化学特征随开采的多年变化以及开采对地热田的潜在影响。该井井深2 070 m , 蓟县系铁岭组和雾迷山组的埋深分别为1 440 m 和1 844 m ,开采雾迷山组热储地热水。京热-42 井地热水的总溶解固体为486 mg/L , 水化学类型为HCO-3 -SO2-4 -Na+-Ca2 +型。据2000 年6 月采样测试, 其地热水的14C 年龄为(19 400 ±330)a 。根据该井地热水的氘和18O 同位素的研究, 其地热水和北京地区基岩含水层中赋存的常温地下水一样, 均起源于大气降水, 说明北京城区地热田的地热水是大气降水经深循环加热而形成的② 。

 

  2  水化学动态

 

  从1984 年到2001 年, 京热-42 井地热水的主要离子含量未发现明显的升高或降低, 只有重碳酸根的含量略有增高(后期比1984 年平均增加0.7 mg/L), 而总溶解固体量缓慢下降(图2)。一般来说, 重碳酸根是常温地下水的典型组分, 其含量的增加说明随着热田的开采常温地下水对热储的补给有所增加。同样, 常温地下水的总溶解固体量一般低于地热水, 其缓慢的下降趋势也指示常温地下水对热储的补给在缓慢增加[ 3] 。另一方面, 地热水的二氧化硅的含量有所增加, 后期比1984 年平均增加0.2 mg/L 。二氧化硅是地热水的标型组分, 其含量的增高指示热储同时得到了深部高温热流体的补给。

 

  3  温度动态

 

  地热井的出水温度因受开泵和停泵时间的干扰, 往往不能准确地反映热储温度随开采时间的影响而变化, 而地热温标是根据地热水的化学成分计算出来的, 一般可更为客观地反映热储温度的变化趋势。

 

  钾镁地热温标是从热动力平衡推导出来的公式, 它适用于低温地热水。用钾镁地热温标算得的温度又称钾镁温度(Tkm), 一般高于热水井的出水温度, 被认为是钻探可及温度, 即继续往深部钻进有可能达到的温度。石英传导温标可以指示地热水曾经达到过的最高温度。用石英传导温标算得的温度, 又称石英传导温度(Tqc), 一般高于热水井的出水温度10 ～ 20 ℃, 通常不作为钻探期望温度。地热水在深部地球化学环境中溶解的二氧化硅遵循石英的溶解度曲线, 温度越高二氧化硅的溶解度越大, 但这部分热水在温度下降时暂时不会将过饱和二氧化硅析出(须达非晶质二氧化硅的溶解度时才呈过饱和析出), 因此地热水都有“记忆” 其曾达到过温度的功能[ 4] 。

 

  在1984 ～ 2001 年, 京热-42 井的钾镁温度和石英传导温度均呈升—降—升的变化趋势(表1 ,图3)。钾镁温度在最后有明显上升, 石英传导温度最终略有下降, 但总的来说后期高于前期。这种现象也说明地热田的开采既导致了周围常温地下水补给的增加, 同时也导致了深部热补给的增加。

 

  4  地热活动总体强度动态

 

  水/岩平衡计算可以给出深部地热流体与26 种可溶性矿物之间的平衡情况。若某矿物溶度积对数的计算值大于其理论值, 则表示该矿物已经达到了水和岩石(矿物)之间的平衡, 也表示该处深部热储中存在这种矿物, 我们可称其为平衡矿物。对于每一次水/岩平衡的计算来说, 平衡矿物的数量有时多、有时少, 这意味着该处地热活动的强或弱,可以用地热活动总体强度来表示这一特性, 平衡矿物的总数越多表示地热活动的总体强度越大。对京热-42 井地热水多年来的水/岩平衡研究显示, 随着热水的开采, 热田深部的地热活动总体强度在1989 年以前基本稳定, 从1989 年冬季开始, 平衡矿物明显增多, 地热活动总体强度呈波动式逐步增大。1989 年冬季之前, 出现的平衡矿物只有7 ～ 9个, 平均为8.2 个;1989 年到1994 年出现的平衡矿物平均为14.5 个;1995 ～ 2001 年间出现的平衡矿物增至平均18.8 个。这种显著的增高趋势说明北京城区地热田的地热活动总体强度在显著增大。

 

  5  示温矿物

 

  水/岩平衡矿物中有许多是示温矿物。蒙脱石、浊沸石和斜钙沸石分别代表140 ～ 150 ℃、110 ～230 ℃和230 ～ 300 ℃的环境温度。水/岩平衡计算结果中出现这类矿物指示地热水经历过上述温度的环境条件。

 

  对京热-42 井自1984 年以来的水化学监测资料的水/岩平衡分析计算显示, 蒙脱石矿物在1989年冬季开始出现, 以后逐渐增多;浊沸石也在1989 年冬季以后多见, 至1999 年春季出现了斜钙沸石, 代表高温矿物的陆续出现, 指示热水的温度越来越高, 说明北京城区热田的开采导致了深部更高温度热水的补给。

 

  6  结 论

 

  综合前述京热-42 井1984 年以来地热水化学成分、地热温标、地热活动总体强度和示温矿物的研究可知, 随着北京城区地热田的长期开采, 深部高温热水对热储的补给得到了加强;同时, 常温地下水对热储的补给也有所加强, 说明开采引起了热储压力的降低, 从而导致了热储水和热的补给的加强。