北京城區(qū)地熱水化學特征分析

0北京城區(qū)地熱水化學成分的顯微變化對地熱田的監(jiān)測對于地熱資源的管理，尤其是長期開采的熱系統(tǒng)具有極其重要的意義。地熱流體化學成分的監(jiān)測可以提供許多有關地熱系統(tǒng)變化的寶貴信息。地熱的開采會引起熱儲壓力的降低,這可能導致溫度較低的地下水的流入,也可能導致深部更高溫度的熱流體的補充。溫度更高的熱流體的補充是人們期望出現(xiàn)的變化。溫度較低的地下水的流入會增加熱儲的補給水源,在一定程度上有利于開采貯存在熱儲巖石中的熱量。但是,如果低溫地下水的補給過多,可能會引起熱儲的冷卻,降低地熱資源的使用價值。地熱流體中許多組分的濃度依賴于熱流體溫度的高低。不同溫度的水發(fā)生混合會破壞地熱系統(tǒng)的化學平衡,從而改變地熱流體的化學成分。由于低溫地下水的入侵而引起的地熱流體化學成分的變化往往先于地熱系統(tǒng)的物理變化。北京城區(qū)地熱田涵蓋北京城區(qū)大部分范圍,面積約400km2,是北京地區(qū)最為重要的地熱田。由于長期開采,熱儲壓力明顯下降,地熱水化學成分也發(fā)生了一些細微的變化。本文根據(jù)1984年以來地熱水化學監(jiān)測資料,研究了地熱水的化學成分、地球化學溫標的變化規(guī)律、地熱活動的總體強度和水/巖平衡礦物中的示溫礦物的變化趨勢,說明地熱的開采既引起了地熱田水補給的加強,又導致了地熱田熱補給的加強。1北京城區(qū)地熱田熱儲環(huán)境在大地構(gòu)造上,北京城區(qū)地熱田屬于北京斷陷內(nèi)的次級構(gòu)造——坨里—豐臺凹陷。地熱田西北以黃莊—高麗營斷裂為界,東南以南苑—通縣斷裂為界(與大興凸起相鄰)。地熱田的東北部與西南部分別為天竺地熱田與良鄉(xiāng)地熱田,分別以北西向的太陽宮斷裂與永定河斷裂為界。地熱田內(nèi)還存在一系列北東向展布的斷裂構(gòu)造,其中最為重要的是良鄉(xiāng)—前門斷裂帶(圖1)。除第四系外,地熱田內(nèi)廣泛分布的地層有第三系、白堊系、侏羅系和薊縣系,在地熱田的西南部還存在寒武系和青白口系;其中薊縣系鐵嶺組和霧迷山組為硅質(zhì)白云巖,巖溶比較發(fā)育,構(gòu)成地熱田的熱儲;而上覆地層滲透性差,構(gòu)成地熱田的蓋層。在地熱田的東南部,熱儲的埋藏深度較淺,一般為1000~2000m;在地熱田的西北部熱儲的埋藏較深,達2000m以上;向凹陷的中部延伸熱儲的埋藏逐漸變深,甚至可達3500m以上。北京城區(qū)地熱田的熱儲溫度主要受埋藏深度或蓋層厚度的控制。在蓋層較薄的東南部,熱儲溫度一般為40~60℃;隨著蓋層厚度的增加,熱儲溫度也逐步增高,到凹陷的中部熱儲溫度可達90℃左右。1971年在北京城區(qū)地熱田的東南部鉆鑿成功第一眼地熱井,開采薊縣系白云巖熱儲地熱水。之后,地熱井數(shù)量不斷增多,地熱水開采量逐年增加,熱儲壓力逐年降低,到1985年開采量已經(jīng)接近500萬m3,熱儲壓力水頭累計下降了大約30m。此后地熱水開采量雖然有所減少,但熱儲壓力仍然在持續(xù)降低。2001年北京城區(qū)地熱田共有地熱開采井51眼,總開采量為336.25萬m3,熱儲壓力水頭比開采初期降低了55m左右1。地熱田的東南部具有較好的地熱水開采條件,集中了地熱田的大部分地熱井和北京城區(qū)地熱田90%以上的開采量。京熱-42井位于北京城區(qū)地熱田的東南部,是北京城區(qū)地熱田的水化學的長期觀測井。該地熱井建成于1984年,每年取地熱水全分析樣兩次,已積累了17年的資料,可用來研究城區(qū)地熱田東南部熱水地球化學特征隨開采的多年變化以及開采對地熱田的潛在影響。該井井深2070m,薊縣系鐵嶺組和霧迷山組的埋深分別為1440m和1844m,開采霧迷山組熱儲地熱水。京熱-42井地熱水的總?cè)芙夤腆w為486mg/L,水化學類型為HCO-3-SO2-4-Na+-Ca2+型。據(jù)2000年6月采樣測試,其地熱水的14C年齡為(19400±330)a。根據(jù)該井地熱水的氘和18O同位素的研究,其地熱水和北京地區(qū)基巖含水層中賦存的常溫地下水一樣,均起源于大氣降水,說明北京城區(qū)地熱田的地熱水是大氣降水經(jīng)深循環(huán)加熱而形成的2。2熱田開采總?cè)芙夤腆w量l從1984年到2001年,京熱-42井地熱水的主要離子含量未發(fā)現(xiàn)明顯的升高或降低,只有重碳酸根的含量略有增高(后期比1984年平均增加0.7mg/L),而總?cè)芙夤腆w量緩慢下降(圖2)。一般來說,重碳酸根是常溫地下水的典型組分,其含量的增加說明隨著熱田的開采常溫地下水對熱儲的補給有所增加。同樣,常溫地下水的總?cè)芙夤腆w量一般低于地熱水,其緩慢的下降趨勢也指示常溫地下水對熱儲的補給在緩慢增加。另一方面,地熱水的二氧化硅的含量有所增加,后期比1984年平均增加0.2mg/L。二氧化硅是地熱水的標型組分,其含量的增高指示熱儲同時得到了深部高溫熱流體的補給。3溫度和石英傳導溫度地熱井的出水溫度因受開泵和停泵時間的干擾,往往不能準確地反映熱儲溫度隨開采時間的影響而變化,而地熱溫標是根據(jù)地熱水的化學成分計算出來的,一般可更為客觀地反映熱儲溫度的變化趨勢。鉀鎂地熱溫標是從熱動力平衡推導出來的公式,它適用于低溫地熱水。用鉀鎂地熱溫標算得的溫度又稱鉀鎂溫度(Tkm),一般高于熱水井的出水溫度,被認為是鉆探可及溫度,即繼續(xù)往深部鉆進有可能達到的溫度。石英傳導溫標可以指示地熱水曾經(jīng)達到過的最高溫度。用石英傳導溫標算得的溫度,又稱石英傳導溫度(Tqc),一般高于熱水井的出水溫度10~20℃,通常不作為鉆探期望溫度。地熱水在深部地球化學環(huán)境中溶解的二氧化硅遵循石英的溶解度曲線,溫度越高二氧化硅的溶解度越大,但這部分熱水在溫度下降時暫時不會將過飽和二氧化硅析出(須達非晶質(zhì)二氧化硅的溶解度時才呈過飽和析出),因此地熱水都有“記憶”其曾達到過溫度的功能。在1984~2001年,京熱-42井的鉀鎂溫度和石英傳導溫度均呈升—降—升的變化趨勢(表1,圖3)。鉀鎂溫度在最后有明顯上升,石英傳導溫度最終略有下降,但總的來說后期高于前期。這種現(xiàn)象也說明地熱田的開采既導致了周圍常溫地下水補給的增加,同時也導致了深部熱補給的增加。4平衡礦物的數(shù)量水/巖平衡計算可以給出深部地熱流體與26種可溶性礦物之間的平衡情況。若某礦物溶度積對數(shù)的計算值大于其理論值,則表示該礦物已經(jīng)達到了水和巖石(礦物)之間的平衡,也表示該處深部熱儲中存在這種礦物,我們可稱其為平衡礦物。對于每一次水/巖平衡的計算來說,平衡礦物的數(shù)量有時多、有時少,這意味著該處地熱活動的強或弱,可以用地熱活動總體強度來表示這一特性,平衡礦物的總數(shù)越多表示地熱活動的總體強度越大。對京熱-42井地熱水多年來的水/巖平衡研究顯示,隨著熱水的開采,熱田深部的地熱活動總體強度在1989年以前基本穩(wěn)定,從1989年冬季開始,平衡礦物明顯增多,地熱活動總體強度呈波動式逐步增大。1989年冬季之前,出現(xiàn)的平衡礦物只有7~9個,平均為8.2個;1989年到1994年出現(xiàn)的平衡礦物平均為14.5個;1995~2001年間出現(xiàn)的平衡礦物增至平均18.8個。這種顯著的增高趨勢說明北京城區(qū)地熱田的地熱活動總體強度在顯著增大。5溫度對/巖平衡計算結(jié)果的影響水/巖平衡礦物中有許多是示溫礦物。蒙脫石、濁沸石和斜鈣沸石分別代表140~150℃、110~230℃和230~300℃的環(huán)境溫度。水/巖平衡計算結(jié)果中出現(xiàn)這類礦物指示地熱水經(jīng)歷過上述溫度的環(huán)境條件。對京熱-42井自1984年以來的水化學監(jiān)測資料的水/巖平衡分析計算顯示,蒙脫石礦物在1989年冬季開始出現(xiàn),以后逐漸增多;濁沸石也在1989年冬季以后多見,至1999年春季出現(xiàn)了斜鈣沸石,代表高溫礦物的陸續(xù)出現(xiàn),指示熱水的溫度越來越高,說明北京城區(qū)熱田的開采