李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陳瑞軍，靳寶珍

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250）

天津市華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地熱流體化學特征及質量評述

李嫄嫄，唐永香，李俊峰，陳瑞軍，靳寶珍

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津，300250）

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)的熱儲層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系，通過地球化學分析，推斷其地熱流體均屬于大氣降水成因，化學組分均表現(xiàn)出自東向西或自北東向南西、由山前到盆地中心的水平分帶特征。本區(qū)各熱儲層地熱流體及淺層第四系地下水在垂向上有較大變化，經(jīng)分析，明化鎮(zhèn)組有接受上覆第四系地下水的越流補給可能，而館陶組熱流體則在凸起區(qū)接受了下伏基巖熱流體的頂托補給。經(jīng)推斷，地熱流體補給源位于華苑產(chǎn)業(yè)園東側或東北側，補給緩慢。本區(qū)地熱流體具有輕微-強腐蝕性，有硫酸鈣結垢趨勢，不宜直接作為飲用水源和漁業(yè)用水，也不適宜農(nóng)業(yè)灌溉用水；但明化鎮(zhèn)組適合大多數(shù)工業(yè)用水。可喜的是，各層熱流體中偏硅酸和氟的含量都較高，經(jīng)過一定的處理，可具醫(yī)療價值，如在此開發(fā)溫泉旅游，將帶來良好的經(jīng)濟效益。

地熱流體；化學特征；水平分帶；越流補給；華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)；天津

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)（以下簡稱園區(qū)）位于天津市西南部，是國務院批準的首批國家高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)之一的天津新技術產(chǎn)業(yè)園區(qū)的主體產(chǎn)業(yè)區(qū)和中心區(qū)。隨著產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展建設，對能源的需求量越來越大，而地熱資源作為清潔的可再生能源，不僅是緩解能源緊張的重要措施，還擁有在建設生態(tài)城市進程中其他能源所不能比擬的優(yōu)勢，得到了社會各界的高度重視。

天津地熱資源利用范圍非常廣泛，不僅用于建筑物供暖、生活用洗浴、理療，還用于印染、紡織、木材烘干、溫室大棚和水產(chǎn)養(yǎng)殖等，對經(jīng)濟發(fā)展起到極大的促進作用。

園區(qū)發(fā)育的熱儲層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系，1988年提交的《天津市區(qū)及王蘭莊地熱田勘探報告》[1]及2000年提交的《天津市深部地熱普查報告》[2]均對各熱儲特征進行了相應分析，為園區(qū)的開發(fā)利用提供了大量的數(shù)據(jù)參考。不過從開發(fā)利用現(xiàn)狀來看，園區(qū)各熱儲層的開發(fā)利用程度不高：明化鎮(zhèn)組地熱井因其水溫水量的限制，僅用于生活洗??；館陶組尚未開發(fā)，而奧陶系地熱井雖然水溫水量較好，但由于水質較差（礦化度大于4000 mg/L），均未正常使用。因此，研究園區(qū)的地熱流體化學成分，使其更好的應用于生產(chǎn)生活及城市建設顯的尤為重要。本文結合區(qū)域地熱流體化學特征及相關地熱井資料，對園區(qū)的地熱流體化學特征和開發(fā)利用作一簡要分析。

1 區(qū)域地熱流體化學特征

1．1 明化鎮(zhèn)組地熱流體化學特征

以往地熱地質研究成果表明[1]，明化鎮(zhèn)組地熱流體在區(qū)域上具有明顯的由北向南的水平分帶規(guī)律，化學類型為HCO3-Na·Ca型（圖1）。礦化度也由北部的600 mg/L增加至南部的2500 mg/L。區(qū)域上還有一個重要的特點是由于受到下伏地層缺失的影響，在東側一線明化鎮(zhèn)組地層與基巖直接接觸，水質受到頂托補給，水質變差，水化學類型局部復雜，為Cl· HSO4-Na型水，礦化度升高。

1．2 館陶組地熱流體化學特征

根據(jù)區(qū)域研究成果[1],館陶組地熱流體在區(qū)域上具有明顯的由北向南的水平分帶規(guī)律，化學類型由武清等北部地區(qū)簡單的HCO3-Na·Ca型逐漸變?yōu)槭袇^(qū)的Cl·HCO3-Na型，南部則為較復雜的Cl·SO4-Na型（圖2）；礦化度也由北部的不足1000 mg/L增加至南部的5000 mg/L。推測園區(qū)館陶組熱儲層地熱流體水質類型為Cl·HCO3-Na型，礦化度在1000～2500 mg/L。由于館陶組熱儲層在本區(qū)東側一線缺失，造

成徑流條件差的南部地區(qū)水質明顯變差，礦化度升高。

圖1 明化鎮(zhèn)組熱儲層水化學類型圖Fig．1 Hydrochemistry type graph of the Minghuazhen reservoir

圖2 館陶組熱儲層水化學類型圖Fig．2 Hydrochemistry type graph of the Guantao reservoir

1．3 奧陶系地熱流體化學特征

根據(jù)天津市的奧陶系地熱井取樣分析數(shù)據(jù)，做出奧陶系熱儲層水化學類型圖[2]（圖3），從圖可以看出，奧陶系流體化學類型在北部周良莊為HCO3-Na型，向西南至西青、武清等凹陷區(qū)為SO4·Cl-Na·Ca型，明顯受到奧陶系埋藏深度的影響，埋藏越深，徑流條件越差[3]。礦化度也由不足1000 mg/L增加至園區(qū)的4000 mg/L以上,再到武清凹陷區(qū)的5000 mg/L以上，呈現(xiàn)由低到高的變化趨勢。

圖3 奧陶系儲層水化學類型圖Fig．3 Hydrochemistry type graph of the Ordovician Reservoir

1．4 地熱流體的垂向變化特征

收集園區(qū)及附近各熱儲層地熱井的水化學分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計于表1?？梢钥闯?，園區(qū)各層地熱流體及淺層第四系地下水在垂向上有較大變化，大體可以劃分為兩套系統(tǒng)：1）新近系明化鎮(zhèn)組熱流體與第四系地下水之間化學特征相仿，表明兩者之間存在一定的水力聯(lián)系，明化鎮(zhèn)組有接受上覆第四系地下水的越流補給可能[4]；2）新近系館陶組熱流體與下伏基巖熱流體化學特征相近，表明兩者為同源水或存在著水力聯(lián)系[5]，結合區(qū)域資料綜合分析，中間沒有穩(wěn)定的隔水層，且基巖水位高于館陶組的水位，所以

推測本區(qū)館陶組熱流體在凸起區(qū)接受下伏基巖熱流體的頂托補給。

表1 各熱儲層垂向化學類型對比表Table 1 Vertical comparison of the geothermal water classification for every reservoir

2 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)流體化學特征

2．1 一般化學組分分析

無論是新近系熱流體還是奧陶系熱流體，分析其Cl、Na、SO4主要陰陽離子含量與礦化度關系圖[6]（圖4）可看出：隨著流體中Cl-、Na+、SO2-4離子含量的增加，礦化度均呈上升趨勢，基本呈正相關關系。

另外，將園區(qū)各層熱流體化學組分與海水化學組分對比分析，兩者之間有較大的區(qū)別（表2）：熱流體中Cl-、Na+含量低于海水十倍至幾十倍；I-、F-含量超過海水的1.02～5倍；Br-含量低于海水平均值幾十至幾百倍；成因系數(shù)rNa/rCl和Cl/Br值分別為0.99～2.79和367.1～502.2，均大于海水[7]。說明園區(qū)無論是新近系還是奧陶系熱流體均非海水成因，而是在漫長的歷史過程中由大氣降水所形成，具有典型的滲入、溶濾特征。

圖4 Cl、Na、SO4離子含量與礦化度關系圖Fig．4 Relationship between the concentrations of Cl,Na,SO4and TDS

2．2 地熱流體特征元素分析

分析園區(qū)熱儲層地熱流體中SiO2的含量與流體的溫度的關系圖[6](圖5)可見，二者與熱流體溫度基本上呈正相關趨勢，從趨勢線上看，SiO2的含量的增長幅度在新近系和奧陶系中有所不同，流體溫度每升高10℃，增長幅度分別為14 mg/L和7 mg/L，由此可見，SiO2的變化與流體溫度關系密切，可作為確定本區(qū)熱儲溫度的參考性指標元素[8]。

2．3 Na-K-Mg三角圖

利用Na-K-Mg含量三角圖來估算水巖平衡，其原理為鈉、鉀的平衡調整極為緩慢，而鉀、鎂含量即使在低溫也調整得相當快[9]，將井點的水質資料，投影在（圖6）上，可看出本次所選各地熱井的投衡線，表明熱流體沒有達到平衡，靠近鎂區(qū)是因于重碳酸型水。而明化鎮(zhèn)兩眼井已經(jīng)達到或接近平衡線，Na-K-Mg含量趨于平衡。

表2 園區(qū)地熱流體與海水化學特征對照表Table 2 Comparison of hydrochemistry characteristics between the seawater and geothermal water

圖5 SiO2含量與水溫相關關系圖Fig．5 Relationship between SiO2concentrations and the temperature

圖6 地熱流體Na-K-Mg含量三角圖Fig．6 Na-K-Mg triangular diagram of the geothermal water

3 地熱流體質量評價

3．1 醫(yī)療礦泉水評述

對比醫(yī)療礦泉水分類標準（表3），本區(qū)地熱流體有一定的醫(yī)療價值，且各個熱儲層地熱流體中的氟、偏硼酸、偏硅酸均達到了礦水標準，其中大部分地熱井中氟離子含量達到命名標準。各熱儲層溫度均在40℃以上，礦化度普遍偏高，最小為侯臺子井，亦在1000 mg/L以上[10]。

3．2 漁業(yè)用水評價

對照漁業(yè)用水標準（表4），本區(qū)地熱流體溫度較高，超過魚類生長適宜溫度。而且氟離子含量均超過1 mg/L，不宜直接用于養(yǎng)魚，但可以適當與低氟的冷水混合后使用。對于礦化度較高的各井應根據(jù)不同種類魚的水質要求做水溫及相應的超標離子等處理。

3．3 熱流體腐蝕性與結垢性評價

3.3.1 地熱流體的腐蝕性

地熱流體對一般的金屬表面都會產(chǎn)生程度不同的腐蝕，按腐蝕原理或腐蝕形式可分為若干類型，地熱流體對金屬結構的腐蝕屬于電化學腐蝕—金屬表面與電解質溶液中的某些化學成分發(fā)生電化學作用而產(chǎn)生的破壞，其特點是在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。

對于氯離子的毫克當量成分比＞25%的地熱水，可用拉伸指數(shù)判斷其腐蝕性，方程式為：

從表5中可以看出：本區(qū)內明化鎮(zhèn)組地熱流體為結垢性水(天津大學地熱中心井除外)，館陶組地熱流體為結垢性水和中等腐蝕性水，奧陶系的地熱流體都為強腐蝕性熱水。

3.3.2 地熱流體的結垢性

流體結垢的化學組分主要為碳酸鈣、硫酸鈣和硅酸鹽類。當結垢形成時，會加大輸水系統(tǒng)流體阻力，增加阻熱系數(shù)，降低熱效率，嚴重者使系統(tǒng)堵塞，不能維持正常運行；在垢層不完整處，還會造成垢下腐蝕。因此結垢問題不容忽視。現(xiàn)依據(jù)地熱勘查規(guī)范和地熱利用經(jīng)驗及試驗數(shù)據(jù)，對調查區(qū)地熱流體的結垢性進行綜合評價。

（1）碳酸鈣垢

形成碳酸鈣垢的原因是熱流體中Ca2+濃度與CO32-濃度的乘積超過溶度積，則CaCO3在溶液中析出并附著在供熱設備和管道上。

依據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB/T11615—2000），當?shù)責崴新入x子毫摩爾百分含量大于25%時，可用拉伸指數(shù)LI判斷碳酸鈣的結垢趨勢，其表達式見方程式（1）。

以拉伸指數(shù)評價碳酸鈣結垢程度的標準是：

當：LI＞0.5時，不結垢；

LI＜0.5時，可能結垢。

表3 醫(yī)療熱礦水水質標準與實測值對比表（mg/L）Table 3 Comparison between the quality standard of medical mineral water and the measured value(mg/L)

表4 漁業(yè)水質標準與實測值對比表（mg/L）Table 4 Comparison between the quality standard of fishing water and the measured value(mg/l)

表5 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地熱流體腐蝕性評價表Table 5 Corrosive evaluation of the geothermal water in the Huayuan area

根據(jù)表6可知：本區(qū)新近系地熱流體可能生成碳酸鈣垢，奧陶系地熱流體則不會。

（2）硫酸鈣垢

在熱流體溫度小于100℃的狀態(tài)下，CaSO4垢主要是以二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）的形式沉淀。其沉淀的機理是：當流體中硫酸鈣的分子濃度積超過其溶度積，二水硫酸鈣就沉淀。判定CaSO4垢的生成趨勢

通常采用相對飽和度（RS1）來定性估算，其表達式為：

相對飽和度并不能說明其沉積速度，RS1在0.8～1.2之間的解釋是不能確定的，只能說明其趨勢，但當RS1值大于1.2時，則可判斷能夠產(chǎn)生CaSO4垢。表6中列舉了本區(qū)地熱流體的可能結垢程度。

根據(jù)表6可知：本區(qū)新近系、奧陶系地熱流體均有硫酸鈣詬生成。

（3）硅酸鹽垢

硅酸鹽垢的結垢比較復雜，其垢通常含有40%～50%二氧化硅，25%～30%的鐵和鋁的氧化物，以及10%～20%的氧化鈉。硅酸鹽垢的結垢通常采用無定形二氧化硅的相對飽和度R·S來評價，其表達式為：R·S=SiO2/2.466×104e-1553/T（3）

計算結果（表7）表明，本區(qū)地熱田熱流體無硅酸鹽結垢條件。即使化學結垢條件具備，但通常在低溫地熱流體（49～105℃）中，二氧化硅的沉積速度非常緩慢，溶液過飽和也不會產(chǎn)生二氧化硅沉淀。

表6 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地熱流體硫酸鈣結垢性評價表Table 6 Evaluation of the calcium sulfate scaling of geothermal water in the Huayuan area

表7 華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)地熱流體硅酸鹽結垢性評價表Table 7 Evaluation of the silicate scaling of geothermal water in the Huayuan area

4 結論

華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)是天津新技術產(chǎn)業(yè)園區(qū)的主體產(chǎn)業(yè)區(qū)和中心區(qū)，具有綜合利用條件，在地熱資源開發(fā)中應該發(fā)揮其優(yōu)勢，應盡可能加大開發(fā)利用深度，推行梯級利用、綜合利用，提高地熱資源的利用率，以節(jié)約和保護寶貴的地熱資源[11]。

本文針對華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)的地熱流體化學特征進行了分析，討論了地熱流體的平面、垂向變化規(guī)律及其成因、補給來源，并作出了地熱流體質量評述，進一步探討了開發(fā)利用的方向。其中，奧陶系地熱水具有強腐蝕性，由于水質不佳而利用率較低。因此，奧陶系地熱流體的水質處理問題顯得尤為重要，希望在不久的將來，能夠將問題解決并擴大其利用規(guī)模，以提高地熱資源的利用率。

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Chemical Characteristics and Quality Evaluation of the Geothermal Fluids in the Huayuan Economical Area,Tianjin

LI Yuan-yuan,TANG Yong-xiang,LI Jun-feng CHEN Rui-jun JIN Bao-zhen
(Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design,Tianjin 300250,China)

The reservoirs in the Huayuan EconomicalArea are mainly in the Minghuazhen,Guantao and Ordovician Formations.Based on the geochemical analysis,we deduced the geothermal fluids here is original from precipitation.All the chemical compositions obey the horizontal strip characteristics from east to west, north-east to south-west and mountain front to basin center.The geothermal fluids of each reservoirs and groundwater of Quaternary System all change a lot in vertical.By analysis,it is possible for the Minghuazhen reservoir to accept the leakage recharge from Quaternary groundwater.And the geothermal fluids in the Guantao reservoir may accept the top alimentation from bed-rock in hump area.In deduction,the recharge area is location in the east or north-east of the Huayuan Economical Area and the speed of recharge is very slow.In addition,the geothermal fluids here have light-strong corrosivity and scaling tendency of calcium sulfate,it is not suitable for drinking water and fish farm directly.And also,it is not suitable for agricultural irrigation.But fluids of the Minghuazhen Reservoir is suitable for most of industry.To be gratified,there is a great value on quantity of metasilicic acid and luorine in geothermal fluids of each reservoir.After dealing with it,there may be a good value in medical.If developing hot spring tourism here,there must be a great economic benefit.

geothermal fluids;chemical characteristics;horizontal zoning;leakage recharge;Huayuan EconomicalArea；Tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）03-0226-07

2013-05-24

天津市地熱資源規(guī)劃項目（2011-2015年）（國土房任[2011]4號）

李嫄嫄（1982-）女，水工環(huán)工程師，工程碩士在讀，主要從事地熱資源勘查評價工作，Email：tj_lyy@126.com。