郭帥

摘 要：本文搜集了11個水樣點的水化學數(shù)據(jù)，其中p1-p5取自北京平谷地區(qū)的5個片麻巖地熱井。通過對比，片麻巖水樣的水化學類型主要為SO4-Na，且地熱水中氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，大部分能夠達到有醫(yī)療價值的濃度。p1-p5均為半腐蝕性、不結垢的地熱水，推測北京平谷地區(qū)片麻巖地熱水為半腐蝕性、不結垢的地熱水，地熱水在開發(fā)利用過程中要有效防范腐蝕性問題。從p1-p5水化學數(shù)據(jù)分析結果來看，平谷地區(qū)片麻巖地熱水中有冷水混入的可能。通過硅-焓模型分析，推測平谷地區(qū)片麻巖地熱水的熱儲溫度在98℃～207℃，水樣中混入的冷水比例大部分在77%～88%之間。

關鍵詞：北京平谷;片麻巖;地熱水;水化學;硅-焓模型

Abstract： Hydrochemical data of 11 water samples were collected， among which samples p1-p5 were from 5 gneisss geothermal wells in Pinggu District， Beijing. Through comparison， the hydrochemical types of gneisss water samples are mainly SO4-Na; the contents of fluorine， metasilicic acid and metaboric acid in geothermal water are generally high， most of which can reach the concentration of medical value. Samples p1-p5 are all semi-corrosive and non-scaling geothermal water. It is speculated that gneisss geothermal water in Pinggu District of Beijing is semi-corrosive and non-scaling geothermal water， and the geothermal water should be effectively prevented from corrosivity in the development and utilization process. According to the analysis results of p1-p5 hydrochemistry data， it is possible for cold water to mix into gneisss geothermal water in Pinggu District. Through the silicon-enthalpy model analysis， probably the thermal storage temperature of gneiss reaches 98 to 207， and the geothermal water may be mixed with cold water， which proportion ranges from 77% to 88%.

Keywords： Pinggu District， Beijing; Gneiss; Geothermal water; Hydrochemistry; Silicon-enthalpy model

0 引言

近幾年的地熱資源勘探開發(fā)，在平谷地區(qū)發(fā)現(xiàn)了太古界片麻巖熱儲，并成功鉆鑿多眼地熱井。平谷地區(qū)在北京市地熱資源規(guī)劃中屬于其他地區(qū)，地熱勘查風險性較大，允許進行地熱資源方面的風險勘查與開發(fā)利用研究（北京市國土資源局，2006）。平谷地區(qū)的太古界片麻巖為密云群沙廠組，主要巖性為角閃斜長片麻巖、輝石角閃斜長片麻巖、黑云母角閃斜長片麻巖等，局部地區(qū)混合巖化強烈。片麻巖本身致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，含水性差。鉆鑿地熱井的位置多位于構造斷裂附近，鉆井揭露片麻巖破碎帶。因此，太古界片麻巖熱儲為斷裂-深循環(huán)型地熱資源。

片麻巖中開采地熱資源的案例不多，其水化學特征尚不明確。本文在水樣點水化學分析的基礎上，結合周邊片麻巖出露溫泉的水質和北京市其他類型熱儲的水質資料，對比分析得到片麻巖地熱水的特征，為其合理開發(fā)利用提供指導建議。

本文搜集了11組水樣數(shù)據(jù)，其中：平谷地區(qū)已完工地熱井水樣5組，編號p1-p5，水樣位置見圖1;河北省境內片麻巖出露溫泉水水樣2組（遵化溫泉編號s1和崔莊溫泉編號s2）（王瑩，2010）。大興區(qū)長城系熱儲地熱井水樣1組（增瑞祥等，2001），編號q1;昌平區(qū)小湯山地熱田薊縣系霧迷山組為熱儲層的地熱井水樣1組（增瑞祥等，2001），編號q2。平谷區(qū)山前基巖冷水水樣1組，編號jy;平谷區(qū)第四系冷水水樣1組，編號dsx。

1 地熱地質條件

1.1 熱儲層

平谷地區(qū)出露的地層有太古界密云群沙廠組、中元古界長城系、薊縣系、寒武系、奧陶系以及新生界第四系（圖1）。根據(jù)地熱資源勘查成果和實鉆資料，平谷地區(qū)主要的熱儲層為太古界片麻巖和薊縣系碳酸鹽巖地層。

太古界片麻巖熱儲層主要是密云群沙廠組（Ars）地層，主要巖性有二輝麻粒巖，黑云閃輝斜長片麻巖和含輝角閃斜長片麻巖，云輝變粒巖呈韻律式互層，局部夾淺粒巖、斜長（輝石）角閃巖（常含石榴石）、角閃二輝石巖透鏡體等，厚度大于1216m（北京市地質礦產(chǎn)局，1991）。

平谷地區(qū)的片麻巖本身致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，含水性差。鉆鑿地熱井的位置多位于構造斷裂附近，鉆井均揭露片麻巖破碎帶。因此，太古界片麻巖熱儲為斷裂-深循環(huán)型地熱資源。地下熱水形成過程：大氣降水滲入地下轉化 為地下水，進入深部水文循環(huán)，地下水流經(jīng)構造斷裂與深部熱源溝通而提升溫度，在后續(xù)的水文循環(huán)過程中富集與片麻巖構造裂隙。搜集的地熱井及溫泉的儲、蓋層信息見表1。

1.2 蓋層

形成地熱水的另一個重要條件是具有較好的熱儲蓋層，一般熱儲蓋層的巖性較為致密，具有隔斷與淺部冷水的聯(lián)系、保持地下熱水溫度的作用。平谷地區(qū)片麻巖熱儲層上覆地層為第四系和長城系，第四系巖性主要為砂黏、黏砂、砂礫石，保溫性能較好;長城系巖性主要為砂頁巖、石英砂巖、泥質白云巖，該層富水性普遍較差，隔熱性相對較好。

2 地熱水水化學特征

2.1 水化學類型

地熱水在高溫高壓條件下不斷的與周邊圍巖發(fā)生物理、化學變化，這些變化使地熱水蘊含了豐富的礦物質。

為了與北京地區(qū)主要儲層的地熱水對比，選取了長城系水樣點q1和薊縣系水樣點q2。長城系熱儲以高于莊組白云巖及白云質灰?guī)r為主，開采高于莊組熱水的地熱井不多，水樣點q1的水化學類型屬于HCO3·Cl-Na型。薊縣系霧迷山組熱儲為北京地區(qū)最主要的熱儲層，以碳酸巖地層為主，主要水化學類型為HCO3-SO4-Na-Ca-Mg、HCO3-Na-Ca，q2的水化學類型就屬于HCO3-Na-Ca型。

為了與平谷地區(qū)地下冷水的水化學特征對比，搜集了平谷區(qū)山前基巖井水樣（編號：jy）和第四系井水樣（編號：dsx）的水化學資料（表2）。兩個水樣點的水化學類型均為HCO3-Ca·Mg。

片麻巖熱儲的資料較少，根據(jù)搜集的2個溫泉和5個地熱井的水質資料來看，其主要水化學類型為SO4-Na型（圖2）。其中p1的取水層位包括長城系和片麻巖，其水化學類型為HCO3-Mg·Ca，屬于混合后的水質。p5的井深較淺，僅為200m，地熱水中可能混入了淺層地下水，其水化學類型為HCO3·NO3-Ca。除p1外，其他4個水樣點的取水層位均為片麻巖，但由于片麻巖熱儲屬于受斷裂控制的帶狀熱儲，水樣點的水化學特征因不同導熱導水構造的影響較大。片麻巖中地熱水與北京市薊縣系和長城系層狀熱儲在水化學類型上有明顯差異。

通過水樣點的Na-K-Mg三角圖可知（圖3），除p2和p3地熱水為部分平衡水外，其余水樣均屬于未成熟水，p4更接近部分平衡水，其他水樣均集中在Mg1/2角附近。這些水樣點的Mg2+含量高，水-巖相互作用的平衡溫度不高，地下熱水可能發(fā)生了與冷水的混合作用（王瑩等，2007）。

2.2 特征組分

地熱水中常含有偏硅酸、氟、鋰、鍶等多種有益組分。根據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）附錄E理療熱礦水水質標準，將有醫(yī)療價值指標濃度、命名礦水指標濃度和各水樣的特征含量匯總（表3）。

從表3可看出，各水樣點均含有地熱水特有的化學組分，但數(shù)據(jù)沒有明顯的差異性?？傮w上看，片麻巖地熱水的氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，普遍能夠達到有醫(yī)療價值濃度。其中，p5的地熱水特征組分含量普遍較低，這可能與p5井深較淺，地熱水中很可能混入了淺層地下水。

溫泉屬于自流出地表的地熱水，由于地熱水特殊的理化性質及其對人體的影響，我國早在先秦的《山海經(jīng)》里就有了“溫泉”的記載，使用溫泉治療疾病，并把溫泉作為水療及養(yǎng)生的天然資源（韓令力，2017）。片麻巖中地熱水的這些特征組分具有不同的醫(yī)療價值，可為地熱資源的合理開發(fā)提供有利條件。

2.3 腐蝕性與結垢性

（1）腐蝕性評價

依據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）第9.4.2條，參照工業(yè)用水水質標準，用腐蝕系數(shù)來衡量地熱水的腐蝕性，計算結果見表4。

計算結果顯示，s1、q1和q2的腐蝕系數(shù)Kk<0，并且Kk +0.0503Ca2+<0，為非腐蝕性水。其他6個水樣的腐蝕系數(shù)Kk<0，并且Kk +0.0503Ca2+>0，均為半腐蝕性水。

（2）結垢性評價

當?shù)責崃黧w中氯離子含量較低（<25%摩爾當量）時，可根據(jù)雷茲諾指數(shù)（RI）定性估計地熱流體碳酸鈣的結垢趨勢，本次選取水樣的氯離子摩爾當量均小于25%。雷茲諾指數(shù)（RI）按《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）第9.5.3.2條計算，結果見表5，q2結垢中等;s1、s2、q1結垢輕微;p1-p5不結垢。

通過腐蝕性和結垢性計算，得出以下結論：q2水樣屬于小湯山地熱田，為非腐蝕性水，結垢性為中等;q1水樣屬于雙橋地熱田，為非腐蝕性水，結垢性為輕微（接近不結垢），計算結果與兩眼井的開發(fā)利用實際情況相符，證實本次計算結果可靠。p1-p5均為半腐蝕性、不結垢的地熱水，推測北京平谷地區(qū)片麻巖地熱水為半腐蝕性、不結垢的地熱水。s1、s2雖然也屬于片麻巖地熱水，但其腐蝕性和結垢性與北京地區(qū)不同，認為不同地區(qū)的片麻巖巖性不同，水巖相互作用類型和程度不同，導致了地熱水水質差異。

2.4 Ludwig-Langelier圖

Ludwig-Langelier圖常用來分析地下熱水的來源，它由水中常見的8種元素組合而成（鉀、鈉、鈣、鎂4種陽離子和重碳酸根、碳酸根、硫酸根及氯根4種陰離子的毫克當量百分數(shù)組成）。統(tǒng)計點處于圖的左上方反應較純的地熱水，右下方表示接受大氣降水形成的水，中間部分表示二者的混合，越靠近左上角反映地熱水所占的比例大，反之靠近右下角表示大氣降水混入較多（北京市地質工程勘察院，2001）。為了在圖中較為明確的反應出水化學所處的位置，以大氣降水補給的多寡按對角線自右下方向左上方分出5個檔次，分別命名為A、B、C、D、E區(qū)。

本次選取的11個水樣點的水化學資料描繪到Ludwig-Langelier圖上（圖4），s1、p2、p3、p4位于E區(qū)，屬于較純的地熱水;s2和q1分別位于D區(qū)和C區(qū)，屬于混入大氣降水的地熱水;p1、p5、q2位于A區(qū)，但其靠近B區(qū)，屬于混入大氣降水較多的地熱水。而地下水水樣dxs、jy則位于A區(qū)的右下角，與其大氣成因一致，可作為對照。

p1和q2水樣都含有長城系地熱水，其分布位置近似，說明長城系地熱水屬于混入大氣降水較多的，其徑流過程要短于較純的地熱水。

p5由于井深較淺，推測其混入了淺層地下水，在Ludwig-Langelier圖上也印證了其混入大氣降水較多。

片麻巖熱儲的水樣基本都屬于較純的地熱水，處于還原環(huán)境，這與地熱水所處的構造特征、補給源等有關。單從混入大氣降水的程度來看，片麻巖熱儲混入的要少于長城系熱儲，推測片麻巖中的地熱水經(jīng)歷的徑流過程要長于長城系中地熱水。

2.5 混合模型

（1）離子比

利用搜集的平谷區(qū)水樣點水化學組分計算得到組分離子比（表6）。Na/K：低比值一般反應了水的高溫條件（劉穎超等，2015）。p1-p5的比值范圍在4.26～34.19之間。其中，p2、p3、p4的比值相近，而p1和p5的比值較低。推測p1和p5屬于相對高溫條件的地熱水。Cl/F：若有冷水混入，比值通常會降低。p1-p5的比值變化大，其中p3、p2發(fā)生冷水混入的可能性更大。Cl/B：一般相同起源的地熱水Cl/B比值相同。Cl/B比值除p5外相差不大，推測p1-p4采樣點起源相同。Cl/SiO2：比值低的地熱水可能與較低溫度的水發(fā)生了混合。比值相差不大，p3發(fā)生冷水混入的可能性更大。

Fournier（1979）認為不會在溶液中沉淀的相對保守的元素，在水通過巖石的運動過程中不會從溶液中沉淀出來。如果深部上升的熱水與淺層的地下冷水發(fā)生混合，那么混合水中的保守組分與Na，K，B，SiO2之間的關系通常認為是混合發(fā)生的有力證明（Arnorsson，1986;Arnorsson et al. ，2000）。Cl在地下熱水中是一種保守性成分。通過離子比計算，推測p1-p5水樣中存在深部上升的地下熱水與淺層的地下冷水存在混合的可能。

（2）硅-焓模型

硅-焓模型假設熱水部分在混合之前沒有蒸汽損失和熱損耗，混合之后也沒有熱損耗，而深部熱水二氧化硅的初始含量只受石英溶解度的控制以及在混合之前或以后，沒有再發(fā)生二氧化硅的溶解和沉淀（楊雷，2012）。

根據(jù)搜集的冷水水樣（編號：dxs，編號：jy），選取其溫度和偏硅酸含量的平均值（即：溫度T=10℃，SiO2=18.9 mg/L）。從代表混合水的非熱水成分的一點通過混合的熱水點所作的直線與石英溶解性曲線相交，交點給出熱水組分的最初硅濃度和焓值（于，2006）。從圖5中可以看到，熱水點主要分布在冷水點和熱水點的兩條連接線范圍內。連接冷水點和p4的最上端直線與石英溶解度曲線相交，得出推測溫度為207℃（880kJ/kg）;連接冷水點和p5、p3的位于最下端的直線與石英溶解度曲線相交，得出熱儲溫度為98℃（260kJ/kg）。因此，推測平谷區(qū)片麻巖地熱水的熱儲溫度在98℃～207℃范圍內。

這些推測的熱儲溫度比實際出水溫度要高得多，這表明該熱儲中大部分的地下熱水同地下冷水存在混合，根據(jù)下述公式計算冷水混入的份額。假設冷水混入的份額為X，則可以得到下面兩個方程式（楊維等，2010）：

其中，H冷、H熱、H分別為冷水焓值、熱水初始焓值和混合后溫泉水焓值，Si冷、Si熱和Si分別為冷水中SiO2含量、熱水中的初始SiO2含量和混合后地熱水中SiO2含量。

通過計算，p1的冷水混入份額為82%，p2的冷水混入份額為81%，p3的冷水混入份額為12%，p4的冷水混入份額為88%，p5的冷水混入份額為77%。平谷地區(qū)片麻巖地熱水的冷水混入份額差別較大，除p3為12%，其他4個水樣的冷水混入份額在77%～88%之間。由于水樣均取自地熱井成井時且水樣點間距離較遠，推測冷水混入與地熱水開采關系不大，與片麻巖深部裂隙發(fā)育情況及深層與淺層地下水間的水力聯(lián)系有關。

3 結論

北京平谷地區(qū)片麻巖地熱水的水化學類型主要為SO4-Na，且地熱水中氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，大部分能夠達到有醫(yī)療價值濃度，可用于發(fā)展醫(yī)療康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)。

平谷區(qū)水樣p1-p5均為半腐蝕性、不結垢的地熱水，推測平谷地區(qū)片麻巖地熱水為半腐蝕性、不結垢的地熱水。在開發(fā)利用過程中要密切注意管道及其利用設施的防腐蝕性情況。

從Na-K-Mg三角圖、Ludwig-Langelier圖以及離子比分析可知，平谷地區(qū)片麻巖地熱水中有冷水混入的可能。通過硅-焓模型計算，推測平谷地區(qū)片麻巖地熱水的熱儲溫度在98℃～207℃。由于5個水樣點的地熱水受到不同的斷裂構造控制，熱儲溫度的差異較大主要與其控熱斷裂的規(guī)模、切割深度等特征有關，尋找片麻巖中地熱資源需要重點考慮附近斷裂構造的特征。5個水樣點計算的熱儲溫度與出水溫度的差距較大，水樣中混入的冷水比例大部分在77%～88%之間。

平谷地區(qū)5個片麻巖水樣的熱儲條件及水化學特征可以作為今后在平谷地區(qū)開發(fā)利用地熱資源的重要依據(jù)。

參考文獻：

北京市國土資源局， 2006.北京市地熱資源2006-2020年可持續(xù)利用規(guī)劃[R].

北京市地質礦產(chǎn)局， 1991.北京市區(qū)域地質志[M].北京：地質出版社.

韓令力，陳獻振，陳于， 2017.溫泉與人體健康[J].保健醫(yī)學研究與實踐， 14（4）：4-11.

劉穎超， 劉凱， 孫穎， 等，? 2015.北京市地熱水地球化學特征[J].水文地質與工程地質， 13（2）：324-329.

師明澤等譯， 1988.地熱直接利用工程第一冊[R].

王瑩， 2010.北京-河北北部中低溫溫泉的特征和流量、溫度變化的模型研究[D].北京：中國地質大學（北京）.

王瑩，周訓，于，等， 2007. 應用地熱溫標估算地下熱儲溫度[J]. 現(xiàn)代地質， 21（4）： 605-612.

楊雷， 2012.重慶市溫塘峽背斜地下熱水水文地球化學特征研究[D].重慶：西南大學.

楊維，郭亞偉，康志勇，等， 2010.鞍山市倪家臺地熱田水化學特征及其演化機制[J].環(huán)境化學， 29（2）：324-328.

于， 2006. 北京城區(qū)地熱田地下熱水的水化學及同位素研究 [D]. 北京：中國地質大學（北京）.

北京市地質工程勘察院， 2001. 北京市多參數(shù)立體地質調查北京市地熱資源潛力調查評價報告[R].