劉焱光,曹秀云,付云霞,吳世迎

(1.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室,國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061;2.玉門油田作業(yè)公司,甘肅玉門 735200;3.青島地質(zhì)工程勘察院,山東青島 266071)

即墨溫泉地熱水水質(zhì)的動態(tài)變化特征

劉焱光1,曹秀云2,付云霞3,吳世迎1

(1.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室,國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061;2.玉門油田作業(yè)公司,甘肅玉門 735200;3.青島地質(zhì)工程勘察院,山東青島 266071)

即墨溫泉是一種含多種化學元素的高礦化度熱水資源,在深部地下熱水沿斷裂帶上涌的過程中可能與淺部冷水發(fā)生不同程度的混合,使開采獲得的地熱水水質(zhì)也發(fā)生了相應的變化。對即墨溫泉地熱資源核心開采區(qū) 2口開采深度不同的地熱井進行了為期 1個水文年的水質(zhì)變化監(jiān)測,地熱水水質(zhì)參數(shù)上半年比下半年高,水質(zhì)參數(shù)發(fā)生急劇變化的時間相對于氣候的季節(jié)性變化有 2～3個月的滯后,且氯度、礦化度和電導率的季節(jié)性變化幅度在開采深度較淺的水井中較大,表明開采條件和區(qū)域性氣候條件的變化共同控制了地熱水水質(zhì)變化。

溫泉;水質(zhì);動態(tài)變化;青島即墨

0 引言

即墨溫泉地熱水含有多種微量元素,礦化度高(>10g/L),其主要來源和補給源為大氣降水,與海水無關[1]。近年來,溫泉地區(qū)的基礎建設發(fā)展迅速,對地熱資源的需求也日益增加,在核心開采區(qū)及其周邊已經(jīng)形成為數(shù)眾多的地熱開采井群。伴隨著開采量的劇增,地熱水供需矛盾、環(huán)境問題等日益突出,區(qū)域地下水位下降幅度很大 (特別是在冬季強開采期),從而影響到地下水的入滲、徑流和排泄系統(tǒng),地熱水的水質(zhì)、水溫、化學成分、流量等指標也相應地發(fā)生變化。20世紀 90年代以來,針對即墨溫泉地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造[2]、地熱地質(zhì)[3]、水文地質(zhì)[4]和溫泉沉積物[5]等開展了一些研究,也形成了有關水質(zhì)類型、成因機制、資源量等方面的認識和觀點。但對溫泉地熱資源在“人類與環(huán)境”這一相互作用系統(tǒng)內(nèi)的變化趨勢,對地熱水水質(zhì)在局部地區(qū)的氣候變化和城市化進程加快的大背景下的動態(tài)變化規(guī)律還知之甚少。

該文利用即墨溫泉地熱資源核心區(qū)內(nèi) 2個開采深度不同的地熱井完成的為期 1年的水質(zhì)變化觀測資料,對即墨溫泉地熱水 4種主要水質(zhì)指標的年際動態(tài)變化特征進行了分析,討論了季節(jié)性氣候、地下水位變化以及開采深度對水質(zhì)參數(shù)的影響。

1 地熱地質(zhì)特征

即墨溫泉的露頭位于即墨市溫泉鎮(zhèn)東溫泉村南部,構(gòu)造上處于膠南-文威造山帶及其與膠萊坳陷接合部位,嶗山花崗巖體與白堊紀地層侵入接觸的NE邊緣,其附近出露的地層主要為早白堊世萊陽群和青山群的陸相凝灰質(zhì)碎屑巖和火山巖。通過綜合分析即墨溫泉及其附近地熱遠景異常區(qū)的地質(zhì)、水文條件,認為其熱儲層為萊陽群、青山群的陸相碎屑巖及火山巖類,保溫隔熱層為第四紀松散土層及萊陽群、青山群裂隙不發(fā)育的巖體,地熱運移通道為NW向的張性斷裂和 NE向壓扭性斷裂的薄弱部位[4]。地熱增溫、上地幔的傳導熱流及放射性元素蛻變等都可能是熱量的來源,但目前對即墨溫泉的熱源問題并沒有一致的見解。NE向的滄口-溫泉斷裂和NW向斷裂的相互交切,穩(wěn)定的熱源和充足的水源補給以及有利的熱水儲層等條件共同造就了高溫、高礦化度的即墨溫泉地熱資源,其地熱核心開采區(qū)面積約 0.2 km2(圖 1),最高出水水溫可達 93℃,單井最大涌水量為 1 019m3/d[6]。

圖 1 即墨溫泉地熱開采井位置示意圖1—溫泉浴池井;2—工療井;3—溫泉;4—地熱資源核心開采區(qū);5—居民區(qū);6—斷層及編號。F1—滄口-溫泉斷裂;F2—青島山斷裂;F3—劈石口斷裂;F4—王哥莊斷裂

溫泉鎮(zhèn)地區(qū)的地下水多屬于松散巖類孔隙水,水力性質(zhì)基本屬于潛水,局部地段具有弱承壓性。區(qū)內(nèi)第四系孔隙水水位變化非常明顯,即隨降雨而回升,遇開采而下降。因此,每年地下水位的低谷期處于春灌后到汛前的 6個月,而高峰期則處于汛后的 9—10月份。即墨溫泉溢流區(qū)內(nèi)第四系較為發(fā)育,厚度為 10～15m,最大可達 25m,自下而上為全新世黑色海相淤泥、棕色漹湖相黏土,頂部覆蓋一層含柱狀結(jié)核的湖泊相粉砂質(zhì)沉積物[2]。

即墨溫泉地熱資源遠景估計為 8.24×1015J[4],其地熱開發(fā)方式為直接利用,核心區(qū)目前有超過 6口深井在持續(xù)開采,井深 120～245m。所采熱水主要供周圍的溫泉賓館、療養(yǎng)院和溫泉度假村沐浴和室內(nèi)采暖用,近幾年還有很多農(nóng)家個體浴所進行 50 m左右深度的淺層開采利用。地熱水的強開采期一般在 11月至翌年的 4月,其月均開采量為弱開采期的 3倍。21世紀初估算的年開采總量約為 20萬m3[4],目前這一數(shù)據(jù)要遠大于此。

2 水質(zhì)分析

2.1 地熱開采井選擇

根據(jù)即墨溫泉地熱開采井的分布范圍、潛水泵放置深度,選擇東溫泉村溫泉浴池地熱井(孔深 60m,上部 9m左右的第四系松散土層用鋼管固井,9m以下的基巖部分未固井。潛水泵深度:井口以下 45m;以下簡稱溫泉浴池井),工人療養(yǎng)院地熱井(孔深 125m,成井結(jié)構(gòu)與溫泉浴池井類似。潛水泵深度:井口以下 90m;以下簡稱工療井)進行水質(zhì)動態(tài)變化監(jiān)測。因工療井采用相對封閉的開采方式,僅對溫泉浴池井進行了相對水位和水溫觀測,測量工作均與水質(zhì)分析樣品同期進行。

2.2 水質(zhì)分析樣品采集

2008年 2月至 2009年2月間,基本按照每周一次的頻率,分別從 2口地熱井中抽取水樣,待抽出的地熱水冷卻后用乙稀塑料瓶裝取,采樣量為 1 250 m L,將每個水樣按采樣日期順序標識并填寫記錄表后,送實驗室進行水質(zhì)簡分析。此次工作共采集水樣102個。

2.3 水質(zhì)分析方法

水質(zhì)分析的測試要素主要包括 pH值、電導率、氯度和總礦化度 4項。pH值利用酸度計進行測量,分析方法和步驟按照《中華人民共和國國家標準:水質(zhì) pH的測定玻璃電極法》(GB6920-86)來完成。電導率測量方法和步驟遵照《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準:電導率水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求》(HJ/T97-2003)用電導率水質(zhì)自動分析儀來完成。氯度分析按照《中華人民共和國國家標準:水質(zhì)氯化物的測定硝酸銀滴定法》(GB11896-89)采用硝酸銀滴定法完成。總礦化度的測量方法遵照《國家環(huán)境保護總局標準:水質(zhì)全鹽量的測定重量法》(HJ/T 51-1999)采用重量法完成。水質(zhì)簡分析工作在青島科技大學環(huán)境與安全工程學院環(huán)境科學與工程實驗中心完成。

3 分析與討論

3.1 溫泉地熱水水質(zhì)的動態(tài)變化特征

3.1.1 溫泉浴池井

溫泉浴池地熱井位于溫泉鎮(zhèn)東溫泉村南端,為一家庭浴池的供水井,距離工療井 50余米。圖 2所示為根據(jù)觀測和實驗分析結(jié)果繪制的溫泉浴池井水質(zhì)參數(shù)的變化曲線。

(1)相對地下水位和水溫變化特征

相對地下水位和地熱水溫度的變化曲線呈現(xiàn)出兩段式變化,每年的 4月底或 5月初至 11月中旬(圖 2中虛線所示)為即墨溫泉地熱資源的弱開采期,在此期間地下水位較高,但水溫較低。而在地熱水強開采期的變化情況則相反。

圖 2 溫泉浴池井相對地下水位、水溫和水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化圖

從 4月底開始至 8月初,隨著青島地區(qū)的降水逐漸增加,區(qū)域地下水位逐漸上升,同時隨著供熱期的結(jié)束和溫泉洗浴的減少,地熱水的開采量迅速降低,在這兩者的共同作用下,溫泉浴池井的地下水位逐漸上升,最低時位于井口以下 20m左右,最高可達井口以下 8m的深度。同時由于地熱開采量的減少,地下高溫熱水的上涌速度也減緩,并在淺部冷水的作用下,溫泉浴池井下 45m處(水泵位置在井口以下 45m)水體的溫度逐漸降低至 75℃左右。八九月份的青島最為炎熱,溫泉地熱水的開采也處于比較低的水平,開采量比較穩(wěn)定,這從溫泉浴池井穩(wěn)定的地下水水位和溫度變化中可得到直接的反映。10月份以后,隨著天氣的逐漸變冷,降水逐漸減少,地熱水需求逐漸增加,溫泉浴池井水位逐漸下降。特別隨著 11月份供熱期開始,地下水位急速下降至井口以下 30m左右的水平,然后幾乎穩(wěn)定在這一水平直至翌年的 4月。同時伴隨著地熱水開采量的增加,地下水溫度逐漸上升,并最終穩(wěn)定在 85℃左右。因開采深度較深,工療井水溫的季節(jié)性變化不大,動態(tài)曲線基本平直,水溫最高 90℃,最低 87℃,平均89℃①青島地質(zhì)工程勘察院,山東省膠萊盆地地熱資源普查報告, 2000年。。

雖然溫泉浴池井不是即墨溫泉的主開采井,地熱水主要用于洗浴和家庭供熱,但它位于地熱資源的核心采區(qū),距離幾個主力開采井非常近,正是由于其開采量小,地下水水位和溫度的變化才更具有區(qū)域的代表性。如圖 2所示,2009年該井的地下水位與 2008年同期相比有 5～6 m的下降,似乎表明2009年該地區(qū)地熱資源的開采量與過去的一年相比又增加了很多,這是對溫泉鎮(zhèn)地區(qū)迅速發(fā)展的基礎建設、賓館酒店和房地產(chǎn)項目造成的地熱水用量迅速增加的最直接反映。

(2)水質(zhì)變化特征

溫泉浴池井地熱水水質(zhì)的變化雖然也呈現(xiàn)出兩段式的變化規(guī)律,但其與地下水水位和溫度的變化趨勢不盡相同。地熱水的各種水質(zhì)參數(shù)值在上半年(1月初至 7月初)都比下半年 (7月初至 12月底)高(圖 2)。5—7月,隨著相對地下水位的逐漸上升,各水質(zhì)參數(shù) (pH值除外)有微弱的下降趨勢。水質(zhì)參數(shù)的突然變化發(fā)生在 7月份,分別對應了相對地下水位的最高位和地熱水溫度的最低值。似乎表明地熱水水質(zhì)參數(shù)的突然變化對區(qū)域降水量增加或地下水開采減少的響應要滯后一些。

上半年,地熱水的 pH值較高,一般都大于 7,平均值為 7.14,較高值多出現(xiàn)在 4月底至 7月初;氯度和礦化度的變化幅度不大,平均值分別為 5 786 m g/L和 10.56 g/L。下半年,地熱水的 pH值普遍較低(個別奇異點除外),一般都小于 7,平均值為6.72;氯度和礦化度的變化趨勢相近且逐漸上升,平均值分別為 5 262m g/L和 9.41 g/L。

與其他水質(zhì)參數(shù)的變化趨勢不同,從 2008年 3月初至年底,水樣的電導率呈現(xiàn)階梯狀下降,并于2009年年初又小幅上升。2008年的三四月份,地熱水電導率平均值最高,為 17.15 m S/cm,5—7月下降為 15.76 m S/cm,8—12月間最低,為 11.76 m S/cm,在 2009年年初小幅上升至 13.98m S/cm。

3.1.2 工療井的水質(zhì)變化特征

工療井位于即墨溫泉地熱的核心采區(qū)內(nèi),周圍有青島溫泉度假村、中行療養(yǎng)院、金麒玉麟溫泉山莊等孔深超過 100m的地熱開采井數(shù)口。由于其水泵位置較深,受氣候變化和淺部地下水的影響較小,因此其水質(zhì)變化情況比較簡單。

如圖 3所示,工療井的礦化度、氯度在 1年中幾乎沒有什么變化(2個奇異點除外),一般都在 11.8 g/L和 6 600m g/L左右變化;pH值在 5—7月間最高,平均值為 7.45,8月到 12月間最低,平均值為6.64。2008年,水樣的電導率呈現(xiàn)階梯狀下降, 2009年年初又有小幅上升。2008年的三四月份,地熱水電導率平均值最高,為 19.3m S/cm,5—7月下降為 17.41 m S/cm,8—12月間最低,為 13.64 m S/cm,在 2009年年初小幅上升至 14.48 m S/cm。在 2008年 12月 4日和 12月 31日,東溫泉村和工人療養(yǎng)院各有 1口新井在進行鉆探施工,其井口與工療井的距離均在 20m左右,因此在這 2天出現(xiàn)的2個低礦化度、氯度和電導率的奇異點,推測是鉆探?jīng)_洗液中的淡水影響所致。

圖 3 工療井水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化圖

3.2 溫泉浴池井和工療井水質(zhì)參數(shù)的對比

根據(jù)上述 2個地熱開采井水質(zhì)參數(shù)的變化趨勢分析,可以看出二者因采樣位置 (深度)的不同而表現(xiàn)出不同水質(zhì)特征。選擇 2個最為重要的水質(zhì)參數(shù)——礦化度和氯度,繪制溫泉浴池井和工療井所有水樣的礦化度-氯度相關關系圖(圖 4)。2口井地熱水的礦化度-氯度都顯示出比較好的正相關(相關系數(shù)為 0.7),幾乎所有數(shù)據(jù)點都分布在圖中所示相關曲線的兩側(cè),反映了地熱水的同源性。根據(jù)數(shù)據(jù)點在圖中的分布規(guī)律,可明顯地將 2口井區(qū)分開來:工療井數(shù)據(jù)點都集中分布在圖中右上方,而溫泉浴池井數(shù)據(jù)點則集中分布在左下方,表明工療井地熱水的氯度和礦化度整體比溫泉浴池井地熱水要高,可能代表了淺部地下水影響程度的不同。

圖 4 溫泉浴池井和工療井的礦化度-氯度相關關系圖

從圖 5可明顯看出,除 pH值外,工療井水樣的電導率、氯度和礦化度都比溫泉浴池井高,年平均值分別為 15.64m S/cm,6583m g/L和 11.66 g/L。上半年 (1月初至 7月初)各水質(zhì)參數(shù)處于高值,下半年(7月初至 12月底)各水質(zhì)參數(shù)處于低值;2井位水質(zhì)參數(shù)之間的差值在下半年明顯要大于上半年(pH值除外)。工療井水的氯度和礦化度全年內(nèi)變化很小,而溫泉浴池井水樣的氯度和礦化度在下半年相對降低;與其他水質(zhì)參數(shù)不同,地熱水的 pH值在 2008年 4月底至 6月初期間出現(xiàn)突然升高的異常變化。

3.3 溫泉水水質(zhì)的主要影響因素分析

溫泉地熱水的水質(zhì)與地下熱水含水層的埋藏條件、圍巖巖性、補給條件有密切關系。即墨溫泉地熱水的氫氧同位素特征研究表明其水體應主要起源于大氣降水,δ18O值沒出現(xiàn)明顯的氧飄移 (不同季節(jié)之間的差異在 0.5×10-3左右),具有循環(huán)型地下熱水的特征(δ18O-δD數(shù)據(jù)點沿大氣降水線展布,δ18O值接近或略高于當?shù)氐拇髿饨邓?δD小于當?shù)氐拇髿饨邓甗7]),而與鄰近海水關系不大[1]。即墨溫泉地熱水與其周邊淡水、海水以及圍巖的元素組成分析結(jié)果顯示:地熱水比淡水富含礦物質(zhì),一些堿金屬元素 (Na,K等)含量比海水低,M n,Ba,Fe,Sr等化學元素和 F-含量比海水高,而這些元素在巖石樣品中的含量則相對較高,從而也說明地下高溫地熱水在巖石孔隙裂隙中循環(huán)時發(fā)生的水巖反應使地熱水富含礦物質(zhì)①劉焱光,青島市科技發(fā)展計劃研究報告,即墨溫泉的水體來源及其動態(tài)變化,2009年。。

圖 5 溫泉浴池井和工療井地熱水水質(zhì)動態(tài)變化對比圖(圖中虛線所連接的為扣除的工療地熱井異常水質(zhì)點)

溫泉浴池井和工療井的水質(zhì)變化監(jiān)測表明:開采深度越深,溫度越高,電導率、氯度和礦化度等與水中礦物質(zhì)和離子含量密切相關的參數(shù)明顯增加,水質(zhì)的動態(tài)變化也比較穩(wěn)定。這在一方面說明工療井開采深度內(nèi)地下熱水受季節(jié)性降水和地下水開采量變化的影響較小,另一方面也可能說明在地下深處高礦化度熱水沿斷裂上涌至地表的過程中,與當?shù)販\部巖層中的淡水發(fā)生混合程度隨開采深度的減小而增加,從而造成電導率等水質(zhì)參數(shù)的降低[8]。

作為反演地下水礦化度的唯一參數(shù),水溶液的電導率(或電阻率)與礦化度有密切關系。地下水礦化度是指地下水中所含鹽分的總量,其中含有許多導電性離子,如:Na+,C l-,Ca2+,M g2+等,這些導電離子數(shù)目的多少反映出水中鹽分的含量,同時也反映水溶液電導率的大小,即導電性好壞?？梢娝芤旱碾妼适撬兌鹊囊粋€重要指標,水的純度越高,含鹽量越低,水的電導率越小。即墨溫泉不同開采深度地熱水電導率和礦化度的變化趨勢不盡一致,在開采深度較淺的水井中表現(xiàn)出明顯的上半年高下半年低的變化特征,變化幅度也較大,表明下半年溫泉水的純度較高,這可能說明下半年有較多的當?shù)氐叵吕渌烊氲叵聼崴?。另外溫泉水水質(zhì)的急劇變化與地下水位和水溫的變化有 2～3個月的相位差(圖 2),可能代表了豐水期大氣降水入滲補給地下水的過程以及在強開采期后高水質(zhì)參數(shù)地下熱水上涌并與地下冷水逐漸混合的時間。由此可見,即墨溫泉地熱水的水質(zhì)受區(qū)域性氣候變化和開采深度的影響,與深層地下熱水和淺層地下冷水的混合程度密切相關。

4 結(jié)論

在即墨溫泉地熱資源核心區(qū),對 2個不同開采深度地熱井完成了為期 1年的水質(zhì)參數(shù)變化觀測,獲得了 4種主要水質(zhì)指標的動態(tài)變化資料,代表了即墨溫泉地熱水體年際動態(tài)的變化特征。

(1)地熱核心開采區(qū)地下水位的變化與季節(jié)性氣候條件和開采強度密切相關,而水溫的變化與開采深度有一定的關系。

(2)地熱水水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化與開采深度也密切相關,與開采深度較深的地熱井相比,開采深度較淺的地熱水中各水質(zhì)參數(shù)值在上半年 (1月初至7月初)明顯比下半年(7月初至 12月底)高,氯度、礦化度和電導率的季節(jié)性變化幅度也較大。

(3)受水巖反應控制的深部高礦化度地下熱水沿斷裂帶上涌的過程中,與受季節(jié)性氣候變化影響的淺層地下冷水發(fā)生不同程度的混合,也是淺部溫泉地熱水水質(zhì)動態(tài)變化的主要驅(qū)動因素之一。

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Dynam ic Change Character istics of Geotherm a lW a ter Qua lity in Jim o Hotspr ings

L IU Yanguang1,CAO X iuyun2,FU Yunxia3,WU Shiying1(1.Key Laborato ry ofM arine Sedim en to logy and Environm ental Geo logy,Shandong Q ingdao 266061,China;2. Yum en O il FieldW ork Company,Gansu Yum en 735200,China;3.Q ingdao Geo-Engineering Exp loration Institute,Shandong Q ingdao 266071,China)

Jimo hotsp ring isone of highm ineralized geotherm al resourcesw ithm any kindsof chem ical components enriched in the geotherm alwater.During the period of hotwater upwelling along the tectonic faults,the hotwater in deep part can bem ixedw ith co ldwater.The quality of exp loiting hotwater hasa relative change.In thiswork, two exp loited w ellsw ith different exp loitation dep th are observed one year arounding Jimo ho t sp ring in o rder to study the dynam ic changesofwater quality.A ccording to the acquired datas,the contentsofwater quality param eters are high during the firsthalf year and low during the lasthalf year.The abrup t changesofwaterquality parameters show 2～3months delay in comparisonw ith the localp recip itation changes.The seasonal changesof ch lorinity,conductivity and the to tal disso lved so lid content in the exp loitedw ater aremore no tab le in thew ellw ith deeper exp loitation dep th.It is indicated that both the exp loitation dep th and local c lim ate have influence on the water quality of exp loited w ater to Jimo ho t sp rings geo therm al resource.

Hot sp rings;undergroundwater quality;dynam ic changes;Jimo in Q ingdao city

book=2,ebook=63

P314.1

A

2009-08-22;

2009-12-25;編輯:陶衛(wèi)衛(wèi)

青島市科技發(fā)展計劃項目:即墨溫泉的水體來源及其動態(tài)變化(05-1-JC-95)。

劉焱光(1975—),男,山東單縣人,高級工程師,主要從事同位素地球化學研究工作;E-m ail:yanguangliu@yahoo.com.cn。