張芬娜，賈志，李虎，高亮，宗振海

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250）

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天津塘沽地區(qū)館陶組地?zé)崃黧w演變特征研究

張芬娜，賈志，李虎，高亮，宗振海

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250）

摘要：本文通過(guò)對(duì)塘沽地區(qū)館陶組長(zhǎng)觀地?zé)峋牡責(zé)崃黧w水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究了地?zé)崃黧w中Na+、Cl-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+的形成和演變規(guī)律。研究表明，塘沽地區(qū)館陶組地?zé)崃黧w具有溶濾水的特征，地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和循環(huán)比較強(qiáng)烈。通過(guò)對(duì)微量元素的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)塘沽館陶組地?zé)崃黧w補(bǔ)給來(lái)源相同。

關(guān)鍵詞：塘沽地區(qū)；地?zé)崃黧w；館陶組；補(bǔ)給來(lái)源

作為一座能源短缺的城市，地?zé)豳Y源作為清潔能源在天津市燃煤鍋爐改造中起著重要的作用，對(duì)改善天津市的大氣環(huán)境問(wèn)題有著重要的意義。塘沽地區(qū)是新近系館陶組熱儲(chǔ)層集中開采的地區(qū)，因此對(duì)塘沽地區(qū)新近系館陶組地?zé)崃黧w的物質(zhì)來(lái)源、演化規(guī)律和成因分析等方面的研究，對(duì)科學(xué)可持續(xù)性地開發(fā)地?zé)豳Y源具有重要的指導(dǎo)意義。有許多學(xué)者就天津市地?zé)崃黧w水化學(xué)特征［1］和塘沽地區(qū)新近系地?zé)崃黧w礦化度和水化學(xué)類型［2］、薊縣系霧迷山組熱流體形成和運(yùn)移特征［3］、奧陶系地?zé)崃黧w水化學(xué)特征［4］以及地?zé)崃黧w垂向演化特征［5］等進(jìn)行了研究。本文以塘沽地區(qū)新近系館陶組為研究對(duì)象，根據(jù)采集的地?zé)崃黧w水化學(xué)數(shù)據(jù)，分析地?zé)崃黧w中常量組分的形成和演變以及微量元素的水文地球化學(xué)特征。

圖1　天津市塘沽區(qū)構(gòu)造單元分區(qū)圖Fig.1 Tectonic distribution of the Tanggu，Tianjin City

渤

海

1　天津塘沽區(qū)地質(zhì)條件

1.1構(gòu)造特征

研究區(qū)從北至南縱跨了北塘凹陷和板橋凹陷兩個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元，西以滄東斷裂為界，南以海河斷裂為界與板橋凹陷相連，東以澗南斷裂為界，北以漢沽斷裂為界［6］（圖1）。

1.2熱儲(chǔ)特征

研究區(qū)主要開采的熱儲(chǔ)層自上而下為新近系明化鎮(zhèn)組（Nm）、館陶組（Ng）熱儲(chǔ)層和古近系東營(yíng)組（Ed）熱儲(chǔ)層。本文主要以新近系館陶組熱儲(chǔ)層為研究對(duì)象。

館陶組熱儲(chǔ)層在研究區(qū)內(nèi)普遍分布，該熱儲(chǔ)層自上而下分為上、下兩個(gè)熱儲(chǔ)段。上段巖性以粉細(xì)砂巖為主；下段上部巖性以粉細(xì)砂巖為主，中部以泥巖為主，底部普遍發(fā)育底礫巖。該熱儲(chǔ)層單井出水量為40～120 m3/h，水溫45～78℃［7］。

2　地?zé)崃黧w水化學(xué)特征

本次共采集新近系館陶組熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w化學(xué)分析數(shù)據(jù)14組，采樣位置見圖1，部分測(cè)試結(jié)果見表1，所有樣品均由具有MA資質(zhì)的天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)。該熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w礦化度自北東向南西增加，礦化度1 109～1 822 mg/L，pH值7.34～

資助項(xiàng)目：天津市國(guó)土局“孔隙型地?zé)豳Y源開發(fā)對(duì)地面沉降影響研究（國(guó)土房任［2014］12號(hào)）”

表1　新近系館陶組熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w化學(xué)分析數(shù)據(jù)表Tab.1　The chemical data of geothermal fluid in Neogene Guantao thermal reservoir

3　地?zé)崃黧w常量組分的形成和演變

深循環(huán)的地?zé)崃黧w，在補(bǔ)給、徑流、埋藏和排泄的長(zhǎng)期演化過(guò)程中，不斷對(duì)圍巖系統(tǒng)進(jìn)行淋濾并發(fā)生著組分的交換作用，使水中穩(wěn)定組分聚集，不穩(wěn)定組分則聚集于圍巖孔隙中，隨著時(shí)間的累積，各主要離子的含量有著不同的變化趨勢(shì)［8］。本次選取長(zhǎng)觀資料完整的3眼館陶組地?zé)峋?號(hào)、9號(hào)和13號(hào)作為主要研究對(duì)象。

圖2　館陶組地?zé)崃黧wPiper圖Fig.2 Piper diagram of the Guantao geothermal water

3.1氯離子（Cl-）和鈉離子（Na+）

研究區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)崃黧w大部分rNa/rCl大于1，一般在1.4～7.2之間，具有溶濾水的特征。通過(guò)歷年離子演化圖（圖3）可以看出離子的變化趨勢(shì)。

從圖3可以看出，1號(hào)井地?zé)崃黧w在近14年中Na+、Cl-離子有一個(gè)先減少后增加而后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)；9號(hào)井地?zé)崃黧wNa+離子先減少后增加而后又減少、增加，而Cl-離子變化不大，基本保持穩(wěn)定的狀態(tài)；13號(hào)井地?zé)崃黧w呈先減少后增加的趨勢(shì)，其中Cl-離子的增加趨勢(shì)較Na+離子大。

3.2硫酸根離子（SO42-）和重碳酸根離子（HCO3-）

這3眼地?zé)峋責(zé)崃黧w中主要的陰離子為HCO3-，所占比例分別為45.7%，71.3%和47.2%，SO42-離子所占比例從6.5%～20%不等。SO42-和HCO3-的產(chǎn)生及不同比例的出現(xiàn)可能取決于以下的過(guò)程［9、10］：①在氧化條件下硫化礦物溶解于地下水中，生成產(chǎn)物H2SO4，隨后H2SO4又與硅酸鹽（主要存在于長(zhǎng)石中）反應(yīng)，被中和了一部分。②地下水中溶解的H2CO3也與硅酸鹽（主要存在于長(zhǎng)石中）反應(yīng)，生成HCO3-。

過(guò)程①使水中的Na2SO4增多，而NaHCO3則產(chǎn)生于過(guò)程②，通過(guò)對(duì)地?zé)崃黧w成分的分析推斷，過(guò)程②在三個(gè)地?zé)峋責(zé)崃黧w的形成過(guò)程中起主要作用。

從圖4可以看出，13號(hào)井地?zé)崃黧wSO42-有明顯的增加趨勢(shì)，而相對(duì)應(yīng)的HCO3-則有所減少，這說(shuō)明隨著時(shí)間的變化，13號(hào)井地?zé)崃黧w中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程①所起的作用越來(lái)越大；1號(hào)井地?zé)崃黧w的SO42-先減少后增加，HCO3-對(duì)應(yīng)的先增加后減少；9號(hào)井地?zé)崃黧w的SO42-和HCO3-的變化則更加清晰的體現(xiàn)了兩者此消彼長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，HCO3-先減少后增加然后又減少，SO42-則對(duì)應(yīng)地反方向變化，說(shuō)明了化學(xué)反應(yīng)①和②的交替活躍過(guò)程。

圖3　Na+、Cl-離子演化圖Fig.3 The evolution of the Na+and Cl-

圖4　SO42-、HCO3-離子演化圖Fig.4 The evolution of the SO42-and HCO3-

3.3鈣（Ca2+）和鎂離子（Mg2+）

研究區(qū)內(nèi)地?zé)峋腃a2+、Mg2+含量都很低，這主要是因?yàn)轲^陶組含水層巖性以含鈉、鉀長(zhǎng)石為主。另外，陰離子中占主要比例的SO42-和HCO3-鈣鹽化合物溶解度都比較低，即使有部分Ca2+、Mg2+從巖石中溶出，也會(huì)在與K+、Na+的交替吸附作用過(guò)程中被圍巖吸附。

3.4微量元素水文地球化學(xué)特征

地?zé)崃黧w中含有多種對(duì)人體有益的微量元素。一般來(lái)說(shuō)，其含量都較低，但在某些特定條件下，也可能達(dá)到較高的值。本文著重討論硼、氟在地?zé)崃黧w中的特征。

研究區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)崃黧w中偏硼酸含量在20.5～30.78 mg/L，其中13號(hào)井地?zé)崃黧w中硼的含量較低為7.33 mg/L，1號(hào)井和9號(hào)井地?zé)崃黧w中硼的含量分別為6.09 mg/L和6.58 mg/L。由于影響硼含量的重要因素是壓力和溫度，隨著壓力和溫度的增高，硼在水中的溶解度增大。

13號(hào)井地?zé)崃黧w中氟的含量5.89 mg/L，9號(hào)井地?zé)崃黧w中氟的含量7.29 mg/L，1號(hào)井地?zé)崃黧w中氟的含量9.00 mg/L，由于3～6 mg/L的氟含量就可以造成氟中毒，因此該地?zé)崃黧w的氟含量嚴(yán)重超標(biāo)，不適于飲用，但用于治療皮膚病和風(fēng)濕都有很好的療效。

一般來(lái)說(shuō)，地下水中的氟含量與圍巖的氟含量、地下水的類型、溫度、pH值等有關(guān)。在地?zé)崃黧w中尤其與溫度有很好的相關(guān)關(guān)系。圖5是1、9和13號(hào)井地?zé)崃黧w中氟含量與水溫、pH值的關(guān)系圖，氟含量與兩者都呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于館陶組地?zé)崃黧w，雖然溫度從45～69℃，幾乎具有同一濃度的氟離子。也就是說(shuō)整個(gè)區(qū)域氟離子含量較高，說(shuō)明了塘沽地區(qū)館陶組地?zé)崃黧w具有相同的來(lái)源。

圖5　各地?zé)峋x子與溫度、pH關(guān)系Fig.5 Relationship between the F-，temperature and pH in geothermal well

4　結(jié)論

（1）從Piper圖中可以看出，館陶組地?zé)崃黧w的主要陽(yáng)離子為Na+，其次是Ca2+和K+，主要陰離子為HCO3-和Cl-，其次為SO42-。

（2）研究區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)崃黧w的變質(zhì)系數(shù)rNa/ Cl大于1，分別為1.4，7.2和1.6，具有溶濾水的特征。

（3）隨著時(shí)間的變化Na+、Cl-還有SO42-、HCO3-波動(dòng)明顯，說(shuō)明該地?zé)崃黧w補(bǔ)給和循環(huán)比較活躍。

（4）館陶組地?zé)崃黧w含有較為豐富的微量元素，且氟離子含量明顯較高，說(shuō)明了塘沽地區(qū)館陶組地?zé)崃黧w都具有相同的來(lái)源。

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中圖分類號(hào)：P641.5；P341.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-4135（2016）02-0149-04

收稿日期：2015-10-27

作者簡(jiǎn)介：張芬娜（1981-），女，工程師，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水文與水資源工程，現(xiàn)主要從事地?zé)岱矫娴难芯?，E-mail：ying-ying22@163.com。.54，為中性或弱堿性水，總硬度14.5～95.1 mg/L，總堿度362.8～450.4 mg/L，水化學(xué)類型由HCO3·Cl-Na型過(guò)渡為Cl·HCO3-Na型［7］。圖2為研究區(qū)地?zé)崃黧wPiper圖，從圖中可以看出，館陶組地?zé)崃黧w的主要陽(yáng)離子為Na+，其次是Ca2+和K+，主要陰離子為HCO3-和Cl-，其次為SO42-。由Piper圖可以直觀的看出，館陶組地?zé)崃黧w，無(wú)論溫度高低、流量大小、分布遠(yuǎn)近，基本上具有相近的水化學(xué)特征。只有個(gè)別離子的含量有一定的差異，這是導(dǎo)致地?zé)崃黧w水化學(xué)類型不同的主要原因，研究區(qū)水質(zhì)類型以HCO3·CL-Na為主，亦有Cl·HCO3-Na型。

Evolution of geothermal fluids in Guantao layer of Tanggu district in Tianjin

ZHANG Fen-na，JIAZhi，LI Hu，GAO Liang，ZONG Zhen-hai
（Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design，Tianjin 300250，China）

Abstract：This article aimed to study the formation and evolution of the elements Na-，Cl-，HCO3-，SO42-，Ca2+and Mg2+n the geothermal fluid by analysing of hydrochemical data in geothermal fluid collected from the geothermal obervation wells in Guantao layer of Tanggu district.The results show that the geothermal fluid has the characterstics of lixiviation.Geothermal fluid has full recharge and strong circulation.By comparison of the trace elements，geothermal fluids in Guantao layer have the same sources of supply.

Keywords：Tanggu district；geothermal fluids；Guantao layer；sources of supply