郭帥

摘 要：本文搜集了11個(gè)水樣點(diǎn)的水化學(xué)數(shù)據(jù)，其中p1-p5取自北京平谷地區(qū)的5個(gè)片麻巖地?zé)峋?。通過對(duì)比，片麻巖水樣的水化學(xué)類型主要為SO4-Na，且地?zé)崴蟹⑵杷?、偏硼酸普遍偏高，大部分能夠達(dá)到有醫(yī)療價(jià)值的濃度。p1-p5均為半腐蝕性、不結(jié)垢的地?zé)崴?，推測(cè)北京平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴疄榘敫g性、不結(jié)垢的地?zé)崴責(zé)崴陂_發(fā)利用過程中要有效防范腐蝕性問題。從p1-p5水化學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴杏欣渌烊氲目赡?。通過硅-焓模型分析，推測(cè)平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度在98℃～207℃，水樣中混入的冷水比例大部分在77%～88%之間。

關(guān)鍵詞：北京平谷;片麻巖;地?zé)崴?水化學(xué);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?zé)豳Y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(chǔ)，并成功鉆鑿多眼地?zé)峋?。平谷地區(qū)在北京市地?zé)豳Y源規(guī)劃中屬于其他地區(qū)，地?zé)峥辈轱L(fēng)險(xiǎn)性較大，允許進(jìn)行地?zé)豳Y源方面的風(fēng)險(xiǎn)勘查與開發(fā)利用研究（北京市國(guó)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(zhǎng)片麻巖、輝石角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云母角閃斜長(zhǎng)片麻巖等，局部地區(qū)混合巖化強(qiáng)烈。片麻巖本身致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，含水性差。鉆鑿地?zé)峋奈恢枚辔挥跇?gòu)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(chǔ)為斷裂-深循環(huán)型地?zé)豳Y源。

片麻巖中開采地?zé)豳Y源的案例不多，其水化學(xué)特征尚不明確。本文在水樣點(diǎn)水化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合周邊片麻巖出露溫泉的水質(zhì)和北京市其他類型熱儲(chǔ)的水質(zhì)資料，對(duì)比分析得到片麻巖地?zé)崴奶卣鳎瑸槠浜侠黹_發(fā)利用提供指導(dǎo)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?zé)峋畼?組，編號(hào)p1-p5，水樣位置見圖1;河北省境內(nèi)片麻巖出露溫泉水水樣2組（遵化溫泉編號(hào)s1和崔莊溫泉編號(hào)s2）（王瑩，2010）。大興區(qū)長(zhǎng)城系熱儲(chǔ)地?zé)峋畼?組（增瑞祥等，2001），編號(hào)q1;昌平區(qū)小湯山地?zé)崽锼E縣系霧迷山組為熱儲(chǔ)層的地?zé)峋畼?組（增瑞祥等，2001），編號(hào)q2。平谷區(qū)山前基巖冷水水樣1組，編號(hào)jy;平谷區(qū)第四系冷水水樣1組，編號(hào)dsx。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 熱儲(chǔ)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(zhǎng)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?zé)豳Y源勘查成果和實(shí)鉆資料，平谷地區(qū)主要的熱儲(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)片麻巖和含輝角閃斜長(zhǎng)片麻巖，云輝變粒巖呈韻律式互層，局部夾淺粒巖、斜長(zhǎng)（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(zhì)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?zé)峋奈恢枚辔挥跇?gòu)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(chǔ)為斷裂-深循環(huán)型地?zé)豳Y源。地下熱水形成過程：大氣降水滲入地下轉(zhuǎn)化 為地下水，進(jìn)入深部水文循環(huán)，地下水流經(jīng)構(gòu)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(gòu)造裂隙。搜集的地?zé)峋皽厝膬?chǔ)、蓋層信息見表1。

1.2 蓋層

形成地?zé)崴牧硪粋€(gè)重要條件是具有較好的熱儲(chǔ)蓋層，一般熱儲(chǔ)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(chǔ)層上覆地層為第四系和長(zhǎng)城系，第四系巖性主要為砂黏、黏砂、砂礫石，保溫性能較好;長(zhǎng)城系巖性主要為砂頁巖、石英砂巖、泥質(zhì)白云巖，該層富水性普遍較差，隔熱性相對(duì)較好。

2 地?zé)崴瘜W(xué)特征

2.1 水化學(xué)類型

地?zé)崴诟邷馗邏簵l件下不斷的與周邊圍巖發(fā)生物理、化學(xué)變化，這些變化使地?zé)崴N(yùn)含了豐富的礦物質(zhì)。

為了與北京地區(qū)主要儲(chǔ)層的地?zé)崴畬?duì)比，選取了長(zhǎng)城系水樣點(diǎn)q1和薊縣系水樣點(diǎn)q2。長(zhǎng)城系熱儲(chǔ)以高于莊組白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r為主，開采高于莊組熱水的地?zé)峋欢?，水樣點(diǎn)q1的水化學(xué)類型屬于HCO3·Cl-Na型。薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)為北京地區(qū)最主要的熱儲(chǔ)層，以碳酸巖地層為主，主要水化學(xué)類型為HCO3-SO4-Na-Ca-Mg、HCO3-Na-Ca，q2的水化學(xué)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(xué)特征對(duì)比，搜集了平谷區(qū)山前基巖井水樣（編號(hào)：jy）和第四系井水樣（編號(hào)：dsx）的水化學(xué)資料（表2）。兩個(gè)水樣點(diǎn)的水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg。

片麻巖熱儲(chǔ)的資料較少，根據(jù)搜集的2個(gè)溫泉和5個(gè)地?zé)峋乃|(zhì)資料來看，其主要水化學(xué)類型為SO4-Na型（圖2）。其中p1的取水層位包括長(zhǎng)城系和片麻巖，其水化學(xué)類型為HCO3-Mg·Ca，屬于混合后的水質(zhì)。p5的井深較淺，僅為200m，地?zé)崴锌赡芑烊肓藴\層地下水，其水化學(xué)類型為HCO3·NO3-Ca。除p1外，其他4個(gè)水樣點(diǎn)的取水層位均為片麻巖，但由于片麻巖熱儲(chǔ)屬于受斷裂控制的帶狀熱儲(chǔ)，水樣點(diǎn)的水化學(xué)特征因不同導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造的影響較大。片麻巖中地?zé)崴c北京市薊縣系和長(zhǎng)城系層狀熱儲(chǔ)在水化學(xué)類型上有明顯差異。

通過水樣點(diǎn)的Na-K-Mg三角圖可知（圖3），除p2和p3地?zé)崴疄椴糠制胶馑?，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(diǎn)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?zé)崴谐：衅杷?、氟、鋰、鍶等多種有益組分。根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）附錄E理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將有醫(yī)療價(jià)值指標(biāo)濃度、命名礦水指標(biāo)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(diǎn)均含有地?zé)崴赜械幕瘜W(xué)組分，但數(shù)據(jù)沒有明顯的差異性。總體上看，片麻巖地?zé)崴姆⑵杷?、偏硼酸普遍偏高，普遍能夠達(dá)到有醫(yī)療價(jià)值濃度。其中，p5的地?zé)崴卣鹘M分含量普遍較低，這可能與p5井深較淺，地?zé)崴泻芸赡芑烊肓藴\層地下水。

溫泉屬于自流出地表的地?zé)崴?，由于地?zé)崴厥獾睦砘再|(zhì)及其對(duì)人體的影響，我國(guó)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?zé)崴倪@些特征組分具有不同的醫(yī)療價(jià)值，可為地?zé)豳Y源的合理開發(fā)提供有利條件。

2.3 腐蝕性與結(jié)垢性

（1）腐蝕性評(píng)價(jià)

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）第9.4.2條，參照工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，用腐蝕系數(shù)來衡量地?zé)崴母g性，計(jì)算結(jié)果見表4。

計(jì)算結(jié)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(gè)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(jié)垢性評(píng)價(jià)

當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w中氯離子含量較低（<25%摩爾當(dāng)量）時(shí)，可根據(jù)雷茲諾指數(shù)（RI）定性估計(jì)地?zé)崃黧w碳酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)，本次選取水樣的氯離子摩爾當(dāng)量均小于25%。雷茲諾指數(shù)（RI）按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）第9.5.3.2條計(jì)算，結(jié)果見表5，q2結(jié)垢中等;s1、s2、q1結(jié)垢輕微;p1-p5不結(jié)垢。

通過腐蝕性和結(jié)垢性計(jì)算，得出以下結(jié)論：q2水樣屬于小湯山地?zé)崽铮瑸榉歉g性水，結(jié)垢性為中等;q1水樣屬于雙橋地?zé)崽?，為非腐蝕性水，結(jié)垢性為輕微（接近不結(jié)垢），計(jì)算結(jié)果與兩眼井的開發(fā)利用實(shí)際情況相符，證實(shí)本次計(jì)算結(jié)果可靠。p1-p5均為半腐蝕性、不結(jié)垢的地?zé)崴?，推測(cè)北京平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴疄榘敫g性、不結(jié)垢的地?zé)崴?。s1、s2雖然也屬于片麻巖地?zé)崴?，但其腐蝕性和結(jié)垢性與北京地區(qū)不同，認(rèn)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(dǎo)致了地?zé)崴|(zhì)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(dāng)量百分?jǐn)?shù)組成）。統(tǒng)計(jì)點(diǎn)處于圖的左上方反應(yīng)較純的地?zé)崴?，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?zé)崴嫉谋壤?，反之靠近右下角表示大氣降水混入較多（北京市地質(zhì)工程勘察院，2001）。為了在圖中較為明確的反應(yīng)出水化學(xué)所處的位置，以大氣降水補(bǔ)給的多寡按對(duì)角線自右下方向左上方分出5個(gè)檔次，分別命名為A、B、C、D、E區(qū)。

本次選取的11個(gè)水樣點(diǎn)的水化學(xué)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?zé)崴?s2和q1分別位于D區(qū)和C區(qū)，屬于混入大氣降水的地?zé)崴?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?zé)崴?。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(duì)照。

p1和q2水樣都含有長(zhǎng)城系地?zé)崴?，其分布位置近似，說明長(zhǎng)城系地?zé)崴畬儆诨烊氪髿饨邓^多的，其徑流過程要短于較純的地?zé)崴?/p>

p5由于井深較淺，推測(cè)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(chǔ)的水樣基本都屬于較純的地?zé)崴?，處于還原環(huán)境，這與地?zé)崴幍臉?gòu)造特征、補(bǔ)給源等有關(guān)。單從混入大氣降水的程度來看，片麻巖熱儲(chǔ)混入的要少于長(zhǎng)城系熱儲(chǔ)，推測(cè)片麻巖中的地?zé)崴?jīng)歷的徑流過程要長(zhǎng)于長(zhǎng)城系中地?zé)崴?/p>

2.5 混合模型

（1）離子比

利用搜集的平谷區(qū)水樣點(diǎn)水化學(xué)組分計(jì)算得到組分離子比（表6）。Na/K：低比值一般反應(yīng)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(cè)p1和p5屬于相對(duì)高溫條件的地?zé)崴l/F：若有冷水混入，比值通常會(huì)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?zé)崴瓹l/B比值相同。Cl/B比值除p5外相差不大，推測(cè)p1-p4采樣點(diǎn)起源相同。Cl/SiO2：比值低的地?zé)崴赡芘c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(rèn)為不會(huì)在溶液中沉淀的相對(duì)保守的元素，在水通過巖石的運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)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(guān)系通常認(rèn)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(jì)算，推測(cè)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(shè)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(hào)：dxs，編號(hào)：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(diǎn)通過混合的熱水點(diǎn)所作的直線與石英溶解性曲線相交，交點(diǎn)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(diǎn)主要分布在冷水點(diǎn)和熱水點(diǎn)的兩條連接線范圍內(nèi)。連接冷水點(diǎn)和p4的最上端直線與石英溶解度曲線相交，得出推測(cè)溫度為207℃（880kJ/kg）;連接冷水點(diǎn)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(chǔ)溫度為98℃（260kJ/kg）。因此，推測(cè)平谷區(qū)片麻巖地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度在98℃～207℃范圍內(nèi)。

這些推測(cè)的熱儲(chǔ)溫度比實(shí)際出水溫度要高得多，這表明該熱儲(chǔ)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(jì)算冷水混入的份額。假設(shè)冷水混入的份額為X，則可以得到下面兩個(gè)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?zé)崴蠸iO2含量。

通過計(jì)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?zé)崴睦渌烊敕蓊~差別較大，除p3為12%，其他4個(gè)水樣的冷水混入份額在77%～88%之間。由于水樣均取自地?zé)峋删畷r(shí)且水樣點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，推測(cè)冷水混入與地?zé)崴_采關(guān)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(guān)。

3 結(jié)論

北京平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴乃瘜W(xué)類型主要為SO4-Na，且地?zé)崴蟹?、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，大部分能夠達(dá)到有醫(yī)療價(jià)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(jié)垢的地?zé)崴?，推測(cè)平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴疄榘敫g性、不結(jié)垢的地?zé)崴?。在開發(fā)利用過程中要密切注意管道及其利用設(shè)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?zé)崴杏欣渌烊氲目赡?。通過硅-焓模型計(jì)算，推測(cè)平谷地區(qū)片麻巖地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度在98℃～207℃。由于5個(gè)水樣點(diǎn)的地?zé)崴艿讲煌臄嗔褬?gòu)造控制，熱儲(chǔ)溫度的差異較大主要與其控?zé)釘嗔训囊?guī)模、切割深度等特征有關(guān)，尋找片麻巖中地?zé)豳Y源需要重點(diǎn)考慮附近斷裂構(gòu)造的特征。5個(gè)水樣點(diǎn)計(jì)算的熱儲(chǔ)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(gè)片麻巖水樣的熱儲(chǔ)條件及水化學(xué)特征可以作為今后在平谷地區(qū)開發(fā)利用地?zé)豳Y源的重要依據(jù)。

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