宋一民， 申小龍， 王 偉， 劉 軍

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

地?zé)豳Y源是指能夠經(jīng)濟(jì)地被人類(lèi)所利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮堋⒌責(zé)崃黧w及其有用組分[1]。結(jié)合熱儲(chǔ)介質(zhì)、構(gòu)造成因、水熱傳輸方式等條件綜合考慮地?zé)釡囟确秶?、可被開(kāi)發(fā)利用方式等影響因素將地?zé)豳Y源分為淺層地溫能、水熱型地?zé)崮芎透蔁釒r型地?zé)崮苋N類(lèi)型[2]。淺層地溫能指地下200m以淺，地溫普遍低于25℃，多采用地埋管熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行利用；水熱型地?zé)崮?，指賦存在埋藏深度較深的天然地下水及其水蒸氣中的地?zé)豳Y源。根據(jù)溫度差異可分為：高溫型(溫度>l50℃)、中溫型(90～150℃)以及低溫型(<90℃)[3]；干熱巖地?zé)崮?，指特殊地質(zhì)構(gòu)造條件造成高溫但少水甚至無(wú)水的溫度不低于180℃干熱巖體，通過(guò)注入低溫水與周?chē)母邷貛r石進(jìn)行熱交換，再將產(chǎn)生的高溫水進(jìn)行利用。其利用還未實(shí)現(xiàn)完全的規(guī)?；蜕虡I(yè)化[2]。我國(guó)水熱型地?zé)崮苁軜?gòu)造、巖漿活動(dòng)、地層巖性等因素控制分布不均勻，其中中低溫地?zé)豳Y源主要分布于大型沉積盆地，其地?zé)豳Y源儲(chǔ)集條件好、儲(chǔ)層多、厚度大、分布廣，是地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)潛力最大的地區(qū)[4]。

研究區(qū)位于我國(guó)西北地區(qū)陜西省寶雞市某縣城，地處秦嶺以北“元寶形”渭河斷陷盆地，屬典型的暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候，冬季平均溫度2.7℃，取暖期較長(zhǎng)，剛性供暖需求突出。渭河盆地在西部收窄，研究區(qū)處于“元寶形”盆地的左端[5]，在地質(zhì)歷史構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，其斷裂構(gòu)造多為導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂，基巖上覆蓋了巨厚層半膠結(jié)粗-粉砂的新近系(250～500m)，其中新近系的藍(lán)田灞河組半膠結(jié)砂巖是區(qū)域主要含水層，多期構(gòu)造形成的斷裂體系是地下水儲(chǔ)存與運(yùn)動(dòng)的主要含水空間。水文地球化學(xué)方法是認(rèn)識(shí)地?zé)豳Y源形成機(jī)制、賦存環(huán)境以及循環(huán)機(jī)理的有效手段[6]。本文以渭河斷陷盆地西端地區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)研究區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征，采用水文地球化學(xué)測(cè)試與分析方法，對(duì)研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)于研究區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)汾渭地層分區(qū)渭河地層小區(qū)，地層主要為中元古界石英片巖和新生界松散巖類(lèi)。由老到新分述如下：

1.1.1 中元古界寬坪群(Pt2Kp)

巖性主要為絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、云母石英片巖及少量大理巖。根據(jù)地?zé)徙@探結(jié)果，目前揭露最大厚度732m，未揭穿，厚度不詳。本地層視電阻率隨深度逐漸升高，明顯有大幅度增高趨勢(shì)(>60Ω·m)。

1.1.2 新生界新近系藍(lán)田-灞河組(N2l+b)

埋藏于基底之上，北深南淺，北厚南薄，厚度250～500m，往東逐漸變厚。同一構(gòu)造分區(qū)內(nèi)，東西向厚度、埋深變化相對(duì)較小。巖性頂部為棕-暗紅色泥巖與灰白色粗-粉砂巖不等厚互層；中下部為棕-暗紅色泥巖與灰白色、淺灰色細(xì)-粉砂巖及砂礫巖不等厚互層，砂礫巖泥質(zhì)半膠結(jié)。視電阻率(20～60Ω·m)，電阻率變化基本呈線性增高趨勢(shì)；縱向連續(xù)性較好，水平方向連續(xù)性一般。

1.1.3 新生界第四系(Q)

下部巖性為黏土層、砂質(zhì)黏土和細(xì)砂巖不等厚互層，夾薄層泥灰?guī)r，具明顯的韻律結(jié)構(gòu)、水平層理或交錯(cuò)層理。上部沉積物主要為淺黃-灰黃黏土、細(xì)砂巖與砂礫層互層，從下至上沉積物顆粒由細(xì)變粗。厚度420～450m。視電阻率整體較小(5～30Ω·m)。

1.2 構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)在大地構(gòu)造上處于渭河斷陷盆地之寶雞凸起東部的眉縣淺凹。主要構(gòu)造單元屬華北板塊(柴達(dá)木—華北板塊)渭河斷陷盆地(E—Qh)。據(jù)已有資料，研究區(qū)周邊存在四條區(qū)域性的大斷裂，分別為秦嶺山前斷裂(F1)、余下斷裂(F2)、啞柏?cái)嗔?F3)、渭河斷裂(F4)。

研究區(qū)位于渭河斷裂以南，根據(jù)2019年在研究區(qū)所做的鉆探和物探工作，確定區(qū)內(nèi)發(fā)育三條斷裂，推斷為渭河斷裂的次級(jí)斷裂構(gòu)造。經(jīng)綜合研究，研究區(qū)縣城北部發(fā)育MF1斷層，其南側(cè)700～1 000m發(fā)育次生斷層MF2，同時(shí)推斷南部發(fā)育疑似斷層MF3；MF1、MF2及MF3均傾向北，傾角70°～80°，為隱伏正斷層。

1.3 熱儲(chǔ)概況

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)周邊地?zé)峋衣兜貙訋r性特征綜合分析，可劃分出第四系保溫蓋層及新近系藍(lán)田-灞河組、基巖風(fēng)化帶、斷層裂隙帶熱儲(chǔ)層。

1.3.1 第四系保溫蓋層

厚度420～450m。上部為灰-黃色粗砂、含礫粗砂及礫石、卵石層；中部為厚層狀黃色黏土、粗中砂層；下部為以黃色粗-中砂層與黃色-棕紅色粉質(zhì)黏土互層。巨厚的第四系沉積為地?zé)豳Y源形成起到隔熱保溫作用，同時(shí)細(xì)粒相黏土層儲(chǔ)熱條件相對(duì)較差，視為隔熱保溫層。

1.3.2 新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組熱儲(chǔ)層段

厚度250～500m。頂部為棕-暗紅色泥巖與灰白色粗-粉砂巖不等厚互層；中下部為棕-暗紅色泥巖與灰白色、淺灰色細(xì)-粉砂巖及砂礫巖不等厚互層，砂礫巖泥質(zhì)半膠結(jié)。據(jù)測(cè)井解釋成果反映，該層熱儲(chǔ)砂層共28層，單層厚度0.9～11.9m，砂巖累計(jì)厚度82.9m，砂厚比為21.28%。該熱儲(chǔ)層砂巖孔隙度56.03%～47.66%，滲透率58.85～1 511.23mD。富水性較好。

1.3.3 基巖風(fēng)化帶和斷層裂隙帶熱儲(chǔ)層段

位于中元古界寬坪群，厚度大于730m，為絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、云母石英片巖及少量大理巖。據(jù)測(cè)井解釋成果反映，共有53層砂巖，砂巖總厚度為98.2m，砂厚比為43.1%，單層厚度最大為5.9m，最薄為0.6m，平均單層厚度1.85m。該層砂巖孔隙度1.11%～31.21%，滲透率0.01～282.36mD。主要富集裂隙水，富水性好。

1.4 工程概況

本次分析研究工作是依托陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司在研究區(qū)的清潔能源供暖系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)老城區(qū)和新城區(qū)的已建、在建建筑進(jìn)行供熱改造和新增供熱服務(wù)，規(guī)劃供熱面積約300萬(wàn)m2。利用地下熱水(尾水回灌)作為能源進(jìn)行清潔化改造建設(shè)。目前施工8口地?zé)峋骄? 300m，終孔層位中元古界寬坪群，取熱目標(biāo)層位是斷層裂隙。平均井口自流水量140m3/h，井口平均水溫達(dá)46℃，由于管網(wǎng)建設(shè)原因，目前利用3口，供熱面積達(dá)到100萬(wàn)m2，已完成2個(gè)供暖季，基本形成了研究區(qū)城區(qū)清潔能源供暖系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行。

2 材料與研究方法

2.1 樣品采集

目前已完成8口地?zé)峋┕?，所利用的地?zé)崴畞?lái)源為新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組下部熱儲(chǔ)層段和基巖風(fēng)化帶和斷層裂隙帶熱儲(chǔ)層段。對(duì)8口地?zé)峋杉说責(zé)崴畼悠?，開(kāi)展了測(cè)試工作。測(cè)試項(xiàng)目為簡(jiǎn)分析、全分析包括特殊組分、放射性等。以此為基礎(chǔ)充分對(duì)研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)特征進(jìn)行分析研究。

2.2 研究方法

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)基本特征

目前研究區(qū)實(shí)施的8口地?zé)峋?，均位于縣城區(qū)北部渭河南岸的眉?jí)]大道兩側(cè)，處于前期通過(guò)物探手段確認(rèn)的MF1、MF2兩條斷層的附近。地?zé)峋疅崴乃瘜W(xué)基本特征如表1所示。結(jié)合收集資料研究、地?zé)峋伎自O(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地?zé)峥辈楣ぷ鳎蓸臃治龅贸鲅芯繀^(qū)利用的地?zé)崴饕獊?lái)自新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組下部熱儲(chǔ)層段和基巖風(fēng)化帶以及斷層裂隙帶熱儲(chǔ)。地?zé)崴疁囟?1.5～53.0℃，均值46.3℃，屬于中低溫水熱資源。地?zé)崴V化度為647.95～930.35mg/L，均值752.35mg/L，屬淡水。pH值7.83～8.75，均值8.30，弱堿性水。

從表1可以看出，研究區(qū)主要的陽(yáng)離子為Na+；陰離子主要是HCO3-，Cl-和SO42-次之。地?zé)崴乃瘜W(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Na型，個(gè)別為HCO3·SO4-Na型和HCO3-Na型。

表1 研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)基本特征

3.2 特殊組分

另外，偏硅酸(H2SiO3)是一種對(duì)人體非常有益的礦物元素，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，研究區(qū)地?zé)峋瓾2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，平均29.9 mg/L。除了最東部的G101井為16.6 mg/L以外，其余地?zé)峋杷岷烤_(dá)到了礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)和有醫(yī)療價(jià)值濃度(理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，>25mg/L)。另外位于工作區(qū)最西部的三口地?zé)峋?其余井未檢出)總硫化氫(H2S)含量1.18～3.97mg/L，平均2.34mg/L。達(dá)到了命名礦水濃度的標(biāo)準(zhǔn)(理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，>2mg/L)，可命名為硫化氫水。

通過(guò)分析特殊組分，研究區(qū)地?zé)崴缓?、偏硅?H2SiO3)等對(duì)人體有益的各種元素。

3.3 TDS、地?zé)崴g性和結(jié)垢趨勢(shì)評(píng)價(jià)

總?cè)芙夤腆w(TDS)是地下水質(zhì)的一個(gè)重要綜合性指標(biāo)，其受地層、巖性及地?zé)崴a(bǔ)徑排的影響，根據(jù)采樣化驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)地?zé)崴甌DS在 513～692mg/L，平均值596 mg/L，屬淡水。

地?zé)崴幸蚝新雀⒘蛩岣?、游離二氧化碳和硫化氫等組分對(duì)金屬有一定的腐蝕性，一般地?zé)崴腡DS越大，其腐蝕性越強(qiáng)[8-9]。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范(GB/T11615—2010)》中的評(píng)價(jià)方法參照工業(yè)上用腐蝕系數(shù)來(lái)衡量研究區(qū)地?zé)崴母g性：

(1)

式中：Kk為腐蝕系數(shù)；γ為熱水中離子含量的每升毫摩爾數(shù)。

當(dāng)?shù)責(zé)崴新入x子含量較低(<25%摩爾當(dāng)量)時(shí)，可根據(jù)以下公式定性計(jì)算地?zé)崴妓徕}的結(jié)構(gòu)趨勢(shì)：

RI=2pHs-pHa

(2)

pHs=-lg[Ca2+]-lg[ALK]+Ke

(3)

根據(jù)施工地?zé)峋乃|(zhì)化驗(yàn)分析結(jié)果，經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)地?zé)崴鶠榉歉g性水；結(jié)垢指數(shù)6.42～8.55，結(jié)垢趨勢(shì)為輕微-不結(jié)垢。

3.4 K-Mg地?zé)釡貥?biāo)

地球化學(xué)溫標(biāo)計(jì)算法是一種有效估算地?zé)崽餆醿?chǔ)層溫度的方法。水與圍巖系統(tǒng)中，K-Mg溶質(zhì)到達(dá)平衡最為快速，對(duì)于溫度的變化調(diào)整速度也很快[10]，而且K-Mg溫標(biāo)也更適用于低溫?zé)崴到y(tǒng)。所以應(yīng)用此溫標(biāo)來(lái)估算研究區(qū)熱儲(chǔ)層溫度，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：t為熱儲(chǔ)溫度，℃；c1為熱水中K+的含量，mg/L；c2為熱水中Mg2+的含量，mg/L。

從表2可以看出，C201和G101井的熱儲(chǔ)推算溫度相對(duì)于其它地?zé)峋黠@偏低，為45.6～47.8℃，其余地?zé)峋疅醿?chǔ)溫度64.6～83.5℃。查看K+、Mg2+濃度，C201和G101井相對(duì)于其它地?zé)峋裁黠@偏小，平面位置上此2口地?zé)峋诠ぷ鲄^(qū)的最東部，推斷可能是熱儲(chǔ)層巖性不同所造成的原因。整體地?zé)峋谒疁匦∮诘責(zé)釡貥?biāo)推斷熱儲(chǔ)溫度是由于施工地?zé)峋鶠榛旌先∷ㄉ喜啃陆瞪闲陆y(tǒng)藍(lán)田-灞河組水和下部斷層裂隙帶水。由于新近系水溫較低，所以井口出水溫度低于地?zé)釡貥?biāo)推斷熱儲(chǔ)溫度[11-15]。

表2 研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)溫標(biāo)及實(shí)測(cè)溫度

4 結(jié)論

1)研究區(qū)地處關(guān)中盆地西部，在地質(zhì)歷史構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，其斷裂構(gòu)造多為導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂。區(qū)域內(nèi)有第四系保溫蓋層及新近系藍(lán)田-灞河組、基巖風(fēng)化帶、斷層裂隙帶熱儲(chǔ)層，其中斷層裂隙帶是研究區(qū)的主要熱儲(chǔ)層。

3)研究區(qū)地?zé)崴蟹暮?.78～9.30mg/L，偏硅酸含量H2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，部分地?zé)峋目偭蚧瘹浜?.18～3.97mg/L，均達(dá)到了理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的有醫(yī)療價(jià)值濃度、礦水濃度和命名礦水濃度的標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的醫(yī)用理療價(jià)值。

4)研究區(qū)地?zé)崴鶠榉歉g性水；結(jié)垢指數(shù)6.42～8.55，結(jié)垢趨勢(shì)為輕微-不結(jié)垢。對(duì)管道的腐蝕、設(shè)備的侵蝕作為非常小，該地?zé)崴梢蚤L(zhǎng)期作為縣城清潔供暖的熱力載體。

5)利用K-Mg地?zé)釡貥?biāo)法對(duì)熱儲(chǔ)溫度的估算，熱儲(chǔ)推算溫度45.6～83.5℃。