程國強

寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質調查院，寧夏銀川 750021

地熱資源是貯存在地球深部的清潔可再生的新興能源，具有儲量大、分布廣和開發(fā)利用安全、穩(wěn)定、清潔、高效的特點。隨著社會對能源危機、環(huán)境保護的深入關注，以及我國實現能源生產消費革命的迫切需要，加快推動地熱資源的科學開發(fā)利用，緩解資源能源緊缺形勢，已成為保障國家能源安全和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[1]。近20年來，寧夏地質工作者持續(xù)開展了地熱資源勘查工作，并取得了一系列地熱資源找礦突破。2018年，寧夏地質局地質工程院依托“天山海世界地熱資源勘查”項目，在銀川黃河東岸開展了物探結合鉆探的綜合勘查工作，首次在寧夏發(fā)現受構造控制的對流型地熱資源。該區(qū)域地熱資源水溫高，單井出水量大，熱儲層埋深淺，充分顯示了銀川黃河東岸存在巨大的地熱開發(fā)利用潛力。在分析銀川黃河東岸地熱地質條件的基礎上，通過分析已實施地熱井水化學，評價地熱流體的腐蝕性、結垢性和理療作用進行分析，為該區(qū)域未來開發(fā)利用地熱資源提供基礎依據。

1 研究區(qū)地熱地質條件

1.1 研究區(qū)構造特征

研究區(qū)大地構造位于黃河斷裂以東，屬于Ⅲ級構造單元鄂爾多斯地塊之Ⅳ級構造單元鄂爾多斯西緣沖斷帶，其包括3個Ⅴ級構造單元：賀蘭山褶斷帶、銀川斷陷盆地、陶樂—彭陽褶斷帶。工作區(qū)位于陶樂—彭陽沖斷帶上。

黃河斷裂：呈北北東向展布。北段（臨河—紅崖子）大體沿黃河東側展布，南段（白土崗—臨河）沿銀川平原與寧東臺地分界線展布。黃河斷裂既是大的地質構造與地貌單元分界線，又是切割較深的活動性斷裂，向下切割了殼幔邊界，切割深度超過了40 km[2]。

陶樂—彭陽（寧東地區(qū)稱桌子山—橫城堡）逆沖斷帶：展布于車道—阿色浪斷裂以西、黃河斷裂與牛首山—羅山斷裂以東地區(qū)，東接天環(huán)復向斜帶，西以近南北向的銀川斷陷盆地東緣黃河斷裂為界；東以近南北向的桌子山東麓斷裂為界，兩大斷裂之間還有一系列同方向的逆沖、反沖斷裂及夾于其間的不完整斷塊和褶皺，發(fā)育一些切割了主構造的近東西向橫斷裂[3]。其中，黃河斷裂主體向西陡傾，屬正斷層性質，其他近南北向主構造均屬擠壓—逆沖性質?？傮w構成了較為復雜的疊瓦狀構造帶。構造帶北部逆沖、反沖斷層，傾角一般為50°～60°，斷距200～500 m，褶皺多不對稱，軸面多東傾，背斜東翼寬緩，西翼陡立。斷塊及褶皺主要由奧紀碳酸鹽巖、上石炭統(tǒng)—二疊系煤系地層較老地層等組成；構造帶南部主要為由中生界（侏羅系、白堊系）組成的發(fā)育完整的褶皺，軸面東傾，軸向由北部的北北東向，向南轉為北西向，在轉折部位，向、背斜軸均翹起。新生界沉積后構造變形不明顯，僅在第四系、古近系地層中有小型褶曲及斷裂。

1.2 研究區(qū)地層

研究區(qū)無基巖出露，區(qū)內全部被第四系（Q）和古近系（E）所覆蓋。依據研究區(qū)內3號鉆井資料解譯成果，經鉆孔揭露地層由老至新依次有：石炭系上統(tǒng)土坡組（Ct）；石炭二疊系太原組（CPt）；二疊系下統(tǒng)山西組（Ps）、石盒子組（Psh）、上統(tǒng)孫家溝組（Psj）；古近系漸新統(tǒng)清水營組（Eq）和第四系（Q）。地層巖性和厚度見表1。

表1 3號地熱勘探井地層綜合簡表

1.3 研究區(qū)地熱特征

1.3.1 熱源研究區(qū)所在的陶樂—彭陽斷沖帶軟流層、莫霍面均呈明顯上隆形態(tài)，導致深部熱流上涌，使地殼深部具有較高的溫度。在斷層破碎帶的溝通作用下，以對流和熱傳遞的方式對上覆地層進行加熱。

1.3.2 熱儲層根據天山海世界3號地熱勘探井揭露，研究區(qū)熱儲層為奧陶系熱儲層，巖性主要為泥質灰?guī)r， 揭露頂板埋深790 m，揭露厚度為920 m。3號井取水段為1 463～1 710 m，根據3號井測井解釋成果，裂隙發(fā)育段占總揭露厚度的23%，裂隙率為7%～167%，滲透率為1～109 μm2，泥質含量6%～32%，富水性較好。

1.3.3 地熱蓋層由新近系、古近系和石炭—二疊系地層組合構成，其中古近系地層厚度200～800 m，石炭—二疊系地層平均厚度100 m，地層的巖石熱導率較低，能夠形成良好的保溫層，是較好的蓋層。

1.3.4 地熱通道黃河斷裂為研究區(qū)西側的控制邊界，向下延伸到下地殼內并切斷莫霍面進入巖石圈地幔，深大活動斷裂除了作為地質體控制地溫外，還提供了深部熱流上移的通道。黃河斷裂為一張性正斷裂，能夠形成良好的導熱通道，將地球深部熱源向淺部運移[4]。熱儲模型見圖1。

圖1 研究區(qū)對流型地熱熱儲模型

2 地熱流體化學特征

3號地熱井為自流井，自流量1 200 m3/d，井口溫度60.5℃，井口壓力0.46 MPa。2018年4月，寧夏地質工程院取地熱水樣2.5 L，委托銀川礦產資源監(jiān)督檢測中心做地熱水質檢驗。地熱水主要離子分析結果見表2。

表2 3號地熱流體水質檢測項目實際值與理療熱礦水水質標準對照表

3 地熱流體質量評價

研究區(qū)地熱資源主要用于溫泉洗浴和供暖。針對地熱資源用途，依據規(guī)范，對地熱流體進行腐蝕性分析、結垢性分析和理療熱礦泉水評價。

3.1 地熱流體腐蝕性分析

地熱流體的化學組分因素對金屬的腐蝕有重大影響。根據3號井水質分析報告，勘探井水樣中的氯離子摩爾濃度百分比大于25%摩爾當量，可采用拉申指數（LI）判斷腐蝕性程度，計算公式：

式（1）中：LI為拉申指數；Cl為地熱流體中氯化物或鹵化物濃度；SQ4為熱流體中硫酸鹽濃度；ALK為總堿度。此三項均以等當量的CaCO3（mg/L）表示。判斷標準為0.5＜拉申指數＜3.0時，具有輕度腐蝕性；3.0＜拉申指數＜7.0時，具有中度腐蝕性；拉伸指數＞7.0時，具有強腐蝕性。經計算，3號地熱井地熱流體拉申指數為19.4，所以該井地熱流體有強腐蝕性。

3.2 地熱流體結垢性分析

3.2.1 碳酸鈣垢依據規(guī)范，該井熱流體中氯離子毫克當量百分比＞25%，地熱系統(tǒng)碳酸鈣垢生成或有生成傾向，用拉申指數進行判斷。計算公式：

判斷標準為：當拉伸指數＞0.5時，不結垢；拉伸指數＜0.5時，可能結垢。3號地熱井地熱流體拉伸指數為19.4＞0.5，所以該井流體無生成碳酸鈣垢的趨勢。

3.2.2 硫酸鈣垢石膏相對飽和度可用來判斷地熱流體中硫酸鈣垢的生成趨勢，計算公式為：

石膏相對飽和度＝lgCa2++lgSO42--lgK

判定標準為：當石膏相對飽和度＜0時，不結垢；當石膏相對飽和度＞0時，可能結垢。經計算3號地熱井地熱流體石膏相對飽和度為-0.16，＜0，所以該井地熱流體無生成硫酸鈣垢趨勢。

3.2.3 硅酸鹽垢可溶性SiO2的相對飽和度可用來判斷地熱流體中硅酸鹽垢的生成趨勢，計算公式為：

可溶性SiO2的相對飽和度＝SiO2/（2.466×104×e-15.53/T）

判斷標準為：當可溶性SiO2的相對飽和度＜1時，不結垢；當可溶性SiO2的相對飽和度＞1時，可能結垢。經計算3號地熱井地熱流體可溶性SiO2的相對飽和度為0.001，＜1，所以該井地熱流體無生成硅酸鹽垢趨勢。

綜上所述，該勘探井地熱流體具有強腐蝕性，沒有生成碳酸鈣垢、硫酸鈣垢和硅酸鹽垢的趨勢。

3.3 理療熱礦泉水評價

參照國家理療熱礦泉水水質標準，3號地熱井地熱水的F含量達到了“有醫(yī)療價值濃度”和“命名礦水濃度”標準，偏硅酸、溫度達到了“有醫(yī)療價值濃度”標準，所以可以命名為“含偏硅酸的氟水溫泉”，適用于溫泉洗浴、理療。由于地熱流體中對洗浴用水影響最大的離子為TFe（Fe2++Fe3+），當TFe＞0.3 mg/L時，洗浴時體感不適。本地熱流體中TFe=5.07，＞0.3 mg/L，應經除鐵罐去除后再使用。

4 結論

通過對研究區(qū)地熱流體的水化學成分進行分析，得到如下結論：

（1）銀川黃河東岸對流型地熱流體化學類型為Cl·SO4-Na型，pH值為6.81，礦化度為6 510.40 mg/L，總堿熱水礦化度較高在今后開發(fā)利用時應積極落實同層回灌，維持熱儲層壓力，減少供熱尾水排放，做到以熱養(yǎng)熱，保護生態(tài)環(huán)境，科學合理地利用地熱資源。

（2）研究區(qū)地熱水對鋼結構具有強腐蝕性，在今后開發(fā)利用過程需對成井井管的做防腐蝕處理。研究區(qū)地熱水沒有生成碳酸鈣垢、硫酸鈣垢和硅酸鹽垢的趨勢。

（3）銀川黃河東岸對流型地熱流體的氟含量達到了“有醫(yī)療價值濃度”和“命名礦水濃度”標準，偏 硅酸、溫度達到了“有醫(yī)療價值濃度”標準，命名為“含偏硅酸的氟水溫泉”，適用于溫泉洗浴、理療。