姜 烈,廖 斌，胡 芬

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,江西 南昌 330095）

0 引言

在能源短缺、環(huán)境污染嚴重的今天,新能源和可再生能源的勘探與開發(fā)成為世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前提[1]。地熱資源作為清潔且可再生的新興能源之一,在中國分布廣泛,具有極大的勘探開發(fā)潛力[2]。地熱水是一種集熱能、礦物質(zhì)和水于一體的新型清潔能源和特殊礦產(chǎn)資源,具有分布廣泛、可再生性等特征[3-8]。通過對宜黃嶺下地區(qū)進行地熱地質(zhì)調(diào)查鉆探、抽水試驗及動態(tài)監(jiān)測等工作成果,為研究區(qū)及具相似地質(zhì)條件的區(qū)域的地熱資源勘探開發(fā)提供一定的指導意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)地層由新到老分別為第四系（Q4al）、白堊系塘邊組（K2t2）、中元古代周潭巖組（Pt2zh2）。區(qū)內(nèi)巖漿巖在黃水河西側(cè)和東側(cè)低丘陵區(qū)較為發(fā)育,主要為加里東期花崗巖,按照時序可定為志留紀中世二都超單元（S2E）和侏羅紀晚世山前單元）（J3S）。

研究區(qū)中部、嶺下溫泉東約100 m 處有一近北北東向壓扭性大斷裂F1。經(jīng)查,F1 斷裂為宜黃-寧都-定南大斷裂,斷裂傾向80°～100°,傾角45°～70°。延長約120 km 左右。F1 斷裂于研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為正斷層,地表可見較大面積的硅化破碎帶,硅化帶厚度20 m～60 m。

圖1 ZK1～ZK5 孔內(nèi)溫度垂向分布圖

2 地溫特征和熱儲特征

2.1 地溫特征

ZK4 在揭露F2 斷裂（308.00 m～323.23 m 段）時,孔內(nèi)溫度出現(xiàn)了驟增（增高約6℃）,揭穿之后保持穩(wěn)定。此外,除揭露F2 斷裂的ZK4 孔內(nèi)溫度最高值位于地熱井下部外,其余鉆孔均位于地熱井底端。以上情況可以說明,本地熱田地溫場垂向分布主要受F2 斷裂的控制。

2.2 熱儲特征

硅質(zhì)角礫巖熱儲主要為斷裂破碎帶,ZK4 鉆孔揭露厚度15.23 m（埋深308.00 m～323.23 m）,巖性為硅質(zhì)角礫巖,角礫成分為石英,硅質(zhì)膠結(jié)。巖芯破碎,裂隙發(fā)育,常見溶孔、溶蝕空洞,透水性較好,巖芯受熱水蝕變現(xiàn)象明顯,裂隙面見白色沸石膜充填,ZK4 孔鉆進中,水溫及涌水量（水位）均明顯升高,為主要熱儲層。

3 地熱水形成原因

3.1 地熱水運移特征

地下水在花崗巖體內(nèi)徑流的過程中,受自然增溫、熱傳導、熱傳遞等作用影響下,不斷地從圍巖中吸取熱量,同時溶慮圍巖中的礦物成分,水溫不斷提高,水的密度減小而上升,從而形成地下熱水的深循環(huán)。由于近東西向次級斷裂F2與北北東向壓扭性大斷裂F1 切割,從而在兩斷裂交匯部位地熱水上溢形成嶺下溫泉,是一個典型的斷裂深循環(huán)的地熱水形成模式。

3.2 地熱水形成機理分析

通過對溫泉水、ZK1、ZK2、ZK3、ZK5 及豐枯水期的ZK4 孔地熱水水化學分析,采用《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）推薦使用的二氧化硅地熱溫標（無蒸汽損失的石英溫標）、鉀鎂地熱溫標、鉀鈉地熱溫標三種方法分別計算了熱儲溫度（計算結(jié)果見表1）。

表1 地熱田熱儲溫度計算結(jié)果統(tǒng)計表

無蒸汽損失的石英溫標法：

鉀鎂地熱溫標法：

鉀鈉地熱溫標法：

式中：t 為熱儲溫度,℃；C1為熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量,mg/L；C2為水中鉀的濃度,mg/L；C3為水中鎂的濃度,mg/L；C4為水中鈉的濃度,mg/L。

本地熱田熱儲溫度計算采用二氧化硅溫標法,取各孔平均值159.12℃。另取地熱田地熱增溫率為6.71℃/100 m（ZK1～ZK5 孔平均地溫梯度）,以此按照地溫梯度計算公式反推地熱循環(huán)深度,估算得循環(huán)深度（即熱儲最大埋深）為2123.56 m。

4 地熱流體化學特征

4.1 水化學特征

分別對溫泉水、ZK1～ZK5 孔地熱水采集了水樣進行礦泉水分析和放射性分析,溫泉及各地熱井水化學成分相近,具如下特點：礦化度342.77 mg/L～425.23 mg/L,屬淡水。鉆孔點pH 值6.89～8.84,主要為弱堿性,溫泉點pH 為6.95,近似中性?？傮w上,該地熱水水化學類型為HCO3-Na-Ca 型,可定名為：含氡,偏硅酸氟重碳酸鈉鈣型淡水,其庫爾洛夫表達式為：

4.2 地熱水用途評價

1）生活飲用水評價

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）進行評價。地熱水中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于標準的1 mg/L）、pH 值（6.89～8.84,高于標準的8.5）,Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,超標,不宜飲用。

2）飲用天然礦泉水評價

飲用天然礦泉水評價依據(jù)《飲用天然礦泉水標準》（GB 8537-2008）執(zhí)行。

地熱水“感官要求”符合標準；

“界線指標”鋰（0.338 mg/L～0.490 mg/L,高于標準的0.2 mg/L）、偏硅酸（91.70 mg/L～112.90 mg/L,高于標準的25.0 mg/L-水溫＞25℃）達標。

“限量指標”中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于標準1.5 mg/L）、Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,高于標準的0.4 mg/L）、耗氧量（0.63mg/L～5.75 mg/L,高于標準3.0 mg/L）超標。因此,本地熱水不宜作為飲用天然礦泉水。

3）理療熱礦泉水評價

理療熱礦水評價依據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）“附錄E”執(zhí)行。

各地熱水氟含量為4.70 mg/～24.00 mg/L,可命名為“氟水”；偏硅酸含量為91.79 mg/～112.90 mg/L,可命名為“硅水”；氡的含量為1.90 Bq/L～48.80 Bq/L,達到“礦水濃度”；水溫28.0℃～37.0℃,地熱水屬“溫水”,達到“有醫(yī)療價值濃度”；礦化度342.77 mg/～425.23 mg/L,屬“淡水”,達到“有醫(yī)療價值濃度”。因此,本地熱水可命名為含氡、氟水、硅水型低礦化理療熱礦水,適宜于理療、沐浴、旅游、休閑等用途。

4.3 地熱水腐蝕性評價

由于各熱水中氯離子的毫克當量百分數(shù)均小于25%,且屬于堿性水,本次鍋爐用水的腐蝕性評價采用腐蝕系數(shù)結(jié)合鈣離子含量（堿性水公式）進行（公式引自《地熱直接利用》,蔡義漢著）,分級標準見表2。其中,腐蝕系數(shù)（Kk）按下式計算：

表2 鍋爐用水腐蝕性分級評判標準

式中：Kk為腐蝕系數(shù)；r 為表示各離子的每升毫克當量數(shù)。

計算結(jié)果見表3：Kk=-5.10～-3.58,Kk+0.0503Ca2+=-4.97～-3.49,兩者均小于零。因此,本地熱水判定為“非腐蝕性水”。

表3 各個鉆孔腐蝕系數(shù)一覽表

5 地熱資源量

5.1 干擾井群理論公式法

按照ZK4、ZK5 孔單孔抽水試驗成果,采用干擾井群理論公式計算（公式來源于《供水水文地質(zhì)手冊》第二冊）：

式中：Swi為干擾抽水時,i 號抽水孔設計降深,m；Qi為干擾抽水時,i 號抽水孔出水量,m；rij為j 號抽水孔至i 號抽水孔間距離,m；Kj、Mj、Rj、rwi分別為各孔滲透系數(shù)、含水層厚度、影響半徑及井半徑。

相關數(shù)據(jù)見表4。

表4 干擾井群法計算表

計算結(jié)果：ZK4 出水量Q4=501.63 m3/d；ZK5 出水量Q5=1583.36 m3/d,兩井合計出水量（可開采量）2084.99 m3/d。需要說明的是,由于本公式為理論推導公式,為與之相匹配,提高計算的準確性,滲透系數(shù)數(shù)據(jù)采用單孔抽水試驗最大降深數(shù)據(jù)（按照上節(jié)中,無觀測孔資料的抽水孔公式）計算結(jié)果,影響半徑按照滲透系數(shù)及設計降深采用哈爾特經(jīng)驗公式計算,含水層厚度采用實際值。

5.2 群孔涌水量減少系數(shù)法

根據(jù)表5 抽水試驗數(shù)據(jù)可知,ZK4 孔：m≈1,關系曲線為直線型,其方程為：Q=37.00 Sw;ZK5 孔：m≈1.11,關系曲線為對數(shù)型,其方程為：Q=。

表5 各地熱井水文地質(zhì)參數(shù)匯總表

根據(jù)上述ZK4、ZK5 孔流量降深關系曲線方程,分別推算ZK4 和ZK5 單井時出水量：

ZK4 孔：Sw4=37.55 m 時,Q4=1389.35 m3/d。

ZK5 孔：Sw5=40.00 m 時,Q5=1846.91 m3/d。

而群孔抽水時,對應的實際出水量Q4'=292.03 m3/d,Q5'=1229.47 m3/d。

算得：Q=1950.72 m3/d。因此,ZK4、ZK5 兩井合計出水量（可開采量）1950.72 m3/d（其中：ZK4=388.50 m3/d,ZK5=1562.22 m3/d）。

為充分保障地熱田地熱資源可持續(xù)開采利用,偏安全考慮,本地熱田地熱流體可開采量取涌水量減少系數(shù)法的計算值（較小者）,即1950.72 m3/d（其中,ZK4 孔388.50 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1562.22 m3/d,水溫28.0℃）。

5.3 可開采量確定

前已論述,地熱田內(nèi)地熱流體隨季節(jié)小幅波動。為充分保障地熱田地熱資源可持續(xù)開采利用,本次采用ZK4 孔穩(wěn)定段自流量修正系數(shù)根據(jù)如下公式對上面計算的地熱流體可開采量進行適當修正：

式中：Q 為修正后地熱流體可開采量,m3/d；Q0為修正前地熱流體可開采量,m3/d；γS為修正系數(shù)；為變異系數(shù)系數(shù),取ZK4 穩(wěn)定段自流量變異系數(shù)0.0898。

計算得修正系數(shù)γS=0.9099。Q=1774.96 m3/d（其中ZK4孔353.50 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1421.46 m3/d,水溫28.0℃）。

5.4 儲量級別確定

ZK4、ZK5 群孔抽水試驗時實際抽水量經(jīng)動態(tài)修正后確定的地熱流體數(shù)量-1384.41 m3/d 屬“探明級”（其中ZK4 孔265.72 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1118.69 m3/d,水溫28.0℃）,推斷級為390.55 m3/d,即地熱田“探明級+推斷級”總儲量為1774.96 m3/d,見表6。

表6 探礦權范圍資源儲量計算結(jié)果表

6 結(jié)論

（1）由于近東西向次級斷裂F2 與北北東向壓扭性大斷裂F1 切割,從而在兩斷裂交匯部位地熱水上溢形成嶺下溫泉,是一個典型的斷裂深循環(huán)的地熱水形成模式。本地熱田熱儲溫度計算采用二氧化硅溫標法,估算得循環(huán)深度（即熱儲最大埋深）為2123.56 m。

（2）本地熱田自然邊界條件下及探礦權范圍內(nèi)可開采量為1774.96 m3/d（其中探明級為1384.41 m3/d,推斷級為390.55 m3/d）,地熱水水溫28.0℃～37.0℃。地熱流體年開采累計可利用的熱能量5.65×107MJ,與之相當?shù)哪旯?jié)煤量為1927.87 t。

（3）地熱水水質(zhì)類型為重碳酸鈉鈣型弱堿性淡水,屬含氡、氟水、硅水型理療熱礦水,適合洗浴及醫(yī)療之用。