渭河盆地西部地热水水化学特征分析

宋一民， 申小龙， 王 伟， 刘 军

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安 710021；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021)

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分[1]。结合热储介质、构造成因、水热传输方式等条件综合考虑地热温度范围、可被开发利用方式等影响因素将地热资源分为浅层地温能、水热型地热能和干热岩型地热能三种类型[2]。浅层地温能指地下200m以浅，地温普遍低于25℃，多采用地埋管热泵系统、地下水源热泵系统等相关技术进行利用；水热型地热能，指赋存在埋藏深度较深的天然地下水及其水蒸气中的地热资源。根据温度差异可分为：高温型(温度>l50℃)、中温型(90～150℃)以及低温型(<90℃)[3]；干热岩地热能，指特殊地质构造条件造成高温但少水甚至无水的温度不低于180℃干热岩体，通过注入低温水与周围的高温岩石进行热交换，再将产生的高温水进行利用。其利用还未实现完全的规模化和商业化[2]。我国水热型地热能受构造、岩浆活动、地层岩性等因素控制分布不均匀，其中中低温地热资源主要分布于大型沉积盆地，其地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广，是地热资源开发潜力最大的地区[4]。

研究区位于我国西北地区陕西省宝鸡市某县城，地处秦岭以北“元宝形”渭河断陷盆地，属典型的暖温带大陆性半湿润气候，冬季平均温度2.7℃，取暖期较长，刚性供暖需求突出。渭河盆地在西部收窄，研究区处于“元宝形”盆地的左端[5]，在地质历史构造运动时期受多期构造运动影响，其断裂构造多为导水导热断裂，基岩上覆盖了巨厚层半胶结粗-粉砂的新近系(250～500m)，其中新近系的蓝田灞河组半胶结砂岩是区域主要含水层，多期构造形成的断裂体系是地下水储存与运动的主要含水空间。水文地球化学方法是认识地热资源形成机制、赋存环境以及循环机理的有效手段[6]。本文以渭河断陷盆地西端地区为研究对象，通过研究区域地热地质特征，采用水文地球化学测试与分析方法，对研究区地热水化学特征进行系统分析，对于研究区进行地热资源开发利用具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 地层

研究区属华北地层大区晋冀鲁豫地层区汾渭地层分区渭河地层小区，地层主要为中元古界石英片岩和新生界松散岩类。由老到新分述如下：

1.1.1 中元古界宽坪群(Pt2Kp)

岩性主要为绢云母石英片岩、绿泥石石英片岩、云母石英片岩及少量大理岩。根据地热钻探结果，目前揭露最大厚度732m，未揭穿，厚度不详。本地层视电阻率随深度逐渐升高，明显有大幅度增高趋势(>60Ω·m)。

1.1.2 新生界新近系蓝田-灞河组(N2l+b)

埋藏于基底之上，北深南浅，北厚南薄，厚度250～500m，往东逐渐变厚。同一构造分区内，东西向厚度、埋深变化相对较小。岩性顶部为棕-暗红色泥岩与灰白色粗-粉砂岩不等厚互层；中下部为棕-暗红色泥岩与灰白色、浅灰色细-粉砂岩及砂砾岩不等厚互层，砂砾岩泥质半胶结。视电阻率(20～60Ω·m)，电阻率变化基本呈线性增高趋势；纵向连续性较好，水平方向连续性一般。

1.1.3 新生界第四系(Q)

下部岩性为黏土层、砂质黏土和细砂岩不等厚互层，夹薄层泥灰岩，具明显的韵律结构、水平层理或交错层理。上部沉积物主要为浅黄-灰黄黏土、细砂岩与砂砾层互层，从下至上沉积物颗粒由细变粗。厚度420～450m。视电阻率整体较小(5～30Ω·m)。

1.2 构造

项目区在大地构造上处于渭河断陷盆地之宝鸡凸起东部的眉县浅凹。主要构造单元属华北板块(柴达木—华北板块)渭河断陷盆地(E—Qh)。据已有资料，研究区周边存在四条区域性的大断裂，分别为秦岭山前断裂(F1)、余下断裂(F2)、哑柏断裂(F3)、渭河断裂(F4)。

研究区位于渭河断裂以南，根据2019年在研究区所做的钻探和物探工作，确定区内发育三条断裂，推断为渭河断裂的次级断裂构造。经综合研究，研究区县城北部发育MF1断层，其南侧700～1 000m发育次生断层MF2，同时推断南部发育疑似断层MF3；MF1、MF2及MF3均倾向北，倾角70°～80°，为隐伏正断层。

1.3 热储概况

根据项目区周边地热井揭露地层岩性特征综合分析，可划分出第四系保温盖层及新近系蓝田-灞河组、基岩风化带、断层裂隙带热储层。

1.3.1 第四系保温盖层

厚度420～450m。上部为灰-黄色粗砂、含砾粗砂及砾石、卵石层；中部为厚层状黄色黏土、粗中砂层；下部为以黄色粗-中砂层与黄色-棕红色粉质黏土互层。巨厚的第四系沉积为地热资源形成起到隔热保温作用，同时细粒相黏土层储热条件相对较差，视为隔热保温层。

1.3.2 新近系上新统蓝田-灞河组热储层段

厚度250～500m。顶部为棕-暗红色泥岩与灰白色粗-粉砂岩不等厚互层；中下部为棕-暗红色泥岩与灰白色、浅灰色细-粉砂岩及砂砾岩不等厚互层，砂砾岩泥质半胶结。据测井解释成果反映，该层热储砂层共28层，单层厚度0.9～11.9m，砂岩累计厚度82.9m，砂厚比为21.28%。该热储层砂岩孔隙度56.03%～47.66%，渗透率58.85～1 511.23mD。富水性较好。

1.3.3 基岩风化带和断层裂隙带热储层段

位于中元古界宽坪群，厚度大于730m，为绢云母石英片岩、绿泥石石英片岩、云母石英片岩及少量大理岩。据测井解释成果反映，共有53层砂岩，砂岩总厚度为98.2m，砂厚比为43.1%，单层厚度最大为5.9m，最薄为0.6m，平均单层厚度1.85m。该层砂岩孔隙度1.11%～31.21%，渗透率0.01～282.36mD。主要富集裂隙水，富水性好。

1.4 工程概况

本次分析研究工作是依托陕西煤田地质勘查研究院有限公司在研究区的清洁能源供暖系统建设项目，对老城区和新城区的已建、在建建筑进行供热改造和新增供热服务，规划供热面积约300万m2。利用地下热水(尾水回灌)作为能源进行清洁化改造建设。目前施工8口地热井，平均井深1 300m，终孔层位中元古界宽坪群，取热目标层位是断层裂隙。平均井口自流水量140m3/h，井口平均水温达46℃，由于管网建设原因，目前利用3口，供热面积达到100万m2，已完成2个供暖季，基本形成了研究区城区清洁能源供暖系统建设与运行。

2 材料与研究方法

2.1 样品采集

目前已完成8口地热井施工，所利用的地热水来源为新近系上新统蓝田-灞河组下部热储层段和基岩风化带和断层裂隙带热储层段。对8口地热井采集了地热水样品，开展了测试工作。测试项目为简分析、全分析包括特殊组分、放射性等。以此为基础充分对研究区地热水水化学特征进行分析研究。

2.2 研究方法

3 结果分析

3.1 水化学基本特征

目前研究区实施的8口地热井，均位于县城区北部渭河南岸的眉坞大道两侧，处于前期通过物探手段确认的MF1、MF2两条断层的附近。地热井热水的水化学基本特征如表1所示。结合收集资料研究、地热井布孔设计、井身结构设计、地热勘查工作，采样分析得出研究区利用的地热水主要来自新近系上新统蓝田-灞河组下部热储层段和基岩风化带以及断层裂隙带热储。地热水温度41.5～53.0℃，均值46.3℃，属于中低温水热资源。地热水矿化度为647.95～930.35mg/L，均值752.35mg/L，属淡水。pH值7.83～8.75，均值8.30，弱碱性水。

从表1可以看出，研究区主要的阳离子为Na+；阴离子主要是HCO3-，Cl-和SO42-次之。地热水的水化学类型主要为HCO3-Na型，个别为HCO3·SO4-Na型和HCO3-Na型。

表1 研究区地热水化学基本特征

3.2 特殊组分

另外，偏硅酸(H2SiO3)是一种对人体非常有益的矿物元素，根据测试结果分析，研究区地热井H2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，平均29.9 mg/L。除了最东部的G101井为16.6 mg/L以外，其余地热井偏硅酸含量均达到了矿水浓度标准和有医疗价值浓度(理疗热矿水水质标准，>25mg/L)。另外位于工作区最西部的三口地热井(其余井未检出)总硫化氢(H2S)含量1.18～3.97mg/L，平均2.34mg/L。达到了命名矿水浓度的标准(理疗热矿水水质标准，>2mg/L)，可命名为硫化氢水。

通过分析特殊组分，研究区地热水富含氟、偏硅酸(H2SiO3)等对人体有益的各种元素。

3.3 TDS、地热水腐蚀性和结垢趋势评价

总溶解固体(TDS)是地下水质的一个重要综合性指标，其受地层、岩性及地热水补径排的影响，根据采样化验结果，研究区地热水TDS在 513～692mg/L，平均值596 mg/L，属淡水。

地热水中因含有氯根、硫酸根、游离二氧化碳和硫化氢等组分对金属有一定的腐蚀性，一般地热水的TDS越大，其腐蚀性越强[8-9]。按照《地热资源地质勘查规范(GB/T11615—2010)》中的评价方法参照工业上用腐蚀系数来衡量研究区地热水的腐蚀性：

(1)

式中：Kk为腐蚀系数；γ为热水中离子含量的每升毫摩尔数。

当地热水中氯离子含量较低(<25%摩尔当量)时，可根据以下公式定性计算地热水碳酸钙的结构趋势：

RI=2pHs-pHa

(2)

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

(3)

根据施工地热井的水质化验分析结果，经计算，研究区地热水均为非腐蚀性水；结垢指数6.42～8.55，结垢趋势为轻微-不结垢。

3.4 K-Mg地热温标

地球化学温标计算法是一种有效估算地热田热储层温度的方法。水与围岩系统中，K-Mg溶质到达平衡最为快速，对于温度的变化调整速度也很快[10]，而且K-Mg温标也更适用于低温热水系统。所以应用此温标来估算研究区热储层温度，计算公式如下：

(4)

式中：t为热储温度，℃；c1为热水中K+的含量，mg/L；c2为热水中Mg2+的含量，mg/L。

从表2可以看出，C201和G101井的热储推算温度相对于其它地热井明显偏低，为45.6～47.8℃，其余地热井热储温度64.6～83.5℃。查看K+、Mg2+浓度，C201和G101井相对于其它地热井也明显偏小，平面位置上此2口地热井在工作区的最东部，推断可能是热储层岩性不同所造成的原因。整体地热井井口水温小于地热温标推断热储温度是由于施工地热井均为混合取水，包括上部新近系上新统蓝田-灞河组水和下部断层裂隙带水。由于新近系水温较低，所以井口出水温度低于地热温标推断热储温度[11-15]。

表2 研究区地热水化学温标及实测温度

4 结论

1)研究区地处关中盆地西部，在地质历史构造运动时期受多期构造运动影响，其断裂构造多为导水导热断裂。区域内有第四系保温盖层及新近系蓝田-灞河组、基岩风化带、断层裂隙带热储层，其中断层裂隙带是研究区的主要热储层。

3)研究区地热水中氟的含量2.78～9.30mg/L，偏硅酸含量H2SiO3含量16.6～38.5 mg/L，部分地热井的总硫化氢含量1.18～3.97mg/L，均达到了理疗热矿水水质标准的有医疗价值浓度、矿水浓度和命名矿水浓度的标准，具有很好的医用理疗价值。

4)研究区地热水均为非腐蚀性水；结垢指数6.42～8.55，结垢趋势为轻微-不结垢。对管道的腐蚀、设备的侵蚀作为非常小，该地热水可以长期作为县城清洁供暖的热力载体。

5)利用K-Mg地热温标法对热储温度的估算，热储推算温度45.6～83.5℃。