江西宜黄县岭下地热水成因分析及资源量评价

姜 烈,廖 斌，胡 芬

（江西省地质环境监测总站,江西 南昌 330095）

0 引言

在能源短缺、环境污染严重的今天,新能源和可再生能源的勘探与开发成为世界经济可持续发展的前提[1]。地热资源作为清洁且可再生的新兴能源之一,在中国分布广泛,具有极大的勘探开发潜力[2]。地热水是一种集热能、矿物质和水于一体的新型清洁能源和特殊矿产资源,具有分布广泛、可再生性等特征[3-8]。通过对宜黄岭下地区进行地热地质调查钻探、抽水试验及动态监测等工作成果,为研究区及具相似地质条件的区域的地热资源勘探开发提供一定的指导意义。

1 研究区地质条件

研究区地层由新到老分别为第四系（Q4al）、白垩系塘边组（K2t2）、中元古代周潭岩组（Pt2zh2）。区内岩浆岩在黄水河西侧和东侧低丘陵区较为发育,主要为加里东期花岗岩,按照时序可定为志留纪中世二都超单元（S2E）和侏罗纪晚世山前单元）（J3S）。

研究区中部、岭下温泉东约100 m 处有一近北北东向压扭性大断裂F1。经查,F1 断裂为宜黄-宁都-定南大断裂,断裂倾向80°～100°,倾角45°～70°。延长约120 km 左右。F1 断裂于研究区内表现为正断层,地表可见较大面积的硅化破碎带,硅化带厚度20 m～60 m。

图1 ZK1～ZK5 孔内温度垂向分布图

2 地温特征和热储特征

2.1 地温特征

ZK4 在揭露F2 断裂（308.00 m～323.23 m 段）时,孔内温度出现了骤增（增高约6℃）,揭穿之后保持稳定。此外,除揭露F2 断裂的ZK4 孔内温度最高值位于地热井下部外,其余钻孔均位于地热井底端。以上情况可以说明,本地热田地温场垂向分布主要受F2 断裂的控制。

2.2 热储特征

硅质角砾岩热储主要为断裂破碎带,ZK4 钻孔揭露厚度15.23 m（埋深308.00 m～323.23 m）,岩性为硅质角砾岩,角砾成分为石英,硅质胶结。岩芯破碎,裂隙发育,常见溶孔、溶蚀空洞,透水性较好,岩芯受热水蚀变现象明显,裂隙面见白色沸石膜充填,ZK4 孔钻进中,水温及涌水量（水位）均明显升高,为主要热储层。

3 地热水形成原因

3.1 地热水运移特征

地下水在花岗岩体内径流的过程中,受自然增温、热传导、热传递等作用影响下,不断地从围岩中吸取热量,同时溶虑围岩中的矿物成分,水温不断提高,水的密度减小而上升,从而形成地下热水的深循环。由于近东西向次级断裂F2与北北东向压扭性大断裂F1 切割,从而在两断裂交汇部位地热水上溢形成岭下温泉,是一个典型的断裂深循环的地热水形成模式。

3.2 地热水形成机理分析

通过对温泉水、ZK1、ZK2、ZK3、ZK5 及丰枯水期的ZK4 孔地热水水化学分析,采用《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）推荐使用的二氧化硅地热温标（无蒸汽损失的石英温标）、钾镁地热温标、钾钠地热温标三种方法分别计算了热储温度（计算结果见表1）。

表1 地热田热储温度计算结果统计表

无蒸汽损失的石英温标法：

钾镁地热温标法：

钾钠地热温标法：

式中：t 为热储温度,℃；C1为热水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量,mg/L；C2为水中钾的浓度,mg/L；C3为水中镁的浓度,mg/L；C4为水中钠的浓度,mg/L。

本地热田热储温度计算采用二氧化硅温标法,取各孔平均值159.12℃。另取地热田地热增温率为6.71℃/100 m（ZK1～ZK5 孔平均地温梯度）,以此按照地温梯度计算公式反推地热循环深度,估算得循环深度（即热储最大埋深）为2123.56 m。

4 地热流体化学特征

4.1 水化学特征

分别对温泉水、ZK1～ZK5 孔地热水采集了水样进行矿泉水分析和放射性分析,温泉及各地热井水化学成分相近,具如下特点：矿化度342.77 mg/L～425.23 mg/L,属淡水。钻孔点pH 值6.89～8.84,主要为弱碱性,温泉点pH 为6.95,近似中性。总体上,该地热水水化学类型为HCO3-Na-Ca 型,可定名为：含氡,偏硅酸氟重碳酸钠钙型淡水,其库尔洛夫表达式为：

4.2 地热水用途评价

1）生活饮用水评价

根据《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）进行评价。地热水中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于标准的1 mg/L）、pH 值（6.89～8.84,高于标准的8.5）,Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,超标,不宜饮用。

2）饮用天然矿泉水评价

饮用天然矿泉水评价依据《饮用天然矿泉水标准》（GB 8537-2008）执行。

地热水“感官要求”符合标准；

“界线指标”锂（0.338 mg/L～0.490 mg/L,高于标准的0.2 mg/L）、偏硅酸（91.70 mg/L～112.90 mg/L,高于标准的25.0 mg/L-水温＞25℃）达标。

“限量指标”中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于标准1.5 mg/L）、Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,高于标准的0.4 mg/L）、耗氧量（0.63mg/L～5.75 mg/L,高于标准3.0 mg/L）超标。因此,本地热水不宜作为饮用天然矿泉水。

3）理疗热矿泉水评价

理疗热矿水评价依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）“附录E”执行。

各地热水氟含量为4.70 mg/～24.00 mg/L,可命名为“氟水”；偏硅酸含量为91.79 mg/～112.90 mg/L,可命名为“硅水”；氡的含量为1.90 Bq/L～48.80 Bq/L,达到“矿水浓度”；水温28.0℃～37.0℃,地热水属“温水”,达到“有医疗价值浓度”；矿化度342.77 mg/～425.23 mg/L,属“淡水”,达到“有医疗价值浓度”。因此,本地热水可命名为含氡、氟水、硅水型低矿化理疗热矿水,适宜于理疗、沐浴、旅游、休闲等用途。

4.3 地热水腐蚀性评价

由于各热水中氯离子的毫克当量百分数均小于25%,且属于碱性水,本次锅炉用水的腐蚀性评价采用腐蚀系数结合钙离子含量（碱性水公式）进行（公式引自《地热直接利用》,蔡义汉著）,分级标准见表2。其中,腐蚀系数（Kk）按下式计算：

表2 锅炉用水腐蚀性分级评判标准

式中：Kk为腐蚀系数；r 为表示各离子的每升毫克当量数。

计算结果见表3：Kk=-5.10～-3.58,Kk+0.0503Ca2+=-4.97～-3.49,两者均小于零。因此,本地热水判定为“非腐蚀性水”。

表3 各个钻孔腐蚀系数一览表

5 地热资源量

5.1 干扰井群理论公式法

按照ZK4、ZK5 孔单孔抽水试验成果,采用干扰井群理论公式计算（公式来源于《供水水文地质手册》第二册）：

式中：Swi为干扰抽水时,i 号抽水孔设计降深,m；Qi为干扰抽水时,i 号抽水孔出水量,m；rij为j 号抽水孔至i 号抽水孔间距离,m；Kj、Mj、Rj、rwi分别为各孔渗透系数、含水层厚度、影响半径及井半径。

相关数据见表4。

表4 干扰井群法计算表

计算结果：ZK4 出水量Q4=501.63 m3/d；ZK5 出水量Q5=1583.36 m3/d,两井合计出水量（可开采量）2084.99 m3/d。需要说明的是,由于本公式为理论推导公式,为与之相匹配,提高计算的准确性,渗透系数数据采用单孔抽水试验最大降深数据（按照上节中,无观测孔资料的抽水孔公式）计算结果,影响半径按照渗透系数及设计降深采用哈尔特经验公式计算,含水层厚度采用实际值。

5.2 群孔涌水量减少系数法

根据表5 抽水试验数据可知,ZK4 孔：m≈1,关系曲线为直线型,其方程为：Q=37.00 Sw;ZK5 孔：m≈1.11,关系曲线为对数型,其方程为：Q=。

表5 各地热井水文地质参数汇总表

根据上述ZK4、ZK5 孔流量降深关系曲线方程,分别推算ZK4 和ZK5 单井时出水量：

ZK4 孔：Sw4=37.55 m 时,Q4=1389.35 m3/d。

ZK5 孔：Sw5=40.00 m 时,Q5=1846.91 m3/d。

而群孔抽水时,对应的实际出水量Q4'=292.03 m3/d,Q5'=1229.47 m3/d。

算得：Q=1950.72 m3/d。因此,ZK4、ZK5 两井合计出水量（可开采量）1950.72 m3/d（其中：ZK4=388.50 m3/d,ZK5=1562.22 m3/d）。

为充分保障地热田地热资源可持续开采利用,偏安全考虑,本地热田地热流体可开采量取涌水量减少系数法的计算值（较小者）,即1950.72 m3/d（其中,ZK4 孔388.50 m3/d,水温37.0℃；ZK5 孔1562.22 m3/d,水温28.0℃）。

5.3 可开采量确定

前已论述,地热田内地热流体随季节小幅波动。为充分保障地热田地热资源可持续开采利用,本次采用ZK4 孔稳定段自流量修正系数根据如下公式对上面计算的地热流体可开采量进行适当修正：

式中：Q 为修正后地热流体可开采量,m3/d；Q0为修正前地热流体可开采量,m3/d；γS为修正系数；为变异系数系数,取ZK4 稳定段自流量变异系数0.0898。

计算得修正系数γS=0.9099。Q=1774.96 m3/d（其中ZK4孔353.50 m3/d,水温37.0℃；ZK5 孔1421.46 m3/d,水温28.0℃）。

5.4 储量级别确定

ZK4、ZK5 群孔抽水试验时实际抽水量经动态修正后确定的地热流体数量-1384.41 m3/d 属“探明级”（其中ZK4 孔265.72 m3/d,水温37.0℃；ZK5 孔1118.69 m3/d,水温28.0℃）,推断级为390.55 m3/d,即地热田“探明级+推断级”总储量为1774.96 m3/d,见表6。

表6 探矿权范围资源储量计算结果表

6 结论

（1）由于近东西向次级断裂F2 与北北东向压扭性大断裂F1 切割,从而在两断裂交汇部位地热水上溢形成岭下温泉,是一个典型的断裂深循环的地热水形成模式。本地热田热储温度计算采用二氧化硅温标法,估算得循环深度（即热储最大埋深）为2123.56 m。

（2）本地热田自然边界条件下及探矿权范围内可开采量为1774.96 m3/d（其中探明级为1384.41 m3/d,推断级为390.55 m3/d）,地热水水温28.0℃～37.0℃。地热流体年开采累计可利用的热能量5.65×107MJ,与之相当的年节煤量为1927.87 t。

（3）地热水水质类型为重碳酸钠钙型弱碱性淡水,属含氡、氟水、硅水型理疗热矿水,适合洗浴及医疗之用。