北京昌平新城地區地熱流體質量評價

孫杰夫，雷曉東，李 晨，張哲峰，孟美杉

（1. 北京市地質勘察技術院，北京 102218；2. 北京市規劃和國土資源管理委員會，北京 100045）

0 引言

地熱資源作為替代傳統化石能源的綠色能源之一，是節能減排的重要手段，對治理霧霾起著重要作用（汪集旸，2015；周巡等，2006）。北京地區中低溫地熱資源儲量較大，現已探明延慶、小湯山、京西北等10大地熱田（雷曉東等，2017）。昌平新城是北京重點建設的11個新城之一，位于北京市平原區西北部，一直未開展過系統的地熱資源調查評價。地熱流體質量評價是地熱資源開發的基礎和依據之一。地熱流體質量評價在對地熱流體采樣進行全分析基礎上進行，評價指標包括地熱流體的物理性質、化學性質、微生物含量等，應依據不同用途按有關的國家標準或行業標準進行綜合評價。本次在昌平新城及周邊地區選取有代表性的地熱井水質資料，分析水化學類型，開展地熱水不同用途評價、腐蝕性和結垢性評價，為昌平新城規劃和建設可持續利用地熱資源提供科學依據。

1 地質背景

北京市平原區西北部，在大地構造位置上屬于中朝準地臺燕山臺褶帶內密懷中隆斷（Ⅲ2）和西山迭坳褶（Ⅲ5）的結合部位。兩個三級構造單元以南口-孫河斷裂（圖1，F1）為界。南口-孫河斷裂帶是北京地區規模最大的一條NW向第四紀活動斷裂（張培震，2013；陳長云，2016；嘉世旭等，2005），大量研究表明，該斷裂在北京平原區表現為樞紐特性，其NW段自昌平南口至北七家，斷面傾向南西，控制了馬池口-沙河第四紀凹陷的發育，且是小湯山地熱田和京西北地熱田的分界斷裂（柯柏林，2009；張磊等，2016）。本次研究區范圍為116° 03′～116°25′，40°06′～40°15′，覆蓋了該斷裂的NW段。在此區域南口-孫河斷裂截切了燕山早期形成的北小營-昌平向斜和一系列NE向斷裂。區域上熱儲層以薊縣系霧迷山組白云巖為主，在南口-孫河斷裂以北，熱儲層埋深一般小于200m；斷裂以南埋深變化大，從幾百米至2000多米不等。在影壁山逆沖斷裂以東，化莊至西沙屯一帶，因薊縣系推覆到侏羅系之上，熱儲層呈現“雙層結構”。蓋層為第四系松散層、白堊系、侏羅系火山巖、石炭—二疊系砂頁巖和青白口系砂頁巖等，不同區域蓋層組合型式差異較大；研究區西部南口至馬池口一帶形成的斷陷盆地其沉降中心第四系厚度大于800m，加上北小營-昌平向斜核部分布有幾百米至數千米厚的火山巖地層，構成了良好的隔熱蓋層。馬池口以東至沙河、鄭各莊一帶，第四系蓋層厚度略變薄，同時也缺失中生代地層。研究區南部和西南部燕山期侵入巖如陽坊花崗巖、花塔石英二長巖、葛村閃長巖等巖體形成了熱儲層的隔水邊界（雷曉東等，2016）。區內地熱孔平均孔深2800m，平均出水溫度54℃，熱水主要來源于西山高崖口—南口和北山十三陵—桃峪口兩大巖溶水系統大氣降水補給（郭高軒等，2011）。

圖1 研究區基巖地質構造及井位分布圖Fig.1 Locations of boleholes and tectonic background of survey area

2 水化學類型

本次地熱流體質量評價共利用研究區及周邊8眼有代表性的地熱井水質資料，按照地熱地質條件的差異，分4個區塊進行評價。其中曹莊—馬池口地區（A區）1眼、西沙屯—鄭各莊地區（B區）3眼、化莊—百善地區（C區）2眼、南口—昌平地區（D區）2眼，各地熱井位置見圖1。

本次工作采用舒卡列夫分類方法進行評價。

辛店—馬池口地區（A區）：依據“京昌-3”井水質分析結果，其熱礦水的水化學類型屬于SO4·HCO3·Cl-Na型水。該井地熱水礦化度(TDS)為901.0mg/L，屬淡水；pH值7.50，總硬度155mg/L，屬于弱堿性、微硬水（表1）。

西沙屯—鄭各莊地區（B區）：根據“沙熱-7”、“沙熱-8”和“沙熱-12”井水質全分析結果，本區熱礦水水化學類型屬于HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3-Na·Ca型水。地熱水礦化度(TDS)為477～510mg/L，屬淡水；pH值7.49～7.79，總硬度143～178mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

化莊—百善地區（C區）：根據“沙熱-3”和“昌熱-4”井水質全分析結果，本區熱礦水水化學類型屬于HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg型水。地熱水礦化度(TDS)為315～511mg/L，屬淡水；pH值7.32～7.89，總硬度180mg/L左右，屬于弱堿性、微硬水。

陳莊—昌平地區（D區）：參考工作區內“昌熱-1”及鳳山溫泉度假村“昌熱-7”井水質全分析結果，熱礦水的水化學類型屬于HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型水。該區地熱水礦化度（TDS）367～522mg/L，屬淡水；pH 值 7.60～7.82，總硬度197～200.2mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

表1 工作區熱水水化學類型表Tab.1 Work area hot water chemical type table

3 地熱水不同用途評價

3.1 熱礦水評價

根據《天然礦泉水地質勘探規范》（GB/T13727-2016）對該區地熱水進行評價。該區熱礦水氟離子普遍含量大于2mg/L，水溫大于34℃，礦化度小于1000mg/L，可命名為氟化物型淡溫泉水。從區域上看，曹莊—馬池口地區（A區）、西沙屯—鄭各莊地區（B區）和化莊—百善地區（C區）的東南部氟含量相對偏高，均在6mg/L以上，而在南口—昌平地區（D區）及化莊—百善地區（C區）的西北部氟含量相對較低，在1～3.2mg/L之間（表2）。

氟的攝取量對于維持骨骼的正常發育是很重要的，適量的氟可加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。但當某一地區分布過高，人體攝入量偏多時又可引起特異的疾病——地方性氟病，或稱地方性氟中毒，造成氟斑釉齒和氟骨癥。

依據《地熱資源地質勘查規范》（GB11615-2010）附錄E《理療熱礦水水質標準》，熱礦水中氟和偏硅酸含量較高，具有一定的醫療價值，普遍達到淡溫泉水、氟水的命名條件，其中沙熱-12井達到了硅水的命名條件（表2）。

其他井偏硅酸含量雖未達到定名標準，但也已達到具有醫療價值的濃度（偏硅酸＞25mg/L）。偏硅酸能提高皮膚的彈性，有助于骨的鈣化，有利于兒童骨骼的成長，防止老年骨質疏松，對人體主動脈硬化具有軟化作用，對心臟病、高血壓、動脈硬化、神經功能紊亂、胃炎及消化道潰瘍具有一定的保健作用。另外，熱礦水中還含有多種對人體有益的微量元素，如：溴、鍶、鋰、鋇、氡等，經常使用該熱礦水洗浴能起到良好的保健作用。

3.2 礦泉水評價

除昌熱-4井外，該區熱礦水氟離子含量普遍大于2mg/L，超過國家《飲用天然礦泉水》（GB8537-2008）規定的限量指標（氟＜2.0mg/L），因此大部分地區地熱水不能作為天然礦泉水飲用。

表2 理療熱礦水水質標準與已有地熱井水質對比表Tab. 2 Physiotherapy hot mineral water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

3.3 生活飲用水評價

根據《生活飲用水衛生標準》（GB/5749-2006）對該區地熱水進行評價。

（1）一般化學指標

除靠近山前的昌熱-7井外，本區Fe2++Fe3+含量超過一般化學指標（鐵含量＜0.3mg/L）要求。

（2）毒理學指標

該區熱礦水中氟（F-）含量均超過毒理學指標（氟＜1.0mg/L）要求。

綜上所述，該區熱礦水一般化學指標、毒理學指標兩項沒有達到生活飲用水衛生標準要求，不適于作為生活飲用水。

3.4 漁業用水評價

根據《漁業水質標準》（GB11607-1989）對該區地熱水進行評價，對比見表3，除C區昌熱-4井外，其余地區地熱井氟（F-）單項組分均大于標準限值，鎘、銅、鋅、鎳、砷偶有超標，大部分組分滿足漁業水質國家標準，因此重點對氟（F-）進行處理后可作漁業生產用水。

3.5 農業灌溉用水評價

根據《農田灌溉水質標準》（GB5084-2005）對該區地熱水進行評價，對比見表4，各地區熱水井所化驗的水質項目，除水溫單項組分大于標準限值外，其余組分均滿足農田灌溉水質國家標準，因此僅需對水溫進行降溫處理后便可作農田灌溉生產用水。

4 地熱水腐蝕性、結垢性評價

4.1 腐蝕性評價

地熱流體中因含有氯根、硫酸根、游離二氧化碳根和硫化氫等組分而對金屬有一定的腐蝕性，可通過掛片試驗等測定其腐蝕率，對其腐蝕性做出評價，也可參照工業上計算腐蝕系數的方法來衡量地熱水的腐蝕性：

若腐蝕系數Kk＞0，稱為腐蝕性水；腐蝕系數Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＞0，稱為半腐蝕性水；腐蝕系數Kk＜0，并且Kk+0.0503Ca2+＜0，稱為非腐蝕性水。

腐蝕性系數的計算：

表3 漁業水質標準與已有地熱井水質對比表Tab.3 Fishery water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

表4 農田灌溉水質標準與地熱井水質對比表Tab.4 Farmland irrigation water quality standards and existing geothermal well water quality comparison table

對堿性水： Kk=1.008（rMg2+-）

其中：r是表示離子含量的每升毫克當量數（毫摩爾數mmol/L）；Ca2+對鈣離子濃度以毫克每升（mg/L）表示。

經計算，為非腐蝕性水和半腐蝕性水（表5）。

4.2 結垢性評價

地下熱水在使用中，當溫度降低時，會使溶解其中的有些固體物質超過飽和度而在系統中產生結垢，引起井管口徑減小，換熱設備傳熱效率降低，輸送地熱水系統的阻力增加，能耗加大，嚴重者甚至造成換熱設備及管道的阻堵，為此，應采取防結垢的措施。

表5 工作區熱水腐蝕性評價Tab.5 Evaluation of Hot Water Corrosion in Work Area

對于地熱流體中所含二氧化硅、鈣和鐵等組分因溫度變化而產生結垢，可通過試驗，也可以通過計算對碳酸鈣結垢趨勢做出判斷。

對氯離子含量高（超過25%摩爾當量，如京昌-3井）的地熱流體，可采用拉申指數（LI）判斷碳酸鈣結垢的趨勢和腐蝕性程度。拉申指數（LI）按下式計算：

式中：Cl為氯化物或鹵化物濃度；SO4為硫酸鹽濃度；ALK為總堿度。3項均以等當量的CaCO3，單位為毫克每升（mg/L）表示；當LI＞0.5，不結垢，有腐蝕性；當LI＜0.5，可能結垢，沒有腐蝕性；當0.5＜LI＞3.0，有輕腐蝕性；當3.0＜LI＞10.0，有強腐蝕性。

經過計算：LI=（177.9+164.7）/197.0=1.7，根據上述的標準，京昌-3井地熱水不結垢。

當地熱流體中氯離子含量較低（小于25%摩爾當量）時，可根據雷茲諾指數（R1）定性估計地熱流體碳酸鈣的結垢趨勢。雷茲諾指數（R1）按下式計算：

式中：RI為雷茲諾指數；pHc為計算出的pH值；pHa為地熱流體實測的pH值；[Ca2+]為地熱流體中鈣離子的摩爾濃度；[ALK]為總堿度，即重碳酸根離子摩爾濃度；Ke為常數（當總固形物200～6000mg/L時，取值1.8～2.6之間，溫度大于100℃取低值，低于50℃取高值）。

當RI＜4.0，結垢非常嚴重；RI= 4.0～5.0，結垢嚴重；RI= 5.0～6.0，結垢中等；RI= 6.0～7.0，結垢輕微；RI＞ 7.0，不結垢。

本區其它地熱井采用雷茲諾指數評價。由表6的評價結果來看，本區已有地熱井的水質結垢趨勢為“不結垢”或“輕微結垢”。從分區上看，A區西部、D區為“不結垢”，這些地區儲層埋藏相對較淺；B區鄭各莊—沙河一帶、C區昌平老城東部為“輕微結垢”，這些地區儲層埋藏相對較深。

表6 工作區熱水結垢性評價Tab.6 Evaluation of hot water fouling in work area

5 結論

研究區地熱屬于中低溫熱礦水，水化學類型有 HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg 、HCO3·SO4-Na·Ca 、SO4·HCO3·Cl-Na型水等。礦化度一般300～900mg/L、pH值7.5～7.9，總硬度140～200mg/L，可以稱為低礦化、弱堿性、微硬水。氟（F-）含量普遍大于2mg/L，達到了命名礦水標準，可命名為氟水；偏硅酸（H2SiO3）含量普遍大于25mg/L，達到了礦水濃度，有醫療價值。本區地熱水不能作為天然礦泉水、生活飲用水使用，對氟處理后可作漁業生產用水，對水溫進行降溫處理后可作農田灌溉生產用水。腐蝕性評價結果為“非腐蝕性水”和“半腐蝕性水”，結垢性評價結果為“不結垢”或“輕微結垢”。