民樂縣生態園地熱流體化學特征評價

李彩霞, 李永恒, 童品賢

(甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050)

研究區位于民樂生態工業園南部約10 km處，行政隸屬民樂縣新天鎮李寨村。國道G227位于研究區東側，區內有鄉村道路。本次地熱資源普查中布設的探采結合井距離G227約5 km，距離民樂縣城約40 km，交通物流快捷便利。本文以在研究區內施工的ZK1地熱井所取得的資料為基礎，結合區域地質資料，重點研究地熱流體的化學特征。

1 地質條件

1.1 區域地質條件

民樂盆地屬祁連山地槽北緣的一個中、新生代斷坳型的山前盆地。中生代的構造線呈北北西方向展布，晚第三紀的區域構造線呈北西方向展布，古生界及前古生界變質巖系構成盆地廣泛的基底，中生界和新生界上第三系、第四系是盆地廣泛的沉積蓋層。

1.2 區域徑流場特征

地熱流體主要為祁連山補給區沿斷裂破碎帶下滲的地下水。在滲入地下深循環過程中，靠巖溫加熱，達到巖水溫度平衡，在水頭壓力差的作用下，沿深部孔隙發育、滲透性較好的熱儲層中的熱流體側向緩慢流動至盆地中部。

2 熱儲層特征

2.1 層位確定

民樂生態工業園地熱資源研究區域屬構造控制邊界的中溫盆地型地熱田，其熱儲類型為層狀熱儲。古近系白楊河群間泉子段地層中的砂巖熱儲為主要熱儲層，下部晚奧陶世的花崗巖熱儲為次要熱儲層。

2.2 溫度特征

根據ZK1地熱井資料，在0～20 m為該區域變溫層，地溫增溫率較大；20～60 m為該區域常溫帶，溫度在13～16 ℃之間，變化不大；60 m以深在第四系地層段，地溫增溫率呈不規則變化；在60～80 m段迅速增溫，80～120 m段增溫幅度較小，井溫變化曲線相對平緩；因為第四系潛水層的原因，120～200 m段持續恒溫，隨后在240～260 m段、300～310 m段、360～380 m段、590～600 m段、640～650 m段均因為第四系潛水層出現與120～200 m段相似的情況。

進入新近系地層后，隨井深增加井溫升高緩慢，但持續增高，地溫增溫率數據呈現規律性波動，主要是含水層分布對地溫增溫起到一定的影響作用。新近系地層平均地溫增溫率2.37 ℃/100 m，局部段地溫增溫率最高達4 ℃/100 m。

古近系地層整體地溫增溫率較新近系高，原因為古近系地層巖性總體以砂質泥巖、粉砂巖和泥質砂巖為主，其含砂量相比新近系較高，地層孔隙度偏大，容重偏小，因此整體導熱率較大，地溫增溫率總體偏高。在古近系地層內隨井深增加地溫增溫率上部較大，中下部平緩，底部呈負增長。

3 地熱流體化學特征

3.1 地熱流體化學組分特征

民樂縣生態工業園ZK1地熱井經過高壓清水洗井、焦磷酸鈉洗井和抽水震蕩洗井等方法對ZK1實施洗井工作，達到水清砂凈。在抽水試驗中，初始水質因井管原因存在影響，至水質清澈無變化時再進行水樣采集并送檢。

民樂縣生態工業園ZK1地熱井水質分析結果見表1。ZK1地熱井pH值為7.66，屬弱堿性水；可溶性總固體5 810 mg/L，為鹽水；總硬度含量為2 278 mg/L，為硬水；水中主要陰離子SO42-含量為1 408 mg/L，Cl-含量1 754 mg/L，HCO3-含量596 mg/L，陽離子中Na+含量達1 522 mg/L，Ca2+含量250 mg/L，Mg2+含量123 mg/L。氟含量3.6 mg/L，鍶含量10.8 mg/L，偏硅酸含量59.8 mg/L，三項均達到了礦泉水濃度；偏硼酸含量3.15 mg/L，鋰含量1.04 mg/L，這兩項達到了具有醫療價值濃度。

表1 民樂縣生態工業園ZK1地熱井水質分析結果

地熱流體水化學類型為Cl·SO4—Na型水。地熱流體中堿金屬超過堿土金屬，強酸超過弱酸，屬于第7區。非碳酸堿金屬超過50%，地下水化學性質以堿金屬和強酸為主，與鹵水類似，可見ZK1地熱流體是向著鹵水演化的。

3.2 地熱流體化學組分動態特征

研究區項目實施過程中，僅施工民樂縣生態工業園ZK1一口地熱井，開采性抽水試驗過程中對該地熱井地熱流體采樣檢測分析。經分析地熱流體大部分化學組分變化基本穩定。目前抽取的地熱流體量較小，流體均屬于熱儲長期儲存水，水化學組分基本無變化。

3.3 同位素化學特征

為進一步查明地熱田中地熱流體來源，在本次民樂縣生態工業園區地熱井采取地下水同位素樣品1組，送至國土資源部地下水礦泉水及環境監測中心進行水樣氫氧同位素及碳同位素檢測，檢測項目有18O、D、T、13C和14C等。

3.3.1 氚同位素檢測分析

民樂縣生態工業園地熱井氚同位素分析結果：T<0.5TU。

根據區域以往研究數據可知，張掖一帶大氣降水中的平均T含量為41.3TU，1960—2008年張掖降水補給的地下水氚值均大于10.0TU，除1976年、1979年和2003年低于15.0TU外，其余均高于15.0TU。經與區域上對比得出該井地熱水與現代水之間水力聯系極差，為長期儲存水。

3.3.2 氫氧同位素檢測分析

民樂縣生態工業園地熱井D、18O分析結果：δD=-76‰，δ18O=-10.3‰。

本次分析根據河海大學地球科學與工程學院黃錦忠等人搜集分析的烏魯木齊、銀川、張掖、蘭州、平涼、西安和拉薩7個地區多年大氣降水的氫氧同位素數據資料[1]，建立了張掖地區的大氣降水曲線，利用IAEA的穩定同位素數據線性回歸求得張掖地區的大氣降水線方程為：

δD=6.76δ18O-4.50

(1)

該曲線R2=0.94，置信率較高，形成的關系圖如圖1。

圖1 ZK1地熱井水樣 δD-δ18O關系圖

民樂生態工業園地熱井δ值落在張掖地區降水曲線下方，且距離降雨線較近，說明其自接受古降水入滲補給后，迅速進入地下徑流，蒸發作用較弱，期間未發生同位素分餾過程[2]。

綜合可見，該地熱田地下熱水主要靠南部祁連山區大氣降水和冰雪融水下滲側向補給，沿祁連山北緣深斷裂和盆地內NNW向基底斷裂自南向北徑流，并存儲于深部熱儲層。地下熱水自接受補給至今歷經3萬年左右，一方面是因為區域滲透系數較小，地下水徑流過程本身漫長，另一方面是深部地熱水與上部現代水(包括第四系潛水和新近系承壓水)幾乎不存在水力聯系，貯存時間極長。

4 結論

通過對研究區地質背景、熱儲層特征和地熱流體化學特征的研究，可以得出以下結論：(1)研究區熱儲類型為層狀熱儲，主要熱儲層為古近系白楊河群間泉子段的砂巖熱儲，次要熱儲層為晚奧陶世的花崗巖；(2)地熱田地下熱水主要靠南部祁連山區大氣降水和冰雪融水下滲側向補給，沿祁連山北緣深斷裂和盆地內NNW向基底斷裂自南向北徑流，并存儲于深部熱儲層；(3)地熱流體中堿金屬超過堿土金屬，強酸超過弱酸，地下水化學性質以堿金屬和強酸為主；(4)根據地熱流體化學分析,δD、δ18O分析結果：δD=-76‰，δ18O=-10.3‰；氚同位素分析結果：T<0.5TU。