运城市地热水水化学特征及评价研究

李 强

(山西省运城市水资源委员会办公室，山西 运城044004)

地热能作为一种清洁、绿色、污染小的新型能源，已在供发电、取暖、淋浴、养鱼和游泳等方面得以应用，并取得了较好的社会、经济和生态效益。随着地热水资源大量开采，很多地热井因干涸而弃用，地热水的可持续利用遭遇危机。因此加强地热水资源评价及水化学特征分析对于该地区地热水的合理利用有重要意义。

目前国内外有关地热水中、低温的研究都有较快的发展:不同地区地热水水化学特征通过水－岩过程来实现的[1－5]，地热水溯源大都通过稳定同位素来实现[6－8]，温煜华、刘颖超等[9－11]针对中国不同地区地热水水化学特征进行了研究分析，分析这些地区地热水起源于大气降水，受水－岩同位素交换不明显;Ahmad M等[12]运用地热温标估算出巴基斯坦北部地区热储温度;吕苑苑等[13]对滇藏地热带进行了B含量和B同位素测定，以此分析地球化学特征，表明滇藏地热带热水的陆相成因。近年来，关于运城城区对地热水的研究还没有完全展开，特别是地热水资源评价方面更少。本文拟对研究区地热水水化学特征及评价开展研究，通过对该地区8个采样点采样，分析运城市地热水水化学特征以及利用C14、δD、δO18同位素来追溯该地区地热水起源，进而对运城市地热水热储温度进行测算，对运城市地热水资源量进行评估，为该地区地热水的合理利用提供依据。

1 研究区地质简介

研究区位于山西省运城市范围内(110°59'30″～111°03'00″E，35°00'00″～ 35°03'15″N)，区域构造较为复杂，由南向北形成了盐湖地堑、陇岗地垒、涑水河谷冲积平原及峨嵋台塬等不同的地质地貌单元。

1.1 热储构造

研究区有着良好的地热地质边界条件，主要的热储构造是中条山前北部大断裂和峨嵋台塬南侧断裂，中条山前北部大断裂，总体走向为北东向，显示出向南东呈弧形的断裂特征，延长130 km左右，该断裂带在上元古代以前形成，中生代活动强烈，晚新生代更为强烈。峨嵋台塬南侧断裂，具有强烈分异运动的差异性，相邻两块的断距很大，为正断层，断裂带为新生代地层所覆盖，总体走向为北东东——南西西向，延长110 km左右，据钻孔地质资料，在临猗县城关附近第三系顶界地层断距达130 m左右，倾角很陡。断裂构造是深部地热能向上扩散、运移的良好通道，也是地下热水沟通、传导的良好通道。中条山北麓山前大断裂与峨嵋台塬南侧断裂切割深度较大，据历史记载，断裂带附近曾有多次地震发生，沿断裂带还有地热源(水)分布，说明断裂带联通深部地热能，使其能向浅部地层岩性运移和传导，是两条导热、导水的构造通道。区内出露地层和地热勘查孔(井)所揭露地层由老到新依次为下古生界寒武系、新生界下第三系平陆群、上第三系及第四系。地下热水主要赋存于上第三系中新统以及下第三系渐新统、始新统承压孔隙裂隙含水层中(见图1)。

图1 运城盆地地热水热储层剖面图

1.2 地温场特征

研究区浅层无地温异常，地下300 m～350 m埋深，水温一般为18℃ ～20℃。深部靠地热增温而形成储热层，平均增温梯度 2.85℃ /100 m ～3.26℃ /100 m;1 000 m埋深，水温一般在35℃ ～40℃;1 600 m埋深，水温一般在40℃ ～45℃;2 000 m埋深，水温一般在50℃ ～55℃;3 000 m埋深，水温一般在60℃ ～65℃。本区南侧盐湖地带开采热水井，上第三系中新统(N1)底面埋深1 600 m～1 800 m，EH－4勘测剖面电阻率值也偏底，深部地温场均有显示，该井施工深度2 121 m，开采的渐新统(E3)含水层段1 800 m～2 100 m的热储层，平均水温65℃ ～70℃，地热梯度在 3.1 ℃ /100 m ～3.4 ℃ /100 m。运城市城区中心南风广场开采热水井，开采的下第三系渐新统(E3)与始新统(E2)含水层段2 100 m～3 200 m的热储层，平均水温60℃ ～65℃，地热梯度在2.8℃ /100 m ～3.4℃ /100 m。以上特征与同一类型的渭河盆地地温场特征大致相同，具有由浅到深递减的趋势。这一规律说明热源主要来自深部热流的传导。根据已有地热井资料显示，运城盆地地热井测井温度曲线如图2所示。

图2 运城盆地地热井测井温度曲线

综合上述分析，本区具备形成地热温度场的条件，上部有巨厚的保温层，下部有良好的储存及埋藏深度条件，具备了开发和利用地热能的前提条件。

2 地热水化学分析

为系统研究地热水水文地球化学，在运城市共布置8处热勘探孔(井)。根据现场测定和实验室分析的水化学分析结果(见表1)得到水中阳离子以Na+为主，其次为Ca2+、Mg2+。阴离子以 C1－为主，其次为SO42－、HCO3－。按照舒卡列夫分类法，含量大于25%毫克当量的阴离子和阳离子进行组合，该地热井水化学类型为C1－Na型水。可溶性总固体为17 522 mg/L，pH 值为7.14，总硬度为2 117 mg/L，总碱度为 140.9 mg/L，总酸度为 19.08 mg/L，这3种都以CaCO3来计的，属于中性硬咸水。

运城涑水盆地由于受地质构造影响较大，地热水水化学特征呈现出较为清楚的分带性。具体特征如表1所示。由表1可知，垂向上，涑水平原区(含本工作区与盐湖湖心区)属深层地热水，而峨嵋台塬区、中条山前区为浅层地热水和地热泉水，其水化学特征也存在着明显的差异性。

表1 地热水水化学主要特征表

勘查区内地下热水为较好的医疗热矿水，可溶性总固体远远超过国家标准，为盐水，其中锶含量达到命名矿水的标准要求，可命名为锶水，硫酸根含量大于500 mg/L对混凝土来说有很强的结晶类腐蚀性。

3 稳定同位素分析

稳定同位素氢、氧分析是地热水朔源最常用的有效指标之一[14]。根据勘探孔(井)采集的水样，进行 C14、δD、δO18同位素测定，其测试结果见表 2，由测试结果可知:

(1)本区的 δD和 δO18关系值，基本符合 H.Craigh降水直线方程公式

式中:δD为水的同位素组成;δO18为氧的同位素测定结果。

以及相邻地区西安市的降水直线方程公式δD=7.4δO18+9.52的函数关系[15]，由此查明大气降水是运城市地热水主要来源，且受水－岩同位素交换不明显。

(2)由C14测定结果可以得出，运城市范围内第三系地下热水埋藏较深，热水年龄在36 000 a左右，由此可见本区地下热水运移距离长、运移速度缓慢、运移时间长。

表2 地热水同位素测定结果表

4 地热资源评价

4.1 地热资源总量

(1)计算范围

研究区范围选取的原则总体以地热地质边界为准，即北、东、南分别以峨嵋台塬南侧断裂、皇莆至介村隐伏断裂、湖岸垄岗断裂为计算边界，西部以工作区地质坐标 X=3 896 860、Y=19 489 250和 X=3 878 760、Y=19 506 140连线为计算边界。计算面积175 km2。

将水资源视为不可再生的能源。本区地下热水的年龄在36 000 a左右，说明地下热水循环极其缓慢，因而可将热水储层视为静水层，进行资源估算时不考虑动态补给量。

(2)计算方法

本研究热水天然储量(包括热水储量和储存热量)，计算采用体积法:

式中:Qw为热水天然储量，m3;Qr为热储层储存热量，kJ;A为热储面积，m2;D为热储厚度，m;φ为孔隙度，%;ρc、ρw为热储岩石和水的密度，kg/m3;Cc、Cw为热储岩石和水的比热容，kJ/(kg·℃);Tr为热储温度，取计算热储层的平均温度，℃;Tj为基准温度，℃。

计算方法采用可采系数法。该方法对于资源勘探程度不高和热储工程实验参数资料有限的条件下，能给出可采资源的概略估计，可采系数约在0.1～0.5之间。结合运城市实际情况，本研究取0.25。

(3)计算结果

根据上述相关公式和相关参数，计算结果见表3。

表3 地热资源量计算结果表

4.2 地热资源评价

按目前单井开采量120 m3/h取值，并考虑到开采井之间的井群干扰因素，一般要求水量减少系数不小于0.20～0.25，因此水量减少系数取 0.25 进行地热水资源量计算。

地热水开采井单井平均每年开采地热水量为14×105m3。运城市175 km2勘查范围内每年可开采地热资源的总热水量为7.9×107m3。

4.3 水位降深预测

关于地下热水水位降深预测问题，就目前所掌握城区地下热水开采井的热水水位动态资料，开采初期，城区地热水的水位基本高于地表10 m左右，初始开采水位下降较快，后期水位下降基本趋缓，大多数地热井自2008年开采后，目前运城市城区地下热水开采中心的热水水位最大降深已达120 m，平均每年水位下降18.57 m，地热水资源属于超采状态。

5 结论

在综合分析研究区域地质构造特征的基础上，结合8处采样点采样化验数据对运城市地热水水化学特征及评价进行了研究，得到如下结果:

(1)运城涑水盆地由于受地质构造影响较大，地热水水化学特征呈现出较为清楚的分带性。南部中条山前区呈弱碱性微咸水，北部峨嵋台塬区的地热水水化学类型呈弱碱性半咸水;中部涑水平原区呈弱酸性咸水。垂向上，涑水平原区(含本工作区与盐湖湖心区)属深层地热水，而峨嵋台塬区、中条山前区为浅层地热水和地热泉水，其水化学特征也存在着明显的差异性;

(2)研究区地热资源采用可采系数法进行计算得到，研究区内可开采地热资源的总量为热水3.95×109m3，热量 2.42 ×1015kJ。如果按 50 a开采计算，每年可开采地热资源的总热水量为7.90×107m3，热量 4.84 ×1013kJ;

(3)运城城区地热水主要赋存于下第三系渐新统(E3)与始新统(E2)粉细砂岩含水层中，目前地热水位平均年降深18.57 m，地热水资源属于超采状态。因此应尽量采取采、停交替的方式才能使运城市地热水能够可持续利用。

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