靖安县项家地热水资源特征及成因分析

2020-03-03吴辉明

江西煤炭科技 2020年1期

关键词：水质标准结垢流体

吴辉明，武杨，陈凯

（江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌 330001）

项家地热水资源研究区位于江西省宜春市靖安县县城以西约500 m，其行政区划属靖安县双溪镇管辖。研究区进行了综合野外地质勘查及采样测试工作，在此基础上分析该区地热水资源特征和成因机理，为其开发利用提供一定的指导意义。

1 研究区地质及水文地质条件

1.1 地质条件

研究区内地层单一，除第四系全新统外，均为晋宁期花岗岩。花岗岩体出露于区内中西部，岩性为中粗粒黑云母花岗闪长岩；第四系主要分布于北潦南河两岸、区内南部和东部。

研究区位于九岭逆冲隆起中部晋宁期侵入复式背斜花岗岩体中，靖安～九江大断裂呈隐伏型穿越区内。区内主要受区域大断裂F1和次一级断裂F2控制，具体描述如下：

靖安～九江大断裂（F1）：发育于研究区中部，走向北东43°～45°，倾向南东，倾角为70°～75°，总长约180 km。该断裂穿越花岗岩体，沿线硅化破碎带极其发育。

次一级断裂（F2）：发育于区域大断裂F1南侧，属区域大断裂F1构造带上的次一级断裂构造带。走向近南北，倾向南东，总长约350 m，沿线形成宽约5～11 m硅化破碎带。

1.2 水文地质条件

根据研究区含水岩组的岩性组合、地下水赋存条件，可将本区地下水划分为松散岩类孔隙水、风化带网状裂隙水、构造裂隙脉状承压水三种类型，其中构造裂隙脉状承压水为研究区主要含水层。区内地下水处于北潦南河一级分水岭地带，西部为中低山花岗岩分布区，东南部水系发育。地下水主要接受大气降雨和部分外围裂隙水的侧向补给，沿风化裂隙向东南方向径流，在沟谷和低洼处以泉或渗流的形式排泄。

2 地热水资源特征

2.1 地温特征

沿F1断裂构造带布置ZK01～ZK05水文地质钻孔，工作量为2448.15 m/5孔，每个钻孔施工过程中都进行了系统测温。其中ZK01～ZK03测温数据显示地热水水温随深度增加而升高，钻孔控制深度段420～500 m间地温达38.34℃～40.1℃，属温水～温热水；ZK04在终孔深度503.89 m处地热水温度为24.7℃，ZK05在终孔深度523.17 m处地热水温度为24.9℃，地温异常不明显。根据《地热资源地质勘查规范》（GB11615-2010）附录A，本文利用二氧化硅地热温标和钾镁地热温标两种方法分别估算研究区热储温度，其计算方法分别为公式（1）和（2）。将已控制热储地段系统测温资料、地温梯度的变化规律及地球化学温标计算的热储温度等成果通过公式（3）计算求取相应热储的埋藏深度。研究区深部热储温度及热储的埋藏深度计算结果见（见表1）。表1计算结果表明，研究区推测热储温度达118.6℃，热储埋深为1200 m左右。区内地温分布南部地温较高，北部地温相对较低；而热储的埋藏深度南段较浅，北段较深。

式（1）、（2）中：t为热储温度℃；C1为热水中SiO2的浓度mg/L；C2为热水中钾的浓度mg/L；C3为热水中镁的浓度mg/L。

式中：H储为热储埋藏深度，m；t储为温标计算的热储温度，℃；t深为测温井底的地热温度，℃；Δt/Δh地为地温梯度，℃/m，Δt/Δh正为正常的地温增温率，℃/m；h深为测温井深度，m。

表1 项家地热水资源深部热储温度及热储埋深计算结果

2.2 地热流体化学特征

（1）水化学成分分析

本次勘查对存在地温异常钻孔地热流体均采集了样品并进行分析测试。采集的地热水无色无味、清澈透明，ZK01、ZK02、ZK03孔水质分析结果见表2。由水化学分析数据可知，项家地热水呈弱碱性，PH为7.4～9.2。主要阳离子为Na+、Ca2+、K+，其含量分别为9.08～18.00 mg/L，3.57～23.13 mg/L，0.88～2.41 mg/L；主要阴离子为HCO3-、SO42-、Cl-、F-，其含量分别为87.64 ～143.73 mg/L，4.00 ～12.00 mg/L，4.43～7.98 mg/L，0.14～7.20 mg/L。运用库尔洛夫式对其地热水化学类型计算分类，ZK01孔地热水样的水质类型为HCO3-CaNa型，ZK02孔和ZK03孔地热水样的水质类型为HCO3-NaCa型。对ZK01、ZK02、ZK03钻孔地热水化学成分进行Piper图投点（见图1），结果表明ZK01和ZK02地热水水化学特征比较接近，与ZK03热水差异较大。

表2 项家地热水水质分析结果

（2）地热流体用途评价

地热水可用于供暖、生活用水、温泉洗浴、理疗等。不同质地地热流体利用方向、方式与排放要求不同，可根据地热流体物理性质、化学成分、微生物含量等指标对其不同用途进行评价。

图1 项家地热水化学Piper

研究区地热水未发现悬浮物、大肠杆菌等对人体有害的菌落和元素。根据《地热资源地质勘查规范（GB/T11615-2010）》附录E中理疗热矿水水质标准，项家地热水温度38.4℃～40.1℃，属温水～温热水，其中ZK01孔、ZK02孔、ZK03孔H2SiO3含量分别为30.51 mg/L、41.71 mg/L、31.54 mg/L，达到《理疗热矿水水质标准》中具有医疗价值浓度标准；ZK01、ZK03孔F-含量分别为3.92 mg/L、7.20 mg/L，达到《理疗热矿水水质标准》中命名矿水浓度标准，可命名为氟水；ZK03孔H2S含量为1.53 mg/L，达到《理疗热矿水水质标准》中具有医疗价值浓度标准。按照《饮用天然矿泉水（GB8537-2008）》和《生活饮用泉水卫生标准（GB5749-2006）》进行判定，总体来看，由于F-含量超标项家研究区温热水的水质不宜直接作为生活饮用水，可作洗涤等生活用水。根据《农田灌溉水质标准（GB5084-92）》规范，项家地热水水温超标准3.4℃～5.1℃，不能直接提取作为农田灌溉用水，经洗浴的热废水各项指标略有降低，混入地表溪水后水质符合农田灌溉用水水质标准。综上，项家地热水可用于理疗、洗浴、采暖、温室等方向的开发利用。

（3）地热流体结垢评价

地热流体因所含二氧化硅、钙、铁等组分温度变化而产生结垢，根据《地热资源地质勘查规范（GB/T11615-2010）》，参照工业上用锅垢总量H0（mg/L）来衡量本区地热水的结垢性。对氯离子含量较低（＜25% mmol/L）时的地热流体，采用雷兹诺指数判别法判断碳酸钙的结垢趋势。雷兹诺指数RI计算公式如下：

式中：RI为雷兹诺指数，PHs为计算出的PH值，PHa为地热流体实测的PH值，[Ca2+]为地热流体中钙离子的摩尔浓度，[ALK]为总碱度，即HCO3-离子的摩尔浓度，Ke为常数。

当雷兹诺指数RI＜4.0，结垢非常严重；RI=4.0～5.0，结垢严重；RI=5.0～6.0，结垢中等；RI=6.0～7.0，结垢轻微；RI＞7.0，不结垢。

经计算，靖安县项家地热流体雷兹诺指数为RI=15.2，对照雷兹诺指数判别法，水的结垢性分类可知，该地热流体的结垢性评价结果为不结垢水。

3 成因分析

项家地热水资源主要受F1断裂构造控制。该断裂由先期的逆压扭状态渐转为以张性为主，后延伸规模不断加深扩张，导致深部热流上升，并多次引发上地幔塑性组分的入侵或喷发，形成了断裂带中深部地热异常，并进一步发展成为构造储热体（带）。晚第三纪至第四纪以来，该断裂活动断续，在近代沿断裂带附近发生了九江～瑞昌间地震、靖安地震，最终形成断裂带地温异常。

研究区为构造剥蚀地貌，大气降水顺着松散堆积层、风化花岗岩及浅变质岩的原次生裂隙及后期构造裂隙快速下渗到深部，并汇集到宽大而又深的控导热断裂F1内。经断裂深部循环加温，并储集在NE向构造角砾岩及F2断裂上盘裂隙密集带F2中。随着热储各部位的高程、地下水位等地理、地质因素形成的压力差，促使热储内的地下热水沿着F1断裂带从西和北东方向深循环迳流，沿底部完整岩体与构造破碎带处及浅部风化裂隙与孔隙混合扩散径流，分散排泄。

地下热水的化学特征，受形成地下热水的断裂带和深部地质环境控制，且与其在循环过程中所流经的地层岩性有关。研究区花岗岩岩性为中粗粒黑云母花岗闪长岩，岩石化学成分SiO2含量高达74.70%～75.84%，K2O+Na2O 为7.39%～8.07%，CaO为0.16%～0.43%，MgO 为0.24%～0.49%。岩石中还富含Sn、Mn、Cu、Pb、Zn等多种金属元素及F、OH、Cl等挥发分。岩石中的这些化学组分对该区地热流体化学特征起到了主导性的影响。