浅析北京平谷地区片麻岩地热水的水化学特征

郭帅

摘 要：本文搜集了11个水样点的水化学数据，其中p1-p5取自北京平谷地区的5个片麻岩地热井。通过对比，片麻岩水样的水化学类型主要为SO4-Na，且地热水中氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，大部分能够达到有医疗价值的浓度。p1-p5均为半腐蚀性、不结垢的地热水，推测北京平谷地区片麻岩地热水为半腐蚀性、不结垢的地热水，地热水在开发利用过程中要有效防范腐蚀性问题。从p1-p5水化学数据分析结果来看，平谷地区片麻岩地热水中有冷水混入的可能。通过硅-焓模型分析，推测平谷地区片麻岩地热水的热储温度在98℃～207℃，水样中混入的冷水比例大部分在77%～88%之间。

关键词：北京平谷;片麻岩;地热水;水化学;硅-焓模型

Abstract： Hydrochemical data of 11 water samples were collected， among which samples p1-p5 were from 5 gneisss geothermal wells in Pinggu District， Beijing. Through comparison， the hydrochemical types of gneisss water samples are mainly SO4-Na; the contents of fluorine， metasilicic acid and metaboric acid in geothermal water are generally high， most of which can reach the concentration of medical value. Samples p1-p5 are all semi-corrosive and non-scaling geothermal water. It is speculated that gneisss geothermal water in Pinggu District of Beijing is semi-corrosive and non-scaling geothermal water， and the geothermal water should be effectively prevented from corrosivity in the development and utilization process. According to the analysis results of p1-p5 hydrochemistry data， it is possible for cold water to mix into gneisss geothermal water in Pinggu District. Through the silicon-enthalpy model analysis， probably the thermal storage temperature of gneiss reaches 98 to 207， and the geothermal water may be mixed with cold water， which proportion ranges from 77% to 88%.

Keywords： Pinggu District， Beijing; Gneiss; Geothermal water; Hydrochemistry; Silicon-enthalpy model

0 引言

近几年的地热资源勘探开发，在平谷地区发现了太古界片麻岩热储，并成功钻凿多眼地热井。平谷地区在北京市地热资源规划中属于其他地区，地热勘查风险性较大，允许进行地热资源方面的风险勘查与开发利用研究（北京市国土资源局，2006）。平谷地区的太古界片麻岩为密云群沙厂组，主要岩性为角闪斜长片麻岩、辉石角闪斜长片麻岩、黑云母角闪斜长片麻岩等，局部地区混合岩化强烈。片麻岩本身致密，节理裂隙不发育，含水性差。钻凿地热井的位置多位于构造断裂附近，钻井揭露片麻岩破碎带。因此，太古界片麻岩热储为断裂-深循环型地热资源。

片麻岩中开采地热资源的案例不多，其水化学特征尚不明确。本文在水樣点水化学分析的基础上，结合周边片麻岩出露温泉的水质和北京市其他类型热储的水质资料，对比分析得到片麻岩地热水的特征，为其合理开发利用提供指导建议。

本文搜集了11组水样数据，其中：平谷地区已完工地热井水样5组，编号p1-p5，水样位置见图1;河北省境内片麻岩出露温泉水水样2组（遵化温泉编号s1和崔庄温泉编号s2）（王莹，2010）。大兴区长城系热储地热井水样1组（增瑞祥等，2001），编号q1;昌平区小汤山地热田蓟县系雾迷山组为热储层的地热井水样1组（增瑞祥等，2001），编号q2。平谷区山前基岩冷水水样1组，编号jy;平谷区第四系冷水水样1组，编号dsx。

1 地热地质条件

1.1 热储层

平谷地区出露的地层有太古界密云群沙厂组、中元古界长城系、蓟县系、寒武系、奥陶系以及新生界第四系（图1）。根据地热资源勘查成果和实钻资料，平谷地区主要的热储层为太古界片麻岩和蓟县系碳酸盐岩地层。

太古界片麻岩热储层主要是密云群沙厂组（Ars）地层，主要岩性有二辉麻粒岩，黑云闪辉斜长片麻岩和含辉角闪斜长片麻岩，云辉变粒岩呈韵律式互层，局部夹浅粒岩、斜长（辉石）角闪岩（常含石榴石）、角闪二辉石岩透镜体等，厚度大于1216m（北京市地质矿产局，1991）。

平谷地区的片麻岩本身致密，节理裂隙不发育，含水性差。钻凿地热井的位置多位于构造断裂附近，钻井均揭露片麻岩破碎带。因此，太古界片麻岩热储为断裂-深循环型地热资源。地下热水形成过程：大气降水渗入地下转化 为地下水，进入深部水文循环，地下水流经构造断裂与深部热源沟通而提升温度，在后续的水文循环过程中富集与片麻岩构造裂隙。搜集的地热井及温泉的储、盖层信息见表1。

1.2 盖层

形成地热水的另一个重要条件是具有较好的热储盖层，一般热储盖层的岩性较为致密，具有隔断与浅部冷水的联系、保持地下热水温度的作用。平谷地区片麻岩热储层上覆地层为第四系和长城系，第四系岩性主要为砂黏、黏砂、砂砾石，保温性能较好;长城系岩性主要为砂页岩、石英砂岩、泥质白云岩，该层富水性普遍较差，隔热性相對较好。

2 地热水水化学特征

2.1 水化学类型

地热水在高温高压条件下不断的与周边围岩发生物理、化学变化，这些变化使地热水蕴含了丰富的矿物质。

为了与北京地区主要储层的地热水对比，选取了长城系水样点q1和蓟县系水样点q2。长城系热储以高于庄组白云岩及白云质灰岩为主，开采高于庄组热水的地热井不多，水样点q1的水化学类型属于HCO3·Cl-Na型。蓟县系雾迷山组热储为北京地区最主要的热储层，以碳酸岩地层为主，主要水化学类型为HCO3-SO4-Na-Ca-Mg、HCO3-Na-Ca，q2的水化学类型就属于HCO3-Na-Ca型。

为了与平谷地区地下冷水的水化学特征对比，搜集了平谷区山前基岩井水样（编号：jy）和第四系井水样（编号：dsx）的水化学资料（表2）。两个水样点的水化学类型均为HCO3-Ca·Mg。

片麻岩热储的资料较少，根据搜集的2个温泉和5个地热井的水质资料来看，其主要水化学类型为SO4-Na型（图2）。其中p1的取水层位包括长城系和片麻岩，其水化学类型为HCO3-Mg·Ca，属于混合后的水质。p5的井深较浅，仅为200m，地热水中可能混入了浅层地下水，其水化学类型为HCO3·NO3-Ca。除p1外，其他4个水样点的取水层位均为片麻岩，但由于片麻岩热储属于受断裂控制的带状热储，水样点的水化学特征因不同导热导水构造的影响较大。片麻岩中地热水与北京市蓟县系和长城系层状热储在水化学类型上有明显差异。

通过水样点的Na-K-Mg三角图可知（图3），除p2和p3地热水为部分平衡水外，其余水样均属于未成熟水，p4更接近部分平衡水，其他水样均集中在Mg1/2角附近。这些水样点的Mg2+含量高，水-岩相互作用的平衡温度不高，地下热水可能发生了与冷水的混合作用（王莹等，2007）。

2.2 特征组分

地热水中常含有偏硅酸、氟、锂、锶等多种有益组分。根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）附录E理疗热矿水水质标准，将有医疗价值指标浓度、命名矿水指标浓度和各水样的特征含量汇总（表3）。

从表3可看出，各水样点均含有地热水特有的化学组分，但数据没有明显的差异性。总体上看，片麻岩地热水的氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，普遍能够达到有医疗价值浓度。其中，p5的地热水特征组分含量普遍较低，这可能与p5井深较浅，地热水中很可能混入了浅层地下水。

温泉属于自流出地表的地热水，由于地热水特殊的理化性质及其对人体的影响，我国早在先秦的《山海经》里就有了“温泉”的记载，使用温泉治疗疾病，并把温泉作为水疗及养生的天然资源（韩令力，2017）。片麻岩中地热水的这些特征组分具有不同的医疗价值，可为地热资源的合理开发提供有利条件。

2.3 腐蚀性与结垢性

（1）腐蚀性评价

依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）第9.4.2条，参照工业用水水质标准，用腐蚀系数来衡量地热水的腐蚀性，计算结果见表4。

计算结果显示，s1、q1和q2的腐蚀系数Kk<0，并且Kk +0.0503Ca2+<0，为非腐蚀性水。其他6个水样的腐蚀系数Kk<0，并且Kk +0.0503Ca2+>0，均为半腐蚀性水。

（2）结垢性评价

当地热流体中氯离子含量较低（<25%摩尔当量）时，可根据雷兹诺指数（RI）定性估计地热流体碳酸钙的结垢趋势，本次选取水样的氯离子摩尔当量均小于25%。雷兹诺指数（RI）按《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）第9.5.3.2条计算，结果见表5，q2结垢中等;s1、s2、q1结垢轻微;p1-p5不结垢。

通过腐蚀性和结垢性计算，得出以下结论：q2水样属于小汤山地热田，为非腐蚀性水，结垢性为中等;q1水样属于双桥地热田，为非腐蚀性水，结垢性为轻微（接近不结垢），计算结果与两眼井的开发利用实际情况相符，证实本次计算结果可靠。p1-p5均为半腐蚀性、不结垢的地热水，推测北京平谷地区片麻岩地热水为半腐蚀性、不结垢的地热水。s1、s2虽然也属于片麻岩地热水，但其腐蚀性和结垢性与北京地区不同，认为不同地区的片麻岩岩性不同，水岩相互作用类型和程度不同，导致了地热水水质差异。

2.4 Ludwig-Langelier图

Ludwig-Langelier图常用来分析地下热水的来源，它由水中常见的8种元素组合而成（钾、钠、钙、镁4种阳离子和重碳酸根、碳酸根、硫酸根及氯根4种阴离子的毫克当量百分数组成）。统计点处于图的左上方反应较纯的地热水，右下方表示接受大气降水形成的水，中间部分表示二者的混合，越靠近左上角反映地热水所占的比例大，反之靠近右下角表示大气降水混入较多（北京市地质工程勘察院，2001）。为了在图中较为明确的反应出水化学所处的位置，以大气降水补给的多寡按对角线自右下方向左上方分出5个档次，分别命名为A、B、C、D、E区。

本次选取的11个水样点的水化学资料描绘到Ludwig-Langelier图上（图4），s1、p2、p3、p4位于E区，属于较纯的地热水;s2和q1分别位于D区和C区，属于混入大气降水的地热水;p1、p5、q2位于A区，但其靠近B区，属于混入大气降水较多的地热水。而地下水水样dxs、jy则位于A区的右下角，与其大气成因一致，可作为对照。

p1和q2水样都含有长城系地热水，其分布位置近似，说明长城系地热水属于混入大气降水较多的，其径流过程要短于较纯的地热水。

p5由于井深较浅，推测其混入了浅层地下水，在Ludwig-Langelier图上也印证了其混入大气降水较多。

片麻岩热储的水样基本都属于较纯的地热水，处于还原环境，这与地热水所处的构造特征、补给源等有关。单从混入大气降水的程度来看，片麻岩热储混入的要少于长城系热储，推测片麻岩中的地热水经历的径流过程要长于长城系中地热水。

2.5 混合模型

（1）离子比

利用搜集的平谷区水样点水化学组分计算得到组分离子比（表6）。Na/K：低比值一般反应了水的高温条件（刘颖超等，2015）。p1-p5的比值范围在4.26～34.19之间。其中，p2、p3、p4的比值相近，而p1和p5的比值较低。推测p1和p5属于相对高温条件的地热水。Cl/F：若有冷水混入，比值通常会降低。p1-p5的比值变化大，其中p3、p2发生冷水混入的可能性更大。Cl/B：一般相同起源的地热水Cl/B比值相同。Cl/B比值除p5外相差不大，推测p1-p4采样点起源相同。Cl/SiO2：比值低的地热水可能与较低温度的水发生了混合。比值相差不大，p3发生冷水混入的可能性更大。

Fournier（1979）认为不会在溶液中沉淀的相对保守的元素，在水通过岩石的运动过程中不会从溶液中沉淀出来。如果深部上升的热水与浅层的地下冷水发生混合，那么混合水中的保守组分与Na，K，B，SiO2之间的关系通常认为是混合发生的有力证明（Arnorsson，1986;Arnorsson et al. ，2000）。Cl在地下热水中是一种保守性成分。通过离子比计算，推测p1-p5水样中存在深部上升的地下热水与浅层的地下冷水存在混合的可能。

（2）硅-焓模型

硅-焓模型假设热水部分在混合之前没有蒸汽损失和热损耗，混合之后也没有热损耗，而深部热水二氧化硅的初始含量只受石英溶解度的控制以及在混合之前或以后，没有再发生二氧化硅的溶解和沉淀（杨雷，2012）。

根据搜集的冷水水样（编号：dxs，编号：jy），选取其温度和偏硅酸含量的平均值（即：温度T=10℃，SiO2=18.9 mg/L）。从代表混合水的非热水成分的一点通过混合的热水点所作的直线与石英溶解性曲线相交，交点给出热水组分的最初硅浓度和焓值（于，2006）。从图5中可以看到，热水点主要分布在冷水点和热水点的两条连接线范围内。连接冷水点和p4的最上端直线与石英溶解度曲线相交，得出推测温度为207℃（880kJ/kg）;连接冷水点和p5、p3的位于最下端的直线与石英溶解度曲线相交，得出热储温度为98℃（260kJ/kg）。因此，推测平谷区片麻岩地热水的热储温度在98℃～207℃范围内。

这些推测的热储温度比实际出水温度要高得多，这表明该热储中大部分的地下热水同地下冷水存在混合，根据下述公式计算冷水混入的份额。假设冷水混入的份额为X，则可以得到下面两个方程式（杨维等，2010）：

其中，H冷、H热、H分别为冷水焓值、热水初始焓值和混合后温泉水焓值，Si冷、Si热和Si分别为冷水中SiO2含量、热水中的初始SiO2含量和混合后地热水中SiO2含量。

通过计算，p1的冷水混入份额为82%，p2的冷水混入份额为81%，p3的冷水混入份额为12%，p4的冷水混入份额为88%，p5的冷水混入份额为77%。平谷地区片麻岩地热水的冷水混入份额差别较大，除p3为12%，其他4个水样的冷水混入份额在77%～88%之间。由于水样均取自地热井成井时且水样点间距离较远，推测冷水混入与地热水开采关系不大，与片麻岩深部裂隙发育情况及深层与浅层地下水间的水力联系有关。

3 结论

北京平谷地区片麻岩地热水的水化学类型主要为SO4-Na，且地热水中氟、偏硅酸、偏硼酸普遍偏高，大部分能够达到有医疗价值浓度，可用于发展医疗康养产业。

平谷区水样p1-p5均为半腐蚀性、不结垢的地热水，推测平谷地区片麻岩地热水为半腐蚀性、不结垢的地热水。在开发利用过程中要密切注意管道及其利用设施的防腐蚀性情况。

从Na-K-Mg三角图、Ludwig-Langelier图以及离子比分析可知，平谷地区片麻岩地热水中有冷水混入的可能。通过硅-焓模型计算，推测平谷地区片麻岩地热水的热储温度在98℃～207℃。由于5个水样点的地热水受到不同的断裂构造控制，热储温度的差异较大主要与其控热断裂的规模、切割深度等特征有关，寻找片麻岩中地热资源需要重点考虑附近断裂构造的特征。5个水样点计算的热储温度与出水温度的差距较大，水样中混入的冷水比例大部分在77%～88%之间。

平谷地区5个片麻岩水样的热储条件及水化学特征可以作为今后在平谷地区开发利用地热资源的重要依据。

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