民乐县生态园地热流体化学特征评价

李彩霞, 李永恒, 童品贤

(甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050)

研究区位于民乐生态工业园南部约10 km处，行政隶属民乐县新天镇李寨村。国道G227位于研究区东侧，区内有乡村道路。本次地热资源普查中布设的探采结合井距离G227约5 km，距离民乐县城约40 km，交通物流快捷便利。本文以在研究区内施工的ZK1地热井所取得的资料为基础，结合区域地质资料，重点研究地热流体的化学特征。

1 地质条件

1.1 区域地质条件

民乐盆地属祁连山地槽北缘的一个中、新生代断坳型的山前盆地。中生代的构造线呈北北西方向展布，晚第三纪的区域构造线呈北西方向展布，古生界及前古生界变质岩系构成盆地广泛的基底，中生界和新生界上第三系、第四系是盆地广泛的沉积盖层。

1.2 区域径流场特征

地热流体主要为祁连山补给区沿断裂破碎带下渗的地下水。在渗入地下深循环过程中，靠岩温加热，达到岩水温度平衡，在水头压力差的作用下，沿深部孔隙发育、渗透性较好的热储层中的热流体侧向缓慢流动至盆地中部。

2 热储层特征

2.1 层位确定

民乐生态工业园地热资源研究区域属构造控制边界的中温盆地型地热田，其热储类型为层状热储。古近系白杨河群间泉子段地层中的砂岩热储为主要热储层，下部晚奥陶世的花岗岩热储为次要热储层。

2.2 温度特征

根据ZK1地热井资料，在0～20 m为该区域变温层，地温增温率较大；20～60 m为该区域常温带，温度在13～16 ℃之间，变化不大；60 m以深在第四系地层段，地温增温率呈不规则变化；在60～80 m段迅速增温，80～120 m段增温幅度较小，井温变化曲线相对平缓；因为第四系潜水层的原因，120～200 m段持续恒温，随后在240～260 m段、300～310 m段、360～380 m段、590～600 m段、640～650 m段均因为第四系潜水层出现与120～200 m段相似的情况。

进入新近系地层后，随井深增加井温升高缓慢，但持续增高，地温增温率数据呈现规律性波动，主要是含水层分布对地温增温起到一定的影响作用。新近系地层平均地温增温率2.37 ℃/100 m，局部段地温增温率最高达4 ℃/100 m。

古近系地层整体地温增温率较新近系高，原因为古近系地层岩性总体以砂质泥岩、粉砂岩和泥质砂岩为主，其含砂量相比新近系较高，地层孔隙度偏大，容重偏小，因此整体导热率较大，地温增温率总体偏高。在古近系地层内随井深增加地温增温率上部较大，中下部平缓，底部呈负增长。

3 地热流体化学特征

3.1 地热流体化学组分特征

民乐县生态工业园ZK1地热井经过高压清水洗井、焦磷酸钠洗井和抽水震荡洗井等方法对ZK1实施洗井工作，达到水清砂净。在抽水试验中，初始水质因井管原因存在影响，至水质清澈无变化时再进行水样采集并送检。

民乐县生态工业园ZK1地热井水质分析结果见表1。ZK1地热井pH值为7.66，属弱碱性水；可溶性总固体5 810 mg/L，为盐水；总硬度含量为2 278 mg/L，为硬水；水中主要阴离子SO42-含量为1 408 mg/L，Cl-含量1 754 mg/L，HCO3-含量596 mg/L，阳离子中Na+含量达1 522 mg/L，Ca2+含量250 mg/L，Mg2+含量123 mg/L。氟含量3.6 mg/L，锶含量10.8 mg/L，偏硅酸含量59.8 mg/L，三项均达到了矿泉水浓度；偏硼酸含量3.15 mg/L，锂含量1.04 mg/L，这两项达到了具有医疗价值浓度。

表1 民乐县生态工业园ZK1地热井水质分析结果

地热流体水化学类型为Cl·SO4—Na型水。地热流体中碱金属超过碱土金属，强酸超过弱酸，属于第7区。非碳酸碱金属超过50%，地下水化学性质以碱金属和强酸为主，与卤水类似，可见ZK1地热流体是向着卤水演化的。

3.2 地热流体化学组分动态特征

研究区项目实施过程中，仅施工民乐县生态工业园ZK1一口地热井，开采性抽水试验过程中对该地热井地热流体采样检测分析。经分析地热流体大部分化学组分变化基本稳定。目前抽取的地热流体量较小，流体均属于热储长期储存水，水化学组分基本无变化。

3.3 同位素化学特征

为进一步查明地热田中地热流体来源，在本次民乐县生态工业园区地热井采取地下水同位素样品1组，送至国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心进行水样氢氧同位素及碳同位素检测，检测项目有18O、D、T、13C和14C等。

3.3.1 氚同位素检测分析

民乐县生态工业园地热井氚同位素分析结果：T<0.5TU。

根据区域以往研究数据可知，张掖一带大气降水中的平均T含量为41.3TU，1960—2008年张掖降水补给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。经与区域上对比得出该井地热水与现代水之间水力联系极差，为长期储存水。

3.3.2 氢氧同位素检测分析

民乐县生态工业园地热井D、18O分析结果：δD=-76‰，δ18O=-10.3‰。

本次分析根据河海大学地球科学与工程学院黄锦忠等人搜集分析的乌鲁木齐、银川、张掖、兰州、平凉、西安和拉萨7个地区多年大气降水的氢氧同位素数据资料[1]，建立了张掖地区的大气降水曲线，利用IAEA的稳定同位素数据线性回归求得张掖地区的大气降水线方程为：

δD=6.76δ18O-4.50

(1)

该曲线R2=0.94，置信率较高，形成的关系图如图1。

图1 ZK1地热井水样 δD-δ18O关系图

民乐生态工业园地热井δ值落在张掖地区降水曲线下方，且距离降雨线较近，说明其自接受古降水入渗补给后，迅速进入地下径流，蒸发作用较弱，期间未发生同位素分馏过程[2]。

综合可见，该地热田地下热水主要靠南部祁连山区大气降水和冰雪融水下渗侧向补给，沿祁连山北缘深断裂和盆地内NNW向基底断裂自南向北径流，并存储于深部热储层。地下热水自接受补给至今历经3万年左右，一方面是因为区域渗透系数较小，地下水径流过程本身漫长，另一方面是深部地热水与上部现代水(包括第四系潜水和新近系承压水)几乎不存在水力联系，贮存时间极长。

4 结论

通过对研究区地质背景、热储层特征和地热流体化学特征的研究，可以得出以下结论：(1)研究区热储类型为层状热储，主要热储层为古近系白杨河群间泉子段的砂岩热储，次要热储层为晚奥陶世的花岗岩；(2)地热田地下热水主要靠南部祁连山区大气降水和冰雪融水下渗侧向补给，沿祁连山北缘深断裂和盆地内NNW向基底断裂自南向北径流，并存储于深部热储层；(3)地热流体中碱金属超过碱土金属，强酸超过弱酸，地下水化学性质以碱金属和强酸为主；(4)根据地热流体化学分析,δD、δ18O分析结果：δD=-76‰，δ18O=-10.3‰；氚同位素分析结果：T<0.5TU。