穹窿控制型地热流体质量评价

贾伍慧,刘 凯*,张垚垚,张寿川,何庆成,孙军亮,余廷溪,郭骏瀚,王路瑶

1)中国地质科学院,北京 100037; 2)中国地质大学(北京),北京 100083;3)中国矿业大学(北京),北京 100083

地热水是富含热、水和矿的热矿水资源,其形成与环境中化学元素的迁移、演变和再分配等因素有关,在我国分布广泛(汪洋等,2001; 王贵玲等,2017)。同时,地热水还是一种国内外公认的清洁、环保、具有多功能性的绿色资源,不仅可用于发电、供热、渔业等,而且地热水富含对人体健康有益的特殊化学组分、矿物盐类、微量元素、气体组分、放射性元素和适宜的水温,还会具有一定的理疗价值(Cerón et al.,2000; 王贵玲等,2000; Baradács et al.,2001; 孟宇平,2020)。因此,地热水具有广泛开发用于洗浴、康养、饮用和旅游的潜力(周训等,2006)。

地热水开发利用之前需对水质进行分析测试,并依据《地热资源地质勘查规范》(GB 11615—2010)等相关标准对其做出相应评价,以确定地热水的理疗功效和其他适用途径(路明,2017; 刘慧等,2020)。通过地热水的用途评价和腐蚀性结垢性评价,可为地热水的开发利用提供科学依据(孙杰夫等,2018)。

罗霄山脉北支武功山为花岗岩穹窿构造,其形成所需的构造热动力效应以及穹窿周边的断裂带为地热水的形成、赋存与活动提供了良好条件(张垚垚等,2022)。因此,环武功山地区分布较多地热井,如温汤地热、万龙山地热、洪江地热等(辛田军等,2016;刘凯等,2020; 高胜强等,2022)。然而,该区地热水总体的理疗功效和适用途径尚未明确,亟需依据相关标准开展地热流体质量评价。为此,本次研究通过对环武功山地区多处地热水水质的分析研究,依次对地热水的用途、腐蚀性、结垢性等进行了评价,为环武功山地区地热资源的开发利用提供有力支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于我国江西省境内,罗霄山脉北支武功山一带(E113°57′—114°28′; N27°18′—27°46′),为典型的中生代花岗岩穹窿伸展构造。该区经历多期次、多阶段的岩浆和构造活动,断裂构造发育,以北东向断裂为主(图1),次级断裂为北北东向和北西向,两组断裂交汇的上盘位置岩石破碎,易形成热异常通道。因此,该区域地热井较多,以中低温地热水为主。

图1 研究区地质背景与地热井位置Fig.1 Geological background and location of geothermal wells in the study area

此外,研究区地属中亚热带季风气候,并具有山地气候特征。其中,年平均降雨量约为1 700 mm,平均蒸发量约为1 300 mm,平均气温约15 ℃,平均相对湿度约为82%。该区水源以大气降水补给为主,地表水多为冲沟水系,地下水主要源于花岗岩体断裂带、基岩裂隙含水层。

1.2 样品采集与测试方法

本次地热流体质量评价共采集16个地热水水样、2个地下水水样、2个地表水水样和1个雨水水样(图1),分别进行了现场测试和实验室水质全分析测试。其中,现场测试指标有水温、pH、溶解性总固体(TDS)、电导率和氧化还原电位,分别采用SX-620型笔式pH计(±0.01pH; ±0.1℃)、SX-630型笔式ORP计(±1 mV)、SX-650型笔式电导率/电阻率/TDS/盐度计(±1.0%FS)测试。实验室测试水样采用棕色玻璃瓶和聚乙烯瓶采样。其中,挥发酚类、氰化物测试采样利用棕色玻璃瓶加氢氧化钠保护剂;锰、铜、锌、铝等金属元素测试采样利用棕色玻璃瓶加硝酸保护剂; 其他离子测试均利用聚乙烯瓶直接采样。实验室全分析指标由圭瑞测试科技(北京)有限公司测试,测试执行标准为《水质65种元素的测定电感耦合等离子体质谱法》(HJ 700—2014)、《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)、《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130-2006)及其它现行有效的国家、行业标准。基于水样现场测试和水质全分析数据,本次地热流体质量评价包括理疗热矿水评价、饮用天然矿泉水评价、农业灌溉用水评价、渔业用水评价、腐蚀性及结垢趋势评价。

1.3 评价方法

1.3.1 地下水用途评价方法

地下热水的理疗保健功能在于天然形成的25 ℃以上的温泉,并含有一定的矿物和气体成分。以《地热资源地质勘查规范》(GB 11615-2010)附录E“理疗热矿水水质标准”为依据(表1),对是否达到理疗热矿水水质标准作出评价,并对达标的热矿水进行命名。

表1 理疗热矿水水质标准Table 1 Water quality standard of physiotherapy hot mineral water

饮用天然矿泉水是指从地下深处自然涌出的或经钻井采集的,含有一定量的矿物质、微量元素或其他成分,在一定区域未受污染并采取预防措施避免污染的水; 在通常情况下,其化学成分、流量、水温等动态指标在天然周期波动范围内相对稳定。本次以《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》(GB 8537—2018)为依据对研究区内地热水进行评价(表2)。

我国对农田灌溉用水的水质控制标准为《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021),该标准规定的汞、镉、砷、铬、铅、铜、锌、硒等微量元素在区内地热水中均小于检出浓度。参照《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)农业灌溉用水的控制项目为溶解性总固体(TDS)、氯化物、碳酸盐、钠吸附比(SAR)、硼、砷及氟化物,灌溉用水水质分级如表3所示。此外,渔业用水的水质评价标准参照《渔业水质标准》(GB11607-89)中的有关内容(表4)。

表3 灌溉用水水质评价分级Table 3 Classification of irrigation water quality evaluation

表4 渔业用水水质评价标准Table 4 Water quality evaluation standards for fishery water

1.3.2 腐蚀性评价方法

地热水腐蚀性是地热水通过其化学组分、温度、流速及压力等诸多因素与所用材料相互作用的复杂结果,其中地热水的化学组分对金属材料的腐蚀性起关键作用。根据中国能源研究会地热专业委员会的理论研究成果,当地热水中氯离子含量超过25%毫克当量百分数时,采用拉申(Larson)腐蚀指数评价较为合理。拉申(Larson)指数表达式为:

式中:LI为拉申指数; Cl为氯化物或卤化物浓度(mg/L); SO4为硫酸盐浓度(mg/L);ALK为总碱度(mg/L); 以上三项以等当量的CaCO3(mg/L)表示。地热水按LI划分腐蚀程度,其中,LI＜0.5为无腐蚀性水; 0.5≤LI＜3.0为轻微腐蚀性水; 3.0≤LI＜10为中等腐蚀性水;LI≥10为强腐蚀性水。

当地热流体中Cl-的毫克当量百分含量均低于25%,一般不能采用拉申指数进行评价。依据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010),可参照工业上用腐蚀系数Kk来衡量地热水用于锅炉的腐蚀性。酸性水和碱性水的腐蚀性系数分别由公式(2)和公式(3)计算。

式中:r表示离子含量的每升毫克当量数。若腐蚀系数Kk＞0,称为腐蚀性水; 腐蚀系数Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＞0,称为半腐蚀性水; 腐蚀系数Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＜0,称为非腐蚀性水;式中,Ca2+为离子含量(mg/L);

1.3.3 结垢性评价方法

(1)碳酸钙垢

影响碳酸钙结垢的主要因素有pH值、压力、温度及共存盐的浓度。关于碳酸钙结垢的问题,有各种预测指数来判断其结垢的趋势,目前地热系统中普遍采用的是雷兹诺指数(RI),表达式如下:

式中: pHs为计算出的pH值(高于此值时,水中的碳酸钙就会沉积出来); pHa为实测pH值。其中,pHs的计算公式如下:

式中: [Ca2+]为钙离子的摩尔浓度; [ALK]为HCO-3离子摩尔浓度; Kc为常数,是包括两个与温度有关的平衡常数和活度系数的复杂常数,其值可根据水的温度及溶解性总固体量从图2中查出。则基于RI的碳酸钙结垢趋势评价标准见表5。

表5 根据RI判断碳酸结垢趋势标准Table 5 Criteria for judging carbonate scaling trend according to RI

图2 矿化度小于6 g/L时的K0常数Fig.2 Constant K0 for total solids less than 6 g/L

(2)硫酸钙垢

硫酸钙垢主要以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)的形态沉淀。在中、低温状况下(小于100 ℃),热流体中硫酸钙离子溶积超过二水硫酸钙的溶解度,二水硫酸钙就沉淀。影响硫酸钙沉积的主要因素为温度和水中总固形物的含量。地热流体中硫酸钙生成趋势定性估算采用相对饱和度(R.S)计算,计算公式如下:

式中: Ca2+为Ca2+离子的浓度(mg/L); SO2-4为SO2-4离子的浓度(mg/L); k是与温度和水中总固形物含量有关的常数,可在相关图上查出logk值(图3)。当R.S≤0时,无CaSO4·2H2O垢生成; 当R.S＞0时,可生成CaSO4·2H2O垢。

图3 地热水中CaSO4·2H2O的溶解度积Fig.3 Solubility product of CaSO4·2H2O in geothermal water

2 结果与讨论

2.1 水化学特征

水质分析主要离子结果如表6所示,阴阳离子平衡分析水质检测结果均达标。利用舒卡列名法对研究区水样进行了分类命名。结果显示,研究区地热水的水化学类型主要为HCO3-Na型,部分地热水为HCO3-Ca型(中榨地热)和SO4-Na型(温汤地热-2),地下冷水主要为HCO3-Ca型。由于所处地区地质构造、地热地质和水文地质条件差异,地热水水化学类型出现不同亚型。其中,部分地热水水化学类型为HCO3-Na·Ca和HCO3-Ca·Na型水,如洪江地热-2、三江地热、万龙山地热-1、袁州地热和中榨地热等地热井,此类地热水溶解性总固体多为40～140 mg/L,推测是受浅层地下冷水混合影响。此外还有部分地区地热水出现了HCO3·SO4-Na型水(赤江地热、新泉地热等)、HCO3·SO4-Na·Ca型水(温汤地热-1、万龙山地热-3等)和SO4·HCO3-Na(温汤地热-2)型水,此类地热水溶解性总固体多为80～250 mg/L,推测是由于地热水向浅部运移过程中H2S的氧化作用,使得地热水中SO2-4浓度增加。Piper三线图同样体现了研究区水质类型的差异性(图4),图中总体水样分布较为集中,部分偏离较大水样均为地表水或地下冷水,如赤江地下水、明月山湖水和温汤回灌水,水质类型均为HCO3-Ca型。

表6 水样主要离子含量与平衡分析结果Table 6 Main ion content and equilibrium analysis results of water samples

图4 研究区地热水化学Piper三线图Fig.4 Geochemical Piper ternary map of geothermal water in the study area

研究区发育穹窿状地质体(刘细元等,2016; 柴乐等,2022)。区内热储呈带状分布,为断层控制的破碎带,受构造热动力效应以及穹窿周边的断裂带控制(张垚垚等,2022)。此外,区内地热水水温介于30～60 ℃(表6),因此研究区地热水属低裂隙率中低温断裂带型地热水。

2.2 地热水用途评价

2.2.1 理疗热矿水评价

研究区地热井中,新泉地热、中榨地热和三江地热的水温低于25 ℃,未达到理疗热矿水标准。14处地热水达到理疗热矿水标准,占比82%,主要达标的元素为氟和硅(表7)。其中,赤江地热、万龙山地热-3、万龙山地热-4和文家地热的氟含量大于2 m/L,且偏硅酸含量大于50 mg/L,均达到命名浓度,命名为硅水、氟水。其余地热水偏硅酸均达到矿水浓度,6处达到命名浓度;大部分地热水均含氟,3处达到命名浓度。此外,赤江地热水中锂含量达到医疗价值浓度标准。

表7 理疗热矿水评价结果Table 7 Evaluation results of physiotherapy hot mineral water

硅和氟都是人体必需的微量元素之一(黄作明等,2010)。地热水中富含氟和偏硅酸具有杀菌消毒、消肿止痛的功效。并且对治疗关节炎、龋齿、风湿病、皮肤病等具有显著疗效,还具有滋阴养颜、安神解乏的作用(姜宝良等,2016)。

2.2.2 饮用天然矿泉水评价

本次以《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》(GB 8537—2018)为依据对研究区内地热水进行评价,结果显示研究区地热水中有16处水化学成分达到饮用天然矿泉水界限指标标准,包括锂、偏硅酸和硒。然而,界限指标达标的地热水中有13处地热井中存在限量指标氟化物超标情况,其他3处(研究区温汤地热-1、白庙地热和袁州地热)无超标指标。因此,研究区温汤地热-1、白庙地热和袁州地热的地热水均达到了饮用天然矿泉水标准,达标成分为偏硅酸。偏硅酸是机体生长必不可少的元素,也是骨骼钙化不可缺少的元素(姜宝良等,2016)。

2.2.3 农业灌溉用水评价

研究区地热井水质资料(表8)显示,氟化物含量小于1 mg/L的优质农业灌溉水有3处,分别为温汤地热-1、三江地热-1和白庙地热; 含量为1～3 mg/L的良好农业灌溉水有8处; 含量为3～10 mg/L的一般农业灌溉水有5处; 含量为10～15 mg/L的不适用于农业灌溉的IV类水仅有1处,为赤江地热。因此,按照氟含量标准,研究区94%的地热水适用于农业灌溉直接用水。

表8 研究区灌溉用水水质评价结果Table 8 Evaluation results of irrigation water quality in the study area

溶解性总固体小于175 mg/L的优质农业灌溉水有13处; 溶解性总固体在175～500 mg/L的良好农业灌溉水有4处。按照溶解性总固体含量评价研究区地热水均适用于农业灌溉直接用水。此外,分别从氯化物和硫酸盐含量两方面评价,研究区地热水均属于优质农业灌溉水。

基于硼含量评价的地热水,仅新泉地热水硼含量在0.75～2 mg/L,属于II类良好的农业灌溉水; 其他地热水硼含量均为小于0.75 mg/L的I类优质农业灌溉水。依据钠吸附比评价的地热水有2处优质农业灌溉水(中榨地热和三江地热-1),9处良好农业灌溉水,3处一般农业灌溉水和3处IV、V类不适于农业直接灌溉的地热水(新泉地热、赤江地热和白马地热)。根据水温资料分析,研究区17处地热水有6处地热水水温小于35 ℃,其余11处地热水水温均大于35 ℃。而大于35 ℃的地热水需要经过梯级利用后使其水温降至35 ℃以下方可用于农业灌溉。

综上所述,依据农业灌溉用水的控制项目(氟化物、溶解性总固体、氯化物、碳酸盐、硼和钠吸附比)评价,研究区82%的地热水均适用于农业灌溉直接用水,仅有3处不适用于农业灌溉直接用水,分别为新泉地热、赤江地热和白马地热。然而由于研究区地热水温度多大于35 ℃,故地热水不能直接用于农业灌溉,需经梯级利用后使尾水温度低于35 ℃方可用于农业浇灌。

2.2.4 渔业用水评价

研究区地热水水质资料显示(表9),有3处地热水氟含量小于1 mg/L,属于I类优质渔业用水; 5处地热水氟含量介于1～2 mg/L,属于Ⅱ类良好的渔业用水; 5处地热水氟含量介于2～5 mg/L,属于Ⅲ类一般渔业用水; 1处地热水(万龙山地热-4)氟含量介于5～9 mg/L,为IV类较差的渔业用水; 3处地热水(新泉地热、赤江地热和万龙山地热-3)氟含量为9～12 mg/L,为V类差的渔业用水; 其中,IV、V类地热水不适用于渔业。地热水中硫化物、酚、砷和汞含量均未超过优质渔业用水限定值。因此依据以上指标分析,16处地热水均为优质渔业用水。综上所述,研究区仅有4处不适合直接用于渔业,分别为新泉地热、赤江地热、万龙山地热-3和万龙山地热-4; 其余地热水均可直接用于渔业用水,占比76%。

表9 研究区渔业用水评价水质成分Table 9 Water quality components for fishery water use evaluation in the study area

2.3 地热水腐蚀性、结垢性评价

2.3.1 腐蚀性评价

研究区16处地热水中Cl-的毫克当量百分数均小于25%,因此均需利用腐蚀系数Kk来衡量地热水用于锅炉的腐蚀性。评价结果如表10所示,研究区地热水的腐蚀系数Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＜0,表明研究区地热水均为非腐蚀性水。

表10 研究区地热水腐蚀性评价结果Table 10 Corrosion evaluation results of geothermal water in the study area

2.3.2 结垢性评价

影响碳酸钙结垢的主要因素有pH值、压力、温度及共存盐的浓度。根据研究区地热水质分析结果(表11),研究区地热水雷兹诺指数(RI)均大于7,表明研究区内16处地热水碳酸钙结垢评价结果均为不结垢。此外,硫酸钙垢主要以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)的形态沉淀。在中、低温状况下(小于100 ℃),热流体中硫酸钙离子溶积超过二水硫酸钙的溶解度即可形成二水硫酸钙沉淀。根据研究区地热水质分析结果(表11),研究区地热水水质计算结果均为R.S＜0,即无CaSO4·2H2O硫酸钙垢生成。

表11 研究区地热水结垢趋势评价Table 11 Evaluation results of geothermal water scaling trend in the study area

3 结论

环武功山穹窿控制型地热水水化学类型主要为HCO3-Na型,部分地热水为HCO3-Ca型和SO4-Na(温汤地热-2),地下冷水主要为HCO3-Ca型。本文依据相关标准规范,对研究区地热水进行了质量评价。其中,82%的地热水达到理疗热矿水标准,主要达标元素为氟和硅; 温汤地热-1、白庙地热和袁州地热的地热水达到天然矿泉水标准,达标成分为偏硅酸。82%的地热水适用于农业灌溉直接用水,需经梯级利用后使尾水温度低于35 ℃。适用于渔业用水的地热水有13处温泉,占比为76%。另外,研究区所有地热水均无腐蚀性和结垢趋势。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20201165).