西宁市南新区杜家庄地热田地下热水成因分析

西宁市南新区杜家庄地热田地下热水成因分析

1热储装置及热田涌水量西宁城南新区杜家庄地热田（以下简称杜家庄地热田）位于西宁南川河底部。位于西蒙泰康省底部3000米深的总凹陷中，位于波罗的海次凸泉湾-谢家寨村边界墙南侧。由于力学性质的多样性，过去的sn方向和nw方向的断裂带被控制。其中,近期活动强烈的近SN向张扭性断裂带是主控构造、导水通道和地热梯度高值带;而NW向断裂则构成阻水、隔热构造,其上盘为地热田地下热水的主通道,由此形成杜家庄相对独立的地下热水富水块段,并具有明显的地域性和带状分布特点。目前,初步探明的杜家庄地热田总体呈北西向展布,北东向宽约2km,北西向长约4km,地下热水可开采利用的范围为8.775km2(图1)。热储厚度234.3m,推断热储总厚度大于354.4m,温度在47.00～69.25℃之间,800～1600m深度段孔口混合温度为62.5℃,自上而下突变升温显著,富水性好,属层状兼带状热储。依据《地热资源评价方法》(DZ40-85),该地热田属新近发现的中型低温地热田。根据青海省地质调查院2005年实施的深1600m的杜家庄DR2005地热井(以下简称杜家庄地热井)的钻探及地球物理测井资料,该地热田由上、下两层热储组成。下白垩统第一层热储埋深为880.90～1137.55m,包含的两个热储层段埋深范围分别为880.90～935.20m(岩性为中、粗粒砂岩)和1125.55～1137.55m(岩性为细粒砂岩),累计厚度66.30m,热储温度48.32～55.33℃。其盖层为白垩系民和组(K2m)棕红色泥岩、粉砂质泥岩夹薄层砂岩及石膏。上侏罗统第2层热储埋深为1212.00～1571.70m,包含的4个热储层段埋深分别为1212.00～1250.00m(岩性为中、粗粒砂岩)、1258.00～1341.55m(岩性为细、中粒砂岩)、1360.80～1371.65m(岩性为粗粒砂岩)和1536.10～1571.70m(岩性为粉砂岩、细—中粒砂岩),累计厚度168.00m,热储温度57.85～67.15℃。其盖层为白垩系河口群(K1hk)棕红、灰绿色泥岩夹薄层石膏。杜家庄地热井洗井结束后,进行了小、中、大3个落程的非稳定流抽水试验。为保证试验精度,稳定前按规范加密观测水位,稳定后每0.5h观测一次。稳定延续时间分别为10h小落程、8.5h中落程和19.5h大落程。3个落程的降深分别为35.20m、80.80m和107.38m。实测涌水量分别为542.42m3/d、1054.08m3/d和1328.14m3/d。同时测得井口混合水温分别为55℃、60℃和61℃,单位涌水量分别为15.41m3/(d·m)、13.05m3/(d·m)和12.37m3/(d·m)。试验开采稳定降深120m时,稳定流量为1651.02m3/d,水温为62.5℃,最终稳定水位-0.32m(2006-11-25测量)。2杜家庄热田的热水水质特征2.1地下热水soe构成聚合物,主、中、细杜家庄地热田地下热水为碎屑岩类裂隙孔隙承压水,水温62.5℃(最终稳定水温);具有良好的感观,浑浊度小于4度,色度小于5度,无肉眼可见物,略带硫化氢气味。对取得的杜家庄地热田白垩系—侏罗系6个热储层段地下热水混合样品进行水质检测。检测结果(表1)表明:地下热水含丰富的矿物质,矿化度为34.2g/L,阳离子以Na+、Ca2+、K+、Mg2+为主,占阳离子总量的99.76%,阴离子以SO2−442-、Cl-、HCO-3为主,占阴离子总量的99.98%;pH值为7.56,为弱碱性;226Ra含量为0.03Bq/L,U含量为0.05mg/L,Th含量为0.1mg/L,总α=5.71Bq/L,总β=4.57Bq/L;菌落总数1.5×104cfu/mL,总大肠菌群为0。按舒卡列夫分类法,杜家庄地热田地下热水为SO4·Cl—Na型水。杜家庄地热井地下热水的矿化度较高,微量元素丰富。其中氟、锂、溴、偏硅酸和偏硼酸等5项元素或组分的浓度已达到《地热资源地质勘查规范》(GB11615-89)中“医疗热矿泉水水质标准”有医疗价值的矿水浓度的指标,其含量虽未超过命名矿水的浓度指标,但这些成分使杜家庄地热田地下热水具有良好的医疗价值,为复合型矿泉水,属康复医疗型地热资源。2.2前地表、典型冷泉、民宿水在兰格利厄—路德维金图上,处于同一流域、位于杜家庄地热井上游南部21km处的湟中县药水滩一带的山前地表水、典型冷泉、温泉属HCO3—Ca和HCO3—Ca·Mg型水,位于图解的右下角;水温异常的城南新区泉尔湾上升泉和谢家寨上升泉等位于图解的中部;而杜家庄地热井与西宁市胜利公园8701地热生产井地下热水位于上述各点趋势线的左上方(图2),为同一水化学演化系列,说明杜家庄地热田地下热水属冷水补给型。2.3地下热水开采对地下水热水矿化度的影响位于DR2005地热井下游北10.75km处,处于同一区域地热地质构造单元和同一深层地下水系统内,有15a开采历史的西宁市胜利公园内的8701地热生产井,地下热水矿化度由1987年的34.882g/L降到2002年的27.662g/L,降低了20.70%;Cl-、SO2−442-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+等主要离子的含量也同步降低,而HCO-3离子的含量明显增高(表2)。这说明随着地下热水的开采激发,该井的径流条件由差变好,并得到了有效的补给,使得地下热水的矿化度由高降低,水质由差变好;同时也间接说明该地区地下热水水化学动态上的变化是由于地下热水的开采改变了原先稳定的水—岩平衡。储层中的地下热水由于压力降低、流速加大,使得地下热水中的某些成分与围岩之间的平衡方向和交换数量发生了变化,对未开采时的水—岩平衡系统做出调整。据此推断,随着开采时间的延续和开采量的增加,杜家庄地热井地下热水水质也将会向淡化的方向发展。3单烷基地球化学3.1水样的d和18o关系不同来源的地下水有着不同的氢、氧同位素组成,据此可利用深层地下热水的氢、氧同位素组成研究地下热水的来源。为研究杜家庄地热田地下热水的形成和循环周期,在杜家庄地热井地下热水的稳定同位素分析成果的基础上,本文收集了与杜家庄地热井相关联的其他地区以往各类水体的同位素资料进行分析(表3)。表3中δD和δ18O单位均采用对SMOW值的千分偏差值表示,分析误差分别为±2‰和±0.2‰。氚浓度数据是水样浓缩50倍以后在低本底闪烁仪上测定的,单位为氚的单位(T.U),一个氚单位定义为每1018个氢原子中有一个氚原子。表3中水样的δD和δ18O关系如图3所示。第1组水样取自平安凹陷近中心部位的三合镇ZK10号孔浅层承压自流水、平安县冰凌山矿泉和杜家庄地热井地下热水。其中,杜家庄地热井地下热水含少量氚((3.93±2.30)T.U),水温18～62.5℃;三合镇ZK10号孔浅层承压自流水的氚含量为(4.9±1.1)T.U,水温17℃。以上3个样点在图3中呈似环状分布,位于大气雨水线的左下方(图3中B域)。ZK10号孔浅层承压自流水14C年龄结果表明其形成于距今(25.50±0.50)ka的时期;杜家庄地热井地下热水14C年龄结果表明其形成年代为距今(22.28±0.30)ka。第2组水样取自湟中县药水滩,分别为温泉和钻孔内的地下热水,分布于B域右上方(图3中A域),显然它为时代相对较新的水域。第3组水样取自平安县祁家川河水,为现代河水(图3中C域)。上述现代地表水(河水)、浅层地热异常的地下水和地下热水的氢、氧同位素组成基本落于克雷格降水线上,说明杜家庄地热田地下热水主要是由南部山区大气降水入渗补给形成的,地下热水径流方向与南川河流向基本一致,由南向北径流。A域、B域和C域均位于全球大气雨水线上,但位置不同,说明各样点控制的地下水补给区位置、补给时间、形成年龄及其在不同系统中的运移速率不同。在区域地下水的运移方向上,由C域→A域→B域,δ18O、δD明显减少。因此,A域无可置疑是现代山区大气降水或冰雪融水通过深循环,在深部获得热量而形成的地下热水,循环快,交替迅速,相应的其矿化度也低。B域位于A域左下方,结合14C年龄测试结果的分析,代表了深层地下热水,是形成时间较早的地下水,但含少量氚((3.93±2.30)T.U),说明杜家庄地热田地下热水仍有现代冷水补给。3.2地下热水补径计算根据深层地下热水中氢、氧同位素的含量,通过与当地大气降水中的氢、氧同位素曲线进行对比,可以比较准确地判断深层地下热水的补给来源。利用降水中的高度效应,可以判断深层地下热水的补给区和补给高度,计算公式为:式中:H为补给区的海拔高度,单位m;h为取样点的海拔高度,取2432m;δG为地下热水中的δ18O值,单位‰;δP为降水中的δ18O值(δ18O取平均值-6.9‰);K为同位素高度梯度(每米δ18O为-0.5‰)。计算结果表明,杜家庄地热田地下热水主要接受南部海拔3132m以上山区的大气降水的入渗补给。3.31地下水的补给作用杜家庄地热井3个测试层段抽水试验结束后,于2005年10月14日采取了1件14C水样,由中国地质科学院地下水科学与工程重点开放实验室测定水样14C含量及地下热水年龄。测定结果表明,杜家庄地热田地下热水年龄为(22.28±0.30)ka。据该地热井揭露的各热储上部均发育有泥岩和膏岩夹层等弱透水层分析,在杜家庄地热田附近垂向大气降水入渗补给作用极其微弱,仅以近水平方向上的交替作用为主。结合平安凹陷近中心部位的三合镇ZK10号孔212.43m地热异常的浅层承压自流水的14C年龄((25.50±0.50)ka)分析,在靠近凸起区旁侧断裂带附近的地下热水的14C年龄有上大下小的趋势,可以推断,地下热水主要沿凸起构造旁侧断裂带向上运移,且运移速度相对较快,交替频繁,从而导致深部地下热水的年龄低于上部。杜家庄地热井和三合镇ZK10孔揭露的含水介质的沉积年龄均为65Ma以前的白垩纪—侏罗纪地层。因此,现在开采的深层地下水已不是与含水层同生的沉积水,而是晚更新世晚期补给的地下水。由于地下水的不断循环流动,之前的地下水早已置换殆尽,排泄于区外,但自晚更新世晚期以来这种新、老水的缓慢替换作用却一直延续至今。4通过地球热标测定热储温度和地热资源潜力分析阐明4.1地球化学温标法水热系统的对流循环运动总是伴随着各种矿物质的溶解—沉淀反应,如果某种反应产物的平衡浓度只与反应温度相关,就可据此浓度采用水—岩平衡和热动力方程来反推反应场的温度。建立在这一原理基础上的估算热储温度的方法称为地球化学温标法。本文采用《地热资源评价方法》(DZ40-85)推荐的化学温标,计算杜家庄地热田的热储温度,并据此预测地热田地热资源潜力。4.1.1温度t的计算钾钠地热温标是基于钠长石和钾长石在一定温度下达到平衡而建立的。它是用以计算深部温度的一种温标。计算温度t的经验公式如下:式中:t为热储温度,℃;C1为水中钾的浓度,mg/L;C3为水中钠的浓度,mg/L。由上式计算的杜家庄地热井热储温度为138.53℃,比地热井井底的最高水温69.25℃高出69.28℃,比取水段的平均水温62.5℃高出76.03℃。4.1.2不同水期杜家庄地热井热储温度钾镁地热温标代表不太深处热储层中的热动力平衡状态,适用于中低温地热田。计算温度t的经验公式如下:式中:t为热储温度,℃;C1为水中钾的浓度,mg/L;C2为水中镁的浓度,mg/L。由上式求得杜家庄地热井热储温度为140.78℃,比地热井井底的最高水温69.25℃高71.53℃,比取水段的平均水温62.5℃高78.28℃。由于钾镁温标被称为钻探可及的温标,即在地热田中选择适当的井位,钻到一定的深度,就能够达到温标计算的温度,故杜家庄地热田下部可能还赋存有高温地下热水。综上所述,利用钾钠地热温标计算的热储温度为138.53℃,钾镁地热温标计算的热储温度为140.78℃,均高于杜家庄地热井取水段的热储温度。4.2地热田热储温度在地热地质构造上,杜家庄地热田位于中—新生代地层厚度达3500m的总寨凹陷内,但目前仅初步探明了深度在1600m以上的地热资源状况,1600～3500m深度区间的地热资源状况有待进一步勘探。在地壳结构上,该区域下部发育由东向西倾斜的地幔斜坡,同时还发育有壳内低阻层,这一异常的地壳结构表明深部地壳、上地幔温度较高,地热背景条件有利,地热田断裂构造组合有序,地热地质条件好。在水文地质条件上,杜家庄地热田位于西宁承压自流水盆地南部近中心部位,从盆地边缘到盆地中心,中—新生代碎屑岩沉积物颗粒具有由粗到细的韵律性变化规律,地下水在盆地边缘地带接受大气降水、地表水和地下水补给后,首先沿裂隙走向流动,当遇到横向裂隙或断裂阻截时,则汇集于张性、张扭性断裂破碎带中,然后沿着不同地层的裂隙、孔隙等各种通道循环径流。与此同时,从围岩中溶滤了某些盐分,最后向西宁盆地腹部径流,在盆地深部形成多层承压含水层,水文地质条件较好。从水文地球化学角度分析,钾钠地热温标可代表深部或远处的热储温度,而钾镁温标被称为钻探可及的温标。从表4中可以看出,钾钠地热温标计算的热储温度为138.51℃,钾镁地热温标计算的热储温度为140.78℃,均高于DR2005地热井取水段孔口的62.5℃的混合水温。显然,DR2005地热井井口水温度并非杜家庄地热田的最高热储温度,说明杜家庄地热田下部可能还赋存有高温地下热水,而远离地热田的地下热水温度相对较低。据杜家庄地热井钻探及最终测井