贵阳地区中二叠统热储含水层地热水资源浅析

2014-12-14孟凡涛杨元丽

地下水 2014年5期

孟凡涛，杨元丽

(1.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州贵阳 550008;2.贵州省地质环境监测院，贵州贵阳550004)

贵阳市地热资源丰富，根据地层结构和岩性组合关系，该区可划分为四个热储层(见表1)，目前在贵阳市实施的地热井中主要以寒武系娄山关群-清虚洞组第二热储含水层为勘查目的层，鲜有以中二叠统栖霞组 -茅口组第四热储含水层为勘查目的层的地热井。2011年，在乌当区奶牛场以中二叠统栖霞组-茅口组热储含水层为勘查目的层成功实施了一口地热井(ZK1)，钻井井深 2439.45 m，实测井底温度65℃，降压试验测得井口温度 52℃，计算得允许开采量为600 m3/d。本文利用ZK1钻井相关成果资料，采用地热地球化学温标估算出中二叠统栖霞组-茅口组热储含水层热储温度，并通过地热井测温资料初步估算出了地热水的热储深度，为今后贵阳地区以中二叠统栖霞组、茅口组第四热储含水层为勘探目的层的地热找水提供科学依据。

表1 贵阳地区地热热储层划分表

1 区域地热地质概况

1.1 区域地质概况

研究区位于杨子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区南部、乌当断层北盘。区内地质构造复杂，主要断裂、褶皱以北东向构造体系为主，区内主要断裂构造为乌当大断层，该断层为区域性断裂，属区域性松桃—碧痕营走滑断裂束的组成部份，规模大，其垂直断距2 700 m。区内出露地层较齐全，岩性较复杂，从寒武系至侏罗系均有出露(见图1)。ZK1号钻孔开孔层位为中三叠系花溪组，岩性主要为白云岩;终孔层位为中二叠系栖霞-茅口组，岩性主要为灰岩。

1.2 地热地质条件

北北东向发育的乌当断层是研究区主要的控热构造，该断层在区域上分布有楼下、新添寨、石阡城南等温泉(石阡城南温泉地表水温为45℃)，并在乌当断层两盘已成果实施了9口地热井，认为沿乌当断层有明显地热异常显示，该断层具挽近期活动特征，乌当断层是区内主要的导热断裂。区域性深大断裂及其次级断层为热流体运移提供了条件，并在二叠系中统栖霞-茅口组热储含水层中富集，区内热储类型主要为层状-带状热储复合型热储。

图1 研究区地质构造略图

2 地热水化学特征

对地热井地热水进行了取样测试，分析结果具体见表2。ZK1地热井地热水井口温度为52℃，属温热水;地热水矿化度值为460.2 mg/L，pH值为7.62，属弱碱性低矿化度淡水;地热水中阳离子主要以Ca2+为主，其次为 Mg2+;阴离子主要以HCO3-为主，其次为 Cl-，认为其水化学类型为 HCO3-Ca·Mg;地热水中含有较丰富的微量元素，其中氟含量为1.38 mg/L、偏硅酸含量为40 mg/L，达到了《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)中“医疗热矿泉水水质标准”，具有良好的医疗价值;但地热水中氟、铁的含量超过《地下水质量标准》(GB/T14848-93)中饮用水的标准，并不适宜饮用(见表2)。

3 研究区热储温度估算

地球化学温标法原理:在一定温度下，在一定时间内地热水与围岩矿物的化学反应总体达到平衡，在地热流体抵达地表过程中，这种平衡状态可以保持，即不随外界条件立即发生逆平衡，据此计算其在地下热储时的平衡状态。业内目前主要采用地热温标主要包括阳离子温标及SiO2温标两种。

SiO2温标是最常用的温标方法，因为其平衡状态更稳定性;阳离子温标法包括K/Mg、Na/K等，由于阳离子温标法主要在溶液-矿物之间的处于平衡状态应用，故在运用阳离子温标法估算热储温度时，必须首先判定溶液-矿物之间的平衡状态。

目前，用来评价溶液-矿物之间的平衡状态的方法较多，本文采用了应用比较广泛的 Na-K-Mg三角图解法及SiO2溶解度曲线法来评价研究区地热水中溶液 -矿物之间的平衡状态。

表2 ZK1钻孔地热水化学成分分析表

3.1 Na-K-Mg三角图解法

Na-K-Mg三角图解法由 Giggenbanch提出，该方法将地热水分为了完全平衡、部分平衡和未成熟水三种状态。其主要反映公式如下:

三角图中的坐标计算如下:

通过地热水水质分析数据可知(见图2)，ZK1地热井地热水数据在Mg角区域，认为其属未成熟水。这说明中二叠统栖霞-茅口组热储含水层地热水远未达到平衡状态。分析认为不能采用阳离子温标估算ZK1地热井地热水热储温度，适宜采用SiO2温标法来估算热储温度。

3.2 SiO2溶解度曲线法

众多学者都提出了不同类型的SiO2温标计算公式，其中包括无蒸汽分离或混合作用的石英温标、100℃下蒸汽足量散失的石英温标、α-方英石温标、β-方英石温标、无蒸汽散失的石英温标、玉髓温标及无定型 SiO2温标。鉴于目前SiO2温标计算方法较多，在实际运用时，必须首先判断地热水中SiO2含量是由何种SiO2矿物控制。

目前研究表明，判断地热水中了SiO2的含量是由何种矿物控制，采用SiO2溶解度曲线法是比较有效的方法。从图3可知，ZK1地热井地热水水质数据在玉髓溶解曲线附近，说明玉髓可能是控制地热水中SiO2平衡的主要矿物。

图2 地热水Na-K-Mg三角图

图3 SiO2溶解度曲线图

3.3 热储温度估算

分析认为ZK1地热井地热水中SiO2含量主要受玉髓控制。故采用1977年Fournier提出的玉髓温标公式来 ZK1地热井地热水估算热储温度，其公式如下:

式中:t为热储温度(℃);CSiO2为地热水中 SiO2含量(mg/L)。

ZK1地热水中SiO2含量为30.77 mg/L，由玉髓温标公式估算出ZK1地热井地热水热储温度约为85.2℃。

4 研究区地热水热储深度估算

4.1 地温梯度

地温梯度指垂向上地面以下不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。

利用ZK1地热井实测井温数据，估算该地热井的地温梯度 G=T/H。ZK1地热井地温梯度在9.2～39.8℃ /km之间，平均为19.85℃ /km(见图4)。

4.2 循环深度估算

根据ZK1地热井实测井温资料，地温梯度取值为1.985℃/100m，研究区常温点深度 h取 30 m，常温点温度(一般认为为该区域的多年平均气温)t2取15.3℃，公式(6)已估算出ZK1地热井地热水热储温度 t1为85.2℃，按下列方式推算热储深度:

式中:H为热储深度(m);t1为热储温度(℃);t2为常温点温度(℃);G为地温梯度(℃/100m);h为常温点深度(m)

按公式(7)可估算出ZK1地热井地热水循环深度约为3 550 m。

图4 地温梯度变化图

5 结语

ZK1地热井勘查目的层为中二叠统栖霞-茅口组热储含水层，其地热水水质属于弱碱性低矿化度淡水，水化学类型为HCO3-Ca·Mg，地热水中偏硅酸、氟含量均达到医疗热矿泉水水质标准，地热水中氟、铁含量超过了饮用水标准，不适宜饮用。判断该地热井地热水未达到平衡状态，故采用SiO2温标估算热储温度;分析认为玉髓是控制地热水中SiO2平衡的主要矿物，并应用玉髓温标估算出地热水热储温度约为85.2℃。根据测温数据，估算出地热井地温梯度在 9.2～39.8℃ /km 之间，平均19.85℃ /km，并估算出 ZK1地热井地热水循环深度为3 550 m。