天津滨海新区深部地热流体水文地球化学特征
Hydrogeochemical characteristics of deep geothermal fluids in the Binhai New Area, Tianjin City
责任编辑: 蒋实
收稿日期: 2021-03-30 修回日期: 2021-07-8
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Received: 2021-03-30 Revised: 2021-07-8
作者简介 About authors
石晓今(1986-),女,2012年毕业于中国地质大学(北京),研究生学历,天津地热勘查开发设计院工程师,研究方向为地热勘查、开发利用及地热流体水文地球化学特征、地球化学模拟。
通过近几年滨海新区深部热储的勘探开发,对古近系东营组和蓟县系雾迷山组的认识也逐步加深。从水化学特征、热储温度、水文地球化学作用方面对东营组和雾迷山组地热流体展开分析,为进一步开发利用深部热储地热资源提供了依据。宁河凸起雾迷山组补给较为充分,东营组赋存环境较封闭,东营组地热流体属于“平衡水”;地热温标计算出的雾迷山组热储平均温度约126 ℃,东营组热储平均温度100 ℃,两者均源自大气降水,东营组地热流体与岩石交换时间更长些,循环能力更弱,深部地热流体径流方向自NE向SW向,径流过程主要发生了溶滤作用、阳离子交换、沉淀作用及混合作用。
关键词:
The understanding of the Paleogene Dongying formation and the Jixianian Wumishan formation have been gradually deepened with the exploration and development of deep thermal reservoirs in the Binhai New Area.This paper analyzes the hydrochemical characteristics, reservoir temperature, and hydrogeochemical effects of the geothermal fluid of the Dongying and Wumishan formations, thus providing bases for the further development and utilization of deep geothermal resources. The Wumishan formation in the Ninghe salient is adequately recharged. In contrast,the Dongying formation occursin a relatively closed environment, and the geothermal fluid in it is at a state of chemical equilibrium. The average temperature of the geothermal reservoirs in the Wumishan and Dongying formation scalculated using geothermometers is about 126 ℃ and 100 ℃, respectively. The geothermal fluid in both formations originates from atmospheric precipitation. Compared to the Wumishan formation, the geothermal fluidin the Dongying formation exchanges heat with rocks for a longer time and has a weaker cycling capacity. The runoff direction of the geothermal fluid in the formations is from northeast to southwest, with leaching, cation exchange, precipitation,and mixing mainly occurring during the fluid runoff.
Keywords:
本文引用格式
石晓今, 李嫄嫄, 黄贤龙.
SHI Xiao-Jin, LI Yuan-Yuan, HUANG Xian-Long.
0 引言
滨海新区位于天津东部沿海地区,是京津冀协同发展的核心地区之一。伴随着经济的快速增长和节能减排任务的日益加重,地热能源作为可再生能源之一,具有较大的发展潜力。
1 研究区概况
滨海新区位于天津市东部沿海,构造上分属黄骅坳陷Ⅲ级构造单元,自北向南为宁河凸起、北塘凹陷、板桥凹陷、港西凸起及岐口凹陷五个次级构造单元。该区地热资源以中低温为主,赋存于孔隙型和基岩裂隙型热储层,其中东营组是目前开发利用最深的孔隙型热储,顶板埋深1 600~2 400 m,除在万家码头—大台子—徐庄子—郭庄子、宁河凸起区缺失外,在坳陷区内普遍分布,岩性为泥质岩类与砂岩、砂砾岩互层;基岩裂隙型热储层主要为雾迷山组,在研究区普遍分布,埋深多超过4 000 m,区内4 000m以浅的蓟县系雾迷山组热储层主要分布在宁河凸起、万家码头地热田和港西凸起(北大港断裂带)附近(图1)。
图1
图1
研究区内地热井分布及地质构造
Fig.1
Distribution of geothermal wells and geological structure map in the study area
本次采集了5眼东营组地热井ST-01、ST-01B、塘20-2、TG-34、TG-33和4眼雾迷山组地热井BST-01、DG-53、DG-46、DG-45B的流体数据,为方便对比研究,结合大气降水、第四系水样及新近系水样进行了同位素分析。
2 地热流体水化学特征
地热流体的化学组分是在与围岩的长期交换作用下形成的,黄骅坳陷古近系东营组及基岩热储地热流体的化学特征受围岩岩性、地层结构、补径排距离、断裂构造等多种因素的影响。
2.1 水化学类型及矿化度分析
本次取样的5眼东营组地热井分布于北塘凹陷和板桥凹陷北部。由图2地热流体Piper图可知,区内东营组地热流体水质类型为Cl·HCO3-Na型。由北塘凹陷到板桥凹陷,矿化度由2 400~2 900 mg/L,地热流体在热储埋深相差不大的情况下(热储2 000~2 800 m),矿化度自NE向SW呈逐渐增大趋势,由此推断东营组地热流体赋存环境相对封闭,径流方向为自NE向SW。
图2
表1 研究区地热流体主要组分含量
Table 1
井号 | 热储层 | K+ | Na+ | Ca2+ | Mg2+ | Cl- | S | HC | SiO2 | F- | 矿化度 | 水化学类型 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
TG-34 | Ed | 7.4 | 1064 | 6.1 | 0.6 | 1169.8 | 8.2 | 781.1 | 49 | 5.21 | 2407.3 | Cl·HCO3-Na |
TG-33 | Ed | 4.9 | 593.3 | 9.7 | 0.8 | 402.4 | 235.9 | 555.3 | 42.5 | 7.08 | 3122.2 | Cl·HCO3-Na |
塘20-2 | Ed | 9.4 | 1190 | 8.4 | 0.9 | 1258.5 | 40.1 | 872.6 | 58.4 | 3.5 | 1692.1 | Cl·HCO3-Na |
ST-01 | Ed | 8.0 | 801.1 | 10.5 | 0.9 | 831.3 | 116.1 | 579.7 | 58.5 | 3.6 | 2406.1 | Cl·HCO3-Na |
ST-01B | Ed | 7.9 | 779.7 | 9.7 | 0.8 | 852.6 | 105.1 | 619.4 | 61 | 4 | 2436.2 | Cl·HCO3-Na |
BST-01 | Jxw | 79.9 | 201.4 | 36.4 | 6.8 | 85.1 | 200.8 | 414.9 | 94.5 | 8.23 | 1119.8 | HCO3-Na |
DG-53 | Jxw | 41.2 | 536.1 | 22.7 | 4.1 | 460.8 | 280.1 | 494.3 | 72 | 9.6 | 1915.5 | Cl·HCO3-Na |
DG-46 | Jxw | 72.5 | 642.8 | 38.1 | 7.9 | 581.4 | 343.9 | 454.6 | 83.8 | 10.4 | 2225 | HCO3·Cl-Na |
DG-45B | Jxw | 51.2 | 554.5 | 30.1 | 6.1 | 478.6 | 302.6 | 494.3 | 74.5 | 10.8 | 1991.9 | Cl-Na |
注:地热流体各元素含量及矿化度单位均为mg/L。
2.2 地热流体的气体组分
表2 地热流体水样溶解及溢出气体组分占比
Table 2
地热井 | O2 | N2 | CH4 | CO2 | H2 | 其他气体 |
---|---|---|---|---|---|---|
TG-34 | 8.6 | 34.9 | 38.58 | 17.8 | 0.12 | 0 |
ST-01 | 13.67 | 59.2 | 10.8 | 16.3 | 0.03 | 0 |
BST-01 | 1.2 | 87.09 | 4.64 | 2.19 | 2.96 | 1.96 |
表3 BST-01地热流体水样微量气体组分数据
Table 3
项目 | φ(Ar)/ (mL·L-1) | φ(He)/ (mL·L-1) | R/Ra | 3He/4He | 40Ar/36Ar | 38Ar/36Ar | δ13C(PDB,‰) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CO2 | CH4 | |||||||
含量 | 1.01 | 0.43 | 0.2 | 2.84×10-7 | 327 | 0.1951 | -8.0 | -38.1 |
图3
图3
BST-01地热流体He-Ar-N2气体三角图
Fig.3
He-Ar-N2 gas triangular diagram of BST-01 fluid
3 热储温度估算
3.1 地热流体的水岩平衡判断
图4
3.2 热储温度估算
图5
表4 地热流体热储温度估算
Table 4
地热井 | 热储层 | 石英温标 (无蒸汽损失) | 石英温标 (有蒸汽损失) | 玉髓温标 | K-Na温标 | 井口温度 |
---|---|---|---|---|---|---|
BST-01 | Jxw | 134 | 130 | 107 | 372 | 98 |
DG-53 | Jxw | 120 | 118 | 91 | 212 | 95 |
DG-46 | Jxw | 128 | 125 | 100 | 242 | 98 |
DG-45B | Jxw | 121 | 119 | 93 | 226 | 99 |
ST-01 | Ed | 109 | 108 | 79 | 97 | 74 |
ST-01B | Ed | 111 | 110 | 82 | 98 | 76 |
TG-34 | Ed | 100 | 101 | 73 | 89 | 74 |
4 同位素及水文地球化学分析
4.1 地热流体的起源
为方便对比研究,本次结合大气降水、第四系水样及新近系水样进行同位素分析,水样测试结果见表5。研究区大气降水、第四系流体以及各个热储地热流体的δD值和δ18O值波动范围不大,δD值范围为-73‰~-65‰,δ18O值范围为-9.6‰~-7‰。由图6研究区δ18O-δD关系曲线图可以看出,冷水及地热流体基本位于天津雨水线之上或附近,说明其补给直接或间接来源于当地大气降水的就近入渗,地热流体较冷水中富重同位素,说明其补给高程大,或经历径流循环时间长[8]。与其他流体相比,东营组地热流体产生了较大的18O漂移,推断其与岩石交换时间更长些,循环能力较弱,与上述分析一致,TG-33为东营组与馆陶组混采,其同位素投点靠近馆陶组地热井,18O漂移不明显;宁河凸起雾迷山组地热流体补给较充足,循环时间短,板桥凹陷雾迷山组地热流体位于断裂附近,推测地热流体向上径流混入了浅层流体,因此其δ18O介于新近系与东营组之间。
表5 研究区水样同位素组分
Table 5
井号 | 热储层 | 采集时间 | δ18Ov-SMOW/‰ | δDv-SMOW/‰ |
---|---|---|---|---|
R-1 | 蓟州区雨水 | 2016年10月15日 | -9.1 | -66 |
Q-2 | 西孟村机井 | 2016年10月14日 | -9.6 | -73 |
TG-13 | Nm | 2016年12月09日 | -9.5 | -73 |
TG-24 | Ng | 2016年12月23日 | -9.3 | -73 |
TG-33 | Ed与Ng混采 | 2016年12月08日 | -9.1 | -73 |
TG-34 | Ed | 2017年01年04日 | -7 | -65 |
DG-53 | Jxw | 2016年12月08日 | -9.1 | -73 |
DL-21 | Jxw | 2016年12月23日 | -8.7 | -72 |
BST-01 | Jxw | 2016年06月08日 | -8 | -68 |
图6
4.2 主要组分的水文地球化学反应
滨海新区雾迷山组热储主要矿物为白云石、石膏、方解石等,东营组东营组沉积时以弱氧化—还原环境为主,主要矿物有石英、石膏、长石、高岭石等。
如图7a所示,研究区不同热储层地热流体的Cl-随着Na+的升高而增大,二者呈线性关系,表明地热流体主要发生了溶滤作用,Cl-主要来自岩盐溶解。地热井点均位于r(Na+)∶r(Cl-)=1之上,说明其不仅发生了岩盐溶解作用,可能同时还发生硅铝酸盐矿物的溶解或者阳离子交换作用。
图7
图7
研究区地热流体主要离子关系
Fig.7
Main ion relationship diagram of geothermal fluid in the study area
如图7b,地热井点均位于1∶1关系线附近,说明阳离子交换有很大的影响,围岩中泥质含量高,泥土中的吸附Na容易被Ca交换,使流体中Na增加,Ca减少。
如图7c,东营组地热井除TG-33外,其余均分布在r(Ca)∶r(SO4)=1∶1线附近,说明地热流体受控于石膏;雾迷山组地热点大部分远离r(Ca)∶r(SO4)=1∶1线,表明溶解石膏不是主要的反应,偏向SO4一侧,很可能是产生沉淀的结果。由于白云岩中夹有石膏,地热流体与岩层发生水岩交换,石膏、钙长石不断溶解,增大了Ca、SO4的浓度,同时因离子效应及热储温度的共同作用产生CaCO3沉淀。长期沉淀作用,使Ca与SO4相差较大,CO3也消耗殆尽[9]。如图7d,雾迷山组热储井点分布在r(HC
5 主要认识
1)东营组地热流体水质类型为Cl·HCO3-Na型,其赋存环境相对封闭,径流方向为自NE向SW向,N2/O2比值略高于大气中二者的比值,指示地热流体主要来源于大气降水;宁河凸起雾迷山组地热流体水质类型为HCO3-Na型,水质远优于汉沽断裂以南其他同层地热流体,地热流体为N2型,He同位素可能混染了一部分幔源物质。
2)东营组地热流体已接近水岩平衡的“成熟水”,循环速度较慢,用K-Na温标和石英温标计算的东营组热储平均温度100 ℃;用石英温标计算出的宁河凸起雾迷山组热储平均温度约126 ℃。
3)地热流体主要来源于大气降水, 东营组地热流体产生了较大的18O漂移,推断其与岩石的同位素交换时间更长些,循环能力较弱。地热流体径流过程中主要发生了溶滤作用、阳离子交换作用、沉淀作用及混合作用。
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