依據示蹤元素尋找炮守營溫泉區地熱水

宋文明

(丹東市水務局,遼寧 丹東　118000)

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依據示蹤元素尋找炮守營溫泉區地熱水

宋文明

(丹東市水務局,遼寧 丹東118000)

摘要：地熱水在高溫高壓的環境下,在巖石的裂隙中緩慢地滲透、運移,達到了有利溶解的新熱動力平衡,致使圍巖發生蝕變,圍巖中有新的物質溶入水中,使地熱水化學指標與周圍環境水有明顯的區分特征,表現為F-、SiO2、pH值3項指標明顯高于環境水。以上述3項指標作為示蹤元素,在丹東市炮守營溫泉區尋找地熱水,結果顯示,該方法可明確界定地熱區域的范圍,縮小勘查目標,降低原有的工作量和資金投入。

關鍵詞：炮守營溫泉區;地熱水;示蹤元素;熱儲構造

1　炮守營溫泉區概況

1.1自然地理情況

炮守營溫泉區位于丹東市元寶區金山鎮炮守營村,坐標40°12′N,124°16′E,處于東北亞經濟圈的核心地帶,是黃海、渤海兩個經濟圈的交匯點。距離丹東市中心18 km,距離朝鮮平壤市220 km,距離韓國仁川港453.74 km,距離丹東機場17 km,,沈丹高速、沈丹公路過境,海、陸、空立體交通網十分便利。

炮手營溫泉區露于溝谷沖洪積形成的較為平坦的漫灘坡地上,兩側為低山丘陵夾著狹長的谷地,上面覆蓋著第四系松散亞黏土耕地,區內植被發育,喬灌叢生,多為自然林,以柞樹、松樹、楊樹等最為常見。溫泉水靜水位-3 m,水溫50～60℃,pH值9.7,屬于弱堿性水,可開采量2 962 t/d,水化學類型HCO3-Na型,水中硫化物的含量較高,硫化氫氣味明顯,洗浴后皮膚膩滑順爽,對擴張血管、降低血脂,溶解角質軟化皮膚,殺害寄生蟲及脫敏等有明顯的療效,地熱流體中氟、硅的含量達到醫療命名礦水濃度要求,可命名為氟、硅熱礦水[1]。

1.2水文氣象條件

炮守營溫泉區是一個由兩側的低山丘陵夾著的狹長谷地,有一條季節性河流流經,流量隨季節變化較大,枯水期為0.02 m3/s,豐水期為25 m3/s,匯入大沙河,后由沙河口注入鴨綠江,距鴨綠江口直線距離14 km。

炮守營溫泉區地處溫帶濕潤性季風氣候區,因受黃海的影響,具有海洋性氣候的特點,冬無嚴寒,夏無酷暑,四季分明。年平均氣溫8.9℃,凍土層深度0.8～1.1 m,無霜期140～170 d,年平均降雨量在800～1 200 mm之間,多集中在7、8月份。這里雨量充沛,氣候濕潤,水資源豐富,是我國北方降雨量最多的地方。

1.3地質條件

1.3.1地層與巖性

區內出露地層主要為第四系及印支期巖漿巖,其它地質時代的地層均不存在,分布情況如下:

a. 第四系。炮守營溫泉區第四系地層簡單,主要為第四系堆積物,厚度1～10 m。成因類型有河谷坡洪積、丘間沼澤堆積、冰川堆積和殘坡積。巖性主要為亞砂土、亞黏土,余者為砂土或礫石。

b. 巖漿巖。巖漿巖廣泛分布于溫泉區,為中-中酸性,其形成年代為印支、燕山2期。其中:①印支期似斑狀花崗巖。主要分布在北段溝谷的西側丘崗地帶,是熱水井孔內見到的主要巖石,巖石礦物共生組合與區域類同,熱儲構造部位的巖石裂面見綠泥石化、沸石化、黃鐵礦化等現象。沸石最典型,是熱儲構造帶中的特征礦物。②印支期花崗閃長巖。分布在溫泉區的北部和測區的西南部,巖石組合與區域差異不大,花崗閃長巖與花崗巖相變明顯,但接觸關系不清,可能是重力分離作用造成巖性上的差別。③燕山黑云母花崗巖。分布在測區的外圍,是丁歧山侵入巖體相向南延伸部分。在測區內呈小巖株狀出現,與印支期花崗巖侵入接觸關系。④脈巖。區內出現的脈巖有正長斑巖、閃長斑巖、閃長玢巖、石英脈及沸石脈,其中閃長玢巖最發育。

1.3.2地質構造

炮守營溫泉區古老結晶基底廣泛出露,構造形態以褶皺和斷裂構造為主。斷裂構造的主基調以北北東向走滑斷裂為主,其次也有北西向斷裂,與炮守營溫泉區關系最密切的,對炮守營溫泉區影響較大的斷裂構造有:

b. 莊桓斷裂。該斷裂南起大連莊河市南西海域(海上延伸不詳),北東延伸經丹東鳳城市、寬甸縣、灌水鎮、桓仁,地表聯系性較差,呈北東走向,出露長大于275 km,其間多被第四系覆蓋。該斷裂發育在遼河群或印支期花崗巖中,受北北東向滑斷層的切割,蹤跡零亂。寬甸第四系玄武巖噴出與該構造有關,玄武巖中含有大量的橄欖石、輝石、石榴石等幔源物質包體,表明斷裂切割地殼較深。

1.4水文地質特征

1.4.1地下水類型

根據地下水賦存條件,區內地下水類型主要為松散巖類孔隙水、花崗巖風化帶網狀裂隙水和基巖構造裂隙水。

a. 松散巖類孔隙潛水。分布于溝谷第四紀砂礫石層中,含水層厚1～3 m,潛水埋深2～3 m,水位年變幅2.0 m左右,滲透系數50～100 m/d,單井出水量200～300 m3/d,地下水受大氣降水和基巖裂隙水補給,以地下徑流向下游排泄。

b. 花崗巖風化帶網狀裂隙水。分布于區內的丘崗地帶,花崗巖在內外動力地質作用下,表層花崗巖普遍遭受不同程度的風化,形成幾米至幾十米厚的風化層,網狀裂隙發育。大氣降水滲入其中,形成網狀裂隙水,泉點稀少,泉流量一般小于0.3 m3/s,水位年變幅10 m左右,單井涌水量大于200 m3/d,平均地下徑流模數2.48 L/(s·km2)。

c. 基巖構造裂隙水。區域上基巖構造裂隙發育,大氣降水沿構造裂隙滲入其中聚集形成構造裂隙水,多形成線狀展布的上升泉群,泉流量一般0.5～1.0 m3/s。

地下熱水是另一種形式的構造裂隙水,以其循環深度深才顯示出溫度和水化學方面的不同[2]。

1.4.2地下水補給、徑流、排泄條件

地下水的補給、徑流、排泄條件,主要受地質、地形地貌、水文地質條件及氣象條件決定的。

丘陵山區,地形坡度大,巖石裂隙發育,大氣降水滲入地下形成基巖裂隙水。地下水以泉的形式向谷中排泄、補給第四系松散巖類形成孔隙潛水。因此,基巖山區是地下水的補給區。

山前坡積及溝谷地帶、地下水即接受大氣降水的垂直補給,同時接納基巖山區、基巖裂隙水的側向補給。在重力水動力條件下向下游更寬厚的松散層排泄,形成地下徑流。這里是地下水補給-徑流區。

沖積平原,地勢平坦開闊,地下水接受大氣降水補給、上游的側向補給,以地下徑流向下游排泄。同時地下水又以人工開采和地表蒸發的形式垂直排泄。因此,這里是地下水的補給-排泄區。

炮守營溫泉區內地下水以接受補給為主,以水平排泄為輔。區域地下水流向自北流向南[3]。

表1　勘測井ZKB4-1、ZK12水化學成分

1.5地熱流體化學及動態特征

1.5.1冷水常規化學組分特征

炮守營溫泉區內冷水化學類型以HCO3-Ca·Na型、SO4·HCO3-Na·Ca型、SO4·HCO3-Ca型、SO4·HCO3-Ca·Na型和SO4·Cl-Ca·Na型為主,pH值在5.35～8.53之間,屬弱酸-弱堿性水。

常規水化學組分中,K+、Na+的質量濃度分別為0.25～18.92 mg/L、3.86～35.54 mg/L,調查顯示K+、Na+質量濃度高值中心分布在炮守營子溫泉區的南部。Cl-的質量濃度為4.73～63.12 mg/L,高值中心位于溫泉區的南部,高值中心的值為63.12 mg/L。

1.5.2 冷水專項水化學組分特征

專項水化學組分為SiO2、F-2項,它們的含量受地貌、地溫、斷裂構造、地層巖性等多種因素控制。水文地質調查及化驗分析測試結果顯示,炮守營溫泉區冷水未發現F-,可溶性SiO2的質量濃度為1.00～1.42 mg/L,高值中心在王家街一帶,高值中心的值為1.18～1.42 mg/L。

1.5.3地下熱水水化學組分特征

地下熱水中常規組分以Na+、HCO3-、可溶性SiO2、F-為主,K+、Mg2+次之,各離子含量基本無變化。根據淺部地溫場特征綜合分析,水化學場中的K+、Na+、Ca2+、Cl-、F-、SiO2的高值中心均大致與地溫場較高地帶有一定的吻合性,只是位置有所偏移,這可能是受地貌、巖性、淺部地下水運動等因素影響有關。最為明顯的是可溶性SiO2含量高值中心的分布與地溫場較高地帶吻合最好。說明可溶性SiO2是本區異常的標志性組分。其他水化學組分高值地帶均分布于斷裂交匯附近部位,這些特點表明深部存在著隱伏地熱異常區,且與裂斷關系密切或受斷裂控制。

炮守營溫泉區內勘測井ZKB4-1、ZK12的水化學成分見表1,炮守營溫泉區地下熱水水化學類型較簡單,水化學類型是HCO3-Na和CO3-Na型,F-的質量濃度為2.92～12.64 mg/L,H2SiO3的質量濃度為84.47～92.55 mg/L,pH值為8.97～9.29,總硬度為10.67～11 mg/L,均位于溫泉出露點附近,沿構造斷裂帶狀展布,且隨著溫度的升高,礦化度增高[4]。

綜合分析炮守營溫泉區的冷水及熱水的水化學組分特征,可得出如下結論:在低山丘陵地區,巖石被強烈沖刷,冷水經常是弱礦化度重碳酸鹽型的,如HCO3-Ca·Na型。在丘間谷地等低地中,水的運動變慢,由高處帶來的鹽分在這里進一步礦化,水的礦化度增高,出現硫酸鹽和氯化物改變水的化學類型,如SO4·HCO3-Na·Ca型、SO4·HCO3-Ca型和SO4·Cl-Ca·Na型。而區內地下熱水主要為HCO3-Na和CO3-Na 2種類型,結合前人工作資料及本次工作成果可知,熱儲層巖性均為燕山期花崗巖,大氣降水沿著基巖裂隙滲到地下補給地下熱水,補給形式以深循環為主,深循環過程中水中離子發生溶濾作用,而形成與冷水有較大差別的化學組分[5]。

1.6熱儲構造特征

炮守營溫泉區的熱田類型屬于中低溫對流II-2型熱田,地熱田構造簡單,區內萬寶—王家街北東向扭張斷裂集儲熱控熱于一身,衍生出一系列北東向次生構造,切割深度達數公里,控制長度1 670 m,是鴨綠江斷裂的組成部分。地溫場呈東西向展布,異常面積0.189 7 km2。深部熱儲在高溫高壓環境下達到了有利溶解的新熱動力平衡,致使圍巖發生蝕變,有新物質融入水中,表現為F-、可溶性SiO2、pH值3項指標明顯高于環境水,平面上此3項指標的等值線越靠近熱儲軸線其值越高,形成與熱儲構造走向完全一致的帶狀異常,可作為找熱水的示蹤元素[6]。

2　以3項指標為示蹤元素找地熱水

a. 在工區不同區域圈定11個環境水取水點,其中2個取水點為地表水,其余9個取水點為2～5 m民用敞口井或壓水井,采集11個水樣作為標本進行水質分析,水化學分析結果如下:水樣中未發現F-,可溶性SiO2的質量濃度為1.0～1.42 mg/L,pH值為5.35～7.53,屬于弱酸-弱堿性水[7]。

b. 在工區相同區域另選6眼淺井,其中早年地質勘查孔4眼,井深為45～75 m,另2眼為企業現用水井,井深38～50 m,取6個水樣進行水質分析,其中有1眼井深50 m的企業現用水井化學指標與環境水指標相同,不存在異常現象,其余5眼井F-的質量濃度為2.92～12.64 mg/L,可溶性SiO2的質量濃度為84.47～92.55 mg/L,pH值為8.97～9.29,上述指標遠遠高于環境水,具有明顯的區分特征[8]。

c. 將5眼異常井填圖到1∶10 000水文地質圖上,連線圈定約0.3 km2區域,在該區域做物探勘查,發現F1熱儲構造,該構造由西南的炮守營河沙溝-北東雙嶺子村,走向北東32o,傾向南東,推測長度大于4.5 km,為本區儲熱、導熱構造。該構造裂隙發育,巖石蝕變現象明顯,表面常見鈣化和硅化,多見綠簾石化及綠泥石化現象,孔洞發育,是典型的分段熱儲構造。2013年8月,遼寧省地質第七大隊在此構造南北成功施工ZK12號地熱井,井深975 m,水量970 t/d(降深30 m),水溫60.2℃,是目前炮守營開發最成功的1眼地熱井[9]。

3　結　語

以F-、可溶性SiO2、pH值3項指標為示蹤元素尋找地熱水,可明確界定地熱區域的范圍,縮小勘查目標,降低原有的工作量和資金投入。這個方法,離不開傳統的地質勘查、物探、試驗探孔的輔助。以F-、可溶性SiO2、pH值3項指標為示蹤元素尋找地熱水的實踐,目前僅在炮守營溫泉區取得成功范例,有待于在其他溫泉區進行實踐和推廣。

參考文獻：

[1] 丹東市水務局.2014年丹東市水資源公報[N].丹東日報,2015-03-23(002).

[2] 常婧瑩.丹東市溫泉資源的應用現狀調查[J].四川建材,2014,40(4):106-107,119.(CHANG Jingying.Hot spring resources in Dandong City survey of current [J].Application of Sichuan Building Materials,2014,40(4):106-107,119.(in Chinese))

[3] 崔杰石.阜新市地熱水資源量分析[J].東北水利水電,2015(3):30,47.(CUI Jieshi.Analysis of geothermal water resources in Fuxin City [J].Water Resources & Hydropower of Northeast China,2015(3):30,47.(in Chinese))

[4] 張為,周麗,唐紅峰,等.地熱水中氟含量的模型評價[J].吉林大學學報(地球科學版),2015,45(增刊1):337-338.(ZHANG Wei,ZHOU Li,TANG Hongfeng,et al.Model evaluation of fluorine content in geothermal water [J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2015,45(sup1):337-338.(in Chinese))

[5] 何明珠,李廣輝,安英輝.地熱水資源對環境的影響分析研究[J].科技創業家,2014(6):186.(HE Mingzhu,LI Guanghui,AN Yinghui.Analysis of environmental impact of geothermal water resources [J].Technological Pioneers,2014(6):186.(in Chinese))

[6] 賀曉平.克東縣克東鎮地熱熱儲分布特征及資源評價[D].長春：吉林大學,2012.

[7] 聶鳳軍.黑龍江省明水縣地熱田地熱資源評價及開發利用研究[D].長春：吉林大學,2012.

[8] 李俊峰,靳寶珍,程萬慶,等.天津薊縣系霧迷山組地熱流體水化學特征研究[J].地質調查與研究,2008,31(4):339-345.(LI Junfeng,JIN Baozhen,CHENG Wanqing,et al.Ji County of Tianjin,system the mist mountain groups of geothermal fluid water chemical characteristics [J].Geological Survey and Research,2008,31(4):339-345.(in Chinese))

[9] 胡燕,高寶珠,靳寶珍,等.天津地熱流體水化學分布特征及形成機理[J].地質調查與研究,2007,30(3):213-218.(HU Yan,GAO Baozhu,JIN Baozhen,et al.Characteristics and formation mechanism of the chemical distribution of geothermal fluid in Tianjin [J].Geological Survey and Research,2007,30(3):213-218.(in Chinese))

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.014

作者簡介:宋文明(1979—),男,工程師,碩士,主要從事地熱水管理研究。E-mail:34019837@qq.com

中圖分類號：P345

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0084-04

(收稿日期：2015-09-23編輯：王芳)

Search for geothermal water according to tracer elements in Paoshouying hot spring area

SONG Wenming

(Dandong Municipal Water Affairs Bureau, Dandong 118000, China)

Abstract：Geothermal water in high-temperature and high-pressure environments slowly infiltrates and migrates through fissured rocks to achieve a new thermal and dynamical balance conducive to dissolution, resulting in wall rock alteration. In the surrounding rocks, new substances are dissolved in the water, which enables the chemical indicators of geothermal water to be different from those of the surrounding environmental water, as shown by the fact that the values of F, SiO2, and pH are much larger in geothermal water than in environmental water. We used the three indicators mentioned above as tracer elements to search for geothermal water in the Paoshouying hot spring area, in Dandong City. The results show that this method can explicitly define the boundaries of geothermal regions, narrow down the investigation targets, and reduce the original workload and capital investment.

Key words：Paoshouying hot spring area; geothermal water; tracer element; thermal reservoir structure