北京市通州區地熱流體水化學和同位素特征及其地熱學意義

袁利娟，張進平，何云成，孔祥軍，高劍

北京市地熱研究院, 自然資源部淺層地熱能重點實驗室,北京,100012

內容提要: 通過對北京市通州區薊縣系巖溶熱儲中地熱流體的水化學組分、2H、18O、3H、14C、鍶同位素組成的研究，論述了區域內地熱系統中水的補給徑流循環特征和地溫分布特征。研究區內薊縣系熱儲中地熱水的出水溫度分布在35～91 ℃范圍內，補給來源為北京市西北部或北部山區大氣降水，平均補給高程為1510 m。熱儲中地熱水年齡和熱儲溫度均呈現出明顯的構造控制特點。通州區西部，大興迭隆起構造單元內，熱水年齡從西北(18 ka)向東南(27 ka)增加，運移速度約1.5 m/a，熱儲溫度從57.4 ℃增至86.5 ℃。東南部的夏墊斷裂是一個導水導熱斷裂，其上地熱水年齡減小至8.4 ka，同時熱儲溫度增至107.8 ℃。地熱水中鍶含量和鍶同位素值均沿著地下水的徑流方向增加，揭示了兩個過程的疊加影響：薊縣系碳酸鹽巖中鍶的溶解與87Rb的衰減，后者呈現出明顯的時間累積效應，在研究區東南部體現的更明顯。

首都城市建設對地熱資源的需求較大，北京作為全球6個有地熱資源的首都之一，地熱資源開發規模較大。截止2019年底，北京市有地熱井533眼，成井深度大多數分布在2000～4000 m之間。這讓我們對地面以下2000～4000 m深度范圍內的地熱系統的研究成為可能，對北京市平原區薊縣系熱儲層中地熱流體的水化學、水穩定同位素特征也有了一定程度的了解(于湲, 2006; 劉凱等, 2017; 袁利娟等, 2020)，但其指示的地熱流體的補給、循環特征卻較少涉及。前人研究表明鍶同位素對水巖作用反應靈敏，可作為示蹤地下水循環的有效手段(馬致遠和范基姣, 2005)。水體流經地質體時會帶出其中的鍶，而鍶的地球化學性質非常穩定，在水文地球化學作用過程中不會發生分餾，不同的巖石組分具有其特定的n(87Sr)/n(86Sr)值，從而造成不同水體可能具有不同的n(87Sr)/n(86Sr)值，且與不同的地質環境相對應(葉萍等, 2008)。北京地區尚未開展過地熱流體中鍶元素及鍶同位素的示蹤研究，對其在地熱系統中的應用效果也不掌握。

通州作為北京城市副中心，“十四五”期間北京最大的建設工程，區域建設對清潔能源需求巨大。2015年通州東部中溫地熱資源的勘探突破更是極大的推動了通州區地熱資源的開發進程(鄒登亮等，2015)。對地熱水的補給、循環，以及熱儲溫度分布等特征的掌握，是科學合理開發地熱資源的基礎。本文利用水化學和2H、18O、3H、14C、n(87Sr)/n(86Sr)等同位素手段，系統描述了通州區地熱流體的水化學同位素特征，著重分析了中元古界薊縣系熱儲中地熱流體的補給來源、循環途徑、熱儲溫度等特點，希望為城市地熱資源的開發保護提供科學支撐。

1 通州區概況

通州區位于北京平原區的東南部，總面積906 km2。區內地勢平坦，總體由西北向東南傾斜，全區平均海拔20 m，坡降0.3%～0.6%。年平均溫度11.3℃，降水量為620 mm左右。

區內斷裂發育，北東向的南苑—通縣斷裂、夏墊斷裂將研究區劃分為三個Ⅲ級構造單元：北京迭斷陷(Ⅲ6)、大興迭隆起(Ⅲ7)和大廠新斷陷(Ⅲ8)(圖1)。大興迭隆起面積最大，北東—南西向斷裂和北西—南東向兩組斷裂在該構造單元內交匯，形成導水導熱通道。區內地層自老到新發育有太古宇，元古宇長城系、薊縣系和白口系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，新生界古近系、新近系和第四系(北京市地質礦產局，1982)。

圖1 北京市通州區地熱流體水化學和同位素研究采樣點分布圖Fig. 1 Distribution map of the sampling sites for hydrochemical and isotopic characteristic study of geothermal fluids in Tongzhou District, Beijing

薊縣系霧迷山組白云巖是通州區內主要熱儲層，以粉晶白云巖為主，燧石條帶較為發育。主要礦物為白云石，含量約為72.8%～98.9%，其次為石英和長石，含量為1%～20%(孔祥軍, 2019)。薊縣系霧迷山組熱儲層在全區內均有分布，地層的完整厚度約2230 m(北京市地質礦產局, 1982)。已有鉆孔數據顯示東部北京迭斷陷(Ⅲ6)內熱儲層的埋藏深度為500～800 m；中部大興迭隆起(Ⅲ7)內熱儲層的埋藏深度最淺為474 m，最大約2500 m；而東南部大廠新斷陷(Ⅲ8)內熱儲層的最小埋藏深度約2500 m，最大可達5000 m以上。通州區內地熱資源開發利用規模較大，截止目前，已完成29眼地熱井，大部分位于在大興迭隆起內(圖1)。區內目前地熱井最大鉆探深度為3588.88 m，出水溫度最高為91 ℃，該井位于夏墊斷裂上。北京市目前發現的出水溫度高于90 ℃ 的地熱井均位于夏墊斷裂沿線及其延線上(張進平和袁利娟, 2015)。

2 數據來源

2015年到2019年間采集的區內薊縣系霧迷山組含水層中地熱水23件(表1)。為了掌握地熱流體的循環特征，還采集了大氣降水6件、地表水8件和第四系地下水36件，共計73件水樣(圖1)。主要測試項目包括水化學、3H、δD、δ18O、14C和n(87Sr)/n(86Sr)。熱礦水全分析測試在北京市水文地質工程地質大隊完成，為保證樣品的代表性，測試樣品均利用經規定程序清洗過的干燥的容積為10 L的聚乙烯瓶采集，然后用螺紋蓋密封，24 h內交達實驗室完成分析測試，陰陽離子平衡檢查的相對誤差<±5%。其他水樣的主微量元素測試分析，以及全部水樣的氚含量和n(87Sr)/n(86Sr)測試均在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成。3H用Quantulus 1220-003低本底液閃儀完成測試，檢出限為1.3 TU。n(87Sr)/n(86Sr)使用Phoenix熱表面電離質譜儀完成測試，本批次23件樣品的絕對偏差分布在0.000010～0.000025范圍內。δD、δ18O、δ14C和δ13C委托BETA實驗室完成，分別利用同位素比質譜儀和加速器質譜完成，絕對偏差分別為±0.3‰、±1‰、±0.2 pMC和±0.3‰。

圖2 北京市通州區地質剖面圖Fig. 2 Geological profiles in Tongzhou District, Beijing

3 結果和討論

3.1 水化學、同位素特征和補給來源

研究區內不同水體中的陰離子均以HCO3-為主，陽離子組成差異較大(圖3)。區內地熱水出水溫度分布在35～91 ℃范圍內，pH分布在7.2～9.6范圍內，TDS分布在309～1409 mg/L范圍內，均值為536 mg/L，地熱水水化學類型屬HCO3-—Na+型。第四系地下水TDS分布在310～447 mg/L范圍內，均值為364 mg/L，按照舒卡列夫分類，水化學類型包括HCO3-—Na+型和HCO3-—Ca2+·Na+型。雨水的TDS分布在19～73 mg/L范圍內，部分雨水樣品中SO42-含量較高，可能是煤炭燃燒產生的SO2的貢獻(Aas et al., 2007; Xu Zhifang and Han Guilin, 2009)。河水的TDS分布在351～646 mg/L范圍內，Cl-存在一定程度的富集，表現了蒸發濃縮的水化學過程。

圖3 北京市通州區水化學三線圖 Fig. 3 Piper diagram of the water samples in Tongzhou

研究區不同水體的δ18O、δD組成示于圖4。通州區第四系地下水和薊縣系地熱水均點落在當地大氣降水線(Li Jie et al., 2018)右側，幾乎與之平行。相同的現象在北京土壤水(Deng Wenping et al., 2013)以及延慶盆地地下水(Li Jie et al., 2018)中也出現過。造成這種現象的原因降雨進入土壤，與土壤中受蒸發作用影響的地下水混合，使得地下水同位素組成偏離當地大氣降水線(Allison et al., 1984)。

圖4 北京市通州區水穩定同位素分布圖Fig. 4 Relationship between δ18OV-SWOM and δDV-SWOM of water samples in Tongzhou

結合區域水文地質條件，以及地熱水同位素特征揭示的地熱水補給過程中的高程效應，可利用地下水補給高程計算公式計算地熱水補給高程：

(1)

上式中：H為補給高程；δ18Or為補給高程處大氣降水穩定同位素組成，取地熱水的δ18O均值-10.5 ‰；δ18Oa為當地大氣降水平均組成，取-7.5 ‰；h為當地平均地面高程，取通州區平均地面高程10 m；grad18Or為流域內降水δ18O隨高程變化的梯度值，取-0.2 ‰/100 m(Liu Jianrong et al., 2009)。可知補給高程為1510 m。結合區域水文地質條件，可推測通州區地熱水的補給來源為北京市部及西北部高程為1510 m左右的山區。

3.2 地下水年齡與循環途徑

3.2.1同位素年齡

本文利用3H和14C同位素技術確定地熱水的年齡，結果顯示地熱水中3H含量均低于檢測限，14C含量小于5.08 pMC。

14C測年的基礎是測量給定樣品中母放射性核(14C)的減少。從本質上看，地下水14C定年并不是測定水的年齡，而是測定地下水中溶解無機碳的年齡。假設：地下水含有放射性同位素14C，其一旦進入地下水系統，其14C得不到新的補充，14C就開始按衰變規律而衰減，地下水定年可根據衰變方程：

(2)

式中：t為地下水表觀年齡(a)；λ=12.1×10-6/a，為14C衰變常數；A0為母核初始放射性濃度(pMC)，取100 pMC(Clark and Fritz, 1997)；At為樣品14C的放射性濃度(pMC)。

如果來自土壤CO2的14C在流動過程中一直保存在地下水中，沒有被稀釋，那么可以用式(2)來定年，但通州區地熱水儲層為碳酸鹽巖地層，碳酸鹽巖礦物多為地質歷史時期形成，其14C濃度一般接近0 pMC，在水巖作用影響下，含水介質的碳酸鹽礦物溶解進入地下水會使地下水中14C濃度減小，即所謂“稀釋反應”。為了對校正碳酸鹽巖熱儲層對地熱水14C定年的影響，本文使用了Pearson(1965)同位素δ13C混合模型計算出稀釋因子q，考慮了開放系統條件下碳酸鹽溶解過程中14C放射性DIC的加入以及隨后在封閉系統條件下發生的14C稀釋。

(3)

式中：δ13CDIC為地下水13C測量值；δ13Csoil為土壤CO2的δ13C(通常接近-23 ‰)；δ13Ccard為被溶解的方解石的δ13C(通常接近0 ‰)。

經過稀釋校正，地下水定年的衰變方程變為：

(4)

研究區內地熱水14C校正模型年齡見表2。區內地熱水的校正年齡分布在8.4～27 ka范圍內，表明區內地熱水屬于老水循環更新能力差。且從平面上看地熱水年齡存在從西北向東南增加的趨勢，西北部R4井和東南部Y2井的視年齡分別為18 ka和27 ka，在A—A’剖面上，R4井到Y2井之間，薊縣系熱儲層內地熱水的運移速度約1.5 m/a。再往東，夏墊斷裂影響范圍內地熱年齡變輕，鉆遇到夏墊斷裂的X-1井地下水視年齡僅為8.4 ka。

表2 通州區地熱水14C校正模型年齡Table 2 14C corrected model age of geothermal water in Tongzhou

3.2.2地熱水流系統中的鍶同位素

大氣降水攜帶的Sr2+濃度通常很低，地下水中的Sr2+濃度取決于含水介質中的Sr含量和水—巖相互作用程度(Shand, 2009; 翟遠征等, 2011)。研究區大氣降水中Sr2+的平均質量濃度為 0.008 mg/L。地熱流體和第四系地下水中的 Sr2+質量濃度分別分布在 0.040 ～0.590 mg/L和0.195 ～0.551 mg/L之間，均值分別為0.230 mg/L和0.339 mg/L。

自然界中的Sr不能以單質形態存在，主要存在形式為類質同象。鍶和鈣在元素周期表中同屬一個主族且位置相鄰，Sr常常以分散狀態存在于含鈣礦物中，如碳酸鹽、磷灰石、角閃石和斜長石等。由于Sr和Ca的地球化學親合性，在地球化學研究中，常認為它們表現出一致的地球化學行為(Shand et al., 2009)。通州區地下水中Sr2+濃度的變幅遠小于Ca2+，但Sr2+與Ca2+兩者大體上呈正相關關系(圖5)，表明降水進入含水介質后，水中的Sr和Ca經歷了大致相似的水文地球化學作用。與第四系地下水相比，地熱水中的Sr2+也伴隨著Ca2+增加而增加，但Sr2+的增加速率更大。

圖5 北京市通州區水體中Sr2+—Ca2+關系圖Fig. 5 Sr2+ versus Ca2+ in water samples in Tongzhou

地熱水中n(87Sr)/n(86Sr)值分布在0.7087～0.7153范圍內。與之相比，研究區內大氣降水(0.7107～0.7115)、河水(0.7100)和第四系地下水(0.7092～0.7097)的n(87Sr)/n(86Sr)值的變幅都較小，可能原因是這幾種水體中的Sr元素來源單一或者地熱水經歷了不同的水—巖相互作用。空氣中的粉塵(n(87Sr)/n(86Sr)值為0.7111)是北京大氣降水中鍶的重要來源(Xu Zhifang and Han Guilin, 2009)。地下水中的鍶來源主要包括風源沉積物、土壤中的硅酸鹽、碳酸鹽或硫酸鹽等礦物的風化釋放產物和含水介質。碳酸鹽、硫酸鹽來源鍶的n(87Sr)/n(86Sr)值約為0.7080，硅酸鹽來源鍶的n(87Sr)/n(86Sr)值一般為0.7160～0.7200(Gaillar et al., 1999；Philippe, 2006; Min Maozhong et al., 2007)。通州區第四系地下水中n(87Sr)/n(86Sr)值與碳酸鹽巖風化來源的n(87Sr)/n(86Sr)比值相近，地下水中的鍶可能來源于碳酸鹽巖中鍶元素的溶解。地熱水中n(87Sr)/n(86Sr)值落在碳酸鹽巖和硅酸鹽礦物來源的鍶同位素組成之間，且當Sr2+含量較高時，鍶同位素組成更接近硅酸鹽礦物來源鍶的n(87Sr)/n(86Sr)值(圖6a)。但研究區薊縣系霧迷山組熱儲中白云石含量高，只含少量石英和方解石(孔祥軍, 2019)，從含水層介質的組成分析，碳酸鹽巖的溶解應是本區地熱水中鍶的主要來源。

圖6 北京市通州區水體中n(87Sr)/ n(86Sr)-ρ(Sr2+)(a)和n(87Sr)/ n(86Sr)-ρ(Sr2+)ρ(Ca2+) (b)相關圖Fig. 6 n(87Sr)/ n(86Sr) versus ρ(Sr2+)(a) and n(87Sr)/ n(86Sr) vs.ρ(Sr2+)ρ(Ca2+)(b) in water samples in Tongzhou

Sr2+/Ca2+Vs87Sr/86Sr關系更清楚了展示了地熱水中鍶同位素的富集過程(圖6b)。當地熱水Sr2+/Ca2+比值小(0.01～0.02)時，n(87Sr)/n(86Sr)值(0.7087～0.7107)接近碳酸鹽巖來源的n(87Sr)/n(86Sr)值(0.7080)。而Sr2+/Ca2+值較高(>0.02)時，n(87Sr)/n(86Sr)值顯著增加(0.7118～0.7153)。且兩者的分布表現出一定的地域差別，前者樣品均位于通州區西北，而后者均分布在通州區東南部。結合研究區的地下水流場，推斷高鍶值可能由鍶的時間積效應導致。前人研究表明：自然界Sr的4個穩定同位素中(88Sr、87Sr、86Sr、84Sr)，只有87Sr是放射源的，可由87Rb經過β-衰變而來，隨著Rb的衰變，在含Rb的巖石和礦物中，87Sr的含量可作為時間函數連續增加，表現出時間累積效應。

根據這個特點筆者等繪制了Sr2+含量和n(87Sr)/n(86Sr)的平面分布圖(圖7)，兩者呈現出一致的從西北到東南增加變化趨勢(圖7a、b)，而區域內14C視年齡也呈現出相同的分布規律(圖7c)。三者相同的分布規律揭示了地熱水中的鍶的演化規律：一方面，沿地下水流方向，水—巖反應強度加大導致地熱流體中Sr2+含量增加；另外，隨著地下水滯留時間的延長，時間累積效應導致地熱流體中n(87Sr)/n(86Sr)值增加。

圖7 北京市通州區地熱水中n(87Sr)/n(86Sr)(a)、ρ(Sr2+)(b)、14C年齡 (c)和熱儲溫度(d)分布等值線圖Fig. 7 Distribution contour map of n(87Sr)/n(86Sr) (a)， ρ(Sr2+) (b)， 14C corrected model age (c) and thermal storage temperature (d) in water samples in Tongzhou

表3 通州區各地熱井的熱儲溫度Table 3 Results of reservoir temperature in Tongzhou by different geothermometer

3.3 地溫計與熱儲溫度

地溫計方法是利用地下熱水中的某些化學組分的含量或者同位素值與溫度的關系，直接估算深部熱儲溫度。目前常用的地溫計主要有陽離子地溫計、SiO2地溫計、氣體地溫計、同位素地溫計這四大類，應用條件各不同(Fournier, 1997)。本文主要利用陽離子地溫計和SiO2地溫計計算研究區內熱儲溫度。計算結果顯示：不同計算方法的Na+/K+和Na+—K+—Ca2+陽離子地溫計的估算結果均偏高，玉髓地溫計的估算結果偏低(表2)。另外，通州區大部分地熱井的出水溫度均低于100 ℃，蒸汽足量損失的SiO2地溫計不適宜于評價熱儲溫度。K+/Mg2+陽離子地溫計和無蒸汽損失的SiO2地溫計較適宜于評價通州地區熱儲層的熱儲溫度(表2)。本文以K+/Mg2+陽離子地溫計和無蒸汽損失的SiO2地溫計計算結果為參考，取其平均值為熱儲溫度，則研究區內熱儲溫度分布在34～112 ℃范圍內，均值為50 ℃。

熱儲溫度超過100 ℃的兩眼井均位于大興迭隆起(Ⅲ7)和大廠新斷陷(Ⅲ8)分界線——夏墊斷裂上。其余地熱井均位于大興迭隆起(Ⅲ7)內，排除一個異常點(D1)，因其熱儲溫度估算值低于出水溫度與井底實測溫度，熱儲溫度分布在57.4～89.6℃內，平均溫度為68.3℃。大興迭隆起(Ⅲ7)內，垂向上熱儲溫度并沒有表現出隨儲層平均深度增加而增加的趨勢(圖8)。大興迭隆起(Ⅲ7)西北部熱儲平均埋深較大(2534～2983 m)，熱儲溫度卻較低(57.4～66.6℃)，均值為59.9℃(圖8)。大興迭隆起(Ⅲ7)東南部熱儲埋藏變淺(2145～2260 m)，熱儲溫度卻升高(61.2～86.5 ℃)，均值為72.4 ℃。筆者等根據這個特點繪制了熱儲溫度平面分布圖(圖7d)，更直觀地表明了熱儲溫度從西北向東南增加的趨勢。造成這一現象的可能原因是，同一儲層內，沿著地下水流方向上，地熱流體的滯留時間增加，與巖石的熱交換更充分，進而導致熱儲溫度增加。

圖8 通州區地熱熱儲溫度分布圖Fig. 8 Reservoir temperature vs. depth diagram of geothermal in Tongzhou District

4 結論

(1) 水穩定同位素表明通州區薊縣系熱儲層中地熱水來源于大氣降水補給，結合通州區第四系地下水補給—徑流條件與同位素及水化學特征之間的關系，地熱水貧18O同位素可解釋為高程效應，地下水補給高程公式可計算出地熱水平均補給高程為1510 m，補給區可能位于北京市北部及西北部山區。

(2)14C可有效計算通州區薊縣系熱儲中地熱水年齡。研究區西部，大興迭隆起(Ⅲ7)內地熱水年齡從西北(18 ka)向東南(28 ka)增加，運移速度約1.5 m/a。但研究區東部，大興迭隆起(Ⅲ7)和大廠新斷陷(Ⅲ8)交界的夏墊斷裂上，地下水的運移速率加快，斷裂附近地下水視年齡變輕。

(3) Sr2+含量和Sr同位素可有效示蹤通州區薊縣系熱儲中地熱水的流通路徑和水—巖相互作用程度。區域內，隨著地熱水年齡的增加，徑流路徑上，地熱水中的Sr2+含量增加，n(87Sr)/n(86Sr)值增加。地熱水中鍶同位素可視為兩個過程的疊加：薊縣系碳酸鹽巖中鍶的溶解與87Rb的衰減，后者呈現出明顯的時間累積效應。

(4) K+/Mg2+陽離子地溫計和無蒸汽損失的SiO2地溫計可合理估算熱儲溫度。研究區東部，大興迭隆起(Ⅲ7)和大廠新斷陷(Ⅲ8)交界夏墊斷裂上的兩眼地熱井的熱儲溫度均值達107.8℃。研究區西部，大興迭隆起(Ⅲ7)內熱儲平均溫度為68.3℃，且存在隨地下水徑流方向上熱儲溫度升高的特點。