江西宜黃縣嶺下地熱水成因分析及資源量評價

姜 烈,廖 斌，胡 芬

（江西省地質環境監測總站,江西 南昌 330095）

0 引言

在能源短缺、環境污染嚴重的今天,新能源和可再生能源的勘探與開發成為世界經濟可持續發展的前提[1]。地熱資源作為清潔且可再生的新興能源之一,在中國分布廣泛,具有極大的勘探開發潛力[2]。地熱水是一種集熱能、礦物質和水于一體的新型清潔能源和特殊礦產資源,具有分布廣泛、可再生性等特征[3-8]。通過對宜黃嶺下地區進行地熱地質調查鉆探、抽水試驗及動態監測等工作成果,為研究區及具相似地質條件的區域的地熱資源勘探開發提供一定的指導意義。

1 研究區地質條件

研究區地層由新到老分別為第四系（Q4al）、白堊系塘邊組（K2t2）、中元古代周潭巖組（Pt2zh2）。區內巖漿巖在黃水河西側和東側低丘陵區較為發育,主要為加里東期花崗巖,按照時序可定為志留紀中世二都超單元（S2E）和侏羅紀晚世山前單元）（J3S）。

研究區中部、嶺下溫泉東約100 m 處有一近北北東向壓扭性大斷裂F1。經查,F1 斷裂為宜黃-寧都-定南大斷裂,斷裂傾向80°～100°,傾角45°～70°。延長約120 km 左右。F1 斷裂于研究區內表現為正斷層,地表可見較大面積的硅化破碎帶,硅化帶厚度20 m～60 m。

圖1 ZK1～ZK5 孔內溫度垂向分布圖

2 地溫特征和熱儲特征

2.1 地溫特征

ZK4 在揭露F2 斷裂（308.00 m～323.23 m 段）時,孔內溫度出現了驟增（增高約6℃）,揭穿之后保持穩定。此外,除揭露F2 斷裂的ZK4 孔內溫度最高值位于地熱井下部外,其余鉆孔均位于地熱井底端。以上情況可以說明,本地熱田地溫場垂向分布主要受F2 斷裂的控制。

2.2 熱儲特征

硅質角礫巖熱儲主要為斷裂破碎帶,ZK4 鉆孔揭露厚度15.23 m（埋深308.00 m～323.23 m）,巖性為硅質角礫巖,角礫成分為石英,硅質膠結。巖芯破碎,裂隙發育,常見溶孔、溶蝕空洞,透水性較好,巖芯受熱水蝕變現象明顯,裂隙面見白色沸石膜充填,ZK4 孔鉆進中,水溫及涌水量（水位）均明顯升高,為主要熱儲層。

3 地熱水形成原因

3.1 地熱水運移特征

地下水在花崗巖體內徑流的過程中,受自然增溫、熱傳導、熱傳遞等作用影響下,不斷地從圍巖中吸取熱量,同時溶慮圍巖中的礦物成分,水溫不斷提高,水的密度減小而上升,從而形成地下熱水的深循環。由于近東西向次級斷裂F2與北北東向壓扭性大斷裂F1 切割,從而在兩斷裂交匯部位地熱水上溢形成嶺下溫泉,是一個典型的斷裂深循環的地熱水形成模式。

3.2 地熱水形成機理分析

通過對溫泉水、ZK1、ZK2、ZK3、ZK5 及豐枯水期的ZK4 孔地熱水水化學分析,采用《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615-2010）推薦使用的二氧化硅地熱溫標（無蒸汽損失的石英溫標）、鉀鎂地熱溫標、鉀鈉地熱溫標三種方法分別計算了熱儲溫度（計算結果見表1）。

表1 地熱田熱儲溫度計算結果統計表

無蒸汽損失的石英溫標法：

鉀鎂地熱溫標法：

鉀鈉地熱溫標法：

式中：t 為熱儲溫度,℃；C1為熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量,mg/L；C2為水中鉀的濃度,mg/L；C3為水中鎂的濃度,mg/L；C4為水中鈉的濃度,mg/L。

本地熱田熱儲溫度計算采用二氧化硅溫標法,取各孔平均值159.12℃。另取地熱田地熱增溫率為6.71℃/100 m（ZK1～ZK5 孔平均地溫梯度）,以此按照地溫梯度計算公式反推地熱循環深度,估算得循環深度（即熱儲最大埋深）為2123.56 m。

4 地熱流體化學特征

4.1 水化學特征

分別對溫泉水、ZK1～ZK5 孔地熱水采集了水樣進行礦泉水分析和放射性分析,溫泉及各地熱井水化學成分相近,具如下特點：礦化度342.77 mg/L～425.23 mg/L,屬淡水。鉆孔點pH 值6.89～8.84,主要為弱堿性,溫泉點pH 為6.95,近似中性。總體上,該地熱水水化學類型為HCO3-Na-Ca 型,可定名為：含氡,偏硅酸氟重碳酸鈉鈣型淡水,其庫爾洛夫表達式為：

4.2 地熱水用途評價

1）生活飲用水評價

根據《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）進行評價。地熱水中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于標準的1 mg/L）、pH 值（6.89～8.84,高于標準的8.5）,Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,超標,不宜飲用。

2）飲用天然礦泉水評價

飲用天然礦泉水評價依據《飲用天然礦泉水標準》（GB 8537-2008）執行。

地熱水“感官要求”符合標準；

“界線指標”鋰（0.338 mg/L～0.490 mg/L,高于標準的0.2 mg/L）、偏硅酸（91.70 mg/L～112.90 mg/L,高于標準的25.0 mg/L-水溫＞25℃）達標。

“限量指標”中氟（4.70 mg/L～24.00 mg/L,高于標準1.5 mg/L）、Mn（0.014 mg/L～0.536 mg/L,高于標準的0.4 mg/L）、耗氧量（0.63mg/L～5.75 mg/L,高于標準3.0 mg/L）超標。因此,本地熱水不宜作為飲用天然礦泉水。

3）理療熱礦泉水評價

理療熱礦水評價依據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615-2010）“附錄E”執行。

各地熱水氟含量為4.70 mg/～24.00 mg/L,可命名為“氟水”；偏硅酸含量為91.79 mg/～112.90 mg/L,可命名為“硅水”；氡的含量為1.90 Bq/L～48.80 Bq/L,達到“礦水濃度”；水溫28.0℃～37.0℃,地熱水屬“溫水”,達到“有醫療價值濃度”；礦化度342.77 mg/～425.23 mg/L,屬“淡水”,達到“有醫療價值濃度”。因此,本地熱水可命名為含氡、氟水、硅水型低礦化理療熱礦水,適宜于理療、沐浴、旅游、休閑等用途。

4.3 地熱水腐蝕性評價

由于各熱水中氯離子的毫克當量百分數均小于25%,且屬于堿性水,本次鍋爐用水的腐蝕性評價采用腐蝕系數結合鈣離子含量（堿性水公式）進行（公式引自《地熱直接利用》,蔡義漢著）,分級標準見表2。其中,腐蝕系數（Kk）按下式計算：

表2 鍋爐用水腐蝕性分級評判標準

式中：Kk為腐蝕系數；r 為表示各離子的每升毫克當量數。

計算結果見表3：Kk=-5.10～-3.58,Kk+0.0503Ca2+=-4.97～-3.49,兩者均小于零。因此,本地熱水判定為“非腐蝕性水”。

表3 各個鉆孔腐蝕系數一覽表

5 地熱資源量

5.1 干擾井群理論公式法

按照ZK4、ZK5 孔單孔抽水試驗成果,采用干擾井群理論公式計算（公式來源于《供水水文地質手冊》第二冊）：

式中：Swi為干擾抽水時,i 號抽水孔設計降深,m；Qi為干擾抽水時,i 號抽水孔出水量,m；rij為j 號抽水孔至i 號抽水孔間距離,m；Kj、Mj、Rj、rwi分別為各孔滲透系數、含水層厚度、影響半徑及井半徑。

相關數據見表4。

表4 干擾井群法計算表

計算結果：ZK4 出水量Q4=501.63 m3/d；ZK5 出水量Q5=1583.36 m3/d,兩井合計出水量（可開采量）2084.99 m3/d。需要說明的是,由于本公式為理論推導公式,為與之相匹配,提高計算的準確性,滲透系數數據采用單孔抽水試驗最大降深數據（按照上節中,無觀測孔資料的抽水孔公式）計算結果,影響半徑按照滲透系數及設計降深采用哈爾特經驗公式計算,含水層厚度采用實際值。

5.2 群孔涌水量減少系數法

根據表5 抽水試驗數據可知,ZK4 孔：m≈1,關系曲線為直線型,其方程為：Q=37.00 Sw;ZK5 孔：m≈1.11,關系曲線為對數型,其方程為：Q=。

表5 各地熱井水文地質參數匯總表

根據上述ZK4、ZK5 孔流量降深關系曲線方程,分別推算ZK4 和ZK5 單井時出水量：

ZK4 孔：Sw4=37.55 m 時,Q4=1389.35 m3/d。

ZK5 孔：Sw5=40.00 m 時,Q5=1846.91 m3/d。

而群孔抽水時,對應的實際出水量Q4'=292.03 m3/d,Q5'=1229.47 m3/d。

算得：Q=1950.72 m3/d。因此,ZK4、ZK5 兩井合計出水量（可開采量）1950.72 m3/d（其中：ZK4=388.50 m3/d,ZK5=1562.22 m3/d）。

為充分保障地熱田地熱資源可持續開采利用,偏安全考慮,本地熱田地熱流體可開采量取涌水量減少系數法的計算值（較小者）,即1950.72 m3/d（其中,ZK4 孔388.50 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1562.22 m3/d,水溫28.0℃）。

5.3 可開采量確定

前已論述,地熱田內地熱流體隨季節小幅波動。為充分保障地熱田地熱資源可持續開采利用,本次采用ZK4 孔穩定段自流量修正系數根據如下公式對上面計算的地熱流體可開采量進行適當修正：

式中：Q 為修正后地熱流體可開采量,m3/d；Q0為修正前地熱流體可開采量,m3/d；γS為修正系數；為變異系數系數,取ZK4 穩定段自流量變異系數0.0898。

計算得修正系數γS=0.9099。Q=1774.96 m3/d（其中ZK4孔353.50 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1421.46 m3/d,水溫28.0℃）。

5.4 儲量級別確定

ZK4、ZK5 群孔抽水試驗時實際抽水量經動態修正后確定的地熱流體數量-1384.41 m3/d 屬“探明級”（其中ZK4 孔265.72 m3/d,水溫37.0℃；ZK5 孔1118.69 m3/d,水溫28.0℃）,推斷級為390.55 m3/d,即地熱田“探明級+推斷級”總儲量為1774.96 m3/d,見表6。

表6 探礦權范圍資源儲量計算結果表

6 結論

（1）由于近東西向次級斷裂F2 與北北東向壓扭性大斷裂F1 切割,從而在兩斷裂交匯部位地熱水上溢形成嶺下溫泉,是一個典型的斷裂深循環的地熱水形成模式。本地熱田熱儲溫度計算采用二氧化硅溫標法,估算得循環深度（即熱儲最大埋深）為2123.56 m。

（2）本地熱田自然邊界條件下及探礦權范圍內可開采量為1774.96 m3/d（其中探明級為1384.41 m3/d,推斷級為390.55 m3/d）,地熱水水溫28.0℃～37.0℃。地熱流體年開采累計可利用的熱能量5.65×107MJ,與之相當的年節煤量為1927.87 t。

（3）地熱水水質類型為重碳酸鈉鈣型弱堿性淡水,屬含氡、氟水、硅水型理療熱礦水,適合洗浴及醫療之用。