穹窿控制型地熱流體質量評價

賈伍慧,劉 凱*,張垚垚,張壽川,何慶成,孫軍亮,余廷溪,郭駿瀚,王路瑤

1)中國地質科學院,北京 100037; 2)中國地質大學(北京),北京 100083;3)中國礦業大學(北京),北京 100083

地熱水是富含熱、水和礦的熱礦水資源,其形成與環境中化學元素的遷移、演變和再分配等因素有關,在我國分布廣泛(汪洋等,2001; 王貴玲等,2017)。同時,地熱水還是一種國內外公認的清潔、環保、具有多功能性的綠色資源,不僅可用于發電、供熱、漁業等,而且地熱水富含對人體健康有益的特殊化學組分、礦物鹽類、微量元素、氣體組分、放射性元素和適宜的水溫,還會具有一定的理療價值(Cerón et al.,2000; 王貴玲等,2000; Baradács et al.,2001; 孟宇平,2020)。因此,地熱水具有廣泛開發用于洗浴、康養、飲用和旅游的潛力(周訓等,2006)。

地熱水開發利用之前需對水質進行分析測試,并依據《地熱資源地質勘查規范》(GB 11615—2010)等相關標準對其做出相應評價,以確定地熱水的理療功效和其他適用途徑(路明,2017; 劉慧等,2020)。通過地熱水的用途評價和腐蝕性結垢性評價,可為地熱水的開發利用提供科學依據(孫杰夫等,2018)。

羅霄山脈北支武功山為花崗巖穹窿構造,其形成所需的構造熱動力效應以及穹窿周邊的斷裂帶為地熱水的形成、賦存與活動提供了良好條件(張垚垚等,2022)。因此,環武功山地區分布較多地熱井,如溫湯地熱、萬龍山地熱、洪江地熱等(辛田軍等,2016;劉凱等,2020; 高勝強等,2022)。然而,該區地熱水總體的理療功效和適用途徑尚未明確,亟需依據相關標準開展地熱流體質量評價。為此,本次研究通過對環武功山地區多處地熱水水質的分析研究,依次對地熱水的用途、腐蝕性、結垢性等進行了評價,為環武功山地區地熱資源的開發利用提供有力支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于我國江西省境內,羅霄山脈北支武功山一帶(E113°57′—114°28′; N27°18′—27°46′),為典型的中生代花崗巖穹窿伸展構造。該區經歷多期次、多階段的巖漿和構造活動,斷裂構造發育,以北東向斷裂為主(圖1),次級斷裂為北北東向和北西向,兩組斷裂交匯的上盤位置巖石破碎,易形成熱異常通道。因此,該區域地熱井較多,以中低溫地熱水為主。

圖1 研究區地質背景與地熱井位置Fig.1 Geological background and location of geothermal wells in the study area

此外,研究區地屬中亞熱帶季風氣候,并具有山地氣候特征。其中,年平均降雨量約為1 700 mm,平均蒸發量約為1 300 mm,平均氣溫約15 ℃,平均相對濕度約為82%。該區水源以大氣降水補給為主,地表水多為沖溝水系,地下水主要源于花崗巖體斷裂帶、基巖裂隙含水層。

1.2 樣品采集與測試方法

本次地熱流體質量評價共采集16個地熱水水樣、2個地下水水樣、2個地表水水樣和1個雨水水樣(圖1),分別進行了現場測試和實驗室水質全分析測試。其中,現場測試指標有水溫、pH、溶解性總固體(TDS)、電導率和氧化還原電位,分別采用SX-620型筆式pH計(±0.01pH; ±0.1℃)、SX-630型筆式ORP計(±1 mV)、SX-650型筆式電導率/電阻率/TDS/鹽度計(±1.0%FS)測試。實驗室測試水樣采用棕色玻璃瓶和聚乙烯瓶采樣。其中,揮發酚類、氰化物測試采樣利用棕色玻璃瓶加氫氧化鈉保護劑;錳、銅、鋅、鋁等金屬元素測試采樣利用棕色玻璃瓶加硝酸保護劑; 其他離子測試均利用聚乙烯瓶直接采樣。實驗室全分析指標由圭瑞測試科技(北京)有限公司測試,測試執行標準為《水質65種元素的測定電感耦合等離子體質譜法》(HJ 700—2014)、《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)、《地質礦產實驗室測試質量管理規范》(DZ/T 0130-2006)及其它現行有效的國家、行業標準?；谒畼蝇F場測試和水質全分析數據,本次地熱流體質量評價包括理療熱礦水評價、飲用天然礦泉水評價、農業灌溉用水評價、漁業用水評價、腐蝕性及結垢趨勢評價。

1.3 評價方法

1.3.1 地下水用途評價方法

地下熱水的理療保健功能在于天然形成的25 ℃以上的溫泉,并含有一定的礦物和氣體成分。以《地熱資源地質勘查規范》(GB 11615-2010)附錄E“理療熱礦水水質標準”為依據(表1),對是否達到理療熱礦水水質標準作出評價,并對達標的熱礦水進行命名。

表1 理療熱礦水水質標準Table 1 Water quality standard of physiotherapy hot mineral water

飲用天然礦泉水是指從地下深處自然涌出的或經鉆井采集的,含有一定量的礦物質、微量元素或其他成分,在一定區域未受污染并采取預防措施避免污染的水; 在通常情況下,其化學成分、流量、水溫等動態指標在天然周期波動范圍內相對穩定。本次以《食品安全國家標準 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)為依據對研究區內地熱水進行評價(表2)。

我國對農田灌溉用水的水質控制標準為《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021),該標準規定的汞、鎘、砷、鉻、鉛、銅、鋅、硒等微量元素在區內地熱水中均小于檢出濃度。參照《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021)農業灌溉用水的控制項目為溶解性總固體(TDS)、氯化物、碳酸鹽、鈉吸附比(SAR)、硼、砷及氟化物,灌溉用水水質分級如表3所示。此外,漁業用水的水質評價標準參照《漁業水質標準》(GB11607-89)中的有關內容(表4)。

表3 灌溉用水水質評價分級Table 3 Classification of irrigation water quality evaluation

表4 漁業用水水質評價標準Table 4 Water quality evaluation standards for fishery water

1.3.2 腐蝕性評價方法

地熱水腐蝕性是地熱水通過其化學組分、溫度、流速及壓力等諸多因素與所用材料相互作用的復雜結果,其中地熱水的化學組分對金屬材料的腐蝕性起關鍵作用。根據中國能源研究會地熱專業委員會的理論研究成果,當地熱水中氯離子含量超過25%毫克當量百分數時,采用拉申(Larson)腐蝕指數評價較為合理。拉申(Larson)指數表達式為:

式中:LI為拉申指數; Cl為氯化物或鹵化物濃度(mg/L); SO4為硫酸鹽濃度(mg/L);ALK為總堿度(mg/L); 以上三項以等當量的CaCO3(mg/L)表示。地熱水按LI劃分腐蝕程度,其中,LI＜0.5為無腐蝕性水; 0.5≤LI＜3.0為輕微腐蝕性水; 3.0≤LI＜10為中等腐蝕性水;LI≥10為強腐蝕性水。

當地熱流體中Cl-的毫克當量百分含量均低于25%,一般不能采用拉申指數進行評價。依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615—2010),可參照工業上用腐蝕系數Kk來衡量地熱水用于鍋爐的腐蝕性。酸性水和堿性水的腐蝕性系數分別由公式(2)和公式(3)計算。

式中:r表示離子含量的每升毫克當量數。若腐蝕系數Kk＞0,稱為腐蝕性水; 腐蝕系數Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＞0,稱為半腐蝕性水; 腐蝕系數Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＜0,稱為非腐蝕性水;式中,Ca2+為離子含量(mg/L);

1.3.3 結垢性評價方法

(1)碳酸鈣垢

影響碳酸鈣結垢的主要因素有pH值、壓力、溫度及共存鹽的濃度。關于碳酸鈣結垢的問題,有各種預測指數來判斷其結垢的趨勢,目前地熱系統中普遍采用的是雷茲諾指數(RI),表達式如下:

式中: pHs為計算出的pH值(高于此值時,水中的碳酸鈣就會沉積出來); pHa為實測pH值。其中,pHs的計算公式如下:

式中: [Ca2+]為鈣離子的摩爾濃度; [ALK]為HCO-3離子摩爾濃度; Kc為常數,是包括兩個與溫度有關的平衡常數和活度系數的復雜常數,其值可根據水的溫度及溶解性總固體量從圖2中查出。則基于RI的碳酸鈣結垢趨勢評價標準見表5。

表5 根據RI判斷碳酸結垢趨勢標準Table 5 Criteria for judging carbonate scaling trend according to RI

圖2 礦化度小于6 g/L時的K0常數Fig.2 Constant K0 for total solids less than 6 g/L

(2)硫酸鈣垢

硫酸鈣垢主要以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)的形態沉淀。在中、低溫狀況下(小于100 ℃),熱流體中硫酸鈣離子溶積超過二水硫酸鈣的溶解度,二水硫酸鈣就沉淀。影響硫酸鈣沉積的主要因素為溫度和水中總固形物的含量。地熱流體中硫酸鈣生成趨勢定性估算采用相對飽和度(R.S)計算,計算公式如下:

式中: Ca2+為Ca2+離子的濃度(mg/L); SO2-4為SO2-4離子的濃度(mg/L); k是與溫度和水中總固形物含量有關的常數,可在相關圖上查出logk值(圖3)。當R.S≤0時,無CaSO4·2H2O垢生成; 當R.S＞0時,可生成CaSO4·2H2O垢。

圖3 地熱水中CaSO4·2H2O的溶解度積Fig.3 Solubility product of CaSO4·2H2O in geothermal water

2 結果與討論

2.1 水化學特征

水質分析主要離子結果如表6所示,陰陽離子平衡分析水質檢測結果均達標。利用舒卡列名法對研究區水樣進行了分類命名。結果顯示,研究區地熱水的水化學類型主要為HCO3-Na型,部分地熱水為HCO3-Ca型(中榨地熱)和SO4-Na型(溫湯地熱-2),地下冷水主要為HCO3-Ca型。由于所處地區地質構造、地熱地質和水文地質條件差異,地熱水水化學類型出現不同亞型。其中,部分地熱水水化學類型為HCO3-Na·Ca和HCO3-Ca·Na型水,如洪江地熱-2、三江地熱、萬龍山地熱-1、袁州地熱和中榨地熱等地熱井,此類地熱水溶解性總固體多為40～140 mg/L,推測是受淺層地下冷水混合影響。此外還有部分地區地熱水出現了HCO3·SO4-Na型水(赤江地熱、新泉地熱等)、HCO3·SO4-Na·Ca型水(溫湯地熱-1、萬龍山地熱-3等)和SO4·HCO3-Na(溫湯地熱-2)型水,此類地熱水溶解性總固體多為80～250 mg/L,推測是由于地熱水向淺部運移過程中H2S的氧化作用,使得地熱水中SO2-4濃度增加。Piper三線圖同樣體現了研究區水質類型的差異性(圖4),圖中總體水樣分布較為集中,部分偏離較大水樣均為地表水或地下冷水,如赤江地下水、明月山湖水和溫湯回灌水,水質類型均為HCO3-Ca型。

表6 水樣主要離子含量與平衡分析結果Table 6 Main ion content and equilibrium analysis results of water samples

圖4 研究區地熱水化學Piper三線圖Fig.4 Geochemical Piper ternary map of geothermal water in the study area

研究區發育穹窿狀地質體(劉細元等,2016; 柴樂等,2022)。區內熱儲呈帶狀分布,為斷層控制的破碎帶,受構造熱動力效應以及穹窿周邊的斷裂帶控制(張垚垚等,2022)。此外,區內地熱水水溫介于30～60 ℃(表6),因此研究區地熱水屬低裂隙率中低溫斷裂帶型地熱水。

2.2 地熱水用途評價

2.2.1 理療熱礦水評價

研究區地熱井中,新泉地熱、中榨地熱和三江地熱的水溫低于25 ℃,未達到理療熱礦水標準。14處地熱水達到理療熱礦水標準,占比82%,主要達標的元素為氟和硅(表7)。其中,赤江地熱、萬龍山地熱-3、萬龍山地熱-4和文家地熱的氟含量大于2 m/L,且偏硅酸含量大于50 mg/L,均達到命名濃度,命名為硅水、氟水。其余地熱水偏硅酸均達到礦水濃度,6處達到命名濃度;大部分地熱水均含氟,3處達到命名濃度。此外,赤江地熱水中鋰含量達到醫療價值濃度標準。

表7 理療熱礦水評價結果Table 7 Evaluation results of physiotherapy hot mineral water

硅和氟都是人體必需的微量元素之一(黃作明等,2010)。地熱水中富含氟和偏硅酸具有殺菌消毒、消腫止痛的功效。并且對治療關節炎、齲齒、風濕病、皮膚病等具有顯著療效,還具有滋陰養顏、安神解乏的作用(姜寶良等,2016)。

2.2.2 飲用天然礦泉水評價

本次以《食品安全國家標準 飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)為依據對研究區內地熱水進行評價,結果顯示研究區地熱水中有16處水化學成分達到飲用天然礦泉水界限指標標準,包括鋰、偏硅酸和硒。然而,界限指標達標的地熱水中有13處地熱井中存在限量指標氟化物超標情況,其他3處(研究區溫湯地熱-1、白廟地熱和袁州地熱)無超標指標。因此,研究區溫湯地熱-1、白廟地熱和袁州地熱的地熱水均達到了飲用天然礦泉水標準,達標成分為偏硅酸。偏硅酸是機體生長必不可少的元素,也是骨骼鈣化不可缺少的元素(姜寶良等,2016)。

2.2.3 農業灌溉用水評價

研究區地熱井水質資料(表8)顯示,氟化物含量小于1 mg/L的優質農業灌溉水有3處,分別為溫湯地熱-1、三江地熱-1和白廟地熱; 含量為1～3 mg/L的良好農業灌溉水有8處; 含量為3～10 mg/L的一般農業灌溉水有5處; 含量為10～15 mg/L的不適用于農業灌溉的IV類水僅有1處,為赤江地熱。因此,按照氟含量標準,研究區94%的地熱水適用于農業灌溉直接用水。

表8 研究區灌溉用水水質評價結果Table 8 Evaluation results of irrigation water quality in the study area

溶解性總固體小于175 mg/L的優質農業灌溉水有13處; 溶解性總固體在175～500 mg/L的良好農業灌溉水有4處。按照溶解性總固體含量評價研究區地熱水均適用于農業灌溉直接用水。此外,分別從氯化物和硫酸鹽含量兩方面評價,研究區地熱水均屬于優質農業灌溉水。

基于硼含量評價的地熱水,僅新泉地熱水硼含量在0.75～2 mg/L,屬于II類良好的農業灌溉水; 其他地熱水硼含量均為小于0.75 mg/L的I類優質農業灌溉水。依據鈉吸附比評價的地熱水有2處優質農業灌溉水(中榨地熱和三江地熱-1),9處良好農業灌溉水,3處一般農業灌溉水和3處IV、V類不適于農業直接灌溉的地熱水(新泉地熱、赤江地熱和白馬地熱)。根據水溫資料分析,研究區17處地熱水有6處地熱水水溫小于35 ℃,其余11處地熱水水溫均大于35 ℃。而大于35 ℃的地熱水需要經過梯級利用后使其水溫降至35 ℃以下方可用于農業灌溉。

綜上所述,依據農業灌溉用水的控制項目(氟化物、溶解性總固體、氯化物、碳酸鹽、硼和鈉吸附比)評價,研究區82%的地熱水均適用于農業灌溉直接用水,僅有3處不適用于農業灌溉直接用水,分別為新泉地熱、赤江地熱和白馬地熱。然而由于研究區地熱水溫度多大于35 ℃,故地熱水不能直接用于農業灌溉,需經梯級利用后使尾水溫度低于35 ℃方可用于農業澆灌。

2.2.4 漁業用水評價

研究區地熱水水質資料顯示(表9),有3處地熱水氟含量小于1 mg/L,屬于I類優質漁業用水; 5處地熱水氟含量介于1～2 mg/L,屬于Ⅱ類良好的漁業用水; 5處地熱水氟含量介于2～5 mg/L,屬于Ⅲ類一般漁業用水; 1處地熱水(萬龍山地熱-4)氟含量介于5～9 mg/L,為IV類較差的漁業用水; 3處地熱水(新泉地熱、赤江地熱和萬龍山地熱-3)氟含量為9～12 mg/L,為V類差的漁業用水; 其中,IV、V類地熱水不適用于漁業。地熱水中硫化物、酚、砷和汞含量均未超過優質漁業用水限定值。因此依據以上指標分析,16處地熱水均為優質漁業用水。綜上所述,研究區僅有4處不適合直接用于漁業,分別為新泉地熱、赤江地熱、萬龍山地熱-3和萬龍山地熱-4; 其余地熱水均可直接用于漁業用水,占比76%。

表9 研究區漁業用水評價水質成分Table 9 Water quality components for fishery water use evaluation in the study area

2.3 地熱水腐蝕性、結垢性評價

2.3.1 腐蝕性評價

研究區16處地熱水中Cl-的毫克當量百分數均小于25%,因此均需利用腐蝕系數Kk來衡量地熱水用于鍋爐的腐蝕性。評價結果如表10所示,研究區地熱水的腐蝕系數Kk＜0,并且Kk+0.050 3Ca2+＜0,表明研究區地熱水均為非腐蝕性水。

表10 研究區地熱水腐蝕性評價結果Table 10 Corrosion evaluation results of geothermal water in the study area

2.3.2 結垢性評價

影響碳酸鈣結垢的主要因素有pH值、壓力、溫度及共存鹽的濃度。根據研究區地熱水質分析結果(表11),研究區地熱水雷茲諾指數(RI)均大于7,表明研究區內16處地熱水碳酸鈣結垢評價結果均為不結垢。此外,硫酸鈣垢主要以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)的形態沉淀。在中、低溫狀況下(小于100 ℃),熱流體中硫酸鈣離子溶積超過二水硫酸鈣的溶解度即可形成二水硫酸鈣沉淀。根據研究區地熱水質分析結果(表11),研究區地熱水水質計算結果均為R.S＜0,即無CaSO4·2H2O硫酸鈣垢生成。

表11 研究區地熱水結垢趨勢評價Table 11 Evaluation results of geothermal water scaling trend in the study area

3 結論

環武功山穹窿控制型地熱水水化學類型主要為HCO3-Na型,部分地熱水為HCO3-Ca型和SO4-Na(溫湯地熱-2),地下冷水主要為HCO3-Ca型。本文依據相關標準規范,對研究區地熱水進行了質量評價。其中,82%的地熱水達到理療熱礦水標準,主要達標元素為氟和硅; 溫湯地熱-1、白廟地熱和袁州地熱的地熱水達到天然礦泉水標準,達標成分為偏硅酸。82%的地熱水適用于農業灌溉直接用水,需經梯級利用后使尾水溫度低于35 ℃。適用于漁業用水的地熱水有13處溫泉,占比為76%。另外,研究區所有地熱水均無腐蝕性和結垢趨勢。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20201165).