固市凹陷地下热水水动力条件分析_卞惠瑛.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.陕西省地质调查院，陕西西安710065; 3.教育部旱区地下水文与生态效应重点实验室，陕西西安710054;4.陕西省地下水与生态环境工程 研究中心，陕西西安710054;5.干旱半干旱地区水资源与国土环境实验室，陕西西安710054; 6.陕西金奥能源开发有限责任公司，陕西渭南714000 摘要分析了陕西关中盆地东部田市凹陷地下热水同位素及水文地球化学特征，探讨了研究区地 下热水的水动力条件。研究结果表明固市凹陷从西向东，断层切客，J越来越深，地下热水的滞留 时间越来越长，水文替程度从积极到异常缓慢，水岩反应从不充分到剧烈，赋存环境越来越封闭。 回市凹陷西侧（三原、富平），断层发育浅，地下热水滞留时间短，与当地大气降水文替积极，水岩 反应不充分，为现代循环水混入的，热储环境开放的地下水，具有较强的史新能力，可维持现状 开禾；固市凹陷东侧（渭南、华阴），断层切割深达基底，地下热水滞留时间长，水岩反应强烈，水 文替异常缓慢，为热储环境非常封闭的地下水，史新能力比较弱，应限制其开采量。 关键词固市凹陷；地下热水；同位素；水化学；水动力条件 中图分类号P641文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.1001-1986.2014.03.012 Hydrodynamic conditions of geothermal water in Gushi depression of Guanzhong basin BL气NHuiying3A,5, WANG Shuangming2, YANG Ze严ian135, L YU Xin1’3人 1. School of Environmental Sciences and Engineering, Chang，αn Uniνersiσ，Xian 10054, Chinα；2. Geologicαl Surνey, Shaanxi, Xian 710065, China; 3. Key Laborato,y of Subsu功ce归ydrologyand Ecology in Arid Areas, Ministry of Education, Xian 710054, China; 4. Engineering Research Center for Groundwater and Eco-Environment of Shaanxi Province，刀切710054,China; 5. The Laboratory of Water Rεsource and Land Environment in Arid and Semi-arid Areas, Xian 710054, China; 6. Shaanxi Jin Ao Energy Development Co., Ltd, Weinan 714000, Chinα） Abstract According to geological structure, hydrogeochemical and isotope characteristics of Gushi depression, the hydrodynamic conditions of geothermal water were discussed. The results show that from the west to the east the deeper the faults cut, the longer the retention time of geothermal water becomes. Water alternation changes fast then exceptionally slowly. Water-rock interaction changes insufficiently then intensely, and occurrence environ- ment becomes more and more enclosed. In the west of Gushi depressionFuping and Sanyuan counties, faults cut shallowly and water retention time is short, when water alternation of local precipitation is active and interaction between water and rocks is not sufficient as well as the geothermal water is mixed with modem circulated water and occurrence environment b巳comesopen, the renewable ability become stronger. Therefore its current exploita- tion yield can be maintained. In the east of Gushi depressionWeinan and Huayin counties, the faults cut the deep basement and geothermal water retention time becomes longer, and water-rock interaction becomes intense. Water alternation conditions are unusually slow and its occurrence environment becomes enclosed. Because of weak re- newable ability, its exploitation yield should be controlled. Key words Gushi depression; geothermal water; isotope; hydrochemistry; hydrodynamic condition 近年来，西安一咸阳地区地热资源开发利用带来 了良好的经济、社会和环境效益。通过野外调查， 众多学者［1-5］对关中盆地构造、地层岩性、地下水同 位素及岩石热力学性质进行了综合研究，并对部分 地段的地热资源、进行估算，总结了地热形成的控制 收稿日期201子05-25 因素，为本次研究奠定了基础。随着渭南市地热资 源开发规模越来越大，热水井的数量逐年增加，为 了减弱地下热水降落漏斗的产生和扩展，杜绝不合 理的开发方式，因此对地下热水的水动力条件研究 尤为重要。本文以固市凹陷为例，对地热水可持续 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金（CHD201IJC016 作者简介下惠瑛（1988一），女．陕西渭南人，硕士研究生，研究方向为水文学及水资源 ChaoXing 第3期中惠瑛等．固市凹陷地下热水水动力条件分析 51 开发利用的关键因素（补给来源、循环运移、赋存环 境及其可更新性）进行了研究，为该区地热资源的评 价和开发提供了科学依据。 1 研究区概况 1.1 区域位置 关中盆地（图l）位于陕西省中部，西起宝鸡， Hffl rx鸟l咄 区J,oc二fli11走； E囚西安问陷 东至撞关，南依秦岭，北至北山，地理坐标为东 经l0630’一lI O。30’，北纬33。00’－35。20’，东西长 360 km ，南北宽30-80km ，面积约19000 km2。固 市凹陷位于关中盆地东部中间地带，呈北翘南俯掀 斜状，南部以渭河断裂与｜临蓝凸起相隔，西部以泾 河断裂与戚礼凸起相邻，北部以口镇一关口断裂与 蒲城凸起为界，面积约5200 km2。 t丁τ20km 图l关中盆地构造分区 罔 Fig. I Structure zoning of Guanzhong basin 1.2 地层特征 区内含水层主要为第四系砂砾孔隙含水层与新 近系和古近系基岩裂隙孔隙含水层（图2）。第四系含 水层厚约800m，主要岩性为黄土及砂、砾石层， 其主要富水段为砂、砾石孔隙含水层，富水性强， 单井出水量50～200m3/h；新近系和古近系含水层厚 约数千米，主要岩性为泥岩及中、细粒砂岩，富水 性中等，单井出水量30～80m3/h。 研究区的热储层剖面主要为蓝田一濡河组 N21bl、寇家村一冷水沟组N1kI）、白鹿塘组E3b。本 文主要选取了蓝田濡河组N2c1bJ水样，该组地层埋 深大部分在l000 m以下 ，厚度307-1060 m，上部 的棕红、灰绿色巨厚泥岩及在、质泥岩是良好的隔热保 温层，下部为数十层中、细粒砂岩，厚度80～160m, 胶结疏松，孔隙发育，单位涌水量0.179-0.658L/sm）。 1.3 地质构造特征 固市凹陷的沉降中心位于该单元中部，即渭南、 华县以北的大部分地区，最大深度可达6800 m，基 底和地层均向沉积中心固市一带缓倾。 固市凹陷（图2）东侧发育泾阳一渭南正断层和 巴邑正断层，均错断了从下古生界Pzl到张家坡组 N／的地层，断距约为2000 m，切害。深度在7000 m 左右。中部偏西有党睦南正断层，仅错断了下古生 界Pzl和新近系中新统NI地层，断距约为800m, 切割深度为地表以下l500-4 500 m。西侧是一系列 隐伏于第四系下的小断层，切割深度约为600～2250 m 左右，断距约为100m。 由此可见，固市凹陷西侧断层发育浅，地下热 水开放性好。从中部向东侧，断层切割深达基底， 地下热水越来越封闭。 2 水化学特征 2.1 水化学类型分析 阳市凹陷地下热水的水样分别采向泾阳、三原、 渭南、华阴等地，其主要阳离子有K＋、Na＋、Ca2＋、 Mg2＋、主要阴离子有HC03、so－、er，并含有多 项微量组分，Li、Ba2,Mn2＋、F-,Br－、I、H2Si03 等。该地区地下热水中阴、阳离子的相对含量及其 水化学类型，如图3所示。 从罔3可知固市凹陷西侧（气原、泾阳）位于 岩溶区，其水化学类型主要为HC03CI-KNa和 HC03S04-KNa型。阳离子以K＋和lNa＋为主，次 ChaoXing 第42卷 。 IV’ 煤田地质与勘探 ｜叫巾［叮陷 52 层 断 捆w m uw西 也f , AT AUnv A H U AUAUAU AUAUAU l23 --- E＼72 川－4 --4000 0 4 8 12 km ←－－－」 喃喃用目 白白回 .ki，界｜相ii芸井｛v.＆井号 囚 问 因 下,i，叶飞界 -5000 -6000 一7000 阁2固市凹陷构造剖面图 Fig.2 Structure profile of Gushi depression 阴地区，同关中盆地其他地区相比，K,Na, Ca2＋、 Mg2, Cl－都是最大值，这表明华阴地热流体的形成 与赋存环境不同于其他地方，是由于该区地下热水 径流困难，长时间的水岩反应所致；又因为储存环 境封闭，使得地下热水更新困难，长时间得不到谈 水或低矿化度水的稀释。该区地下热水的Ca2, Mg2 偏大，是由于地层岩石中含有钙镖，在地下热水的 淋滤作用和阳离子交换吸附作用下，将钙离子和读 离子榕解或被置换到地下热水中［6］。 矿化度分析 固市凹陷被渭河分成南北两部分，北部地区靠 近北山，位于黄土台牒，有大量灰岩出露，属于岩 溶补给区，矿化度低。而南部地区紧邻秦岭，地热 井的开采深度大，矿化度高。 由图4可知HC03浓度随着总矿化度（Total Dissolved Solids, TDS）的增加而减小，但是Ca2,Mg2 浓度没有随着TDS的增加而减小，这说明固市凹陷地 下热水的赋存环境并非完全的封闭，有可能接受其他 水的补给。TDS随温度的增加而增加，这是因为，温 度越高，水岩反应越剧烈，则TDS越大。在横向上， 各离子浓度、矿化度、TDS是南高北低，东高西低， 华阴达到最高值，南北之间大概以渭河为界。 图5表明Ca2随着井深的增加而减小，是因 为水中的Ca2＋与岩石中的Na＋发生了阳离子交替吸 附作用，使得Ca2＋减少，Na＋增加，但是华阴水样点 的Ca2＋非常大，说明了该区的成因和赋存环境的特 殊性；TDS与井深存在一定的正相关性。这是因为 井深越大，温度越高，水岩反应越剧烈，则TDS就 讪＼ － c 忑 ι－ nM 川以 j fγ 山二 时 〈r VJ A － 8 毗／ 一 A . I申‘O V二l点l 华阳1051.i;地 华lJnew ’c i毛IWIO 口1圭rm ＋泊I荷叶’医学校 。i阳市政府mi守所 懵i白热I ei白热2 消热3 A H V A丛T nv fo、、 2.2 佟13固市凹陷地下热水piper图 Piper diagram of geothermal water in Gushi depression Fig.3 之是Ca衍，Mg2＋含量最少。阴离子以HC03和so－ 为主，er含量较少。固市凹陷南侧水样点。胃南、华 阴）位于渭河阶地和山前洪积扇上，水化学类型阳离 子以Na＋为主，Ca2＋次之，Mgz＋最少。其中渭南Na 含量范围为l071.3- 2 618.0 mg/L，华阴Na＋含量达 到最大值7326.0 mg/L；阴离子以er为主，so－和 HCO，相对较小。其中er最大值为18930.0 mg/L（华 阴阳w），最小值为597.3mg/L（渭热3号井），总趋 势与Na＋变化相似；渭热l号井HC03和so－出现 反常，是因为so发生了脱硫酸作用2CSO 2H20H2S2 HC03，使得so含量减小，HC03 含量增加［6］。 从三原、泾阳到渭南再到华阴地区，基本遵循 er逐渐变大的趋势，反映热储环境越来越封闭。华 ChaoXing 第3期才可惠瑛等．固市凹陷地下热水水动力条件分析 53 5 4 . 、Jq ’－ 18 （ 7」础）＼A咽υ A 。 。10 20 30 40 TDS/gL-1 1.2「’ 4’A s A C o 圄E e F .G 40 马0.9 主0.6 8 0.3 工 . 。 。10 20 30 AB C D -- A 0.3 ABCDEFC AE固 40 ABC H - A E 120 TDS/g L-1 A一渭南中医学校，B一渭南政府招待所，C一华阴市051基地；D-i商热l号井；Ei白热2号井； 俨0.2 －」 。a on。l 圄E主 - A e F 0 0 10 20 30 TDS/g L 40 30 ... AUAU 「54 1， －J盹）＼的。← ’ . . 」一－ 90 。 。30 60 温度／吃 F-i胃热3号井；G一华阴new;H一三原滨港酒店 阁4地下热水主要离子成份、温度与TDS关系图 。 。 Ca2 I gL 1 2 3 4 Fig.4 Relationship between main ion, temperature and TDS of geothermal water 5 。 A O 10 s AC ] 1 －民2「’ F即I 圃G3 ’A句，＆句、“ 旦 ＼出轨制科 TDS I gL 1 20 30 . A 40 B A C .D 因E F 圄G - H 4 U1 4 A 渭南中医学校；B渭南政府招待所；C华阴市051基地，D消热l号井，E渭热2号井；F一消热3号井，G一华阴new;H-0气原滨iiE酒月i 图5地下热水Ca2,TDS与埋深关系罔 Fig.5 Relationship between calcium ion, d巳pthand TDS of geothermal water 越大。渭南和华阴取样点热水皆属于高矿化度水， 指示其在高温条件下，水岩反应强烈，赋存环境相 对封闭。尤其是华阴的TDS非常高（33733.0 mg/L, 接近海水，指示其水岩反应程度异常强烈，热储环 境非常封闭，使得地下热水更新困难，长时间得不 到淡水或低矿化度水的稀释。三原地区的井深最小， TDS也比较小，指示其热水赋存环境开放，滞留时 间短，水岩反应不充分，地下热水交替积极（7-8］。 3 同位素特征 根据实测同位素资料绘制的关中盆地主要热储 层新近系蓝田崩河组地下热水的δD、δ180分布等值 线见图6、图7。 从关中盆地主要热储层蓝田濡河组地下热水 JD值等值线图（图6）可以看出，从盆地周边向中部 呈下降趋势。如盆地南部眉县汤峪、西部宝鸡、北 部渭河北岸碳酸盐岩热储流体的δD皆呈现低值。 与此对应，盆地热储流体的JD值以固市凹陷中部 渭南市为中心形成高值封闭区，指示D在固市凹陷 0 10 20 km 图6关中盆地地下热水c5D值的等值线分布图 Fig.6 JD contour of geothermal water in Guanzhong basin O IO 20 km 图7关中盆地地下热水δ180值的等值线分布罔 Fig. 7δ180 contour of geothermal water in Guanzhong basin ChaoXing 54 煤田地质与勘探第42卷 发生了明显的漂移，是因为在相对封闭环境下，H2S, 碳氢化合物与含水矿物发生了同位素筑交换作用［9-10］。 从关中盆地主要热储层蓝田濡河组地下热水 c51so等值线图（图7）可见，0180含量从盆地周边向中 部增加，热储流体的δ180值在盆地中部咸阳地区及 固市凹陷中部渭南、东部华阴地区呈高值半封闭分 布，显示地下热水中的018。在盆地中部咸阳、固市 凹陷处发生明显漂移，形成0180两个高峰区［9-10］。 由图8可知固市凹陷o13c的范围在8.840～ 4.080，华阴051基地水样达到最大值8.840，渭 南市政府招待所水样为最小值4.0800验证了华阴 比渭南的赋存环境更加封闭。o13c与日co；－存在一 定的正相关性，即o13C随着HC03增加而增加，表 明固市凹陷地下热水的碳源以碳酸盐矿物洛解稀释 为主，同时也从侧面说明了固市凹陷的“开放度”差， 。 一20 --4。 这 \ 写一60 ’由’ ... 一，，， , . 二 - 10 -8 指示其地下热水热储环境差异较大，热水滞留时间 长短不一，7j岩反应程度不尽相同［12］。 “C 。 。一10 6 2 2 1000 ’A c ；数2000 3000 .B ..;.C x A . . , H ∞的时的 川川机 um TJ∞ε A . . B AU AU A哼 ＼〕。 υ工 ... c 200 x H A 。 - 10 -5 0 日C ／。 A一渭南中医学校，B渭南政府招待所；C华阴市051基地． H一＝原滨港酒店 罔8地下热水613c值与埋深、HC03的关系罔 Fig.8 Relationship between b13C ,depth and HCO-of geo- thermal water -6 一2 -4 。 JI织0／。 一－在.iJ量d等俏线｜叫巾问附一－GMWL（全球大气降水线）-LMWL（当地大气降水线） 图9固市凹陷地下热水oD和5180的关系 Fig.9 Relationship behνeen o D and o 180 of Gushi depression b.A组热水点，未发生漂移落在当地大气降水线 上，矿化度偏低，指示三原、富平和泾阳地区有现代 大气降水的补给，地下热水热储环境开放，地下水滞 留时间短，水岩反应不充分，与当地大气降水交替积 极，为现代循环水混入的恪滤成因类型的地下热水； B组热水点，7瓦剩余最小，在700～60。之间，氧 漂移程度最大，指示华阴和渭南地下热水热储环境封 闭，滞留时间长，水岩反应充分，7＿／（交替异常缓慢， 为热储环境相对封闭的地热流体。同位素分析结果进 一步验证了水化学的分析结果。 4结语 a.固市凹陷地热流体的封闭性强，径流缓慢，属 于地下水径流滞流区，不同地区补给来源不同。从西向 东，断层切割越来越深，地下热水的滞留时间越来越长， 水岩反应不充分→充分→强烈→剧烈，水交替程度从积 极到异常缓慢，热储环境越来越封闭。 b.固市凹陷西侧（三原、富平），位于黄士塘上， 黄土的垂直节理发育，有开启性较好的正断层发育， 导通了大气降水的补给通道。地下热水滞留时间短， 与当地大气降水交替积极，水岩反应不充分，为现代 循环水混入的，热储环境开放的地下水，具有较强的 更新能力，应保持现状开采。 c.固市凹陷东侧（渭南、华阴），渭南水样点位于 渭河阶地，南面紧邻黄土塘，北面紧依渭河，距离北 山较远，主要有秦岭古代大气降水的补给，北山岩溶 水的远程补给和浅层地下水的越流补给，还有少量现 （下转第60页） ChaoXing 60 煤田地质与勘探第42卷 3.3 疏放水量预报 3.3.l -490 m水平C31纽灰岩疏放水量 利用以上识别模型，初始水位为模型验证阶段结 束时C31组灰岩水位，井下Jffi[放水量由ll月15日的 152.34 m3月1（东翼19.13m3/h.国翼133.21m3/h），增至 419.92m3月1（东翼19.13m3角，西翼400.79m3/h）。 经模型计算当疏放至第180天时．490 m水 平东、西翼A组煤层绝大部分处于安全水压之下， 如罔6、图7所示，满足承压水下安全开采条件。 但在背斜转折端，尚没有满足安全开采要求条 件，突水系数T均大于0.05MPa/m。 3.3.2 - 650 m 水平C31组灰岩疏放水量 该水平放水孔设计及疏放量是基于-490m水平 疏放之上。模拟初始水位为490m 水平的疏放结束 时水位，因此，除-490m水平巷道放水外，在-650m水 平巷道新增疏放量为176.67m3/h。其中，东翼17.92m3剧， 西翼158.75旷／h。 利用识别模型模拟发现，当放至第190天时， - 650 m水平A组煤层下部除局部地段外，多数处于安 全水斥，之下（图8一图坷，其突水系数T，，三0.05MPa/m。 4结语 利用井下放水试验不仅查明了区内东翼和西翼宏 观水文地质条件，识别校正的模型，结合安全突水系数， 更重要的是预报了2个水平保障安全开采下所需的疏 放水茧，与实际较为符合，且为下一步太原组灰岩水防 泊提供重要决策依据。通过模拟计算发现该矿因受构 造控水影响，在局部块断仍然处于非安全水斥之下。因 此，实施局部疏水降斥，是最有效措施之一。此外，该 （上接第54页） 代大气降水的补给，地下热水滞留时间长，7.K岩反应强 烈，水交替异常缓慢；华阴地区位于秦岭山前洪积扇上， 断层切割深达基底，导通了地下热水与外界的联系，长 期大气降水的入渗淋滤，该处地热水为沉积水和古溶滤 水的昆合水，TDS非常高（33733.0 mg/L），接近海水， 指示华阴地下热水，滞留时间最长，水岩反应剧烈，7_ 交替异常缓慢，为热储环境非常封闭的地下水，更新能 力比较弱，应限制其开采量。 参考文献 川陕西省地质调查院．陕西省关中盆地地热资源、调查评价fR］.西 去．陕西省环境监测总站.2008 [2］权新昌，拍形世关中盆地消南城区地热资源、分布规律与开发 建议［J］.中国煤田地质，2004.166 19 21 [3] ＝［佟.f气莹陕西渭河盆地地热资源赋J了’特征研究［J］.西安科 矿东、西翼水文地质条件相差悬殊，西翼灰岩含水层富 水性强一中等，补给、径流条件好，建议下一步在西翼， 采用地面与井下相结合，物探与钻探相结合，抽水与放 水相结合，再进一步查明该区段水文地质条件，采用疏 放与注浆改造底板含水层相结合的防治水措施。 参考文献 [I］邵爱军，如l唐生，召II太升，等．煤矿地下水与底板突水［M］北 京地震出版社，2001 [2］杨小刚，日十勇，因茂虎，放水试验在岱庄煤矿下组煤水害防治 中的应用［月．西部探矿工程，2007,1911 92- 95. 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