地?zé)崽?/a>的監(jiān)測對地?zé)豳Y源管理, 特別是對于經(jīng)受長期開采的地?zé)嵯到y(tǒng)具有極其重要的意義。地?zé)崃黧w化學(xué)成分的監(jiān)測可以提供許多有關(guān)地?zé)嵯到y(tǒng)變化的寶貴信息。地?zé)?/a>的開采會引起熱儲壓力的降低, 這可能導(dǎo)致溫度較低的地下水的流入, 也可能導(dǎo)致深部更高溫度的熱流體的補充[ 1] 。溫度更高的熱流體的補充是人們期望出現(xiàn)的變化。溫度較低的地下水的流入會增加熱儲的補給水源, 在一定程度上有利于開采貯存在熱儲巖石中的熱量。但是,如果低溫地下水的補給過多, 可能會引起熱儲的冷卻, 降低地?zé)豳Y源的使用價值。地?zé)崃黧w中許多組分的濃度依賴于熱流體溫度的高低。不同溫度的水發(fā)生混合會破壞地?zé)?/a>系統(tǒng)的化學(xué)平衡, 從而改變地?zé)崃黧w的化學(xué)成分。由于低溫地下水的入侵而引起的地?zé)崃黧w化學(xué)成分的變化往往先于地?zé)嵯到y(tǒng)的物理變化。

 

  北京城區(qū)地?zé)崽?/a>涵蓋北京城區(qū)大部分范圍, 面積約400 km2 , 是北京地區(qū)最為重要的地?zé)崽?/a>。由于長期開采, 熱儲壓力明顯下降, 地?zé)崴?/a>化學(xué)成分也發(fā)生了一些細微的變化。本文根據(jù)1984 年以來地?zé)崴?/a>化學(xué)監(jiān)測資料, 研究了地?zé)崴?/a>的化學(xué)成分、地球化學(xué)溫標(biāo)的變化規(guī)律、地?zé)?/a>活動的總體強度和水/巖平衡礦物中的示溫礦物的變化趨勢, 說明地?zé)?/a>的開采既引起了地?zé)崽?/a>水補給的加強, 又導(dǎo)致了地?zé)崽餆嵫a給的加強。

  在大地構(gòu)造上, 北京城區(qū)地?zé)崽飳儆诒本嘞輧?nèi)的次級構(gòu)造———坨里—豐臺凹陷。地?zé)崽镂鞅币渣S莊—高麗營斷裂為界, 東南以南苑—通縣斷裂為界(與大興凸起相鄰)。地?zé)崽锏臇|北部與西南部分別為天竺地?zé)崽锱c良鄉(xiāng)地?zé)崽? 分別以北西向的太陽宮斷裂與永定河斷裂為界。地?zé)崽飪?nèi)還存在一系列北東向展布的斷裂構(gòu)造, 其中最為重要的是良鄉(xiāng)—前門斷裂帶(圖1)。除第四系外, 地?zé)崽飪?nèi)廣泛分布的地層有第三系、白堊系、侏羅系和薊縣系, 在地?zé)崽锏奈髂喜窟€存在寒武系和青白口系;其中薊縣系鐵嶺組和霧迷山組為硅質(zhì)白云巖, 巖溶比較發(fā)育, 構(gòu)成地?zé)崽锏臒醿?而上覆地層滲透性差, 構(gòu)成地?zé)崽锏纳w層。在地?zé)崽锏臇|南部, 熱儲的埋藏深度較淺, 一般為1 000 ～ 2 000 m ;在地?zé)崽锏奈鞅辈繜醿Φ穆癫剌^深, 達2 000 m 以上;向凹陷的中部延伸熱儲的埋藏逐漸變深, 甚至可達3 500 m以上。

 

  北京城區(qū)地?zé)崽锏?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/熱儲溫度.html" >熱儲溫度主要受埋藏深度或蓋層厚度的控制。在蓋層較薄的東南部, 熱儲溫度一般為40 ～ 60 ℃;隨著蓋層厚度的增加, 熱儲溫度也逐步增高, 到凹陷的中部熱儲溫度可達90 ℃左右。

 

  1971 年在北京城區(qū)地?zé)崽锏臇|南部鉆鑿成功第一眼地?zé)峋?/a>, 開采薊縣系白云巖熱儲地?zé)崴?/a>。之后, 地?zé)峋?/a>數(shù)量不斷增多, 地?zé)崴_采量逐年增加, 熱儲壓力逐年降低, 到1985 年開采量已經(jīng)接近500 萬m3 , 熱儲壓力水頭累計下降了大約30m 。此后地?zé)崴_采量雖然有所減少, 但熱儲壓力仍然在持續(xù)降低。2001 年北京城區(qū)地?zé)崽锕灿?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/地?zé)衢_采井.html" >地?zé)衢_采井51 眼, 總開采量為336.25 萬m3 , 熱儲壓力水頭比開采初期降低了55 m 左右① 。地?zé)崽锏臇|南部具有較好的地?zé)崴_采條件, 集中了地?zé)崽锏拇蟛糠?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/地?zé)峋?html" >地?zé)峋?/a>和北京城區(qū)地?zé)崽?0 %以上的開采量。

 

  京熱-42 井位于北京城區(qū)地?zé)崽锏臇|南部, 是北京城區(qū)地?zé)崽锏乃瘜W(xué)的長期觀測井。該地?zé)峋?/a>建成于1984 年, 每年取地?zé)崴治鰳觾纱? 已積累了17 年的資料, 可用來研究城區(qū)地?zé)崽飽|南部熱水地球化學(xué)特征隨開采的多年變化以及開采對地?zé)崽锏臐撛谟绊憽Ｔ摼? 070 m , 薊縣系鐵嶺組和霧迷山組的埋深分別為1 440 m 和1 844 m ,開采霧迷山組熱儲地?zé)崴?。京?42 井地?zé)崴目側(cè)芙夤腆w為486 mg/L , 水化學(xué)類型為HCO-3 -SO2-4 -Na+-Ca2 +型。據(jù)2000 年6 月采樣測試, 其地?zé)崴?4C 年齡為(19 400 ±330)a 。根據(jù)該井地?zé)崴碾?8O 同位素的研究, 其地?zé)崴捅本┑貐^(qū)基巖含水層中賦存的常溫地下水一樣, 均起源于大氣降水, 說明北京城區(qū)地?zé)崽锏牡責(zé)崴谴髿饨邓?jīng)深循環(huán)加熱而形成的② 。

 

  2  水化學(xué)動態(tài)

 

  從1984 年到2001 年, 京熱-42 井地?zé)崴闹饕x子含量未發(fā)現(xiàn)明顯的升高或降低, 只有重碳酸根的含量略有增高(后期比1984 年平均增加0.7 mg/L), 而總?cè)芙夤腆w量緩慢下降(圖2)。一般來說, 重碳酸根是常溫地下水的典型組分, 其含量的增加說明隨著熱田的開采常溫地下水對熱儲的補給有所增加。同樣, 常溫地下水的總?cè)芙夤腆w量一般低于地?zé)崴? 其緩慢的下降趨勢也指示常溫地下水對熱儲的補給在緩慢增加[ 3] 。另一方面, 地?zé)崴亩趸璧暮坑兴黾? 后期比1984 年平均增加0.2 mg/L 。二氧化硅是地?zé)崴臉?biāo)型組分, 其含量的增高指示熱儲同時得到了深部高溫熱流體的補給。

 

  3  溫度動態(tài)

 

  地?zé)峋某鏊疁囟纫蚴?a href="http://www.qddehua.com.cn/t/開泵.html" >開泵和停泵時間的干擾, 往往不能準(zhǔn)確地反映熱儲溫度隨開采時間的影響而變化, 而地?zé)釡貥?biāo)是根據(jù)地?zé)崴幕瘜W(xué)成分計算出來的, 一般可更為客觀地反映熱儲溫度的變化趨勢。

 

  鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)是從熱動力平衡推導(dǎo)出來的公式, 它適用于低溫地?zé)崴?/a>。用鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)算得的溫度又稱鉀鎂溫度(Tkm), 一般高于熱水井的出水溫度, 被認為是鉆探可及溫度, 即繼續(xù)往深部鉆進有可能達到的溫度。石英傳導(dǎo)溫標(biāo)可以指示地?zé)崴?jīng)達到過的最高溫度。用石英傳導(dǎo)溫標(biāo)算得的溫度, 又稱石英傳導(dǎo)溫度(Tqc), 一般高于熱水井的出水溫度10 ～ 20 ℃, 通常不作為鉆探期望溫度。地?zé)崴谏畈康厍蚧瘜W(xué)環(huán)境中溶解的二氧化硅遵循石英的溶解度曲線, 溫度越高二氧化硅的溶解度越大, 但這部分熱水在溫度下降時暫時不會將過飽和二氧化硅析出(須達非晶質(zhì)二氧化硅的溶解度時才呈過飽和析出), 因此地?zé)崴加小坝洃洝?其曾達到過溫度的功能[ 4] 。

 

  在1984 ～ 2001 年, 京熱-42 井的鉀鎂溫度和石英傳導(dǎo)溫度均呈升—降—升的變化趨勢(表1 ,圖3)。鉀鎂溫度在最后有明顯上升, 石英傳導(dǎo)溫度最終略有下降, 但總的來說后期高于前期。這種現(xiàn)象也說明地?zé)崽锏拈_采既導(dǎo)致了周圍常溫地下水補給的增加, 同時也導(dǎo)致了深部熱補給的增加。

 

  4  地?zé)峄顒涌傮w強度動態(tài)

 

  水/巖平衡計算可以給出深部地?zé)?/a>流體與26 種可溶性礦物之間的平衡情況。若某礦物溶度積對數(shù)的計算值大于其理論值, 則表示該礦物已經(jīng)達到了水和巖石(礦物)之間的平衡, 也表示該處深部熱儲中存在這種礦物, 我們可稱其為平衡礦物。對于每一次水/巖平衡的計算來說, 平衡礦物的數(shù)量有時多、有時少, 這意味著該處地?zé)峄顒拥膹娀蛉?可以用地?zé)峄顒涌傮w強度來表示這一特性, 平衡礦物的總數(shù)越多表示地?zé)峄顒拥目傮w強度越大。對京熱-42 井地?zé)崴嗄陙淼乃?巖平衡研究顯示, 隨著熱水的開采, 熱田深部的地?zé)峄顒涌傮w強度在1989 年以前基本穩(wěn)定, 從1989 年冬季開始, 平衡礦物明顯增多, 地?zé)峄顒涌傮w強度呈波動式逐步增大。1989 年冬季之前, 出現(xiàn)的平衡礦物只有7 ～ 9個, 平均為8.2 個;1989 年到1994 年出現(xiàn)的平衡礦物平均為14.5 個;1995 ～ 2001 年間出現(xiàn)的平衡礦物增至平均18.8 個。這種顯著的增高趨勢說明北京城區(qū)地?zé)崽锏牡責(zé)峄顒涌傮w強度在顯著增大。

 

  5  示溫礦物

 

  水/巖平衡礦物中有許多是示溫礦物。蒙脫石、濁沸石和斜鈣沸石分別代表140 ～ 150 ℃、110 ～230 ℃和230 ～ 300 ℃的環(huán)境溫度。水/巖平衡計算結(jié)果中出現(xiàn)這類礦物指示地?zé)崴?jīng)歷過上述溫度的環(huán)境條件。

 

  對京熱-42 井自1984 年以來的水化學(xué)監(jiān)測資料的水/巖平衡分析計算顯示, 蒙脫石礦物在1989年冬季開始出現(xiàn), 以后逐漸增多;濁沸石也在1989 年冬季以后多見, 至1999 年春季出現(xiàn)了斜鈣沸石, 代表高溫礦物的陸續(xù)出現(xiàn), 指示熱水的溫度越來越高, 說明北京城區(qū)熱田的開采導(dǎo)致了深部更高溫度熱水的補給。

 

  6  結(jié) 論

 

  綜合前述京熱-42 井1984 年以來地?zé)崴瘜W(xué)成分、地?zé)釡貥?biāo)、地?zé)峄顒涌傮w強度和示溫礦物的研究可知, 隨著北京城區(qū)地?zé)崽锏拈L期開采, 深部高溫?zé)崴畬醿Φ难a給得到了加強;同時, 常溫地下水對熱儲的補給也有所加強, 說明開采引起了熱儲壓力的降低, 從而導(dǎo)致了熱儲水和熱的補給的加強。