地?zé)崽?/a>的監(jiān)測對(duì)地?zé)豳Y源管理, 特別是對(duì)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(huì)引起熱儲(chǔ)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(bǔ)充[ 1] 。溫度更高的熱流體的補(bǔ)充是人們期望出現(xiàn)的變化。溫度較低的地下水的流入會(huì)增加熱儲(chǔ)的補(bǔ)給水源, 在一定程度上有利于開采貯存在熱儲(chǔ)巖石中的熱量。但是,如果低溫地下水的補(bǔ)給過多, 可能會(huì)引起熱儲(chǔ)的冷卻, 降低地?zé)豳Y源的使用價(jià)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(huì)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(chǔ)壓力明顯下降, 地?zé)崴?/a>化學(xué)成分也發(fā)生了一些細(xì)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(dòng)的總體強(qiáng)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(bǔ)給的加強(qiáng), 又導(dǎo)致了地?zé)崽餆嵫a(bǔ)給的加強(qiáng)。

  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(jí)構(gòu)造———坨里—豐臺(tái)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?chǔ);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(chǔ)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?chǔ)的埋藏較深, 達(dá)2 000 m 以上;向凹陷的中部延伸熱儲(chǔ)的埋藏逐漸變深, 甚至可達(dá)3 500 m以上。

 

  北京城區(qū)地?zé)崽锏?a href="http://kaichele.cn/t/熱儲(chǔ)溫度.html" >熱儲(chǔ)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(chǔ)溫度一般為40 ～ 60 ℃;隨著蓋層厚度的增加, 熱儲(chǔ)溫度也逐步增高, 到凹陷的中部熱儲(chǔ)溫度可達(dá)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(chǔ)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(chǔ)壓力逐年降低, 到1985 年開采量已經(jīng)接近500 萬m3 , 熱儲(chǔ)壓力水頭累計(jì)下降了大約30m 。此后地?zé)崴_采量雖然有所減少, 但熱儲(chǔ)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://kaichele.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(chǔ)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://kaichele.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(duì)地?zé)崽锏臐撛谟绊?。該井井? 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(chǔ)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(dòng)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(duì)熱儲(chǔ)的補(bǔ)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(duì)熱儲(chǔ)的補(bǔ)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(chǔ)同時(shí)得到了深部高溫熱流體的補(bǔ)給。

 

  3  溫度動(dòng)態(tài)

 

  地?zé)峋某鏊疁囟纫蚴?a href="http://kaichele.cn/t/開泵.html" >開泵和停泵時(shí)間的干擾, 往往不能準(zhǔn)確地反映熱儲(chǔ)溫度隨開采時(shí)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(jì)算出來的, 一般可更為客觀地反映熱儲(chǔ)溫度的變化趨勢。

 

  鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)是從熱動(dòng)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(rèn)為是鉆探可及溫度, 即繼續(xù)往深部鉆進(jìn)有可能達(dá)到的溫度。石英傳導(dǎo)溫標(biāo)可以指示地?zé)崴?jīng)達(dá)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(shí)暫時(shí)不會(huì)將過飽和二氧化硅析出(須達(dá)非晶質(zhì)二氧化硅的溶解度時(shí)才呈過飽和析出), 因此地?zé)崴加小坝洃洝?其曾達(dá)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(bǔ)給的增加, 同時(shí)也導(dǎo)致了深部熱補(bǔ)給的增加。

 

  4  地?zé)峄顒?dòng)總體強(qiáng)度動(dòng)態(tài)

 

  水/巖平衡計(jì)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(duì)數(shù)的計(jì)算值大于其理論值, 則表示該礦物已經(jīng)達(dá)到了水和巖石(礦物)之間的平衡, 也表示該處深部熱儲(chǔ)中存在這種礦物, 我們可稱其為平衡礦物。對(duì)于每一次水/巖平衡的計(jì)算來說, 平衡礦物的數(shù)量有時(shí)多、有時(shí)少, 這意味著該處地?zé)峄顒?dòng)的強(qiáng)或弱,可以用地?zé)峄顒?dòng)總體強(qiáng)度來表示這一特性, 平衡礦物的總數(shù)越多表示地?zé)峄顒?dòng)的總體強(qiáng)度越大。對(duì)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?dòng)總體強(qiáng)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?dòng)總體強(qiáng)度呈波動(dòng)式逐步增大。1989 年冬季之前, 出現(xiàn)的平衡礦物只有7 ～ 9個(gè), 平均為8.2 個(gè);1989 年到1994 年出現(xiàn)的平衡礦物平均為14.5 個(gè);1995 ～ 2001 年間出現(xiàn)的平衡礦物增至平均18.8 個(gè)。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?dòng)總體強(qiáng)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(jì)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(duì)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(jì)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(bǔ)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?dòng)總體強(qiáng)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?duì)熱儲(chǔ)的補(bǔ)給得到了加強(qiáng);同時(shí), 常溫地下水對(duì)熱儲(chǔ)的補(bǔ)給也有所加強(qiáng), 說明開采引起了熱儲(chǔ)壓力的降低, 從而導(dǎo)致了熱儲(chǔ)水和熱的補(bǔ)給的加強(qiáng)。