劉元斌,孟令興,周亞醒

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東兗州 272100)

魯西平原地?zé)崴幕瘜W(xué)特征及開(kāi)發(fā)利用

劉元斌,孟令興,周亞醒

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東兗州 272100)

魯西平原地?zé)崴Y源較豐富,屬中低溫地?zé)?埋藏分布廣,溫度適中,開(kāi)采潛力大。通過(guò)對(duì)魯西平原地?zé)崴乃瘜W(xué)和冷水、海水的水化學(xué)進(jìn)行對(duì)比分析,研究地?zé)崴男纬杉八瘜W(xué)特征,根據(jù)地?zé)崴乃瘜W(xué)特征對(duì)地?zé)崴M(jìn)行有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)利用。

地?zé)?水化學(xué)特征;開(kāi)發(fā)利用;魯西平原

1 魯西平原地?zé)岣艣r

魯西平原位于山東省西部,包括菏澤市全部及濟(jì)寧市西部,京杭運(yùn)河以西屬黃河沖積平原,以東屬汶泗河沖洪積扇。魯西平原地?zé)釋俪练e盆地地壓梯度增溫型地?zé)醄1],地?zé)嶂饕詿崴男问劫x存于深部含水巖層中,為熱水型地?zé)醄2]。主要熱儲(chǔ)包括:寒武 +奧陶系層狀裂隙-巖溶型熱儲(chǔ)和新近系砂巖類層狀裂隙-孔隙型熱儲(chǔ) 2種類型。寒武 +奧陶系裂隙-巖溶型熱儲(chǔ)分布于魯西平原之濟(jì)寧凹陷南部,金鄉(xiāng)-魚(yú)臺(tái)凹陷、菏澤凸起及豐沛凸起內(nèi) (分布區(qū)的深度以 3 000m為底界);新近系砂巖類層狀裂隙-孔隙型熱儲(chǔ)主要分布于魯西平原西部(巨野斷裂以西地區(qū))菏澤凸起及東明凹陷內(nèi),尤其是菏澤凸起內(nèi)具有雙儲(chǔ)雙蓋結(jié)構(gòu),地?zé)豳Y源更為豐富(圖 1)。

利用開(kāi)采強(qiáng)度計(jì)算法求得魯西平原不同類型的地?zé)豳Y源量(表 1)。目前區(qū)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)發(fā)尚處在初級(jí)階段,僅有零星的地?zé)峋植?且經(jīng)營(yíng)粗放,用途單一,利用率較低。了解地?zé)崴乃瘜W(xué)特征,并根據(jù)地?zé)崴乃瘜W(xué)特性有針性地對(duì)地?zé)崴M(jìn)行有效合理開(kāi)發(fā)利用,提高地?zé)崂寐?關(guān)系到地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用前景及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃①孟令興等,山東省地?zé)豳Y源調(diào)查(魯西平原),2008年。。

2 魯西平原地?zé)崴幕瘜W(xué)特征

圖 1 魯西平原構(gòu)造綱要圖

2.1 地?zé)崴瘜W(xué)特征

從表 2可以看出,一般淺層地下水主要的陰、陽(yáng)離子除重碳酸根離子、游離 CO2大于地?zé)崴?偏硅酸 H2SiO3基本相近外,其他均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地?zé)崴暮?。地?zé)崴闹饕庩?yáng)離子,除 Na+,I-含量新近系孔隙水大于寒武 +奧陶系熱水外,其他組分含量均有淺層新近系熱水較低,寒武 +奧陶系熱水較高的特點(diǎn),特別是的含量。從水化學(xué)類型來(lái)看,冷水的水化學(xué)類型比較單一,熱水的水化學(xué)類型比較復(fù)雜,礦化度地?zé)崴h(yuǎn)大于一般冷水[3]。

寒武 +奧陶系熱水與海水主要陰、陽(yáng)離子,特征系數(shù)對(duì)比來(lái)看 (表 3),特征系數(shù) rNa/rCl,rNa/rCa, C l/B r,SO4×102/Cl,除 rNa/rCa低于海洋水,其他的都高于海洋水,反映了地下熱水具有大陸溶濾水的特征。通過(guò)對(duì)微量元素的比較,除B r-遠(yuǎn)小于海水的含量外,Sr,L i,I-,F-含量均大于海水,表明微量元素與海水有較大的差異性。對(duì)比表明,地下熱水與原始同生沉積水成分之間差距頗大,說(shuō)明地下熱水已歷經(jīng)很大程度的淡化,已從沉積成因水演變?yōu)闈B入成因水。地下熱水起源于沉積水,在地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中,因逐漸淋濾淡化而發(fā)生變質(zhì)。Na+,K+, C l-,B r-等即是海水成因而后期淡化的結(jié)果,而Ca2+,M g2+,SO,Sr2+,F-,I-則在變質(zhì)過(guò)程中因水熱作用含量增加。

表 1 新近系寒武 +奧陶系熱儲(chǔ)資源量

表 2 新近系奧陶系一般地下水與地?zé)崴|(zhì)對(duì)比(mg/L)

表 3 奧陶系地?zé)崴c海水化學(xué)成分對(duì)比(m g/L)

2.2 放射性特征

綜合區(qū)內(nèi) 5眼地?zé)峋責(zé)崴派湫栽睾?表 4),5眼地?zé)峋胁芸h莊寨地?zé)峋疃茸畲?溫度最高。放射性元素含量總體上可以表明地?zé)崴S深度增加,溫度增高,其放射性元素的含量亦增大的特點(diǎn)。

表 4 地?zé)崴派湫栽睾?Bq/L)

2.3 同位素特征

區(qū)內(nèi)奧陶系地?zé)崴凰販y(cè)試分析項(xiàng)目有δD, δO18,T,該區(qū)奧陶系地?zé)崴耐凰亟M成特征如下:

(1)δD與δO18:δD為-57.0×10-3～-69.0× 10-3,δO18為-9.2×10-3～-9.6×10-3,經(jīng)研究對(duì)比δD和δO18的值在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線δD=8δO18+10附近 (圖 2),說(shuō)明地下熱水由大氣降水補(bǔ)給形成,屬大氣成因。

(2)T(T.U):根據(jù)南華地?zé)崴昂?<0.50,反映地下熱水循環(huán)時(shí)間在 50年以上。

圖 2 δD,δO18值與標(biāo)準(zhǔn)雨水線對(duì)比圖

3 地?zé)崴母g性評(píng)價(jià)

地?zé)崃黧w的腐蝕性是地?zé)崃黧w通過(guò)化學(xué)組分、溫度、流速和壓力等諸因素與所用材料相互作用的復(fù)雜結(jié)果。其中,地?zé)崃黧w的化學(xué)組分對(duì)金屬的腐蝕有著重大的影響[4]。

3.1 地?zé)崴畬?duì)金屬的腐蝕性評(píng)價(jià)

要確定地?zé)崴g性的評(píng)價(jià)方法,首先要看 C l-在地?zé)崴兴嫉暮?表 5)。

表 5 C l-的毫克當(dāng)量百分含量

依據(jù)地?zé)崴?Cl-的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù),評(píng)價(jià)方法大致可分為 2類:

(1)拉申指數(shù):根據(jù)中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋I(yè)委員會(huì)的理論研究成果,當(dāng)?shù)責(zé)崴新入x子含量超過(guò) 25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)時(shí),采用拉申 (Larson)腐蝕指數(shù)評(píng)價(jià)較為合理,拉申指數(shù)表達(dá)式為:

式中:L I—拉申指數(shù);C l—氯化物或鹵化物濃度(m g/L);SO—硫酸鹽濃度 (m g/L);ALK—總堿度(m g/L)。以上 3項(xiàng)以等當(dāng)量的 CaCO3(m g/L)表示。

地下熱水按拉申指數(shù)劃分腐蝕程度:L I<0.5,無(wú)腐蝕性熱水;0.510,強(qiáng)腐蝕性熱水。

從表 5中可以看出,鄄城及曹縣莊寨地?zé)峋腃 l-的毫克當(dāng)量百分含量超過(guò) 25%,適合拉申指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表 6)。

表 6 地?zé)崴曛笖?shù)計(jì)算評(píng)價(jià)

(2)腐蝕系數(shù):由表 5可知:濟(jì)寧、定陶、菏澤南華地?zé)峋?C l-的毫克當(dāng)量百分含量均低于 25%,故不能采用拉申指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-200),可參照工業(yè)上用腐蝕系數(shù) Kk來(lái)衡量地?zé)崴母g性。具體評(píng)價(jià)方法如下:

若腐蝕系數(shù) Kk>0,稱為腐蝕性水;腐蝕系數(shù) Kk<0,并且 Kk+0.0503Ca2+>0,稱為半腐蝕性水;腐蝕系數(shù) Kk<0,并且 Kk+0.0503Ca2+<0,稱為非腐蝕性水;Ca2+—離子含量 (m g/L)。

腐蝕性系數(shù)的計(jì)算:

式中 r表示離子含量的每升毫克當(dāng)量(毫摩爾)數(shù)。依據(jù)上述方法,對(duì) C l-低于 25%的地?zé)崴M(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)(表 7)。

表 7 地?zé)崴g系數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)(m g/L)

綜合表 6,表 7可知,工作區(qū)內(nèi)地?zé)崴酁楦g性水,建議在選用建筑材料時(shí)考慮地?zé)崴畬?duì)金屬的腐蝕。另外,氧氣溶解于水后會(huì)產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象,使地?zé)崂孟到y(tǒng)強(qiáng)度降低而損壞。因此,在利用地?zé)崴畷r(shí),應(yīng)盡量讓包括開(kāi)采井在內(nèi)的整個(gè)供水系統(tǒng)保持密閉,以減少氧氣的進(jìn)入,必要時(shí)可采用化學(xué)防腐措施,如充氮等。

3.2 地?zé)崴畬?duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001),評(píng)價(jià)地?zé)峋責(zé)崴畬?duì)混凝土的腐蝕性。由表 6,表 7可以看出,除硫酸根對(duì)混凝土有強(qiáng)腐蝕性外,其他項(xiàng)目對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性。因此,在工程建設(shè)中建議使用抗硫酸鹽水泥。

3.3 硅酸鹽垢

硅酸鹽垢的結(jié)垢比較復(fù)雜,其垢通常含有 40%～50%的二氧化硅,25%～30%的鐵和鋁的氧化物,以及 10%～20%的氧化鈉。硅酸鹽垢的結(jié)垢通常采用無(wú)定形二氧化硅的相對(duì)飽和度 R.S來(lái)評(píng)價(jià),其表達(dá)式為:

式中:R.S為相對(duì)飽和度;SiO2為分子濃度 (m g/L); T為絕對(duì)溫度;當(dāng) R.S<1時(shí),無(wú) SiO2垢生成;當(dāng) R.S >1時(shí),可能有 SiO2垢生成。

計(jì)算結(jié)果為工作區(qū)內(nèi)熱流體無(wú)硅酸鹽垢生成(表 8)。

表 8 硅酸鹽結(jié)垢評(píng)價(jià)

4 魯西平原地?zé)崴畱?yīng)用價(jià)值分析

(1)依據(jù)《醫(yī)療熱礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) (GB13727-92)》規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)表 2,區(qū)內(nèi)部分地?zé)峋暮吭?2.56～3.50m g/L之間,已經(jīng)達(dá)到礦水命名濃度;鍶的含量除濟(jì)寧凹陷 1.382m g/L外,其他均在 6.75～9.18m g/L之間,已接近鍶水;偏硅酸的含量,除濟(jì)寧凹陷 19.80m g/L外,其他均在33.18～45.89m g/L之間,達(dá)到礦水濃度;偏硼酸的含量在 3.64～5.90m g/L之間,達(dá)到醫(yī)療價(jià)值濃度、接近礦水濃度。其他有害元素含量低,均低于檢出線。區(qū)內(nèi)地?zé)崴疄榉V水,含有 F-,H2SiO3,HBO2,L i等多種對(duì)人體有益的礦物元素,具有較高的醫(yī)療價(jià)值[5]。

(2)區(qū)內(nèi)地?zé)崴础稘O業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084-92)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表 2)。區(qū)內(nèi)地?zé)崴x子含量超過(guò)了漁業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn),一般不適宜漁業(yè)用水。若與低氟冷水混合使用,可供魚(yú)類養(yǎng)育越冬、孵化及養(yǎng)殖羅非魚(yú)等熱帶魚(yú)種[6]。

(3)按照《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084-2005)的規(guī)定,按二類水進(jìn)行評(píng)價(jià) (表 2)。從表 2中可以看出,熱儲(chǔ)區(qū)內(nèi)地?zé)崴然?、氟化物、全鹽量等成分也多數(shù)超標(biāo),而這些物質(zhì)含量過(guò)高會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定負(fù)面影響,所以冷卻后的水同樣不適宜農(nóng)業(yè)灌溉[7]。

5 地?zé)崴拈_(kāi)發(fā)利用

區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源屬于中低溫地?zé)?埋藏分布廣,溫度適中,開(kāi)采潛力大,可以在以下方面開(kāi)發(fā)利用。

(1)地?zé)嶂苯庸┡?。中?guó)地?zé)岵膳延惺畮啄甑臍v史。目前已成為地?zé)崂弥薪?jīng)濟(jì)效益最好的國(guó)家之一。目前北京、天津等地利用低溫地?zé)崴M(jìn)行地板式采暖效果很好,水溫一般控制在 40℃左右。工作區(qū)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用條件較好區(qū)和一般區(qū),熱水溫度一般在 32.9～69.1℃,完全能滿足地板式供暖所需的溫度。鄄城、菏澤、定陶的奧陶系熱水具有一定的腐蝕性,可將地?zé)崴岢龊笏腿霌Q熱器中,采用間接供暖方式供暖,經(jīng)換熱后的地?zé)崴捎糜谄渌?xiàng)目。

(2)浴療保健。區(qū)內(nèi)地?zé)崴畬儆诘蜏責(zé)岬V水,富含氟、鍶、偏硼酸、偏硅酸等多種礦物質(zhì),有較好的醫(yī)療、保健、養(yǎng)生作用。經(jīng)常用熱礦水進(jìn)行洗浴,對(duì)高血壓、冠心病、心腦血管、風(fēng)濕病、皮膚病等有一定療效。

(3)娛樂(lè)、旅游。依托溫泉浴療,可以開(kāi)發(fā)游泳館、康樂(lè)中心、會(huì)議中心、療養(yǎng)中心、溫泉飯店、高級(jí)賓館等一系列娛樂(lè)旅游項(xiàng)目。鄄城利用鄄城 1號(hào)地?zé)峋?開(kāi)發(fā)溫泉度假村項(xiàng)目,已取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

(4)地?zé)崴a(chǎn)養(yǎng)殖。利用地?zé)岚l(fā)展水產(chǎn)品養(yǎng)殖,以充分合理利用地?zé)豳Y源,打破氣候、地域制約,增加水產(chǎn)品種養(yǎng)殖種類,以期建成一個(gè)有特色、有規(guī)模、有水平和有效益的地?zé)崴a(chǎn)品養(yǎng)殖基地。

(5)地?zé)峁I(yè)利用。清洗羊毛、烘干衣物、造紙和牛奶殺菌等。在路面下鋪設(shè)管道,在冬季利用地?zé)峄５責(zé)崴部梢杂脕?lái)從礦物中提取金和銀,甚至是制冷和生產(chǎn)冰。

(6)地?zé)嵛菜訜岜眉夹g(shù)。近幾年熱泵技術(shù)作為低溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用中的一種高新技術(shù),在國(guó)外尤其在美國(guó)和歐洲的應(yīng)用日益普遍,它的出現(xiàn)為低溫地?zé)豳Y源的利用提供了新的方法,拓寬了人們利用地?zé)豳Y源的范圍。例如天津市大部分的地?zé)豳Y源利用僅局限于供暖,地?zé)崴欧艤囟仍?30℃以上,該溫度的地?zé)崴疅o(wú)法用常規(guī)的方法加以利用,造成熱量的浪費(fèi),同時(shí)對(duì)環(huán)境造成熱污染,而利用熱泵技術(shù)則可以從中再提取部分能量加以利用,這不僅減少了資源的浪費(fèi)和地?zé)崴欧盼廴?同時(shí)也緩解了對(duì)地?zé)豳Y源的需求,從而延長(zhǎng)了地?zé)豳Y源的使用時(shí)間。

6 結(jié)論

區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源較為豐富,地?zé)嶂饕缘責(zé)崴男问劫x存于寒武 +奧陶系、新近系熱儲(chǔ)中。地?zé)崴饕獊?lái)源于大氣降水。水化學(xué)類型:新近系地?zé)崴疄?SO4·C l-Na,奧陶系地?zé)崴疄?SO4-Na·CaSO4Cl-Ca·NaSO4-Ca·Na。礦化度在 3 604.5～4 111m g/ L之間,pH值在 6.92～7.75之間。含有 F-, H2SiO3,HBO2,L i等多種對(duì)人體有益的礦物元素,具有較高的醫(yī)療價(jià)值,基本適宜漁業(yè)養(yǎng)殖,用途較廣泛。地?zé)崴贿m用于農(nóng)業(yè)灌溉,硫酸根對(duì)混凝土有強(qiáng)腐蝕性,開(kāi)發(fā)時(shí)需注意。

[1] (英)H.C.H.阿姆斯特德.地?zé)崮?[M].北京:科學(xué)出版社, 1978.

[2] (美)L.M.Edw ards,等.地?zé)崮茉词謨?cè)[M].北京:地質(zhì)出版社, 1987.

[3] 王福花,侯欣英,孫鵬,等.山東菏澤地區(qū)地?zé)崽锏刭|(zhì)特征,山東國(guó)土資源,2008,24(4):40-43.

[4] GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].

[5] GB13727-92.醫(yī)療熱礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] GB5084-92.漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] GB/T11615-200.地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[8] 張杰,程鑫.煙臺(tái)市地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀與遠(yuǎn)景規(guī)劃[J].山東國(guó)土資源,2009,25(8):14-17.

Chem ica lCharacter isticsand Utiliza tion of Geotherm a lW a ter in Lux iPla in

L IU Yuanbin,M ENG L ingxing,ZHOU Yaxing
(Lunan Geo-engineering Exp lo ration Institu te,Shandong Yanzhou 272100,China)

Geotherm al resource in Luxip lain isvery rich.Itbelongs tom edium and low temperature type.Itburied and distributedw idely,the tem peratu re ismoderate andm ining potentiality is large.Th rough constrastand analysis on hydrochem ical characteristicsof geotherm alwater,cold water and seawater,the form ing of geotherm alwater and its hyd rochem ical characteristics are studied.A ccording to hyd rochem ical characteristicsof geotherm alwater, geotherm alwater is developed and used p roperly.

Geo therm al;hyd rochem ical characteristics;exp loitation and utilization;Luxip lain

book=2,ebook=99

P314.1

A

2009-04-25;

2009-08-25;編輯:陶衛(wèi)衛(wèi)

劉元斌(1969—),男,山東金鄉(xiāng)人,工程師,主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作;E-m ail:xingxing400732@126.com。