山東省臨清地熱田地熱水化學特征及熱水起源研究

王奎峰，李文平，韓代成，趙輝

（1.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，徐州 221116；2.山東省地質(zhì)科學研究院，濟南 250013；3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟南 250014）

山東省臨清地熱田地熱水化學特征及熱水起源研究

王奎峰1,2，李文平1，韓代成2，趙輝3

（1.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，徐州 221116；2.山東省地質(zhì)科學研究院，濟南 250013；3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟南 250014）

通過近幾年對臨清地熱田地下熱水熱儲特征、化學成分、地熱溫標、熱水演化及起源的勘查研究，筆者認為地下熱水的形成受區(qū)內(nèi)深大斷裂和基底構(gòu)造對地熱形成的控制，地下熱水成分以Na+、Cl-、SO42-為主，礦化度較大為咸水，PH值呈弱堿性。熱水中含有豐富微量元素，熱水起源主要為大氣降水成因，并形成于弱還原環(huán)境。在其運移過程中，隨深循環(huán)深度的增大不斷從巖石中獲取熱量逐步加熱，在斷裂帶附近溝通深部熱源形成由賦水性強的砂層所構(gòu)成的深部低溫熱儲系統(tǒng)。

地熱田；熱儲特征；地熱水化學特征；熱水起源；臨清

地熱是一種集熱、礦、水于一體的寶貴的清潔礦產(chǎn)資源，地熱能的合理開發(fā)利用對促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善、資源的合理配置、能源結(jié)構(gòu)的完善、勞動力市場的開拓、人民生活水平與質(zhì)量的提高等都有十分重要的意義。而地下熱水特征和演化機制的研究不僅對于熱水資源的合理利用與開發(fā)具有重要的指導意義，而且可以為日后的地熱資源勘查評價提供重要信息。

臨清地熱田蘊藏著豐富的地下熱水資源，分布面積較廣且易于開采，根據(jù)已有的鉆探資料和勘查項目研究成果[1-3],筆者從對臨清地熱田地熱井水的化學特征、演化特征及同位素分析等來探討研究地熱田的水化學特征和熱水的起源，以期對同類地區(qū)地熱資源勘查評價和開發(fā)利用起到借鑒作用。

1 地熱田地質(zhì)背景

臨清地熱田大致為冠縣凹陷的范圍，呈NE向延伸，以臨清斷裂為西邊界，冠縣斷裂為東邊界，北端與德州凹陷相接，總面積約1550 km2(圖1)。

1.1 地層

本區(qū)地表被第四系覆蓋，據(jù)鄰近鉆孔資料揭示，地層由老至新有：新太古代變質(zhì)巖系、寒武系、奧陶系、三疊系、侏羅－白堊系、古近系、新近系和第四系。與地熱資源有關的地層主要為古近系、新近系和第四系。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

圖1 臨清地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Outline map of structure in Linqing area

該地熱田主體位于臨清北拗陷中的冠縣凹陷

內(nèi)，拗陷內(nèi)發(fā)育中、新生代地層，其最大殘留厚度為新近系+第四系1800 m，古近系4000 m，中生界4000 m。為中、新生代斷陷所致。地熱田的西側(cè)為館陶凸起，東側(cè)為堂邑凸起。

本區(qū)對中、新生代沉積特征起控制作用且與地熱有密切關系的大型斷裂有兩條：①臨清斷裂：為正斷層，走向NE，傾向SE，長度約72 km，下古生界侵蝕面兩側(cè)落差可達2700 m；②冠縣斷裂：為正斷層，走向NE，傾向NW，長度約100 km，下古生界侵蝕面落差可達1800 m。

1.3 熱儲賦存特征及模型

臨清地熱田屬于層控砂巖孔隙型熱儲，熱儲蓋層為第四系、新近紀明化鎮(zhèn)組及館陶組頂部層段的土黃色粘土和棕黃色、淺棕色粘土巖、粉砂巖。熱儲層主要為新近紀館陶組中下部淺灰、淺灰白色中粗砂巖和細砂巖。熱源主要來自地球內(nèi)部的傳導熱和臨清斷裂及次級斷裂產(chǎn)生的摩擦熱能和溝通上地幔巖漿熱源產(chǎn)生的增溫熱流[2]。臨清市處于冠縣凹陷邊部，臨清斷裂及其次級斷裂長期活動，是良好的導水和導熱通道，地下熱水在此處易于集中，且水溫較高，可達62～65℃[3]，詳見熱儲模型圖2。

2 樣品的采集和測試

本次研究所取水樣為從地熱井直接抽取的地下熱水，采集水樣的采樣器在采樣前用采樣點的地下熱水水樣沖洗數(shù)遍，采樣地點位于臨清城區(qū)熱田的3個具有代表性的熱水井（圖3）。樣品進行了水質(zhì)的全分析及同位素組成的測試，所有水樣的化學分析在國土資源部正定水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專業(yè)測試中心完成。

3 臨清地熱田地熱水化學特征

3.1 地下熱水化學特征

圖2 熱儲概念模型圖Fig.2 The concept model of the geothermal reservoir

地下熱水化學特征反映了地下熱水同圍巖之間的溶解與溶濾作用，同時體現(xiàn)了巖漿活動、大氣降水入滲及含水層之間的補給等因素。地下熱水的化學因素不只是地熱環(huán)境性狀與功能的表征，而且是制約地下熱水中元素濃度、固－液相分配、形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化的直接因素。從影響地下熱水中元素發(fā)生和形成、形態(tài)和轉(zhuǎn)化的因素看，地下熱水的水溫和溶解氧、主要離子組成和濃度、水的化學類型等因素是地熱研究的基礎[4-6]。

從本次臨清地熱田代表性地熱井取水水樣的化

學分析結(jié)果（表1）中可以看出，其地下熱水化學具有以下特征：

圖3 臨清地熱田取樣地熱井位置圖Fig.3 Sample geothermal well location in Linqing geothermal field

（1）地下熱水總礦化度（TDS）5190.28～5460.6 mg/L，為咸水，總硬度(以CaCO3計)349.65～362.8 mg/L，屬硬水，PH值為7.43～7.77，呈弱堿性。

（2）地下熱水中主要陽離子為Na+和Ca2+，其含量大致為1748～1860 mg/L和114.4～119.9 mg/L；陰離子主要為Cl-和，其含量大致為2154.6～2165 mg/L和878.4～1030.1 mg/L，按水化學類型定名原則，該區(qū)地下熱水普遍屬于氯化物－鈉（Cl-Na)型水。

（3）地熱水水化學成分較為復雜，含有豐富的微量元素及放射性元素。地熱水中偏硅酸含量達到了礦水濃度，氟含量達到了有醫(yī)療價值濃度，鍶含量達到了命名礦水濃度，并且含有鐵、錳、鋰等有益元素和放射性元素，具有較高的醫(yī)療保健價值。

（4）地下熱水徑流途徑長，水循環(huán)緩慢，地下熱水呈弱堿性。地下熱水Fe2+，，CO2的存在形式及宏量組分的組合關系反映了地下熱水系統(tǒng)為弱還原環(huán)境[1,3]。

3.2 Piper圖

區(qū)別水質(zhì)時最常使用的方法是Piper diagram(三角形水質(zhì)圖解法)。該圖解不僅可以用于水化學的分類，而且可以較直觀地揭示陽離子交換等有關地下水演化現(xiàn)象。地下水自然地要受到降雨和在潛水層內(nèi)留存的地表水和地質(zhì)媒體間所發(fā)生的地球化學性反應的影響，同時也受人為的影響而發(fā)生變化[7-12]。通過Piper三線圖的分析得知（圖4），臨清地熱水化學特征表現(xiàn)為堿金屬強酸型水，按水化學類型定名原則，屬于Cl-Na型水。

3.3 用地球化學溫標推測地熱流體的熱儲溫度

地球化學方法推測深部溫度主要是利用地球化學溫標。各種地球化學溫標建立的基礎是地熱流體與礦物在一定溫度條件下達到化學平衡，在隨后地熱流體溫度降低時這個平衡會仍予保留。因此，可以利用地熱流體重礦物成分之間的比例和相應的公式來估算熱儲溫度，預測地熱田的潛力（表2）[13-17]。

(1)K-Mg地熱溫標：K-Mg地熱溫標對于溫度的變化反應非常迅速，因此可以用于估測熱儲的最近溫度，它適用于低溫地下熱水[18,20]。

公式：t=4418/[13.98-lg(K2/Mg)]-273.15

式中：t—熱儲層溫度(℃)；K—地熱水中K+的濃度(mg/L)；Mg—地熱水中Mg2+的濃度(mg/L)。

(2)SiO2地熱溫標：用石英傳導溫標算得的溫度（石英傳導溫度）一般高于熱水井的出水溫度10～20℃，它通常不作為鉆探期望溫度，而只說明該地下熱水曾經(jīng)達到過的溫度[13,16]。

公式：t=1309/[5.19-lg(SiO2)]-273.15

式中：t—熱儲層溫度(℃)；SiO2—地熱水中可溶性SiO2的濃度(mg/L)。

(3)Na-K地熱溫標：Na-K地熱溫標是基于水巖平衡和理論熱動力學的考慮，對于溫度的變化反應相對緩慢，經(jīng)常保存有“以前溫度”的記錄[19,21]。

采用公式：t=1390/[1.75+lg(Na/K)]-273.15

式中：t—熱儲層溫度(℃)；K—地熱水中K+的濃

度(mg/L)；Na—地熱水中Na+的濃度(mg/L)。

從計算結(jié)果來看，K－Na地熱溫標和SiO2地熱溫標溫度均高于實測溫度很多，K－Mg地熱溫標溫度與實測溫度相差不太大，在該地區(qū)有一定的借鑒適用性。

表1 臨清地熱田地熱水樣的化學分析結(jié)果表Table 1 Chemical compositions of geothermal samples in Linqing geothermal field

圖4 臨清地熱水主要離子的Piper三線圖Fig.4 Main ion piper figure of the Linqing geothermal water

4 地下熱水化學演化及起源分析

4.1 地下熱水的化學演化

臨清地熱田地下熱水是在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中各種自然因素綜合作用的結(jié)果，其中水文地質(zhì)條件對地下熱水的形成起主要作用[9]。

4.1.1 地下熱水的水文地球化學環(huán)境

地下熱水水文地球化學特征反映了地下熱水系統(tǒng)的水文地球化學環(huán)境。臨清地熱田地下熱水系統(tǒng)含水介質(zhì)為湖相沉積的碎屑沉積巖，以砂巖、砂礫巖為主。地下熱水徑流途徑長，水循環(huán)緩慢，地下熱水呈弱堿性[3]。

4.1.2 地下熱水形成的化學過程

臨清地熱田地下熱水化學成分的形成和演化是含水介質(zhì)的化學成分、水化學作用、沉積環(huán)境及水循環(huán)等諸多因素共同作用的結(jié)果。

（1）易溶鹽溶解作用：是地下熱水化學成分形成的主要水化學作用。湖相沉積地層中含有鹽巖等易

溶鹽類。在熱儲溫度作用下，鹽巖等易溶鹽溶解度增大，形成Cl－，Br－,I－，K+，Na+等離子。

（2）溶濾作用：溶濾作用是地下熱水系統(tǒng)化學成分形成的重要作用。地下熱水與地表水及淺層淡水相比，其，Sr2+，H2SO3等濃度增高主要是溶濾作用的結(jié)果。

熱儲中膏鹽含量較大，且有石膏夾層，在熱儲溫度、壓力和鹽度的長期作用下，膏鹽逐漸溶解，導致地熱熱水中Ca2+，SO42－濃度增大。

地下熱水流動緩慢，在漫長的水巖相互作用過程中，熱儲含鍶的碳酸鹽和硫酸鹽礦物充分溶解形成Sr2+。另一方面，Sr2+的濃度與濃度呈正相關關系，熱水溶液高，Sr2+的濃度也高。

H2SO3的溶解度與溫度、PH值呈正相關關系。深循環(huán)的地下熱水長期溶濾熱儲巖層，使正長石分解成為高嶺土、其它碳酸鹽及可溶性SiO2，在較高溫度和弱堿性介質(zhì)作用下形成較高濃度的H2SO3地下熱水。

4.1.3 地下熱水的變質(zhì)與演化

地下水的變質(zhì)是指水化學成分之間相互反應引起離子組合比例變化的過程。強酸根與弱酸根的比例系數(shù)（K）和溶液的離子強度（I）定量表征了水化學成分的變質(zhì)程度：

式中：Ci—離子體積摩爾濃度；Zi—離子的電價。

由（1）式和（2）式計算得臨清地熱田地下熱水的K=10.91～12.34，I=0.123～0.125，即4.0＜K＜60.0，0.05＜Ⅰ＜0.20。據(jù)別爾亞柯夫提出的水質(zhì)變質(zhì)程度分類方案[4]，該地下熱水應屬中度變質(zhì)水。表明地下熱水中化學成分之間發(fā)生了比較復雜的反應，包括易溶鹽的溶解、難溶鹽CaCO3沉淀以及水中離子與含水介質(zhì)離子的交換反應等。反應的結(jié)果使地下熱水中的陰離子成分逐漸由以為主演化為及Cl－為主，而陽離子以Ca2+為主演化為以Na+為主；按Chebotarlev水化學演化分帶模式，該地下熱水水化學演化分帶十分明顯且完整，充分證明了其流程長，而且演化充分。

4.2 地下熱水的成因分析

臨清地熱田地下熱水是在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中各種自然因素綜合作用的結(jié)果，其中水文地質(zhì)條件對地下熱水的形成起主要作用[8-11]。

4.2.1 地下熱水化學成分及水文地球化學分析

化學成分特征系數(shù)是指能夠表征地下水成因類型和地下水化學成分形成和演化過程中各種化學和生物化學變化特征的化學組分之間的比例系數(shù)。臨清地熱田地下熱水化學特征系數(shù)如下：Cl/Br=538.5～832.7，γNa/γCl=1.25～1.31，γCa/γMg=4.18～4.67，地下熱水的成因系數(shù)均大于海水的成因系數(shù)，反映了該區(qū)地下熱水具有大陸溶濾水的特征。

臨清地熱田地下熱水中含有豐富的微量元素，表明地層中有豐富的微量元素，也表明地下熱水是經(jīng)過漫長而復雜的地下水溶濾作用和不斷的循環(huán)徑流交替形成的。

4.2.2 地熱水的的化學同位素特征

同位素在地熱水研究中的應用一般是通過測定熱水中穩(wěn)定性同位素D、O18和放射性同位素3H、14C研究地下熱水的成因、年齡以及補給來源等[17]。

（1）經(jīng)測試ZK2地熱井地下熱水中的δD為-49.87×10-3，δ18O為-9.71×10-3，從圖5可看出δD與δO18在克雷格標準降水直線附近，氧同位素有漂移，說明地下熱水與圍巖發(fā)生過δ18O交換作用，由大氣降水補給形成，其主要為大氣降水成因，通過深循環(huán)在地溫及地熱氣作用下被加熱而形成的。

（2）法國J.ch.豐特認為：“0～5氚單位（T.U）說明40年前的古水成分占優(yōu)勢，5～40氚單位表示新近的入滲水和古水之間有混合作用?！睋?jù)華北地區(qū)不同區(qū)域的雨水采樣分析，大氣降水中的氚含量一般為40 T.U，臨清地區(qū)地熱水中的氚含量ZK1地熱井水測試樣為4.39±3.61～13.26±3.17 T.U，ZK2地熱井水測試樣為15.09±3.12 T.U，推測該區(qū)地熱水為新近的入滲水與古水的混合水，地熱水的年齡大致為10～70 a，其中地熱水中40年前的古水占優(yōu)勢，新近入滲水的補給量較小[1,8]。

5 結(jié)論

臨清地熱田地熱資源為低溫地熱資源，地下熱水賦存于館陶組下部砂巖和東營組上部砂巖及泥巖地層中，屬層狀孔隙型熱儲。區(qū)內(nèi)深大斷裂和基底構(gòu)造對地熱形成起著控制作用。地下熱水類型為Cl－Na型水，具有大陸溶濾水的特征，礦化度為5190.28～5460.6 mg/L，屬咸水；總硬度(以CaCO3計) 349.65～362.8 mg/L，為硬水；呈弱堿性，含有豐富的微量元素及放射性元素；地熱水來源主要為大氣降水成因，推測該區(qū)地熱水為新近的入浸水與古水的混合水，地下熱水形成于弱還原環(huán)境，在運移過程中，隨深循環(huán)深度的增大不斷從巖石中獲取熱量逐步加熱，在斷裂帶附近溝通深部熱源形成由賦水性強的砂層等地層所構(gòu)成的深部低溫熱儲系統(tǒng)。

圖5 臨清地熱水δD—δO18關系曲線圖Fig.5 The projection of hydrogen and oxygen isotope composition

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Hydrochemistry and Origin of the Linqing Geothermal Field in ShanDong Province

WANG Kui-feng1,2,LI Wen-ping1,HAN Dai-cheng2,ZHAO Hui3
(1.School of Resources and Earth Sciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,221116,China;
2.Shandong Institute of Geological Sciences,Jinan,250013,China; 3.No.1Exploration Institute of Geology and Mineral Resources,Jinan 250014,China)

The authors studied the geothermal reservoir characteristics,chemical composition,geothermometer, evolution and origin of the geothermal water in the Lianqing geothermal field based on the analysis of project research results recently years.The study shows that the formation of the geothermal water is controlled by deep faults and basement structure in the area.And the main chemical composition of the geothermal water is Na+、Cland SO42-,TDS is big,pH is weak alkalescent.There are abundance microelements in the hot water.The hot water is mainly from atmosphere precipitation,formed in weak reducing environment.When the rain permeates into the underground,with the increase of the depth of the deep circulating,it can constantly get heat from the hot rock,and near the fault zone deep heat source formed with the assignment of strong water sand layer，forming the deep low temperature thermal storage system.

geothermal field;geothermal reservoir characteristic;geothermal hydrochemistry;origin of geothermal water;Linqing

P314.1

A

1672－4135（2014）03－0230-07

2014-04-22

山東省地質(zhì)勘查專項基金：山東省臨清市城區(qū)東北部地熱資源普查（魯國土資發(fā)[2003]190號）

王奎峰（1981-），男，山東泰安人，博士研究生，高級工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)工程方面的科研與調(diào)查評價工作,E-mail：maplewkf@126.com。