濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴瘜W(xué)特征研究

，，

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

地?zé)豳Y源作為一種可再生的潔凈能源，對(duì)促進(jìn)“十二五”發(fā)展規(guī)劃提出的節(jié)能減排和綠色環(huán)保具有重要意義。山東省靠近太平洋西岸的高熱流值區(qū)域，地?zé)豳Y源十分豐富，目前在全省的17個(gè)市均發(fā)現(xiàn)地?zé)豳Y源，并開(kāi)始不同程度地開(kāi)發(fā)利用，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。濟(jì)陽(yáng)坳陷地處山東半島渤海灣盆地，是地?zé)豳Y源條件較好的地區(qū)，為本地?zé)崃啃枨笃髽I(yè)——?jiǎng)倮吞镩_(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源提供了先天優(yōu)勢(shì)。但目前對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)潛力研究較少，為此，本文在分析濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)岬刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合采集的地?zé)崴|(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴乃瘜W(xué)特征進(jìn)行了分析，為濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)豳Y源的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地?zé)崴x存環(huán)境及熱儲(chǔ)特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

濟(jì)陽(yáng)坳陷位于渤海灣盆地西南部，東鄰郯廬斷裂，南鄰魯西隆起，西北鄰埕寧隆起，分布面積為25 510 km2，大地構(gòu)造上屬于渤海灣盆地的1個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[1]，是在華北地臺(tái)基礎(chǔ)上，由侏羅紀(jì)—孔店期負(fù)反轉(zhuǎn)盆地、中始新世—漸新世右旋扭張盆地和中新世以來(lái)的主動(dòng)裂谷盆地3個(gè)原型盆地疊加而成的復(fù)合盆地[2]。濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)部由青城凸起、濱縣凸起、陳家莊凸起、義和莊凸起、無(wú)棣凸起和東營(yíng)凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷、車鎮(zhèn)凹陷構(gòu)造單元組成(圖1)，這些凸起和凹陷呈現(xiàn)北東—南西延伸的長(zhǎng)條狀構(gòu)造特征，4個(gè)凹陷均表現(xiàn)出北斷南超的半地塹盆地結(jié)構(gòu)[3]。濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)斷層發(fā)育，一級(jí)斷層有14條、二級(jí)斷層有46條、三級(jí)斷層有137條，四級(jí)斷層多達(dá)1 400條，五級(jí)斷層達(dá)數(shù)千條；四、五級(jí)斷層為低序級(jí)斷層，其主方向性不突出，三級(jí)及以上斷層具有很強(qiáng)的方向性，以NE / NEE向和近NW向?yàn)橹鱗4-7]。

圖1 濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)域構(gòu)造及采樣點(diǎn)位置

1.2 熱儲(chǔ)特征

濟(jì)陽(yáng)坳陷地表被第四系所覆蓋，出露地層和地?zé)峥辈榭?井)所揭露地層由老到新依次為太古界泰山群變質(zhì)巖，古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系和第四系(圖2)。

圖2 德州-東營(yíng)地?zé)岬刭|(zhì)剖面簡(jiǎn)圖 (據(jù)劉善軍，1997年[8])

除第四系外，上述地層中的含水層在適宜的地質(zhì)構(gòu)造條件下都可以作為熱儲(chǔ)層，但在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，熱儲(chǔ)層自上而下主要為新近系館陶組含水砂巖及砂礫巖、古近系東營(yíng)組含水細(xì)砂巖及砂礫巖、奧陶系—寒武系灰?guī)r。熱儲(chǔ)蓋層主要由第四系的土黃色粉砂土、砂質(zhì)粘土和粘土及新近系明化鎮(zhèn)組的棕黃色、淺棕色粘土巖、粉砂巖和砂礫巖組成，第四系和新近系明化鎮(zhèn)組地層總厚度大于700 m。第四系中的粘土層及明化鎮(zhèn)組中的粘土巖密度小，熱導(dǎo)率低，熱阻大，粘土或粘土巖單層厚度大，一般為4～20 m，是良好的天然隔水層，使熱能得以保存和儲(chǔ)集。本區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)主要為深部熱流傳導(dǎo)型；熱源為區(qū)域大地?zé)崃?，較均勻的向上傳導(dǎo)，在適宜部位形成熱異常；濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)釁^(qū)莫霍面隆起，地殼厚度小，大地?zé)崃髦档?，熱?chǔ)類型為盆地增溫-水熱型熱儲(chǔ)(圖3)。

1.3 大地?zé)崃髦堤卣?/h3>

龔育齡等(2003)[10]依據(jù)13口井的系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、700余口井的試油測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)以及47塊巖樣的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果，給出了濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)及外圍的13個(gè)大地?zé)崃鲗?shí)測(cè)據(jù)和101個(gè)大地?zé)崃鞴浪阒?。結(jié)果表明：濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)具有較高的大地?zé)崃鞅尘?，現(xiàn)今地表熱流平均值為65.8±5.4 mW/m2，變化范圍在52.9～81.5 mW/m2之間；沾化凹陷平均為67.4±5.3 mW/m2，高于該坳陷區(qū)平均值，東營(yíng)凹陷為66.0±6.1 mW/m2[11]、車鎮(zhèn)凹陷為65.1±3.7 mW/m2，與該區(qū)平均值較為接近，惠民凹陷為63.6±5.0 mW/m2，低于該區(qū)平均值。實(shí)際上，是由新生代巖石圈拉張過(guò)程控制著坳陷區(qū)基底埋深和盆內(nèi)凸起或凹陷分布的。火山巖分布也與其相關(guān)。坳陷區(qū)熱流的橫向變化特征與基底埋深相關(guān)，基底埋深淺的凸起區(qū)和新生代火山巖分布區(qū)熱流高，而基底埋深大的凹陷區(qū)熱流相對(duì)低。所以，濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)大地?zé)崃鞣植继卣魇切律鷺?gòu)造—熱事件決定的。在濟(jì)陽(yáng)凹陷最小值為1.15 HFU，最大值為1.96 HFU(1HFU=41.8 mW/m2)。

圖3 濟(jì)陽(yáng)坳陷熱儲(chǔ)概念模型圖 (據(jù)《山東地礦》，2006年略改[9])

2 地?zé)崴乃瘜W(xué)特征

根據(jù)目前區(qū)內(nèi)開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及現(xiàn)有水質(zhì)分析資料，分別對(duì)新近系館陶組、古近系東營(yíng)組、寒武奧陶系熱儲(chǔ)的主要離子及微量元素進(jìn)行水化特征分析：

2.1 新近系館陶組地?zé)崴瘜W(xué)特征

本次采樣新近系館陶組地?zé)崴畼又饕植荚诨菝癜枷莸貐^(qū)，在東營(yíng)凹陷有少量分布，依據(jù)水質(zhì)分析資料，區(qū)內(nèi)地?zé)崴瘜W(xué)特征如下：

(1)地下熱水類型為Cl-Na型，陽(yáng)離子主要以Na+為主，含量3 093～4 561 mg/L；陰離子主要以Cl-為主，含量4 686～7 992 mg/L；TDS含量8.29～13.34 g/L，屬鹽水；pH值為7.1～7.78，屬弱堿性水；水溫45℃～65℃。由于館陶組熱儲(chǔ)層層位分布穩(wěn)定，地下水化學(xué)類型單一，在水平方向上主要化學(xué)元素含量變化不大，其水化學(xué)特征見(jiàn)表1。

(2)地下熱水的微量組分主要為L(zhǎng)i、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(見(jiàn)表2)，在惠民凹陷區(qū)：鋰含量為0.32～0.81 mg/L，鋇含量為0.44～11.67 mg/L，鈹含量為0.06～0.24 mg/L，鍶含量為14.22～33.88 mg/L，錳含量為0.19～0.85 mg/L，鈦含量為0.07～0.24 mg/L，氟含量為2.1～2.9 mg/L；在東營(yíng)凹陷區(qū)：鋰含量為1.21～3.86 mg/L，鋇含量為0.37～129.44 mg/L，鈹含量為0.06～0.18 mg/L，鍶含量為0.47～135.63 mg/L，錳含量為0.07～0.21 mg/L，鈦含量為0.06～0.39 mg/L，氟含量為1.04～3.5 mg/L。

表1 館陶組地下熱水水化學(xué)分析結(jié)果 mg/L

表2 館陶組地下熱水微量元素 mg/L

2.2 古近系東營(yíng)組地?zé)崴瘜W(xué)特征

本次采樣古近系東營(yíng)組地?zé)崴畼又饕植荚跂|營(yíng)凹陷地區(qū)，依據(jù)水質(zhì)分析資料，區(qū)內(nèi)地?zé)崴瘜W(xué)特征如下：

(1)地下熱水類型為Cl-Na型，陽(yáng)離子主要以Na+為主，含量5 876～7 407 mg/L；陰離子主要以Cl-為主，含量10 228～13 050 mg/L；TDS含量17.06～21.57 g/L，屬鹽水；pH值位7.0～7.26，屬弱堿性水；水溫50℃～70℃，其水化學(xué)特征見(jiàn)表3。

(2)地下熱水的微量組分主要為L(zhǎng)i、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(見(jiàn)表4)，在惠民凹陷區(qū)：鋰含量為1.52～2.59 mg/L，鋇含量為14.35～57.98 mg/L，鈹含量為0.07～0.22 mg/L，鍶含量為38.65～103.32 mg/L，錳含量為0.03～1.54 mg/L，鈦含量為0.14～0.5 mg/L。

2.3 寒武奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)崴瘜W(xué)特征

本次采樣寒武奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)崴畼又饕植荚跂|營(yíng)凹陷地區(qū)，依據(jù)水質(zhì)分析資料，區(qū)內(nèi)地?zé)崴瘜W(xué)特征如下：

(1)地下熱水類型為Cl-Na型，陽(yáng)離子主要以Na+為主，含量3 757～4 514 mg/L；陰離子主要以Cl-為主，含量6 858～8 313 mg/L；TDS含量11.76～13.49 g/L，屬鹽水；pH值位6.9～7.66，屬弱堿性水；水溫49.5℃～98℃，其水化學(xué)特征見(jiàn)表5。

表3 東營(yíng)組地下熱水水化學(xué)分析結(jié)果 mg/L

表4 東營(yíng)組地下熱水微量元素含量 mg/L

(2)地下熱水的微量組分主要為L(zhǎng)i、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(見(jiàn)表6)，在惠民凹陷區(qū)：鋰含量為3.45～3.86 mg/L，鋇含量為45.6～119.46 mg/L，鈹含量為0.14～0.19 mg/L，鍶含量為94.83～140.09 mg/L，錳含量為0.06～0.23 mg/L，鈦含量為0.2～0.3 mg/L，氟含量為2.9～4.2 mg/L。

圖4 濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴瘜W(xué)Piper三線圖表5 寒武奧陶系熱儲(chǔ)地下熱水水化學(xué)分析結(jié)果 mg/L

表6 寒武奧陶系熱儲(chǔ)地下熱水微量元素含量 mg/L

2.4 地?zé)崴瘜W(xué)特征綜合分析

對(duì)新近系館陶組、古近系東營(yíng)組、寒武奧陶系熱儲(chǔ)的地?zé)崴卣鬟M(jìn)行綜合對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：(1)濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴愋蜑镃l-Na型，屬弱堿性、鹽水(圖4)；(2)經(jīng)相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)該地?zé)崴蠧O2和H2S的含量很低，不會(huì)對(duì)大氣造成污染[12]。其他有害成分含量均未超出最高允許排放濃度的要求，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010),各熱儲(chǔ)層中氟、鋰和鍶含量達(dá)到命名礦水濃度，可命名為氟·鋰·鍶型醫(yī)療熱礦水，東營(yíng)組和寒武奧陶系全部取樣點(diǎn)及部分館陶組取樣點(diǎn)中鋇含量達(dá)到命名礦水濃度，并且含有鐵、錳、鈦、鈹?shù)扔幸嬖睾头派湫栽?具有較高的醫(yī)療保健價(jià)值[13]；(3)同一熱儲(chǔ)層地?zé)崴瘜W(xué)性質(zhì)基本相同，同一地區(qū)地?zé)崴再|(zhì)基本相同，但新近系館陶組中各離子含量自西向東逐漸增加，說(shuō)明區(qū)域?qū)?jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴再|(zhì)影響顯著；(4)上下相連熱儲(chǔ)層各水化性質(zhì)存在明顯差異，具體表現(xiàn)為由館陶組向東營(yíng)組遞增，寒武奧陶系熱儲(chǔ)各水化性質(zhì)介于其之間，說(shuō)明埋深對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)崴再|(zhì)無(wú)影響。

3 地?zé)崴耐凰靥卣?/h2>

通過(guò)對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷中的新近系館陶組、古近系東營(yíng)組、寒武奧陶系熱儲(chǔ)進(jìn)行了地?zé)崴畾溲跬凰厝訙y(cè)試，將其測(cè)試數(shù)據(jù)投點(diǎn)值δD—δ18O關(guān)系圖上(如圖5)，由δD—δ18O關(guān)系圖上可以看出所有點(diǎn)均落在Craig全球降水線、當(dāng)?shù)赜晁€和黃河水線下方附近。新近系館陶組地下熱水的δD值為67.6‰～75‰，δ18O值為7.72‰～9.68‰，δD、δ18O平均值(分別為：69.38‰、8.37‰)；古近系東營(yíng)組地下熱水的δD值為62.9‰～64.4‰，δ18O值為7.09‰～7.7‰，δD、δ18O平均值(分別為：63.85‰、7.46‰)；寒武奧陶系熱儲(chǔ)地下熱水的δD值為66.8‰～68.7‰，δ18O值為7.7‰～8.17‰，δD、δ18O平均值(分別為：67.84‰、7.8‰)；綜合分析后可以看出：三組熱儲(chǔ)層的δD、δ18O平均值均遠(yuǎn)小于黃河水和現(xiàn)在大氣降水的δD、δ18O值(分別為42‰、6.4‰)[14]。說(shuō)明地下熱水不是直接來(lái)源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓木徒霛B補(bǔ)給，而是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離的徑流，發(fā)生了明顯的氧漂移，由地質(zhì)歷史時(shí)期大氣降水(或黃河水)補(bǔ)給，且各熱儲(chǔ)層組的δD、δ18O值存在明顯差異，推測(cè)各熱儲(chǔ)層組水力聯(lián)系不明顯；根據(jù)濟(jì)陽(yáng)坳陷深層地下水年齡與第四系全新世地層開(kāi)始沉積的地質(zhì)年代大致對(duì)應(yīng)，為末次冰期所補(bǔ)給的水[14-15]，綜合推測(cè)新近系館陶組、古近系東營(yíng)組、寒武奧陶系熱儲(chǔ)中的地?zé)崴疄楦髯韵鄬?duì)應(yīng)地質(zhì)年代的古大氣降水，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期封存于熱儲(chǔ)層組中形成的，且循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，循環(huán)速度慢。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)濟(jì)陽(yáng)凹陷區(qū)地?zé)崴乃瘜W(xué)特征和同位素特征進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

(1)濟(jì)陽(yáng)坳陷地?zé)嵯到y(tǒng)主要為深部熱流傳導(dǎo)型，熱源為區(qū)域大地?zé)崃?，區(qū)內(nèi)大地?zé)崃鞣植继卣饔尚律鷺?gòu)造—熱事件決定的，大地?zé)崃髦档?，熱?chǔ)類型為盆地增溫-水熱型熱儲(chǔ)。

(2)濟(jì)陽(yáng)坳陷具有勘探和開(kāi)發(fā)意義的熱儲(chǔ)層組為新近系館陶組熱儲(chǔ)、古近系東營(yíng)組熱儲(chǔ)和下古生界寒武—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)三個(gè)主要熱儲(chǔ)層組；且其熱水層組水化學(xué)類型均為Cl-Na型，屬弱堿性、鹽水。

(3)濟(jì)陽(yáng)坳陷地下熱水中含有豐富的微量元素，氟、鋰和鍶含量達(dá)到命名礦水濃度，具有一定的醫(yī)療和保健作用，可以作為醫(yī)療熱礦水利用。

(4)濟(jì)陽(yáng)坳陷同一熱儲(chǔ)層組中各水化性質(zhì)基本相同，同一熱儲(chǔ)層水平方向上的水力聯(lián)系密切，表現(xiàn)在新近系館陶組中各離子含量自西向東逐漸增加；各熱儲(chǔ)層組上下層之間水化性質(zhì)存在差異性，無(wú)明顯相關(guān)性；

(5)濟(jì)陽(yáng)坳陷地下熱水水化學(xué)特征是在地下水長(zhǎng)期徑流及深循環(huán)中各種水化學(xué)作用的結(jié)果，具有大陸溶濾水的特征。對(duì)地?zé)崴姆€(wěn)定同位素δD、δ18O進(jìn)行測(cè)定與分析，結(jié)果表明濟(jì)陽(yáng)坳陷中各熱儲(chǔ)層組的δD、δ18O值存在明顯差異；其補(bǔ)給來(lái)源不是當(dāng)?shù)禺?dāng)代的大氣降水就近入滲補(bǔ)給，而是不同的熱儲(chǔ)層組各自所相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代中的古大氣降水，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期封存于其熱儲(chǔ)層組中形成的，且循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，循環(huán)速度慢。

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