濟源-開封凹陷東段館陶組熱儲水化學特征及成因啟示

張 萌，秦祥熙，黃 雯，石 磊，鄭 鋼

1. 浙江陸特能源科技股份有限公司，浙江 杭州 310051；2. 東華大學，上海 201620；3. 百合花集團股份有限公司，浙江 杭州 311228；4. 浙江省國土整治中心，浙江 杭州 310012；5. 滄州陸特新能源科技有限公司，河北 滄州 061000

0 引言

河南省地熱資源稟賦條件良好，開采潛力較大，主要分布在以濟源-開封凹陷為代表的東部平原區(qū)［1-2］.濟源-開封凹陷地熱資源的開發(fā)利用由來已久，眾多學者［3-8］已分別對其內(nèi)的武陟、原陽、鄭州、中牟等地區(qū)，開展了地熱資源的熱儲特征、賦存情況、開發(fā)利用等研究. 在其東段的開封-蘭考地區(qū)內(nèi)，相關(guān)研究多集中于開封市區(qū)及周邊［9-11］，且受限于以往的開采深度，又多針對明化鎮(zhèn)組熱儲. 近年來，該區(qū)的地熱資源開發(fā)向更深部的館陶組熱儲延伸，開發(fā)利用規(guī)模進一步增加. 目前，在開封市、蘭考縣境內(nèi)已建設(shè)多個館陶組熱水區(qū)域集中供熱項目，圍繞蘭考境內(nèi)館陶組熱儲層的賦存規(guī)律、資源評價等研究也相繼開展［12-14］，但是關(guān)于館陶組地熱水的形成條件與成因機制的研究尚存不足.

本文以濟源-開封凹陷東段的開封斷隆與開封-蘭考斷陷（涉及的行政區(qū)大致為開封市區(qū)及西部至蘭考縣城區(qū)）為研究區(qū)，利用2017—2020 年在蘭考、開封投資建設(shè)的水熱型地熱能區(qū)域集中供熱項目所施工的館陶組地熱井信息，以館陶組熱儲為研究對象，通過開展地下水的化學特征、形成作用等水文地球化學研究，探討其賦存環(huán)境及成因特點，以期為該地區(qū)內(nèi)地熱資源的開發(fā)利用提供科學依據(jù).

1 區(qū)域地熱地質(zhì)條件

濟源-開封凹陷（Ⅰ44）屬于中朝準地臺（Ⅰ）之華北拗陷（Ⅰ4），沿黃河呈東西向展布于濟源-開封-民權(quán)一帶. 區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，近東西向的鄭州-開封斷裂（F2）為南部邊界，古近紀時期為強活動正斷層，造成區(qū)內(nèi)巨厚的新生界沉積，至第四紀已停止活動［15］. 北西向的濟源-商丘深大斷裂（F1）為北部邊界，具有多期次活動特征，且切割較深，為深部地下熱能的傳導及水源、熱源的流通創(chuàng)造了有利條件［16］. 一系列的北北東向斷裂自西向東將濟源-開封凹陷分割為濟源凹陷、武陟斷凸、原陽-封丘斷陷、開封斷隆及開封-蘭考斷陷等多個斷塊（圖1）［17］. 該區(qū)屬華北地層區(qū)華北平原分區(qū)，基底主要為奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系及白堊系，新生代地層底板埋深2 000～5 000 m，自下而上為古近系、新近系、第四系.

圖1 研究區(qū)與地熱井位置示意圖（修改自文獻［17-18］）Fig. 1 Location sketch map of the study area and geothermal wells（Modified from References［17-18］）

區(qū)內(nèi)地熱資源豐富，源、通、蓋、儲結(jié)構(gòu)完整. 熱源供給為大地熱流傳導；區(qū)域性深大斷裂為深部熱源的溝通傳導與地熱水的運移創(chuàng)造條件；淺部地層發(fā)育有多層黏土和砂質(zhì)黏土層，具有保溫隔熱作用，形成良好的蓋層；新生界地層厚度大、孔隙度高、富水性好，是良好的熱儲層，從上自下依次發(fā)育新近系明化鎮(zhèn)組熱儲層、新近系館陶組熱儲層和古近系熱儲層，各熱儲層相互獨立，其間分布著弱透水層隔絕上下的連通［12］.

2 館陶組熱儲基本特征

研究區(qū)包括濟源-開封凹陷東段的開封斷隆、開封-蘭考斷陷（圖1），區(qū)內(nèi)新近系地層整體自西向東傾斜，除部分地區(qū)因人工開采造成局部降落漏斗外，區(qū)域上地熱水自西向東徑流［19］. 館陶組地層頂板埋深在開封斷隆內(nèi)自南向西北逐漸變深，開封市南部約1 250 m，北部和西部可達1 700 m. 館陶組厚度從南到北約為200～800 m，蘭考縣境1 300～1 600 m 不等，平均約1 500 m，厚度總體呈東薄西厚、北薄南厚的特點［12，19］. 本研究共選用地熱井10 口（表1），其中開封斷隆2 口、開封-蘭考斷陷8 口，地熱井深均穿透館陶組地層，取水層僅為館陶組含水層.

表1 館陶組地熱井基本情況Table 1 Basic information of geothermal wells in Guantao Formation

開封斷隆內(nèi)館陶組巖性上部為黏土夾細砂、粉細砂，下部為泥巖夾細粒砂巖、粉砂巖，頂板埋深1 450～1 520 m，地層厚度692.48～881.36 m. 開封-蘭考斷陷內(nèi)館陶組地層巖性上部為細-中砂巖及泥巖與細砂巖互層夾粉砂巖，下部巖性為礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細砂巖夾粉砂巖、泥巖，頂板埋深1 260.71～1 600 m，地層厚度330.93～672.00 m. 圖2 顯示，兩者館陶組熱儲含水層單層厚度差異不大，但開封-蘭考斷陷內(nèi)易出現(xiàn)異常大值. 而兩者的含水層孔隙度差別明顯，開封斷隆內(nèi)數(shù)值相對集中且偏小，大部分集中在10.13%～12.41%區(qū)間，平均11.43%，變化幅度也不大；開封-蘭考斷陷內(nèi)大部分數(shù)值集中在25.72%～41.27%，變化幅度相對較大，但各地熱井的平均值相差不多，為31.98%～35.91%，整體平均值為34.28%.

圖2 不同區(qū)域館陶組熱儲含水層單層厚度與孔隙度對比Fig.2 Comparison of thickness and porosity of geothermal reservoir single aquifer in Guantao Formation of different areas

地熱井測溫結(jié)果（圖3）顯示，垂向上研究區(qū)地溫隨深度加深而逐漸升高，呈現(xiàn)典型的傳導型地溫變化特點. 平面上，開封斷隆內(nèi)館陶組熱儲的蓋層地溫梯度為2.79～2.92 ℃/hm；開封-蘭考斷陷內(nèi)為3.25～4.06 ℃/hm，平均3.45 ℃/hm，高于前者（表1）. 開封斷隆內(nèi)館陶組熱儲地熱水靜水位埋深58.1～78.9 m，井口水溫82～84 ℃，出水量80～96 m3/h，單位涌水量2.08～2.21 m3（/h·m）；開封-蘭考斷陷內(nèi)靜水位埋深38.5～55 m，井口水溫70～76 ℃，出水量97～131 m3/h，單位涌水量4.13～11.82 m3（/h·m）.

圖3 研究區(qū)地熱井測溫曲線Fig. 3 Temperature logging curves of geothermal wells in the study area

綜合以上分析可知，開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，開封斷隆內(nèi)館陶組熱儲層埋藏較深，厚度較大，含水層孔隙度較低，抽水降深較大，單井出水量和單位涌水量較低，出水溫度較高.

3 水化學特征及形成條件

3.1 水質(zhì)分析結(jié)果

研究區(qū)館陶組地熱水常量組分的測試結(jié)果見表2，同時選取明化鎮(zhèn)組地熱水、第四系地下水以及地表（黃河）水，用于對比分析.

表2 地熱水主要離子測試結(jié)果Table 2 Test results of main ions in geothermal water

由表2 可知，研究區(qū)館陶組地熱水pH 值均介于6.5～8 之間，屬于中性水；明化鎮(zhèn)組地熱水pH 則略大于8；第四系地下水及地表水也屬于中性水. 館陶組地熱水的總?cè)芙夤腆w（TDS）介于10～50 g/L，均為鹽水，總硬度（以CaCO3計）除LK1 外均大于450 mg/L，為極硬水，KF1 的總硬度甚至高達10 969 mg/L. 開封斷隆內(nèi)明化鎮(zhèn)組地熱水和第四系地下水TDS＜1 g/L，為淡水，總硬度小于150 mg/L，為軟水. 開封-蘭考斷陷內(nèi)明化鎮(zhèn)組地熱水則為微咸水、軟水，第四系地下水為微咸水、硬水. 地表水則為淡水、硬水.

Schoeller 圖（圖4）顯示，開封斷隆與開封-蘭考斷陷內(nèi)館陶組地熱水常量組分的變化趨勢相同，而與明化鎮(zhèn)組熱水、第四系地下水及地表水相異. Piper 三線圖（圖5）表明館陶組熱水化學類型明顯異于其他地下水和地表水. 除KF1 外，館陶組熱水水化學類型均為Cl-Na 型，Cl-、Na+占有絕對優(yōu)勢，分別為首要陰離子和首要陽離子. KF1 總硬度（以CaCO3計）與其他館陶組熱水水樣數(shù)值相差一個數(shù)量級，水中含有大量的Ca2+，因此Ca2+成為次要陽離子，水化學類型表現(xiàn)為Cl-Na·Ca 型. 明化鎮(zhèn)組熱水中，Na+仍為首要陽離子，陰離子組分中HCO3-占比較大，在開封斷隆內(nèi)為首要陰離子，在開封-蘭考斷陷內(nèi)為次要陰離子. 第四系地下水中Cl-占比均低于25%，不表現(xiàn)在水化學類型中，Ca2+、Mg2+在陽離子中的占比較高，超過25%. 地表水的水化學類型則為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca 型.由以上分析可知，研究區(qū)館陶組地熱水的水質(zhì)特點與化學類型與上部的明化鎮(zhèn)組熱水、第四系地下水及地表水差異明顯，表明它們之間的水力聯(lián)系微弱，所處環(huán)境封閉［23-24］. 而開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，前者的館陶組地熱水具有更高的TDS 值與硬度值，除KF1因Ca2+含量較高表現(xiàn)為Cl-Na·Ca 型水外，其余均為Cl-Na 型水.

圖4 研究區(qū)水樣Schoeller 圖Fig. 4 Schoeller diagram of water samples from the study area

圖5 研究區(qū)水樣Piper 三線圖Fig. 5 Piper diagrams of water samples from the study area

3.2 水化學控制因素分析

Gibbs 圖［25-26］（圖6）顯示研究區(qū)館陶組地熱水均聚集于蒸發(fā)濃縮作用區(qū)域，遠離大氣降水控制區(qū)域，表明其控制機制以蒸發(fā)濃縮作用為主導，受大氣降水作用影響小，可能還存在巖石風化作用的影響. Mg2+/Na+與Ca2+/Na+離子比值端元圖［27-28］（圖7）中同樣展現(xiàn)出這樣的特征，研究區(qū)館陶組地熱水主要集中于蒸發(fā)鹽巖溶解區(qū)域，部分向硅酸鹽風化區(qū)域偏移. 因此，研究區(qū)館陶組熱水主要受鹽巖的蒸發(fā)濃縮作用影響，開封斷隆區(qū)內(nèi)可能還受巖石風化作用影響，在開封-蘭考斷陷內(nèi)鹽巖的蒸發(fā)濃縮作用對館陶組熱水的控制影響大于開封斷隆區(qū). 蒸發(fā)濃縮作用會導致水中溶解度低的鹽類離子（如Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-）濃度降低，溶解度高的鹽類離子（如Na+、Cl-、SO42-）濃度升高［29］，因此研究區(qū)館陶組熱儲地熱水展示出前文所述的水化學類型. 明化鎮(zhèn)組熱儲、第四系地下水和地表水在圖6、7中明顯位于與館陶組不同的區(qū)域，表明它們與館陶組熱儲有著不同的控制因素.

圖6 研究區(qū)水樣Gibbs 圖Fig. 6 Gibbs diagrams of water samples from the study area

圖7 Mg2+/Na+與Ca2+/Na+比值關(guān)系Fig. 7 Relationship between Mg2+/Na+and Ca2+/Na+

地下水的封閉程度、變質(zhì)程度、濃縮程度可用變質(zhì)系數(shù)（γNa/γCl）、脫硫系數(shù)（100×γSO4/γCl）、鹽化系數(shù)［γCl/（γHCO3+γCO3）］等特征系數(shù)來反映［30］. 研究區(qū)地下水的特征系數(shù)值如表3 所示. 研究區(qū)館陶組熱水的變質(zhì)系數(shù)均小于1，部分接近1，表現(xiàn)出含鹽巖地層溶濾水的特征；且小于明化鎮(zhèn)組地熱水和第四系地下水，表明其處于更封閉、更停滯的賦存環(huán)境，水體變質(zhì)程度更深，水體為還原環(huán)境. 然而，部分館陶組熱水的變質(zhì)系數(shù)則小于標準海水γNa/γCl 的平均值（0.85），展現(xiàn)出海相沉積水的特點［31］，但其Cl/Br 系數(shù)均大于293（本研究僅部分館陶組地熱井水樣分析了Br 的含量，其中KF1 Cl/Br 系數(shù)為2958.77、KF1 為1 511.84、LK1 為566.12、LK3 為709），可排除其海相沉積水的成因，應(yīng)屬于陸相含鹽沉積型地下水［32-33］.

表3 研究區(qū)地下水特征系數(shù)Table 3 Characteristic coefficients of groundwater in the study area

研究區(qū)館陶組熱水的脫硫系數(shù)遠小于明化鎮(zhèn)組地熱水和第四系地下水，相差1～2 個數(shù)量級，說明與其他地下水相比，館陶組熱水熱儲封閉性良好，熱水還原較徹底. 而開封斷隆內(nèi)館陶組熱水的脫硫系數(shù)小于1［34］，表明其環(huán)境更封閉、還原更徹底；開封-蘭考斷陷內(nèi)的館陶組熱水大于1，則表明其可能受到淺表氧化作用的影響.

研究區(qū)水樣的鹽化系數(shù)與其TDS 含量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系（圖8），即鹽化系數(shù)越高，水的TDS 越大，水的濃縮程度越高［35］. 館陶組地熱水的鹽化系數(shù)遠高于明化鎮(zhèn)組地熱水、第四系地下水，表明其具有較強的濃縮程度，且開封斷隆區(qū)內(nèi)館陶組地熱水與開封-蘭考斷陷區(qū)相比更濃縮.

圖8 鹽化系數(shù)與TDS 關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between salinization coefficient and TDS

4 水化學特征對成因的啟示

已有的同位素研究成果表明，研究區(qū)內(nèi)地熱水起源于大氣降水，且年代久遠［36］. 區(qū)內(nèi)地熱資源類型為沉積盆地傳導型，地熱水由大地熱流傳導增溫. 發(fā)育的斷裂、裂隙，特別是區(qū)域性深大斷裂，為地熱水的導熱和運移提供了有利條件. 區(qū)內(nèi)發(fā)育多層熱儲，且垂向上聯(lián)系甚微，上部熱儲可作為下部熱儲層的良好蓋層.

研究區(qū)館陶組熱水賦存于砂巖孔隙中，在漫長的地質(zhì)歷史時期不斷與周圍地層發(fā)生溶濾作用，屬陸相含鹽巖地層沉積型溶濾水. 館陶組地層封閉性良好，地熱水的化學特征、控制因素、特征系數(shù)等與上部明化鎮(zhèn)組地熱水、第四系地下水和地表水完全不同，進一步佐證了區(qū)內(nèi)各層地下水間基本無水力聯(lián)系. 館陶組熱水化學特征的控制機制以蒸發(fā)濃縮作用為主導，館陶組熱水賦存環(huán)境封閉、停滯，水體還原程度高，濃縮程度大，水中聚集大量的Na+、Cl-，水化學類型總體表現(xiàn)為Cl-Na 型. 而開封斷隆與開封-蘭考斷陷對比，其館陶組熱儲含水層孔隙度較低、單井出水量、單位涌水量較低，其熱水的賦存環(huán)境更封閉、更停滯，熱水還原更徹底、濃縮程度更高，熱水TDS 和硬度相對更高.

5 結(jié)論

通過對濟源-開封凹陷東段的開封斷隆、開封-蘭考斷陷內(nèi)館陶組熱儲層的基本特點、熱水水化學特征及形成條件進行分析研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)館陶組熱水為中性水、鹽水、極硬水，水化學類型以Cl-Na 型為主. 其中開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，前者館陶組熱儲層埋藏較深，厚度較大，含水層孔隙度較低，抽水降深較大，單井出水量和單位涌水量較低，出水溫度較高.

（2）研究區(qū)館陶組熱水為陸相含鹽巖地層沉積型溶濾水，賦存介質(zhì)為砂巖孔隙. 區(qū)域發(fā)育的斷裂、裂隙為其提供導熱和運移的通道，在大地熱流的傳導增溫下，不斷發(fā)生溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用等. 同時熱儲層封閉性良好，熱水運移較停滯，使得熱水還原性徹底，濃縮程度高. 館陶組熱水與上部明化鎮(zhèn)組熱水、第四系地下水和地表水的水化學特征、控制因素、特征系數(shù)等完全不同，垂向間基本無水力聯(lián)系. 開封斷隆與開封-蘭考斷陷對比，其館陶組熱水的賦存環(huán)境更封閉、更停滯，熱水還原更徹底、濃縮程度更高，熱水的TDS和硬度相對更高.

（3）本文的研究分析結(jié)果指示研究區(qū)內(nèi)的館陶組熱水再生能力差，屬消耗型資源，在開采過程中易出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞、回灌能力衰減等問題，近年來的實際工程項目中確實已出現(xiàn)上述問題. 為維持地熱水的可持續(xù)開發(fā)，完成100%同層回灌，目前已采取的應(yīng)對措施中最有效的是增設(shè)回灌井，但地熱開發(fā)企業(yè)的投資建造成本、運行維護成本也同步增加. 這些都對研究區(qū)館陶組地熱水的高效應(yīng)用、可持續(xù)開發(fā)、吸引市場資金投入等方面造成了挑戰(zhàn). 建議今后結(jié)合本文的研究成果，在地熱水開發(fā)利用中做到合理規(guī)劃、科學有序，同時加大對地熱水堵塞機理、防垢阻垢、增加熱儲層回灌能力等方面的工程技術(shù)研究，促進地熱資源經(jīng)濟可持續(xù)開發(fā).