盧兆群

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013)

地熱資源是一種集“熱、礦、水”為一體的綠色資源，除用于發(fā)電、取暖外，地熱礦泉獨特的保健理療價值越來越受人們青睞[1-2]。實現地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用是當今中國也是世界地熱產業(yè)所面臨的最為關鍵的問題，查明地熱資源的成因機制是實現地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用的關鍵[3]。近年來，國內外對于地熱資源的勘查和開發(fā)利用投入逐年加大，對于地熱資源的形成研究正成為一個新的熱點。20世紀70年代，地礦部門在平陰縣大孫莊地區(qū)進行鐵礦普查時意外發(fā)現了氡溫泉，氡溫泉水中因含有多種較高濃度且對人體有益的微量元素組分，具有特殊的醫(yī)療價值，是一種特色地熱溫泉[4]。2018年，在大孫莊氡溫泉東南約6.3 km的中土樓地區(qū)新發(fā)現了一處地熱礦水資源，其水化學特征與大孫莊氡溫泉水具有一定的相似特征，但也存在一些明顯的區(qū)別。前人對于大孫莊氡溫泉水的成因機制已進行過相關的研究[5-9]，但對于此處新發(fā)現的地熱礦水資源的成因尚缺乏研究。本文將通過地質構造特征、水化學特征、同位素組成特征等方面對中土樓地區(qū)地熱礦水的成因進行分析，為該地區(qū)相同類型地熱資源的勘查和開發(fā)工作提供參考依據。

1 區(qū)域地質概況

1.1 自然地理概況

平陰縣位于山東省的中西部，地處泰山山脈西延余脈與魯西平原的過渡地帶，地勢南高北低，地貌類型以丘陵和山前沖洪積平原為主。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，四季分明，多年平均氣溫14.2 ℃，多年平均降水量602 mm，主要集中在汛期。

1.2 地層和構造

區(qū)內地層以新太古代泰山巖群變質巖系為基底，上覆古生代的寒武-奧陶紀灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖以及新生代第四系松散沉積物。地層呈單斜構造，寒武—奧陶紀地層走向北東，傾向北西，傾角一般5 °～8 °。區(qū)內地層較穩(wěn)定，地質構造規(guī)模及發(fā)育程度也相對較弱。

根據區(qū)域地質資料及物探解譯成果，區(qū)內發(fā)育有數條北西-北北西向斷裂構造(圖1)，均為高角度正斷層，傾向北東，傾角一般75 °～85 °，斷裂均切入泰山巖群基底。區(qū)內北西和北北西向斷裂大多以張性或張扭性為主[10]。

圖1 研究區(qū)地熱溫泉井位置分布圖

1.3 水文地質概況

根據區(qū)域水文地質特點，依據區(qū)內出露含水層的水理性質及水力特征，區(qū)內地下水主要分為：第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。其中，碳酸鹽巖類裂隙巖溶水為區(qū)內工農業(yè)用水主要開采對象，含水巖組主要由寒武紀、奧陶紀碳酸鹽巖組成，富水性較強-強，水質較好，礦化度小于1 g/L，水化學類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型為主；區(qū)內泰山巖群變質巖無地表出露，據區(qū)內已有的深部鉆孔資料，巖性以混合花崗巖類為主，大孫莊及中土樓地區(qū)的地熱溫泉礦水均屬于該類型地下水，其主要賦存于深部斷裂構造破碎帶及古風化裂隙中，富水性不均勻，pH值7.5左右，礦化度6 g/L左右，水化學類型均為Cl·SO4-Na·Ca型。

2 地熱地質概況

2.1 地熱井概況

中土樓地熱井位于平陰縣城西部的中土樓村西南，為中土樓村根據以往物探成果資料自行組織施工，成井于2018年9月，井深1 800 m，井口直徑273 mm，據抽水試驗資料，涌水量為465.6 m3/d(降深250.73 m)，出水水溫42 ℃。

2.2 地熱水賦存條件

中土樓地熱井施工時缺乏詳細的鉆孔編錄資料，根據區(qū)域地質結合綜合測井資料，該井上部蓋層厚度約600 m，為第四系松散層及寒武-奧陶紀灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖地層；600～1 800 m為新太古代泰山巖群變質巖，巖性以混合花崗巖類為主，為熱儲層。

該井位于斷裂F4-1附近，據物探解譯資料，該斷裂走向北西，傾向北東，傾角約85 °，為高角度正斷層，斷裂發(fā)育深度超過1 500 m，斷裂破碎影響帶寬度約100 m。該井取水層段為1 200～1 800 m，根據測井解釋資料，該井在800～1 800 m深度內發(fā)育有多段地層破碎含水段，應為斷裂F4-1破碎影響帶，因此地熱水主要賦存于深部基底斷裂構造破碎帶及古風化裂隙中。

2.3 熱儲類型

中土樓地區(qū)地熱礦水水溫42 ℃，其賦存主要受北西向深部基底斷裂構造控制，含水層巖性以混合花崗巖類為主，屬于中低溫帶狀基巖裂隙型地熱資源。

3 地熱礦水成因探討

3.1 補給來源

氫、氧穩(wěn)定同位素已廣泛應用于識別地下熱水的補給來源和循環(huán)途徑[11]。Craig通過研究北美大陸大氣降水，首先提出了大氣降水δD和δ18O 值之間有明顯的線性關系：δD=8δ18O+10，這個方程稱為全球大氣降水線[12]。在不同地區(qū)大氣降水線略有差異，本文選取柳鑒榮等建立的中國東部季風區(qū)局地大氣降水線方程δD=7.46δ18O+0.90[13]，將中土樓地熱礦水及附近常溫地下水氫氧同位素組成繪制在大氣降水線圖中，可以看出各類型地下水樣品氫氧同位素組成較接近，樣品點均位于當地降水線附近(表1、圖2)，未發(fā)生明顯的氧漂移現象，說明各樣品補給來源均為大氣降水；但地熱礦水樣品的氫氧同位素值明顯低于2個常溫地下水樣品，說明該地熱礦水不是來源于當地大氣降水的就近補給[14]，應是經歷了較長時間和途徑的徑流過程，并且地熱礦水深部熱儲溫度不高，屬于中低溫地下熱水。

表1 研究區(qū)各類型地下水氫氧同位素組成

圖2 研究區(qū)各類型地下水樣δD與δ18O關系

3.2 補給高程

大氣降水的δD和δ18O值具有隨地形高程升高而降低的高程效應[15]，據此可以確定地熱流體的同位素入滲高程(即補給區(qū)高程)，進而判別地熱水的補給位置。由于地熱水在深部熱儲高溫的作用下經常會出現δ18O漂移現象，所以通常利用大氣降水同位素的δD值高程效應計算補給區(qū)高程更準確[16]。故中土樓地熱礦水補給區(qū)高程可利用下列公式進行計算：

H=h+(D-Dr)/gradD

(1)

式中：H為地熱礦水補給區(qū)高程/m；h為地熱礦水采樣點高程/m，為61 m；D為地熱礦水的δD值/‰；Dr為地熱礦水取樣點附近大氣降水δD值/‰，本文取區(qū)內松散巖類孔隙水δD值(-67 ‰)代替；gradD為大氣降水δD值高程梯度/(‰/100 m)，本文取-3‰/100 m。

根據公式(1)計算得到中土樓地熱礦水補給區(qū)高程為+274 m。根據地熱地質條件，研究區(qū)地熱水的賦存和運移主要受北西向隱伏基底斷裂構造和古風化裂隙控制，地熱水主要向北西方向徑流，位于研究區(qū)東南方向的肥城云蒙山一帶，寒武系灰?guī)r與泰山巖群變質巖均大面積出露，標高在+200 ～+370 m左右，該區(qū)域距離中土樓地熱井約40 km，推斷研究區(qū)地熱水補給來源于該區(qū)域的可能性較大。

3.3 蓋層

通過前文分析可知，區(qū)域內地層分布較穩(wěn)定，上部古生代寒武-奧陶紀灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖地層及新生代第四系松散沉積物，密度相對較小，導熱性能較差，厚度約600 m，是天然的良好熱儲保溫層。

3.4 熱源

根據中土樓地熱井井溫測量資料(圖3)，推算其地溫梯度為2.01 ℃/100 m，屬于正常地溫梯度范圍，無異常；另外，根據周邊部分淺井測溫資料，推算淺部地溫梯度(100 m以淺)在1.57～2.99 ℃/100 m之間，也無明顯異常；可見，該區(qū)域無明顯的地溫異常。另外，中土樓地熱井出水溫度與井內測量溫度較接近，因此，中土樓地熱礦水應是地下水在深部徑流循環(huán)過程中經地溫緩慢加熱形成的，熱源應主要來源于大地熱流及圍巖中放射性元素蛻變產生的熱量。

圖3 中土樓地熱井測溫曲線

3.5 儲水空間

中土樓地熱礦水的儲水空間為斷裂F4-1，據物探解譯資料，斷裂F4-1走向北西(約320 °)，傾向北東，傾角約85°，為高角度正斷層，斷裂發(fā)育深度超過1 500 m，斷裂破碎影響帶寬度約100 m。根據資料分析，該斷裂發(fā)育規(guī)模較大，應為區(qū)域性斷裂構造，為地熱礦水的主要導水通道及儲水空間。

3.6 礦物元素來源

本次研究采集了中土樓地熱礦水樣品1件，并利用以往工作中取得的周邊巖溶水、孔隙潛水水質分析結果2份，主要化學成分含量見表2。結果表明，地熱礦水與常溫地下水的主要化學成分組成存在明顯的區(qū)別，地熱礦水pH值7.37，總硬度1 610.65 mg/L，TDS含量6 656.00 mg/L，水化學類型為Cl·SO4-Na·Ca型(舒卡列夫分類)；常溫地下水pH值7.49～7.52，總硬度345.69～459.16 mg/L，TDS含量441.25～601.80 mg/L，水化學類型均為HCO3-Ca·Mg型(舒卡列夫分類)；地熱礦水中微量元素組分含量明顯高于常溫地下水，鍶、氟、鋰、偏硅酸及偏硼酸等微量元素組分含量達到了理療熱礦水水質標準中的礦水濃度-命名礦水濃度。上述水化學組分的明顯差異充分表明中土樓地熱礦水與上部冷水之間有良好的隔水層。地熱礦水氯溴系數(Cl-/Br-)為870，大于300，表現為含鹽地層溶濾水的特征[17]，說明其運移時間較長，與圍巖之間的水-巖作用較充分。根據資料，泰山巖群變質巖地層中部分化學成分及微量元素含量明顯高于酸性火成巖的平均含量[18]，這為地熱礦水中富含的各種微量元素提供了必要的物質來源。地熱礦水在長時間的地下徑流過程中，通過水-巖作用更多的溶解了圍巖中的各種礦物元素，從而形成了富含多種微量元素的特色地熱礦水。

表2 研究區(qū)各類型地下水主要化學成分組成

3.7 形成模式

綜合區(qū)域地形地貌特征、地質條件、構造特征及地溫場特征，結合區(qū)內大孫莊氡溫泉水形成條件，推測中土樓地熱礦水的形成模式為：在研究區(qū)東南方向約40 km處的肥城云蒙山一帶寒武紀灰?guī)r與泰山巖群變質巖大面積出露區(qū)域，大氣降水為補給來源，沿風化裂隙、構造裂隙入滲，逐漸向深部運移，一些發(fā)育規(guī)模較大的深部基底斷裂構造破碎帶構成了主要的蓄水、導水通道，在徑流過程中通過大地熱流及圍巖中放射性元素蛻變產生的熱源緩慢加熱，經水-巖作用溶濾圍巖中的各種礦物元素，形成了富含多種微量元素的地熱礦水，上部約600 m厚的寒武-奧陶紀碳酸鹽巖夾碎屑巖及第四系松散層構成了良好的保溫、隔水蓋層，在位于地勢低緩的徑流排泄區(qū)域，通過人工鉆探揭穿蓋層后，而形成地熱礦水井。

4 結語

平陰縣中土樓地熱礦水是一種富含多種微量元素的特色地熱資源，主要賦存于北西向深部基底斷裂構造破碎帶及古風化裂隙中，屬于中低溫帶狀基巖裂隙型地熱資源。區(qū)內基本具備地熱形成的“源、通、儲、蓋”四方面條件：大氣降水為補給來源，大地熱流及放射性元素蛻變產生的熱量為熱源；發(fā)育規(guī)模較大的深部基底斷裂構造破碎帶及古風化裂隙既是地熱礦水的主要導水通道，也是其儲水空間，厚度巨大的碳酸鹽巖夾碎屑巖類地層構成了良好的保溫、隔水蓋層。地熱礦水中富含的多種微量元素主要來自于泰山巖群變質巖中礦物元素的水-巖溶解作用。