高志友 李大鵬 顏梅 呂濤 高榮政 王炳鳳 張新輝

摘要： 黃河流域（濟陽段）地熱資源豐富，闡明地熱田的成因機制對區(qū)域地熱水資源的開發(fā)利用和黃河流域高質量發(fā)展具有重要意義。以黃河流域（濟陽段）齊廣斷裂以南灰?guī)r熱儲為研究對象，進行水化學分析和同位素分析，結果表明研究區(qū)地熱水水化學類型主要為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型，地熱水總體上受大氣降水的入滲補給，地熱水補給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，地熱水屬于亞現(xiàn)代與近期補給的混合水和現(xiàn)代水。

關鍵詞： 地熱水；水文地球化學；成因機制；黃河流域；濟陽段

中圖分類號： Ｐ341.1；Ｐ641.5 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.009

引文格式： 高志友，李大鵬，顏梅，等.基于水文地球化學特征的黃河流域（濟陽段）地熱水成因機制研究［J］.山東國土資源，2023，39（3）：65 71.GAO Zhiyou，LI Dapeng，YAN Mei，et al.Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water of the Yellow River Basin （Jiyang Section） Based on Hydrogeochemical Characteristics［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：65 71.

0 引言

地熱是一種綠色、清潔能源，具有極大的開發(fā)潛力和經濟價值［1］。濟南北部地熱資源豐富，開發(fā)利用程度較高，地熱水質優(yōu)良，地熱研究程度較高，前人對濟南多個地熱田的地質特征、地熱流體的化學特征和補給來源等問題做了分析研究［2］。張保建［3］等通過氫氧同位素的方法分析研究出了大氣降水為濟北地熱田地熱水的補給來源，李常鎖［4 5］等分析了濟南北部地熱水水化學特征及其形成機理，趙玉祥［6］、隋海波［7］等研究了濟北地熱田的地熱水來源、形成條件、補徑排條件。

對地熱水水化學的研究有助于識別地熱水來源、地熱系統(tǒng)中水巖相互作用及地熱水運動特征等［5］，本文通過分析區(qū)內地熱水的水化學特征，研究 區(qū)內地熱水水成因機制，為地區(qū)地熱資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河流域（濟陽段），研究對象為齊河 廣饒斷裂以南奧陶紀巖溶裂隙熱儲，區(qū)內地熱資源豐富，地下熱水主要用于供暖、洗浴康養(yǎng)、監(jiān)測［8］等。

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)，地層自上往下依次分布第四系、新近紀明化鎮(zhèn)組、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、新太古代泰山巖群，缺失新近紀館陶組及古近系，奧陶系埋藏較淺。

根據(jù)山東省大地構造單元的最新劃分方案，研究區(qū)位于華北板塊（Ⅰ級）魯西隆起區(qū)（Ⅱ級）魯中隆起（Ⅲ級）泰山 濟南斷隆（Ⅳ級）。研究區(qū)內主要的 斷裂構造有齊河 廣饒斷裂、臥牛山斷裂、灘頭斷裂、港溝斷裂、文祖斷裂等（圖1）。

根據(jù)含水介質的巖性組合、埋藏分布條件和地下水的賦存特征，研究區(qū)的含水層主要劃分為①第四系孔隙含水層：主要以第四系、新近系松散沉積為主；②石炭 二疊系碎屑巖類裂隙水和層間巖溶裂隙含水層：其巖性為石炭 二疊系的砂巖、粉砂巖、泥巖、泥巖夾煤層和石灰?guī)r，總體富水性較弱；③奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層：巖性主要為灰?guī)r、白云巖等；④基巖裂隙含水層：該含水層主要分布在研究區(qū)南部鵲山水庫附近，主要為濟南巖體中風化裂隙水，富水性差。

研究區(qū)為奧陶系巖溶裂隙熱儲，蓋層為新生代第四系和新近系、古生代二疊系和石炭系；熱儲為奧陶紀中、下統(tǒng)灰?guī)r，正常的大地熱流為其主要熱源。濟南巖體的存在阻擋了南部大量冷水向北徑流，同時迫使南部一部分巖溶水向地下深處循環(huán)，起到增溫和保溫的作用，巖體內部深大斷裂形成了地熱水與深部熱源溝通的通道。奧陶紀灰?guī)r巖溶水水溫為28～45℃［5］。熱儲層熱儲呈層狀兼帶狀分布，受斷裂構造控制，彼此存在成生關系，地質構造條件比較復雜，屬于中低溫地熱田Ⅱ 3型。地下水總體流向由南向北徑流［5］。

2 樣品采集及分布

本次共采集水質分析樣3組，同位素分析樣1組，樣品測試分析工作委托國土資源部濟南礦產資源監(jiān)督檢測中心和山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊實驗室完成，測試方法為電感耦合等離子體質譜法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法；同位素分析工作委托中國地質大學（武漢）分析測試中心完成，使用穩(wěn)定同位素氣體質譜儀、超低本底液體閃爍能譜儀檢測完成。共收集水樣數(shù)據(jù)7組［5］，收集同位素數(shù)據(jù)8組［9］、大氣降水同位素數(shù)據(jù)1組［2］。水樣數(shù)據(jù)見表1，同位素數(shù)據(jù)見表2。

3 地熱水水化學特征

3.1 水化學類型

Piper圖也一定程度上反應了地熱水的演化現(xiàn)象［10］。由圖2可以看出研究區(qū)地熱水的陽離子分別以Ca2+、Na+ 、Mg2+為主，而陰離子中SO2 4占優(yōu)勢。根據(jù)舒卡列夫法劃分水化學類型［11］，可將研究區(qū)地熱水主要水化學類型劃分為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。Ca2+為含量最高的陽離子，毫克當量百分數(shù)在49.25%～74.48%，其次為Na+，毫克當量百分數(shù)在8.40%～38.91%，其他陽離子濃度較小，具地熱水的顯著特點；SO2 4在所有陰離子中占比最高，毫克當量百分數(shù)為29.05%～93.68%，同時Cl-毫克當量百分數(shù)為4.23%～35.01%，也反映出顯著地熱水特征。根據(jù)研究區(qū)水樣的水化學類型可以看出，黃河以南地熱井水化學類型為SO4·Cl Ca·Na型，部分水樣TDS含量偏大，整體水化學特征變異性較大，這表明該地區(qū)地下水處于較封閉環(huán)境中，地下水徑流緩慢。黃河以北地熱井水化學類型為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、SO4 Ca型，陰陽離子含量及TDS含量整體差異性較小，水化學類型較為穩(wěn)定。另外HR1地熱井水化學類型為HCO3·SO4 Ca·Mg型，主要原因是其井深在1900m以上，含水層主要為寒武紀地層，因此其水化學類型與其他地區(qū)有明顯區(qū)別。

3.2 離子組合比分析

鈉氯系數(shù)（rNa+/rC1 ）、鈣鎂系數(shù)（rCa2+/rMg2+）、脫硫系數(shù)（100×rSO2 4/rC1 ）和鹽化系數(shù)（rCl/rHCO3+rCO3）等離子間毫克當量數(shù)的比值可以表明地熱水所處熱儲環(huán)境的開放性及封閉性（表3），并確定熱水變質程度，從而反映地熱水來源并判斷其成因類型等［12 13］。

3.2.1 鈉氯系數(shù)（rNa+/rC1 ）

可對熱儲層所處水化學環(huán)境的封閉程度以及地熱水的蒸發(fā)濃縮程度進行分析。一般情況下，rNa+/rC1 的比值越小，陽離子的交替吸附作用越快，熱水蒸發(fā)濃縮程度越強，對應所處的水文地球化學環(huán)境更加封閉［14］。海水的鈉氯系數(shù)一般為0.85［15］，而溶濾巖鹽地層或者受大氣降水入滲補給程度較高的地下水鈉氯系數(shù)通常大于等于1。如表3、圖3所示，研究區(qū)地熱水的鈉氯系數(shù)為0.835～1.965，其中JR 1、CZ 1、XR01地熱水的鈉氯系數(shù)大于1，說明該區(qū)域地熱水所處的環(huán)境相對開放；而遙墻—鴨旺口一帶鈉氯系數(shù)在0.85～1之間，表明該區(qū)域地熱水既有沉積水，也有溶濾水，地熱水所處的環(huán)境相對封閉。

3.2.2 鈣鎂系數(shù)（rCa2+/rMg2+）

地下水中rCa2+/rMg2+也可判斷地下水中Ca2+、Mg2+離子是來源于硅酸巖還是方解石、白云石的溶解。如果rCa2+/rMg2+=1，則表示地下水中發(fā)生了白云石的溶解；如果12，表明地下水發(fā)生了硅酸巖的風化溶解。如表3、圖4所示，研究區(qū)內rCa2+/rMg2+>2，地下水中Ca2+、Mg2+離子是主要來源于硅酸巖的風化溶解。

3.2.3 脫硫系數(shù)（100×rSO2-4/rC1 ）

脫硫系數(shù)可以判斷地熱水所處環(huán)境的氧化還原程度，在缺氧的還原環(huán)境中脫硫作用易進行，脫硫系數(shù)越小，地層水封閉性越好［16］。在還原環(huán)境下，SO2 4被還原而形成H2S氣體，脫硫系數(shù)越小，則熱儲環(huán)境相對更加封閉；若脫硫系數(shù)大于1，則表明還原作用不徹底，地熱水可能受淺層氧化作用的影響；正常海水的脫硫系數(shù)為10.2，如果地熱水的脫硫系數(shù)大于10.2，表明水體所處環(huán)境開放，有冷水的混入，受到表層氧化作用的影響［17］。由表3、圖5 可知，研究區(qū)的脫硫系數(shù)為31.814～402.123，全部大于10.2，說明研究區(qū)地熱水整體處于相對開放環(huán)境，有機質含量低，JR 1、CZ 1、XR01地熱水的脫硫系數(shù)偏大，說明黃河北部熱儲環(huán)境相對開放，脫SO2 4的還原作用進行較強。

4 同位素化學特征

4.1 水的來源

地熱流體中穩(wěn)定同位素氘（D）和氧 18（18O）的組成通常用于確定地熱流體的成因。D是作為自然界的示蹤劑來定位熱儲的蓄水區(qū)并進一步研究，整個地區(qū)地下水的流動路線，而對于每個系統(tǒng)的18O給出隨著深度變化的水巖相互作用的信息。低溫地熱流體被認為是在經歷一定時期沉降的“混合的一般性水樣”。降水中同位素的比率是由當?shù)氐慕浂?、緯度、溫度以及季?jié)所控制的［18 20］。Craig通過研究北美大陸的大氣降水，發(fā)現(xiàn)降水的氫氧同位素組成顯示線性相關的變化，并給出它們的數(shù)學關系式δD=8δ18O+10［19］，華北平原降水線數(shù)學關系式為δD=7.02δ18O+1.72［21］。研究區(qū)地熱水δD最大值為 55.91‰，最小值為 76.0‰，平均值為 69.04‰；δ18O最大值為 7.34‰，最小值為 10.54‰，平均值為 9.42‰。根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪圖分析，如圖6所示，研究區(qū)地熱水樣點落在全球、華北平原大氣降水線上或右下部，表明研究區(qū)地熱水總體上受大氣降水的入滲補給，補給強度不一，遙墻—桃園—鴨旺口一帶地熱水所處環(huán)境相對封閉，受大氣降水入滲補給強度較其他地方弱。

4.2 補給高程

大氣降水中δD與δ18O的含量受地理位置、緯度、溫度及高程等因素的影響（表4），由于研究區(qū)的范圍相對較小，大陸效應、緯度效應對于研究區(qū)的δD與δ18O同位素的影響不大，可以認為使地熱水中δD與δ18O含量具有差異性的主要影響因素為高程效應［22］。因此利用同位素的高程效應，可以用公式1估算地熱水的補給高程［23］：

H=（δS-δP）/k+h （式1）

式中： H 為地熱水的補給區(qū)高程（m）； h 為地熱水取樣點的地面高程（m）； δS 為地熱水取樣點的同位素成分（‰）； δP 為取樣點附近大氣降水中的同位素成分（‰）； k 為同位素高程梯度（ δ‰/100m）。

研究區(qū)地熱水的補給區(qū)高程計算結果見表4，地熱水補給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，推斷地熱水的主要補給少部分來自于泰山北麓火成巖、變質巖分布區(qū)的大氣降水入滲，大部分來源于長清群和九龍群巖溶裂隙含水巖組分布區(qū)巖溶地下水的深循環(huán)徑流補給［9］。

4.3 同位素測年

國內外學者根據(jù)地下水實測的氚值大小，根據(jù)經驗法對地下水年齡的估算進行了研究，提出了一些地下水年齡估算的劃分標準［23］（表5），對比表2可知，研究區(qū)地熱水氚含量為（2.4±0.1）～（12.98±2.01）/TU，屬于亞現(xiàn)代與近期補給的混合水和現(xiàn)代水，總體上距離補給區(qū)越近，地熱水中氚含量較高，更接近現(xiàn)代水（＜5～10a）［9］。

5 成因模式

研究區(qū)巖溶熱儲地熱資源可以概化為由熱儲層、蓋層、通道、熱源和水源組成的地熱模型［24］（圖7）。

（1）熱儲層。奧陶紀馬家溝群灰?guī)r、寒武 奧陶紀九龍群灰?guī)r和寒武紀長清群灰?guī)r組成了該區(qū)主要熱儲層。

（2）蓋層。新生代第四系松散沉積層、新生代新近系、中生代侏羅系、古生代二疊系和石炭系構成下伏基巖熱儲層的保溫層。

（3）通道。在濟南巖體與齊河 廣饒斷裂之間分布較多斷裂，其中，導水性斷裂溝通了深部與淺部的聯(lián)系，使深部地下熱水能夠向淺部運移和聚集，是地熱流體與深部熱源溝通的通道。

（4）熱源。主要包括大地熱流和斷裂的附加供熱。大地熱流為其主要熱源，一部分來自地殼深部8～16km的花崗巖中的放射性元素衰變釋放的地殼熱流，一部分來自于上地幔熱流，供熱方式為熱傳導［24］；區(qū)域內斷裂溝通深部，對地下熱水的運移和分布起著重要作用，切割了深部奧陶紀灰?guī)r，是地球深部熱源向對流的重要通道［25］。

（5）水源。奧陶紀灰?guī)r埋藏深度較大，由于斷層的切割使灰?guī)r裂隙相對發(fā)育，但由于其埋深大，地下水的運動滯緩，易被圍巖加熱形成地熱流體。

6 結論

（1）研究區(qū)地熱水水化學類型主要為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。

（2）黃河以北地區(qū)地熱水所處的環(huán)境相對開放；而黃河以南遙墻—鴨旺口一帶地熱水既有沉積水，也有溶濾水，地熱水所處的環(huán)境相對封閉。地下水中Ca2+、Mg2+離子是主要來源于硅酸巖的風化溶解。

（3）研究區(qū)地熱水總體上受大氣降水的入滲補給，地熱水補給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，地熱水屬于亞現(xiàn)代與近期補給的混合水和現(xiàn)代水。

（4）研究區(qū)為奧陶紀巖溶裂隙熱儲，蓋層為新生代第四系和新近系、古生代二疊系和石炭系；熱儲為奧陶紀中、下統(tǒng)灰?guī)r，正常的大地熱流為其主要熱源，大斷裂形成了地熱水與深部熱源溝通的通道。

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Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water ??of the Yellow River Basin （Jiyang Section） ??Based on Hydrogeochemical Characteristics

GAO Zhiyou1，LI Dapeng2，YAN Mei1，LV Tao1， GAO Rongzheng1，WANG Bingfeng1， ZHANG Xinhui1

（1.Shandong Geo-engineering Group Limited Corporation，Shandong Ji'nan 250014， China；2.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resource Utilization， MNR， Shandong Provincial Key Laboratory of Metallogenic Geological Process and Resource Utilization；Shandong Institute of Geological Sciences，Shandong Ji'nan 250013，China）

Abstract： The Yellow River Basin （Jiyang Section） is rich in geothermal resources. It is of great significance to elucidate the genetic mechanism of geothermal fields and the exploitation and utilization of regional geothermal water resources for high-quality development of the Yellow River basin. Taking thermal reservoir of limestone in the south of Qiguang fault in the Yellow River basin （Jiyang section） as the research object， hydrochemical analysis and isotope analysis have been carried out. ?It is showed that hydrochemical types of geothermal water in the study area are mainly SO4·Cl-Ca·Na type， SO4-Ca·Na type， HCO3·SO4-Ca·Mg type and SO4-Ca type. The geothermal water is generally replenished by the infiltration of atmospheric precipitation， and the elevation range of the geothermal water recharge area is 497.81～2117.97m. The geothermal water belongs to the mixed water of submodern and recent replenishment and modern water.

Key words： Geothermal water； hydrogeochemistry;genetic mechanism；Yellow River basin；Jiyang section