同位素方法对西八千地下热水的成因分析

宋俊德　邓怀民　朱锦程　王岩　王宁辽宁工程勘察设计院, 121000

同位素方法对西八千地下热水的成因分析

宋俊德*邓怀民朱锦程王岩王宁
辽宁工程勘察设计院, 121000

提 要 辽宁凌海西八千地热田位于下辽河盆地的西部边缘地带，属新生代沉积盆地热传导型地热。为取得相对高温地下热水，确定开采热储层为古近系沙河街组三段、四段的砂岩和砂砾岩含水层。采取1组地热水样进行了稳定同位素（18O、2H、）和放射性同位素（14C、3H）的检测。应用HO、3H、14C等同位素方法对地下热水成因进行分析，得出其地下热水是由早期的沉积水和近期大气降水经迳流补给的水混合而成的。

关键词同位素 西八千 地下热水 地热资源 成因分析

1 地热田基本情况

辽宁凌海西八千地热田位于锦州市东南部、辽河盆地西部，具有良好的地热成生条件，地热资源优势明显，开发前景广阔。西八千地热田行政区划隶属于凌海市西八千乡，面积 38.97km2。凌海西八千地段属于辽宁沿海经济带五点一线之重要一点。其地理位置优越，距离锦州、葫芦岛和盘锦等城市不超过百公里。交通十分便利，京哈等多条高速公路、铁路均从周边通过，与附近的锦州海港、锦州空港构成了陆海空立体交通网络。

工作区地处中纬度地带，属暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候区。四季分明，冬季寒冷少雪，夏季炎热多雨，春秋两季干燥多风。区内多年平均气温9.5℃，最高气温36℃，最低气温-25℃。多年平均降水量为600mm，降水多集中在6～9月份，占全年降水量的70%～80%，多年平均蒸发量为1700mm。

工作区东部500m远有大凌河流过。大凌河发源于凌源市打鹿沟，流经朝阳地区、锦州义县、凌海后注入渤海，河流全长397km，总流域面积23 540km2。由于上游修建白石水库，下游河水迳流量大大减少。

2 地热田地热地质条件

西八千地热田属沉积盆地热传导型。是下辽河盆地地热田的一部分，分布在盆地的西部边缘地带。该地段的西北部为低山丘陵区，是地下水补给区；东部为下辽河盆地大型地热田的中心区。实际上西八千地热田属于下辽河盆地大型地热田的迳流区。

凌海西八千地热田所处地貌单元为平原，地形平坦。东北部属冲洪积平原大小凌河扇地。西南部属冲海积平原，分布的面积较小。

按照区域地热地质条件，下辽河盆地中热储主要指新近系热储层馆陶组和古近系热储层包括东营组、沙河街组。而西八千地段位于下辽河盆地边缘，各地层厚度变薄，为取较高温度的热水，主要开采古近系沙河街组三段和四段的砂岩和砂砾岩含水层（深度约为1000m以下）。

西八千地热田属层控热储，热储上部各地层的泥岩均可视为热储的盖层。根据已有钻探资料，热储上部分布的地层岩性情况从上至下分述如下。

第四系：直接出露，岩性为粉质粘土和砂砾石，呈多旋回沉积出现，总厚度150m。

新近系：分为明化镇组和馆陶组，岩性均为泥岩和砂砾岩互层，层底深545m 厚度395m。

古近系：分为东营组、沙河街组一段和沙河街组二段。东营组岩性为砂岩和泥岩互层，地层埋深545m，层底深672m，厚度127m。沙河街组涉及两个段，自上而下为沙河街组一段和二段。埋深672m，层底深1130m，厚度458m。

按整体地势和所处下辽河盆地位置考虑，西八千地热田地下热水流向大体自西北向东南方向流动。由于位于下辽河盆地西部边缘，属于迳流区，但地形平缓，地下热水埋深大，地下水交替作用较缓慢。地下水水质较好，根据《理疗热矿水水质标准》，F和I的浓度均大于1 mg/L，达到医疗价值浓度。地温梯度基本处于3.27～3.39℃/100m之间。

3 地下热水成因分析

西八千地热井最高出水温度达53℃。采取1组西八千地热水样进行了同位素检测，包括稳定同位素（18O、2H、）和放射性同位素（14C、3H）。

3.1 样品的采取及分析内容

3.1.118O、2H样品 取样用体积为10L的塑料桶。

用样品水洗刷三次后，桶内注满水样，将塑料桶的盖子盖好及时送交实验室。分析内容为δ2H和

δ18O。

3.1.214C样品 用若干体积为20L的带盖的塑料桶，用样品水洗刷三次。桶内注水样后，向桶中加入氢氧化钠使水样的pH值调到8，然后加入50～100g的氯化锶，将塑料桶的盖子盖好后用力摇动水样，使化学反应充分进行，静置0.5h后碳酸盐沉淀物将聚积于桶的底部，把上部清液吸出将沉淀物收集在小塑料桶中。重复采集，直到采集足够的沉淀物，合纯碳(C)约5g。及时送交实验室。

3.1.33H样品 盛水容器采用500mL聚乙烯瓶。在装样前，用样品水洗刷样品瓶三次。水样尽可能充满样品瓶，并用白色胶带在瓶盖外缠紧切实封密。将样品瓶贴上标签、注明采样时间等内容，及时送样。测定氚含量。

3.2 HO同位素的应用

经测试，西八千地下热水中δ2H为-73.8×10-3，δ18O为-13.8×10-3。均在大气降水的同位素变化范围内（δ2H为-300×10-3～+50×10-3、δ18O为-46×10-3～+16×10-3）；从图1中，也可以看出西八千地下热水中δ2H、δ18O的值稍稍偏离了全球大气降水线，说明地下热水的主要来源于大气降水。对于深埋1000多m、上覆泥岩不透水盖层的地下水，不可能直接接受大气降水。热储中的地下水主要为沉积水和迳流补给水，下面分别解释该水的测定和分析结果。沉积水是指随沉积物一起沉积下来并保存在地下的水，这种水认为是早期的大气降水形成的。对于温度低于60℃的地下水，水－岩同位素交换反应的速度极其缓慢，这种水的同位素成分能够保持上百万年而不发生变化，也就是说岩土的同位素成分对地下水的同位素组成没有影响。除了沉积水，热储层中地下水还来自该地段西北部大气降水入渗地下迳流补给。通过上述分析，地下热水主要来源于大气降水是合理的。

图1　西八千地下热水δ2H、δ18O与全球大气降水线的关系Fig.1 Relationship betweenδ2H、δ18O and global atmospheric condensation line of eight thousand underground hot water

3.33H的应用

由于缺少氚含量的初始值，不能定量地计算地下水的绝对年龄，采用表1“建立在氚含量基础上的地下水的近似年龄”（据Clark和Fritz,1997）的定性方法估计地下水的年龄。勘查区位于沿海地区，3H的测试结果为0.88TU，介于0.8～2TU之间，地下热水为亚现代地下水（1952年以前补给的）与近期补给的混合水。

3.414C的应用

通过14C测定，地下热水距今超过48 000a。地下水在流动过程中，通过地球化学反应使14C浓度发生变化的情况不可避免，最为典型就是溶解方解石和白云石而使测定的结果偏大。但是根据地下水的补给区和迳流区白云石、方解石不发育，可以排除14C浓度受溶解古老岩石的影响，可以推断地下热水迳流较缓慢。前面通过HO同位素和3H的应用分析，地下热水由早期的沉积水混合了近期补给的水，与14C测定结果不相矛盾(表2)。

表1　建立在氚含量基础上的地下水的近似年龄Table 1 Approximative age of underground water established on the basis of tritium content

表2　碳十四实验室样品年代测定结果Table 2 Age determining result of (14)C samples

4 结论

西八千地热田属沉积盆地热传导型，位于下辽河盆地西部边缘，属于整个盆地的迳流区。由于地形平缓，地下热水埋深大，地下水交替作用缓慢。该地段的西北部为低山丘陵区，是地下水主要补给区。通过应用HO、3H、14C等同位素方法分析得到如下结论：西八千地热田的深部地下热水是由早期的沉积水和近期大气降水经迳流补给的水混合而成的。

参 考 文 献

1 宋俊德，朱锦程. 辽宁凌海西八千地段深层地热勘查报告[R]. 2011

2 钱会，马致远. 水文地球化学. 2005

ANALYSIS OF THE CAUSE OF THE EIGHT THOUSAND UNDERGROUND HOT WATER BY ISOTOPIC METHOD

Song Junde Deng Huaimin Zhu Jincheng Wang Yan Wang Ning Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau , Jinzhou, Liaoning, 121000, China

Abstract

Liaoning Linghai Xibaqian geothermal field is located in the western edge of the area of Liaohe basin,and it’s belong to the Cenozoic sedimentary basin geothermal field of heat conduction. To achieve a relatively high temperature of underground water,determine the exploitation of geothermal reservoirs are the sandtone and conglomerate aquifer among third and fourth section of Shahejie Formation of bottom Tertiary.Take a group of geothermal water samples were detected for stable isotopes (18O,2H,) and radioisotope (14C,3H). HO,3H,14C isotope method are applied to analyze causes of underground water.Showed that underground water is a mixture of the early sedimentary water and recent atmospheric precipitation runoff water together.

Keywords:isotope, Xibaqian, geothermal water, geothermal resources, cause analysis

技术·方法

收稿日期：2015-04-20；改回日期：2015-05-21

* 第一作者简介：宋俊德（1976～），男，水工环,注册岩土工程师，高级工程师

中图分类号：P629:P314.1

文献标识码：A

文章编号：1006–5296（2015）02–0111–04