沂沭断裂带临沂段地热资源水化学及环境同位素特征

江海洋，王树星，刘 连，曹艳玲，史 猛，李婷婷，孙文广

（1. 山东省第一地质矿产勘查院，山东·济南 250014；2. 山东省第三地质矿产勘查院，山东·烟台 264000；3. 临沂市国土资源局，山东·临沂 276301）

沂沭断裂带是中国东部巨型活动断裂带——郯庐断裂带山东地区的称谓，它对山东地区大地构造格局的形成起到了重要的控制作用。沂沭断裂带在近代仍有活动，四条主干断裂均为第四纪活动断裂。自西向东分别为鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂、安丘—莒县断裂和昌邑—大店断裂。除此之外还包括较多次级断裂[1-2]。断裂带内及两侧地质条件有利于地热资源的形成，分布有多个地热异常区，拥有2600年历史的汤头温泉就坐落于此。沂沭断裂带地热富集区是临沂市最重要的地热富集区，多年以来一直是临沂市地热资源开发的重点区域，近年来该区共施工了20余口地热井，大部分比较成功，是临沂市地热资源总体规划布局的中轴线[3-11]。

1 地质条件及地热资源分布特征

1.1 地层与构造

研究区内断裂十分发育。北北东向的四条主干断裂纵贯全区，另外自北向南分布有九山断裂、韩旺—沂水断裂、金星头断裂、马牧池断裂、孙祖断裂、新泰—垛庄断裂、蒙山断裂、甘霖断裂等规模不一的次级断裂体系。沂沭断裂带在多期活动中，主断面表现出不同的力学性质。先期的张性活动，形成了宽大的断裂破碎带，并引发了中生代白垩纪火山喷发和断陷沉积。新生代古近纪以来又表现为强烈的挤压，形成一系列压性构造，主断面为压扭性力学性质，表现为阻水、隔热的水文地质特征。

鄌郚—葛沟断裂以西，各断陷盆地内自南西向北东依次分布新太古界泰山岩群，元古界震旦系，古生界寒武系和奥陶系，中生界石炭系、二迭系、侏罗系和白垩系，新生界古近系、新近系及第四系等；鄌郚—葛沟断裂与沂水—汤头断裂之间的马站—苏村地堑、昌邑—大店断裂与安丘—莒县断裂之间的莒县—郯城地堑内，主要分布中生界白垩系莱阳群、青山群、大盛群、王氏群；中部汞丹山地垒主要分布太古界泰山岩群；昌邑—大店断裂以东，分布元古界沂水岩群、荆山群片麻岩；中生界白垩系莱阳群、青山群、大盛群、王氏群及第四系（图1）。

图1 沂沭断裂带区域地质略图Fig.1 Regional geological map of Yishu Fault Zone

1.2 大地热流分布特征

大地热流可以反映区域的地热背景状态和地质构造活动状况。大地热流值沿沂沭断裂带表现为一条梯度递变带[3-4](图2)，自北向南在潍坊、临沂城区、郯城各有一个小的封闭高值区，大于全球平均值（63mw/m2）10mw/m2以上。郯城、潍坊地区大地热流值最高大于75mw/m2，临沂城区约为70mw/m2。沂沭断裂带东侧要高于西侧，热流值在鲁西地块上呈近南北展布低值区，约在44.9～50.2mw/m2之间，而胶南隆起带上热流值约70mw/m2。

图2 沂沭断裂带及邻区大地热流值(mw/m2)Fig.2 Heat flow values of Yishu Fault Zone and adjacent area

1.3 地温场分布特征

沂沭断裂带中、新生代活动强烈，并伴随着频繁的岩浆活动。深切上地幔的断裂破碎带为地下水深循环提供了通道，地下水深循环又加快了深部热流的上涌。研究区热源具有多元性质，既有地幔热流，又有壳源放射性元素衰变产热以及断裂带活动产生的热量。但值得指出的是，沂沭断裂带四条主干断裂都曾经历过张性阶段，断距较大，属于近似开放系统，热量散失较快，很难聚集。沂沭断裂带的地温梯度一般为小于2.5℃/100m，相对较小；次级压扭性断裂附近。

1.4 地热资源分布特征

依据异常区所处的区域地质构造背景、遥感解译热红外信息反映的强弱、地温场特征和地下热水赋存条件等因素，同时适当考虑热储类型、水温、水量、已知开发利用温泉情况及开发利用远景、地理环境等因素将研究区划分出28个地热异常区[3]，占临沂市地热异常区总数的57.14%。自北向南依次分布有沂水地热田、铜井地热田、松山地热田、汤头地热田、北城新区地热田、西高都地热田等。已备案地热可采资源量15135.35m3/d，占临沂市已备案地热资源总量的88.51%。

2 水化学特征

2.1 矿化度及pH

研究区地热水矿化度范围为462.65～15677.35mg/L（表1），在空间上呈现出北低南高、西低东高的规律。其中沂水东方瑞海地热水矿化度最低，为462.65mg/L，莒南大店地热水矿化度最高，为15677.35mg/L。pH值为7.02～9.57，均属于弱碱性水。

表1 区内地热水水质分析成果表(mg/L)Table 1 Results of water quality analysis (mg/L)

2.2 主要离子特征

（1）rNa/rCl

区内水化学类型比较复杂，除沂水地热田外，矿化度均超过1g/L，Cl-及Na+离子含量较高，利用各地热水中元素的摩尔浓度比rNa/rCl与大洋水（rNa/rCl=0.85）作对比判断地热水的来源，经计算汤坊崖地热井及北城新区DR1井略小于0.85，可能存在部分古代沉积水；其余地热水中元素的rNa/rCl均大于0.85，符合大陆溶滤水的基本特征，即地热水的补给来源主要为大气降水。

（2）离子组成

为了直观地表达各地热水中主要离子的组成，采用上述10组地热水水质分析结果，绘制了各主要离子成分的玫瑰花图[12-14]（图3）。区内地热水阴离子以Cl-为主，主要阳离子为Na+离子，地下水化学类型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型为主，区内地热水经过了较长时间的循环及水岩反应。

图3 主要离子成分玫瑰花图Fig.3 Rose diagram of major ionic components

2.3 地热流体组分动态特征

天然状态下，地下水水化学动态比较稳定，而人类活动可能对地下水动态产生多重影响。国内外很多地热田因开采量的增大出现了水质淡化甚至污染的情况。

临沂市地热资源开发管理处对研究区内已开发地热田进行了长期的水质监测，定期采取地热水样进行水质分析[11]。由于汤头温泉开发利用程度较高，水质监测资料最为丰富（图4）。汤头温泉的水化学成分处于持续变化中，2005-2007年，各主要化学组分含量呈现出不断下降的趋势，2007年达到最低值，随后又稳步回升。通过与汤头地热田历年开采量对比发现，在此期间温泉开采量较大。地热水开采量过大刺激冷水补给增加，是导致这一现象的根本原因。

监测数据表明，当开采量长期保持较高水平，地热水的矿化度及主要离子成分均不同程度降低，呈现水质淡化趋势并伴随着水位、水温的降低；当开采量较小时，地下水水温、水量、水质动态变化均较小。

图4 汤头温泉主要化学组分变化趋势图Fig.4 Changing trend of main chemical composition of Tangtou hot spring

表2 汤头温泉水质变化情况一览表Table2 List of water quality changes in Tangtou hot spring

2.4 微量组分特征

地热水在深循环过程中，与围岩发生相互作用，水中溶解的微量元素不断增加，尤其在相对封闭稳定的循环系统中更有利于水中化学组分的聚集，区内地热水富含F、Sr、Li、偏硅酸等对人体有益的微量组分(表3)。《理疗热矿水水质标准》[15]根据对人体有益的化学组分含量高低将理疗热矿水划分为命名矿水浓度、矿水浓度和有医疗价值浓度三类。根据本次水化学分析结果，区内10个地热田地热水中F含量为1.72～11.5mg/L，有8处达到命名氟型医疗热矿水的浓度，1处达到矿水浓度，1处达到有医疗价值浓度；地热水中Sr含量为0.23～52.52mg/L，有3处达到命名锶水医疗热矿水的浓度；5处地热田Li含量达到了矿水浓度标准；偏硅酸含量为31.2～87.75mg/L，有三处达到命名偏硅酸型医疗热矿水的浓度，其余7处达到矿水浓度。研究区地热水具有较高的医疗价值，适宜作为理疗用水。

表3 研究区地热水有益组分一览表(mg/L)Table 3 List of bene ficial components of hot water (mg/L)

3 环境同位素特征

环境同位素组成在地下水运移过程中具有一定的稳定性，但对温度变化、水岩反应、蒸汽散发、混合稀释等过程具有敏感标记作用，放射性同位素独特的衰变特性可以用来计时定年。可以利用环境同位素的这些特性来研究地热水的补给来源和循环过程。

3.1 放射性同位素特征

地热水均经历了较长时间的径流循环，其滞留含水层的时间较长。利用水中氚的含量可以大致区分地热水是核爆前还是核爆后补给。1952年以前补给的地下水中不含核爆氚，经历几十年的衰变，含量已经可以忽略。3H小于1TU（仪器检出限）可认为是1952年以前补给的；大于1TU则有相当一部分为1952年后补给。对于大于60年的年老地下水，可以用14C进行测年。

东方瑞海、松山、汤坊崖地热水中3H含量均小于1TU，主要为1952年前补给。其余地热水3H大于1TU，为1952年以前的补给水与近代补给水的混合水。

铜井地热水、汤头温泉水14C含量分别为67.40±1.18PMC、65.36±2.53PMC， 其 表 观 年 龄 为3.26±0.15Ka、3.52±0.32Ka。由于受到浅部年轻冷水混合作用，研究区地热水年龄应该大于3500a。

3.2 氢氧稳定同位素特征

地热流体中稳定同位素δD和δ18O的组成通常用于确定地热流体的成因，本次采集并检测了区内地热水、常温地下水共21件。地热水投点主要落在关系曲线的左下方，常温地下水主要落在右上方，都在全球雨水线附近，反映区内地下水为大气降水补给。

图5 δD-δ18O关系图Fig.5 Relation diagram of δD-δ18O

4 热储温度

地热水的出水口温度并不能代表热储层的温度，因为热水运移过程中难以避免地与浅层冷水及围岩发生热量交换，使水温降低。虽然钻探揭露含水层后可以进行稳态测温，但地温场的恢复需要几个月的时间，往往难以进行。目前主要用地球化学温标计算热储温度。常见的地热温标有SiO2地热温标、阳离子地热温标、同位素地热温标和气体温标四类，其适用范围各异[16-18]。

温度是调节水中SiO2含量的主要因素，即使热泉水因传导损失而冷却，其SiO2含量仍对地下温度具有指示作用。计算结果通常略高于实际出水温度，反映该地热水在深循环过程中曾经达到过的温度。

SiO2温标计算公式如下：

式中：

t：估算热储温度，℃；

C1：水中溶解的SiO2含量，mg/L。

本文采用SiO2温标计算热储温度（表4），热储温度在68.5～125.7℃之间，与32～74℃的出水口温度相差较大，反映了各地热水均有较多冷水混入，在地热井完井过程中做好上层冷水封堵工作能够较大幅度提高钻取的地热水温度。

表4 热储温度计算结果一览表Table 4 Calculation results of thermal storage temperature

5 结论

（1）区内地热水水化学类型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型为主，矿化度均较高。已开发的地热田随着开采量的增加，地下热水水质有淡化的趋势，应合理控制开采量，保证地热资源的可持续性利用。

（2）区内地热水富含F、Sr、Li、偏硅酸等对人体有益的化学组分，具有较高的医疗价值，适宜作为理疗用水。

（3）研究区内主要由大气降水补给形成，少数可能存在古代沉积水。地热流体平均年龄在3500a左右，径流路径长、更新速度慢。

（4）SiO2温标推算的热储温度与出水口温度相差较大，反映了各地热水均有较多冷水混入，在地热井完井过程中做好上层冷水封堵工作能够大幅提高开采的地热水温度。