胶东地热田地热流体的补径排特征——以招远东汤地热田为例

赵辉，殷涛，史猛，江海洋

(1.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264000；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250000)

0 引言

胶东地区地热资源丰富，主要以温泉点为主要出露方式，前人在区内进行了大量的地热地质研究工作，但对胶东地热资源赋存机理的研究甚少，特别是对地热流体的补给-径流-排泄特征的深入研究更少，研究地热流体的补径排特征，不仅是人们认识一个地热田最直观的方式，而且对地热流体资源量评价及可持续开发利用具有重要的意义。前人针对地热水的补给来源做了大量研究工作，秦大军、庞忠和等[1]利用水化学及同位素，确定了西安地区地热水的补给来源及循环路径；Pastorelli S[2]运用氢氧同位素技术，分别对瑞士阿尔卑斯山附近的地下水和墨西哥的地热流体进行了水的来源研究；肖琼等[3]利用水化学分析、氘氧同位素及动态检测等方法，以重庆北温泉为例，对地下热水的来源与补给机制进行了系统分析；许高胜等对地热水的补给来源、滞留时间、流动途径和热水流动系统等地下热水的流动模式进行综合研究；田东升[4]通过对郑州市不同地段、不同层位水样氘氧同位素分析，计算了郑州市深部地热水的补给来源；张保建等[5]利用H，O同位素计算了鲁西北阳谷-齐河凸起地热水的补给来源；王圣文[6]对招平断裂带构造体制转折中流体演化作用进行了系统分析；张卓等[7]利用D，18O，14C等环境同位素技术，确定济南平阴某氡地热井的补给来源；宋明春[8]、黄永华等[9]对胶东半岛的构造发展史及主要的断裂构造特征进行了详细的研究，以上这些成果为该次研究提供了理论依据。

胶东地热田均属于开放式对流型柱状热储地热田类型，主要分布于以栖霞复背斜为代表的胶北隆起和以胶南-文登复背斜为代表的胶南-文登隆起区[10]。温泉的出露主要受断裂构造和岩浆侵入体的控制，16处温泉皆出露于复背斜核部的NNE或NE向压扭性断裂与NNW或NW向张性断裂交会处[11]，多组断裂的交会复合部位裂隙十分发育，岩石破碎，成为温泉出露最有利的条件。该文在对招远东汤地热田进行详细地热地质调查的基础上，采用综合地质分析、水化学、同位素等手段，系统分析招远东汤的补径排特征，分析胶东地区地热田的补径排特征。

1 研究区概况

招远东汤地热田位于山东省招远市城区，地理坐标为：东经120°24′53″，北纬37°21′48″，地热田内目前有开采井十余口，现日平均开采量在2000m3/d左右，20世纪80年代以前，该地热田内地热井仍可以自流，自流量值为240m3/d，随着开采量不断增大，地热田内地热井已经不能自流，地热田水温在70～90℃之间。

区域上招远东汤地热田位于胶北隆起区的栖霞复背斜，出露的地层主要为第四纪松散岩层；出露岩体为太古—元古代栖霞序列奥长花岗岩、黑云英云闪长岩、斜长角闪岩、中生代玲珑序列的中粒花岗岩和文登序列的二长花岗岩等。

对于胶东地区中低温对流型地热田，断裂构造是控制其热源、水源及出露位置的主要因素。研究区内的主要控热导水构造有基底古老褶皱构造和中生代燕山期的新华夏系断裂构造，而影响区内地热分布的断裂构造主要有招(远)-平(度)断裂带和玲珑断裂带(图1)。

(1)招(远)-平(度)断裂带(F19)

该断裂带南起平度，经由招远市城北转向龙口颜家沟一带，长100km，宽150～200m，属早新华夏系构造，断裂带沿袭玲珑岩体与胶东群地层接触带延伸。主体走向30°左右，受其他构造的影响，走向变化较大，整个构造带呈舒缓状弯曲，断裂带在招远城以南走向近SN或NE 15°左右，经考家村向NE急转弯为45°～60°。其倾向随走向的改变而转变，即由倾向E转向SE，倾角30°～45°，局部可达60°。

在招远城以南，断裂带沿玲珑花岗岩与胶东群地层的接触带延伸，招城以北断裂是玲珑岩体和栾家河岩体的分界线。主断裂两侧发育不同规模的与其平行或微有交角的次级断裂构造[12]。在构造带转弯地段的丁家庄子附近，沿岩体与栖霞序列岩石的接触带，产生一个大的分支断裂，走向40°～68°，倾向SN，倾角37°～52°，宽150m左右，出露长度9.6km，其构造特征与主干断裂相近，均显示压扭性特征。

(2)玲珑断裂带(F26)

该断裂带晚于招平断裂带，属晚新华夏系压扭性断裂破碎带。分布在玲珑矿田附近，断裂带全长大于60km，断裂带走向稳定，大体为NE 20°方向延伸，倾向NW，倾角65°～85°，南端变缓，倾角45°左右，破碎带宽一般在20～40m。在断裂破碎带内挤压特征明显，构造节理、劈理密集发育，并见有1～3m厚的断层泥，沿走向连续分布，厚薄不一。带内有灰白色糜棱岩、角砾岩透镜体分布，两侧碎裂状花岗岩较发育。

构造带内有玢岩脉充填，局部被挤压破碎为构造角砾，并使玢岩发生构造热液蚀变，沿脉岩边缘有片理化现象或煌斑岩脉充填，为东汤地热田的主要导水断裂。

2 地热田补给来源判定

关于地热田地热水补给来源的研究，首先要明确地热水的补给是来自地热田周边水体的补给还是地下水通过深循环径流补给的。该次研究从不同类型的地下水水质分析结果、D与18O同位素分析及其与大气降雨线的关系来说明东汤地热田地热水的补给来源[13-14]。

从地热田内地热水、基岩水及第四系水的水质方面看，地热水水化学类型为Cl-Na型水，基岩水为HCO3-Ca型水，第四系水为HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型水(图2)，水化学类型明显不同，且地热流体中Cl-，F-，Ba2+，Li-，Sr2+，H2SiO3等离子及矿化度的浓度明显高于温泉附近基岩水与第四系水中离子的含量(表1)，特别是地热水TDS更是高达3312mg/L。而其周边的基岩水TDS为863mg/L，第四系水TDS为317ng/L，这也侧面反映了地热水一定是经过了深循环，在循环的过程中，地热水不断地与围岩发生水岩作用，从而导致热水的矿化度从低变高；地热田位于城区，附近地下水均受到不同程度的污染，而地热流体经过多年的开采，水质并未受到污染，这些都表明地热流体的补给来源并不是温泉附近的第四系水或者基岩裂隙水。

1—第四系；2—粉子山群；3—荆山群；4—郭家岭序列；5—文登序列；6—玲珑序列；7—双顶序列；8—莱州序列；9—栖霞序列；10—马连庄序列；11—官地洼序列；12—石英脉；13—花岗闪长斑岩脉；14—花岗闪长玢岩脉；15—石英闪长斑岩脉；16—闪长玢岩脉；17—绢英岩；18—地质界限；19—张扭性断裂；20—压扭性断裂；21—性质不明断裂；22—片麻理；23—倒转向斜；24—构造韧性带；25—破碎带；26—招远东汤位置图1 招远市构造纲要图

降水中的稳定同位素D与18O在补给过程中，将大气D与18O的信号传递给地下水，地下水在渗透的过程中使得水中同位素的含量发生变化，这些变化为地下水来源调查提供了基础[15]。地下水的δD与δ18O含量在垂向上具有明显的分层特点，整体表现为随着地下水的埋藏深度的增加，地下水的δD与δ18O值逐渐偏负，指示着地下水不同含水层段上水力联系微弱[16]。

表1 招远东汤地热流体、基岩水及第四系水主要离子及微量元素分析对比 ng/L

图2 胶东地热田地热水、基岩水、第四系水piper图

为了进一步佐证地热水与区域地下水的关系，该次研究利用不同年份采取的两组地热水、基岩水及第四系水水样的D，18O同位素分析结果，来判定不同类型地下水之间的水力联系(表2)。由表2及图3可以很直观地发现，随着地下水埋藏深度的增加，东汤地热田附近的地下水的δD与δ18O值逐渐偏负，同位素结果指示着地热水与其周边的基岩水及第四系水无明显的水力联系，同位素结果与水化学分析结果一致，可以断定地热水与其周边的水体无水力联系，地热水来自于深循环的地热水。

表2 招远东汤温泉地热流体氘氧浓度 ×10-3

注：由中国地质科学院水文地质环境地质研究所重点实验室测试(河北正定)。

图3 东汤地热田地热水、基岩水及第四系水氘氧同位素关系图

既然地热水来自于深循环的地热水，那么深循环的地热水又来自于哪里？D、18O同位素是研究地下热水来源及其成因的天然示踪剂，通过分析东汤地热田地热水中的D、18O同位素指标，并与大气降雨线进行对比，可判别地下热水的补给来源、补给高程、补给区域等[17]。为了说明东汤地热水的补给来源，根据招远东汤地热田及胶东各地热田的D，18O同位素与全球及山东省东部地区大气降雨线的关系(图4)，可以看出，地热水的D，18O同位素均落在大气降雨线的附近，未出现氧漂移的现象，第四系水(1)至基岩水(2)再至地热水(3)，胶东地区地热田附近的地下水随深度增加其δD与δ18O值逐渐偏负。综上可以得出，东汤地热田的地热流体来源于大气降雨的补给，入渗的地下水经过深循环加热后形成地热水。

图4 胶东各温泉地热水中δD-δ18O关系图

2.1 构造依据

前面已经论述东汤地热水来自于深循环的大气降水，那么地热水如何进入地下进行深循环的？

从招远东汤地热田地热流体开采量及水位长期观测资料分析可知，控制地热田的主要构造并不是区内的次级小断裂，而是区域性的深大断裂。招远东汤目前地热水开采量约为2000m3/d，虽然随着开采量的增大，地热田的水位出现了一定程度的下降，冬季水位埋深可达50m，但是在夏季地热田开采量减小的时候，地热田仍能恢复短暂的自流状态，充分说明该地热田具有良好的补径排条件，可更新能力强。但地热田内的次级断裂构造的发育规模一般，并且在这些次级断裂的周边又没有很好的补给来源，由此可以推断，控制招远东汤地热田的断裂为区域性的深大断裂，而非地热田内发育的次级小断裂。

从地热田所处的区域构造位置分析(图1)，东汤地热田位于倾向SE的招平断裂带北段与倾向NW的玲珑断裂带交会形成的闭合区域内，两个深大断裂在地热田的东北部双顶山附近开始交会，从交会部位向西南地热田方向断裂交会带不断加深，深切的断裂不仅沟通了深部热源，也为地表水通过构造裂隙进入地壳深部提供了条件[18]，同时由于近EW向断裂的切割作用，使得地热田下部岩石更加破碎，导水能力更强，更有利于地热水的上涌，当地下水经过深循环加热后形成局部的上升压力，地热水就会沿着断裂交会形成的破碎通道上涌形成地热田(图5)。

1—断裂构造带及倾向、倾角；2—推测的两条断裂不同深度复合投影线；3—地热主要分布区；4—冷热水循环路径；5—剖面线；6—温泉图5 区域断控热导水裂构造复合关系图[18]

综上所述，可以断定地热流体补给源并不是来自于地热田周边的水体补给，而是大气降雨通过地表次级小断裂，入渗进入招平断裂带与玲珑断裂带交会复合形成的破碎带，进入地下深循环，在合适的部位沿着热储通道上涌而形成地热田。那么东汤地热田的地热流体在哪里通过地表入渗进入地下的呢？

3 地热田补给区确定

由于地形变化、季节变化等所引起的D与18O同位素变化可以被地下水所保留，这些变化可以用来计算地下水的补给高程[19]。但是不同时期的D与18O值会有不同，如冰期的时候，大气降水的氘氧值可能会比较低，而高程效应造成的结果也是氘氧值低，所以，要考虑到时间的问题。因此为了排除时间因素对D与18O值的影响，该次研究取温泉地热水进行14C同位素测年分析，确定地热水的补给年龄。14C测年的基本原理是应用地下水中的溶解无机碳作为示踪剂，以14C测定地下水中溶解的无机碳的年龄。年龄是根据地下水的14C浓度与补给时浓度之间的差别来计算。其计算公式如下：

A=A0×e-λ·t

式中：A0—样品的初始14C放射性浓度(Bq/g)，实际应用时取“现代碳”标准(813.6Bq/g)；A—停止交换t年后样品的14C放射性浓度(Bq/g)；t—停止交换后所经历的时间；λ—14C的衰变常数，λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2，T1/2为14C半衰期(5730a)，带入后得到：

t=(1/λ)×ln(A0/A)=8268ln(A0/A)

招远东汤地热田地热水的14C分析结果见表3，将所测数据带入上式，得出招远东汤地热水年龄在3000a左右，而末次冰期发生时间在10ka以前，因此可以排除时间因素对D与18O值的影响。

表3 天然温泉地热水年龄

注：由中国地质科学院水文地质环境地质研究所重点实验室测试(河北正定)。

按照氢氧同位素的高程效应原理，δD值随着地下水补给高程的增大而减小[20-22]，根据东汤地热田地热流体δD值变化来计算地热流体的补给高程，初步推断其可能补给区域，补给高程计算公式如下：

H=(δg-δp)/K+h

式中：H—补给区高程，m；K—区域大气降水δD高度梯度，(-2.5～-2.0)×10-3/100m；δg—温泉水δD值，×10-3；δp—地热流体采样点附近大气降水δD值，×10-3；h—温泉所在位置的海拔高度，m。

由于研究区整体海拔相对内陆较低，为64m，该次计算取δD值为-2.0×10-3/100m，经计算研究区地热流体补给区的高程为314～414m之间，该高程是不同高程补给水体的一个平均高程而非绝对高程。

胶东地热田均属于受断裂构造控制的开放式对流型柱状热储地热田类型，断裂交会形成的柱状破碎带为其主要的导水通道，上文论述了F16招平断裂与F29玲珑断裂交会形成的破碎带为东汤地热田的主要深部运移的导水通道，次级断裂F3为将深部地热流体导入地表的主要断裂。根据F16,F29断裂走向、倾向及汇流区域推测地热田的南部山区、北部山区为可能的主要的汇流补给区，但从地形上南部山区高程普遍在314m以下，不满足计算的东汤地热田补给高程条件，因此可以确定其补给区域主要在招远城区的东北部双顶山区域，距离地热田约15km(图6)。通常地热水的补给来源并不是单一的补给源，但是由于取样的地热水是多方补给源的水体混合后的结果，因此，通过D同位素高程效应计算的补给区高程是一个多方补给高程的综合平均值，双顶山区域是该地热田的主要的补给源，而并非是唯一的补给源。

图6 招远东汤地热田主要补给区域

4 东汤地热田补径排模型

根据东汤地热田招1、招3、招4、招5、招6、招10、招11地热井测温数据及断裂构造分布情况得出东汤地热田平面地温场分布图(图7)及剖面图(图8)。从图中可以看出东汤地热田中心位于多组断裂构造交会复合部位，这与前面的论述相一致。地热田整体呈NW-SE向分布，地热田南东部位温度明显高于北西部位温度，从温度分布可以推断热储从南东向北西由深到浅分布(图8)。

根据东汤地热田的构造特征，受招平断裂带、玲珑断裂带及近EW向次级断裂的控制，地热水的上涌通道为3个断裂交会复合破碎带，其中招平断裂与玲珑断裂交会破碎带为地下水往深部运移的主要径流通道；D，18O同位素的高程效应计算东汤地热田的补给高程为314～414m，结合导水断裂的走向及倾向特征确定东汤地热田的补给区为距离招远城区东北部15km的双顶山区域，其补给-径流-排泄模型见图9。大气降雨在双顶山地区降落至地表，通过地表裂隙进入地下，在循环的过程中首先吸收围岩中的热量，当地下水从微小裂隙进入到比较破碎的玲珑断裂带及其影响带(F26)附近时，地下水沿断裂带往地壳深部运移，在深循环的过程中，地下水吸收大地热传导热再次加热，此时地热水的温度通常是正常大地热流增温类型的地热水，而当地下水再次流经深切割的导热断裂带(F19)附近时，地下水与导热断裂发生水热对流，地下水迅速升温形成高温地热流体，此时当地热田上方的次级断裂(F3)沟通深部地热水时，加热后的地热水沿着断裂破碎部位上涌形成地热田。

图7 东汤地热田地温场平面分布图

图8 东汤地热田地温场剖面图

图9 东汤地热田地热水来源及补径排机制模型示意图

5 结论

(1)招远市东汤地热田在区域上主要受招平断裂带、玲珑断裂带及地热田周边次级断裂带的共同影响，两深大断裂的交会复合部位为地下水的入渗补给、深循环径流及上涌提供了良好的通道，深大断裂是控制该地热流体形成的主导因素，次级断裂是控制地热田出露位置的主要因素。

(2)东汤地热田地热水中的Cl-，F-，Ba2+，Li-，Sr2+，H2SiO3等离子及TDS浓度远高于其周边的水体化学成分，特别是TDS高达3312ng/L，明显区别于周边水体；随着埋藏深度的增加，地热水、基岩水及第四系水的δ18O与δD值逐渐偏负，证明地热水与其周边的基岩水及第四系水之间并无水力联系，证明地热水的补给并不是地热田周边水体的直接补给，而是通过深循环补给。

(3)根据氢氧同位素的高程效应，计算东汤地热田地热水的补给高程为314～414m；由地热田的D，18O同位素与山东省东部地区大气降雨线的关系可以看出，东汤地热田的地热水来源于大气降雨的补给；大气降雨在距离地热田15km处的双顶山地区降落到地表后沿地表裂隙进入地下，然后沿着招平断裂与玲珑断裂复合的破碎通道运移至地壳深部形成地热流体。

(4)地热水是多方补给来源的水体混合后的结果，通过D同位素高程效应计算的补给区高程是一个多方补给高程的综合平均值，双顶山区域是该地热田的主要的补给源，而并非是唯一的补给源。

(5)水位监测点也可以将全市区范围的水位监测点接入，尤其是水源地的监测数据，以便于综合分析沉降产生的原因等。