基于水化学特征的“奥灰”地热流体水文地球化学演化机制研究——以济南东部章宁1地热井为例

程洪柱，成世才，王振涛

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250014；2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014)

0 引言

济南地区地热资源储量丰富、水质优良，开发利用程度较高[1]，2014年济南市被中国矿业联合会授予“中国温泉之都”称号。地热资源的开发利用直接减少了利用常规能源所产生的废气、悬浮颗粒物、煤灰渣等的排放量，对于城市治污减霾作用巨大，有利于生态文明城市的建设，符合党中央“绿水青山就是金山银山”的发展理念。

随着地热资源的开发利用规模日益加大，盲目扩大地热温泉开采所产生的环境问题也随之而来，该文通过研究地热水的水化学特征，分析地热水水化学演变机制，为济南东部地区温泉的合理开发利用提供依据。

1 地热水赋存环境

区内热储层为奥陶纪马家沟群，岩性以灰岩、白云岩为主，区内奥灰顶板埋深一般387～1200m，分布规律由南向北顶板埋深逐渐变大。

章宁1地热井，位于济南市章丘区宁家埠镇，处于济南泉群中的白泉流域内，为济南东部地热田的一部分。地热井紧邻东部地热田西边界文祖断裂，位于文祖断裂西侧构造破碎带中，热储层为奥陶纪马家沟群，岩性以灰岩、白云岩为主，地热资源类型为Ⅱ-3型(图1)。

图1 工作区区域构造图

地热井成井深度1511.1m。地热井水头高于地面23.97m，自流量83.6m3/h，降压试验最大降深50.74m，涌水量126.8m3/h，井口水温45.5℃。

2 地热水的水文地球化学特征

济南东部宁家埠地热水成分的形成是含水介质的化学成分、水化学作用、沉积环境及水循环等诸多因素共同作用的结果，地下热水水化学特征反映了地下热水同围岩之间的溶解与溶滤作用，同时体现了岩浆活动、大气降水、含水层之间的补给等因素[4-5]。该区地下热水水化学特征如下：

2.1 主要离子

2.2 微量元素

地热水中锶(15.37～16.48mg/L，平均15.925mg/L)、氟(2.30～2.51mg/L，平均2.405mg/L)达到命名矿水浓度，可命名为锶水、氟水；锂(0.90～2.15mg/L，平均1.525mg/L)达到了矿水浓度；偏硼酸(1.28～2.51mg/L，平均1.895mg/L)达到了有医疗价值浓度；偏硅酸(19.26～28.74mg/L，平均24.00mg/L)已接近医疗价值浓度。

3 地热水的地球化学演化

3.1 地热水的水文地球化学环境

地热水水文地球化学特征反映了地下热水的水文地球化学环境[6]，主要包括含水介质的岩性、水动力条件、氧化—还原环境及酸碱度等内容，研究区地下热水系统含水介质为海相沉积的奥陶纪灰岩、白云岩，在远离山前地段，随着奥陶纪石灰岩顶板埋藏深度不断增大，地下水补、径、排条件逐渐变差，遇弱透水构造或受岩浆岩体阻挡，则形成相对封闭的含水系统，经深部传导热能长期加热后形成热储含水层。地热水呈弱碱性，地热水的TDS为6.6g/L，变质系数γNa/γCl为0.92，这既不同于氧化环境水交替较强的低TDS(TDS<3g/L)，低变质，又不同于还原环境水交替滞缓区的高TDS(TDS>10g/L)，高变质，这反映了研究区地下热水系统为较封闭的弱氧化--还原环境水交替滞缓区[7]。

3.2 地热水水化学成分的形成

宁家埠地区地下热水化学成分的形成和演化是含水介质的化学成分、水化学作用、沉积环境及水循环等诸多因素共同作用的结果。

(1)易溶盐溶解：易溶盐溶解是地下热水水化学成分形成的主要水化学作用。海相沉积的奥陶纪灰岩、白云岩热储层含有盐岩等易溶盐类，在热储温度作用下，盐岩等易溶盐溶解度增大，这是地下热水中Na+,K+,Cl-,Br-,F-等离子含量较高的原因。

Na(K)Cl(Br-,F-)=Na+(K+)+Cl-(Br-,F-)

根据济南岩体岩石化学成分及微量元素分析资料(表1)，岩石中部分化学成分及微量元素含量较灰岩明显偏高，钻探验证章宁1地热井钻遇地层中经常出现闪长岩侵入体，侵入体中的矿物如辉石、角闪石、黑云母、方柱石等含有大量的F，Sr，HiSO3，Li等微量元素，地下水在深部径流过程中，由于径流速度慢，水—岩作用充分，矿物的微量元素受平衡流体的成分、温压条件以及自身的晶体化学结构等复杂因素影响大量溶于地下水中；同时，岩溶水与沿文祖断裂上升的深部热液混合，导致该处地热水中微量元素含量显著升高[10]。

黑云母转变为绿泥石时，释放F-进入水中[11]。

[K(Mg·Fe2+)(AlSi3O10)(F·OH)2]→[(Mg·Fe2+)5(Al·Fe3+)2(SiO4O10)(OH)]+2F-

[KMg3(AlSi3O10)(F·OH)2]→K∠1Mg3[AlSi3(O·OH) ∠12]·NH2O+2F-[5]

表1 济南岩体岩石化学成分及微量元素含量

3.3 地下热水的变质及演化

地下水的变质是指水化学成分之间相互反应引起离子组合比例变化的过程。强酸根与弱酸根的比例系数(K)和溶液的离子强度(I)定量表征了水化学成分变质过程。

为查明地热水水化学类型的演化过程，该次工作从补径排的角度，通过收集径流区章桃1地热井(地热井南4.5km)和补给区(地热井南18km)北曹范村岩溶水水质分析结果，主要离子分析结果见表2。

表2 主要离子分析结果(mg/L)

图2 主要离子Schoeller图

根据矿化度分析结果：北曹范(493.35mg/L)→章桃1(5064.44mg/L)→章宁1(6697.91mg/L)，与上述原因吻合。

淮委组织开展的引江济淮规划水资源论证，科学分析了跨流域调水工程与当地水资源之间的匹配性和协调性，提出了规划方案调整和优化的意见，进一步提高了规划编制的科学性和规划实施的可行性。长江委通过开展汉江干流、乌江干流梯级水电规划水资源论证，为梯级水电站选址提出提供了优化方案。跨流域调水工程规划水资源论证是跨流域调水工程规划的重要技术支撑，可为规划的科学编制提供重要技术依据。

图3 主要离子piper三线图

图4 北曹范、章宁1、章桃1主要离子玫瑰花图对比

从章桃1到沿径流方向4.5km的章宁1，地下水水化学类型由SO4·Cl-Na·Ca型转变为Cl·SO4-Na·Ca型，Cl-含量由814.14mg/L上升为1809.72mg/L，分析原因，氯离子主要来源于沉积岩中岩盐和其他钠盐的溶解以及海相沉积岩中埋藏的海水，其次来自火成岩中一些含氯矿物，以及结晶格架中有分散状态分布的氯的硅酸盐的风化和分解。从章桃1至章宁1，随着地热水继续沿断裂向深部循环，易溶解的氯化物岩类增多，使地热流体中氯离子含量不断上升；其次章宁1地热井在不同深度都有闪长岩侵入体，侵入体中的矿物如辉石、角闪石、黑云母、方柱石等含有大量的Cl-，地下水流经侵入岩体时，矿物的氯含量受平衡流体的成分、温压条件以及自身的晶体化学结构等复杂因素影响大量溶于地下水中，导致章宁1地热水中Cl-含量显著升高。

图5 地热概念模型图

4 地热水成热模式探讨

章宁1地热田属温热水型低温地热田。热储层岩性为奥陶纪马家沟群灰岩，属碳酸盐岩类岩溶裂隙热储。

热储：岩性为奥陶纪马家沟群灰岩，属碳酸盐岩类岩溶裂隙热储，属层状兼带状热储。该层裂隙、岩溶发育，富水性中等(章宁1地热井q=0.73L/s·m<1.0L/s·m)。钻孔揭露顶板埋深954.0m，测井解译热储厚度287.90m，温度45.5℃。

盖层：奥陶系热储上覆有巨厚的第四系、三叠系、二叠系、石炭系，根据章宁1地热井钻孔柱状图，盖层累计厚度954.0m。结构较致密，热导率较低，可视为热储保温盖层。

通道：文祖断裂在深部起到导水、导热作用；地热流体沿岩溶裂隙和断裂破碎带对流，沟通了与南部补给区的水力联系，构成了赋水空间及导水通道。

热源：大地热流为地热田的直接热源，次为放射性元素衰变释放的热量。热传导能力的差异和地温梯度是形成该地热田的主要因素。

华北地区热流值一般为1.0～2.0HFU[15]，其中，以1.2～1.8HFU频度最高。根据济南东部鸭旺口地热田详查报告，该区内热流值达到2.137HFU。章宁1地热井揭露奥灰前，观测循环液(泥浆)温度36℃，钻进至1097m自流水温43℃，终孔后物探测井井底温度46℃。

水源：热储含水层以接受奥陶纪岩溶水的深循环的侧向径流补给为主。

5 结论

(1)济南东部章宁1地热井热储层为奥陶纪马家沟群，受文祖断裂构造控制的深循环低温地热水。

(2)地热水水化学类型为Cl·SO4-Na·Ca型，地热水水温45.5℃，锶(15.37～16.48mg/L，平均15.925mg/L)、氟(2.30～2.51mg/L，平均2.405mg/L)达到命名矿水浓度，可命名为温水、锶水、氟水。

(4)章宁1地热井Cl-含量为1809.72mg/L，较章桃1的Cl-含量814.14mg/L有较大幅度的上升，分析认为，该地热井钻遇地层中在不同深度都有闪长岩侵入体，侵入体中的矿物含有大量的Cl元素，矿物的氯含量受平衡流体的成分、温压条件以及自身的晶体化学结构等复杂因素影响大量溶于地下水中；另一方面，章宁1位于文祖断裂西侧并在1150m处穿过断裂，岩溶水与沿文祖断裂上升的深部热液混合，导致该处地热水中Cl-含量含量显著升高。

(5)综上，导致补给区到径流区地下水化学类型发生变化的主要原因是由地下水对侵入岩体含氯矿物的溶解形成的，流经地层中的矿物成分一定程度上决定了地下水的化学组分；沿深大断裂上升的深部热液与地下水的混合是地下水化学类型转变的次要原因。

(6)沿深大断裂上升的深部热液的化学成分难以获得，故该次未对其与岩溶水的混合比例进行对比分析，混合机理有待进一步研究。