唐山市滨海地区地下热水水化学特征及循环深度

牛兆轩， 牛雪， 张成龙， 陈东方， 邓志辉

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）

0 引言

地热指来自地球深部的可再生资源，全球地热资源的总量约14.5×1025J，到21世纪末地热能的利用量可能会占世界能源总量的30%～80%[1-3]。地热能具有供能持续稳定、循环利用高效、可再生等特点，可减少温室气体排放，有助于实现碳中和目标[4-7]。因地制宜地开发利用地热能，可以为能源替代和实现碳中和目标提供新方法、新思路[8～9]。因此，开展区域性地热资源成因模式的研究具有一定的理论意义和实践意义。

唐山地区位于环渤海湾经济圈，经济与交通发达，但环境污染问题日益严重，迫切需要开发清洁型的新能源。多年来的勘查工作发现唐山市南部沿海地区地热资源丰富[10-12]，地下热水的开发利用得到了初步发展，但利用形式单一，多为冬季养虾等用途，且利用率不高。前人对渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡—柳赞—马头营地热田的研究初步探明馆陶组蕴含的地热资源量为13.79×1018J，且在深部赋存了丰富的干热岩资源； 马头营地区干热岩资源总计5.00×1019J，形成了深浅搭配，以养殖、供暖为主，试验性发电为辅的综合地热开发模式[13-17]，但针对地下热水的水化学特征及成因模式的研究相对较少。本文通过分析唐山市滨海地区地下热水的水文地球化学特征，使用化学温度计方法估算其热储温度和循环深度，初步探讨了研究区地热系统的成因模式，以期为未来该区地热资源的开发利用提供依据。

1 研究区概况

研究区位于河北省东北部，属于环渤海经济圈中心地带，是东北与华北两大经济区的结合部。属暖温带湿润—半湿润大陆季风性气候区，年平均气温12.5 ℃，年降水量500～750 mm，蒸发量1 500～1 800 mm[18]（图1）。

太古宇与震旦系主要出露于唐山地区的北部山区; 寒武系与奥陶系分布于山区边缘; 石炭系与二叠系在山区边缘有少量出露，多数隐伏于南部平原区; 侏罗系后城组少量分布于研究区北部; 新近系主要下伏于平原区的第四系，为内陆河湖相碎屑岩类，各类砂岩与泥岩互层，最厚处约2 000 m; 第四系广泛分布，为南部平原区的主体，最厚处约600 m，新近系和第四系厚度均呈现由北向南逐渐增加的趋势（图2）。

唐山市地热资源丰富，地下热水可开采资源量大，主要的热储层为新近系明化镇组与馆陶组，新近系广泛分布于窝洛沽—滦县断裂以南，属于河流相沉积，岩性从下至上表现出岩石粒度由粗（馆陶组）变细（明化镇组下段）再变粗（明化镇组上段）的规律。该热储层特点为水量大、水温较高、面积大，地下热水资源具有极为广阔的开发利用前景[10]。

图1 唐山市平原区地质地貌Fig.1 Geological and geomorphological of the plain area in Tangshan City

图2 研究区水文地质剖面Fig.2 Hydrogeological profile of the study areu

2 样品采集与测试

为了解研究区地下热水的水化学特征，本研究选取5个唐山市沿海养殖自打地热深井水样品，选取1个曹妃甸区柳赞镇附近地温异常区的浅层地热井水样品（图3）。在取样前，取样瓶均用预取水样清洗3次以上，现场使用0.22 μm的过滤头对H、O同位素样品进行过滤处理后，采集并密封保存。

图3 取样点位置Fig.3 Location of sampling points

3 测试结果

3.1 水文地球化学特征

地球化学测试结果如表1所示。5个沿海地热井水样的水温为45～86 ℃，属于中低温地下热水; pH值为8.77～9.15; 电导率为1 547～5 022 μS/cm，溶解性固体总量（total dissolved solids,TDS）值为960.37～1 643.79 mg/L，属于高矿化度弱碱性硬水，水温异常的水样DR-1由柳赞镇附近取得。

表1 研究区地下热水水化学参数

图4 研究区样品Piper图解Fig.4 Piper diagram of samples in the study area

3.2 δD-δ18O关系

δD-δ18O关系的特征可以用来识别地下热水的补给来源和补给特征[21]。唐山市南部平原区第四系地下水的δD-δ18O关系如图5所示[20]，除深度较浅、温度较低的DR-1外，样品均发生显著的δ18O正偏，但总体依然落在当地大气降水线附近，表明研究区地下热水来自所在区域大气降水补给。

图5 研究区地下水的δD-δ18O关系Fig.5 δD-δ18O relationship diagram of geothermal water in the study area

大气降水中的δD和δ18O值与区域多年平均温度呈线性关系的现象称为温度效应[19]。我国东部地区大气降水的δD和δ18O值与当地年平均气温T（℃）之间关系的公式为

δD=2.8T-94，

（1）

δ18O=0.35T-13。

（2）

地下水H、O同位素的特征包含多种补给特征信息，可以通过各类水体信息推测研究区的补给温度，并结合区域地质环境演化规律，大体确定各类水体的补给时间段。依据样品的δD和δ18O值，结合式（1）和式（2）得出水体的补给温度，结果如表2所示。

表2 研究区地下热水的补给温度

样品δ18O正偏的现象说明地下热水的O同位素与围岩发生了同位素交换，而地下热水的δD与浅层低温地下水相当，表明地下热水主要来源于大气降水[16]，因此选取更为稳定的氢同位素计算出的补给温度，即沿海地下热水补给温度约7 ℃。

3.3 水-岩平衡状态判别

Na-K-Mg三角图有助于确定水体是否与周围岩石达到均衡，并证明是否存在混合作用[22]。将地热水分成完全平衡水、部分平衡水或混合水、成熟水，为确定水-岩平衡状态提供了便利工具。

将样品的Na+、K+和Mg2+含量投影到Na-K-Mg三角图中（图6）。所有样品均落于部分平衡水或混合水区域，且沿海地热井水样接近完全平衡水区域，说明研究区地热水的水岩相互作用较活跃，地热水经历了长期的水岩相互作用，并与热储围岩达到了水岩平衡状态，但地热水在向地表排泄的过程中受到少量浅层地下水的混合作用，其中混合作用最强的为柳赞镇附近的异常地热井水样品。

图6 研究区样品Na-K-Mg三角图Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of samples in the study area

3.4 热储温度

地热温标是在地热流体矿物质化学平衡的状态下，依据热水化学性质与热储温度的相关性确定热储温度，测试地热水中Na+、K+及SiO2等的浓度，利用SiO2温标与阳离子温标等手段综合评价地热系统的热储温度（表3）[23-24]。

SiO2地热温标是依据地热流体中的SiO2含量与热储温度及压力的关系进行计算。SiO2一般不受其它离子及挥发物质散失的影响，且不随热流因传导损失冷却而迅速沉淀，因此地热流体中的SiO2含量是地下热储在地表显示的重要证据。SiO2地热温标适宜的热水温度范围为0～250 ℃，不适用于已经受稀释的热水或pH值小于7的酸性水。

常用阳离子地热温标包括Na-K、K-Mg和Na-K-Ca温标。此外，根据水化学组分和地质条件可选用Na-Li温度计、Na-Ca温度计和K-Ca温度计等。阳离子温度计均需要在矿物与地热水达到化学平衡的条件下使用，因此运用这些温标之前，首先要假定作为温标的某种溶质在深部热储中达到了平衡状态。研究区除个别水样为平衡水外，主要为部分平衡水，但均靠近平衡水范围，表明水样中浅层冷水混入量较少，可以使用阳离子地热温标法，但需对不同阳离子温标进行分析，选取受冷水混入影响较小的温标。研究区水样热储温度见表4。

表3 常用温度计公式

表4 地热温标计算结果

综合分析上述各地热温标计算得到的热储温度，玉髓温标所计算的热储温度普遍低于石英温标，个别水样点使用玉髓温标所计算的热储温度甚至低于井口出水温度，表明玉髓温标失效，该地热系统中石英的平衡控制着SiO2的浓度。

由于多数水样存在少量浅层冷水混合作用，因此Na-K温标和K-Mg温标计算的温度会偏低，而Na-K温标受冷水混合作用后再平衡影响的时间较长，可以最大程度地保留受冷水混合时的离子信息，因此该温标估算的温度可以代表地热流体和冷水混合时的瞬间温度，但K-Mg温标受到的影响较为严重，计算出的热储温度偏低（表4），不适用于该地热系统。

Na-K-Ca温标是对Na-K温标估算的热储温度进行修正后建立的方法，适用于中低温地热系统[30]，一般认为若地热水中ρ（Mg2+）>1 mg/L，则此温标存在误差[31]。除水样DR-1的ρ（Mg2+）=4.61 mg/L，可以认为该温标计算得到其他样品的热储温度较为可靠。

黏土矿物对Li+的吸附或解吸影响会改变地热流体中的Li+含量，且Na-Li温标主要用于碳酸盐岩地区地热系统中热储温度的计算，因此该温标不适用于研究区。

综上所述，本文选取石英温标、Na-K温标和Na-K-Ca温标部分可靠的计算结果进行综合分析，计算其算术平均值作为本次所选地热水的热储温度（表5）。

表5 研究区地热水热储温度Tab.5 Thermal storage temperature of geothermal water in the study area

3.5 循环深度及热储成因模式

地下热水温度与地下水的循环深度之间呈线性关系，通常情况下地下热水循环深度越深，地下热水的温度越高，地下水的循环深度的计算公式为

H=（t-t0）/Δt+h。

（3）

式中:H为循环深度，m;t为计算热储温度，℃;t0为研究区恒温带温度，取当地平均气温加2 ℃,即14.5 ℃; Δt为地温梯度，℃/100 m，根据已有钻井实测数据，研究区平均地温梯度为3.27 ℃/100 m[12，31-32];h为恒温带深度，取20 m。

综上所述，研究区热储温度可分为60～70 ℃和90～100 ℃两个区间，分别代表不同的地热水循环系统，计算得到循环深度为1 500～1 800 m和2 400～2 700 m。

研究区基岩埋深约1 700～2 000 m，因此，研究区热储系统可分为以新近系为热储层的低温地热系统和以基岩为热储层的中温地热系统，唐山市滨海地区地热田属中低温传导型地热系统，形成以馆陶组为主要热储层，深部燕山期高温花岗岩（干热岩）提供持续热源的地热系统（图7）。此地热系统因存在深部高温稳定热源，地热能稳定，但因地下水循环深度较深，且远离山前补给区，水交替循环缓慢。根据其水化学类型从山前HCO3-Ca型经过水化学演化逐渐演变为HCO3-Na型、TDS含量较高的特点，可判断如果长期大量开采且不进行回灌补给，可能导致该地热田的资源枯竭，且大量开采深层承压含水层地下水会导致地面沉降。

图7 研究区水热型地热成因模式Fig.7 Hydrothermal geothermal genetic model in the study area

4 结论与建议

（1）唐山市滨海地区地下热水出露温度为 26～86 ℃，属中低温地下热水。热水TDS为482～1 644 mg/L，pH值为8.25～9.15，为高矿化度弱碱性热水，水化学类型为HCO3-Na型。

（2）研究区热储温度可分为60～70 ℃和90～100 ℃两个区间，分别代表不同的地热水循环系统，计算得到的循环深度为1 500～1 800 m 和2 400～ 2 700 m。唐山市滨海地区地热田属中低温传导型地热系统，形成以馆陶组为主要热储层，深部燕山期高温花岗岩（干热岩）提供持续热源的地热系统。

（3）研究区水热型地热系统具有持续稳定的高温热源，但其具有循环深度大、远离补给区等特点，水交替循环缓慢，因此当地应建立完善的地热能开采管理体系，在高效开采清洁地热资源的同时避免造成地热尾水影响环境、资源枯竭及地面沉降等生态环境的问题。