基于水文地球化学特征的黄河流域（济阳段） 地热水成因机制研究
2023-06-21高志友李大鹏颜梅吕涛高荣政王炳凤张新辉
高志友 李大鹏 颜梅 吕涛 高荣政 王炳凤 张新辉
摘要： 黄河流域（济阳段）地热资源丰富，阐明地热田的成因机制对区域地热水资源的开发利用和黄河流域高质量发展具有重要意义。以黄河流域（济阳段）齐广断裂以南灰岩热储为研究对象，进行水化学分析和同位素分析，结果表明研究区地热水水化学类型主要为SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型，地熱水总体上受大气降水的入渗补给，地热水补给区高程范围为497.81～2117.97m，地热水属于亚现代与近期补给的混合水和现代水。
关键词： 地热水；水文地球化学；成因机制；黄河流域；济阳段
中图分类号： Ｐ341.1；Ｐ641.5 文献标识码： A doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.009
引文格式： 高志友，李大鹏，颜梅，等.基于水文地球化学特征的黄河流域（济阳段）地热水成因机制研究［J］.山东国土资源，2023，39（3）：65 71.GAO Zhiyou，LI Dapeng，YAN Mei，et al.Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water of the Yellow River Basin （Jiyang Section） Based on Hydrogeochemical Characteristics［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：65 71.
0 引言
地热是一种绿色、清洁能源，具有极大的开发潜力和经济价值［1］。济南北部地热资源丰富，开发利用程度较高，地热水质优良，地热研究程度较高，前人对济南多个地热田的地质特征、地热流体的化学特征和补给来源等问题做了分析研究［2］。张保建［3］等通过氢氧同位素的方法分析研究出了大气降水为济北地热田地热水的补给来源，李常锁［4 5］等分析了济南北部地热水水化学特征及其形成机理，赵玉祥［6］、隋海波［7］等研究了济北地热田的地热水来源、形成条件、补径排条件。
对地热水水化学的研究有助于识别地热水来源、地热系统中水岩相互作用及地热水运动特征等［5］，本文通过分析区内地热水的水化学特征，研究 区内地热水水成因机制，为地区地热资源的合理开发利用提供依据。
1 研究区概况
研究区位于黄河流域（济阳段），研究对象为齐河 广饶断裂以南奥陶纪岩溶裂隙热储，区内地热资源丰富，地下热水主要用于供暖、洗浴康养、监测［8］等。
研究区属华北地层大区晋冀鲁豫地层区，地层自上往下依次分布第四系、新近纪明化镇组、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、新太古代泰山岩群，缺失新近纪馆陶组及古近系，奥陶系埋藏较浅。
根据山东省大地构造单元的最新划分方案，研究区位于华北板块（Ⅰ级）鲁西隆起区（Ⅱ级）鲁中隆起（Ⅲ级）泰山 济南断隆（Ⅳ级）。研究区内主要的 断裂构造有齐河 广饶断裂、卧牛山断裂、滩头断裂、港沟断裂、文祖断裂等（图1）。
根据含水介质的岩性组合、埋藏分布条件和地下水的赋存特征，研究区的含水层主要划分为①第四系孔隙含水层：主要以第四系、新近系松散沉积为主；②石炭 二叠系碎屑岩类裂隙水和层间岩溶裂隙含水层：其岩性为石炭 二叠系的砂岩、粉砂岩、泥岩、泥岩夹煤层和石灰岩，总体富水性较弱；③奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层：岩性主要为灰岩、白云岩等；④基岩裂隙含水层：该含水层主要分布在研究区南部鹊山水库附近，主要为济南岩体中风化裂隙水，富水性差。
研究区为奥陶系岩溶裂隙热储，盖层为新生代第四系和新近系、古生代二叠系和石炭系；热储为奥陶纪中、下统灰岩，正常的大地热流为其主要热源。济南岩体的存在阻挡了南部大量冷水向北径流，同时迫使南部一部分岩溶水向地下深处循环，起到增温和保温的作用，岩体内部深大断裂形成了地热水与深部热源沟通的通道。奥陶纪灰岩岩溶水水温为28～45℃［5］。热储层热储呈层状兼带状分布，受断裂构造控制，彼此存在成生关系，地质构造条件比较复杂，属于中低温地热田Ⅱ 3型。地下水总体流向由南向北径流［5］。
2 样品采集及分布
本次共采集水质分析样3组，同位素分析样1组，样品测试分析工作委托国土资源部济南矿产资源监督检测中心和山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队实验室完成，测试方法为电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子发射光谱法；同位素分析工作委托中国地质大学（武汉）分析测试中心完成，使用稳定同位素气体质谱仪、超低本底液体闪烁能谱仪检测完成。共收集水样数据7组［5］，收集同位素数据8组［9］、大气降水同位素数据1组［2］。水样数据见表1，同位素数据见表2。
3 地热水水化学特征
3.1 水化学类型
Piper图也一定程度上反应了地热水的演化现象［10］。由图2可以看出研究区地热水的阳离子分别以Ca2+、Na+ 、Mg2+为主，而阴离子中SO2 4占优势。根据舒卡列夫法划分水化学类型［11］，可将研究区地热水主要水化学类型划分为SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。Ca2+为含量最高的阳离子，毫克当量百分数在49.25%～74.48%，其次为Na+，毫克当量百分数在8.40%～38.91%，其他阳离子浓度较小，具地热水的显著特点；SO2 4在所有阴离子中占比最高，毫克当量百分数为29.05%～93.68%，同时Cl-毫克当量百分数为4.23%～35.01%，也反映出显著地热水特征。根据研究区水样的水化学类型可以看出，黄河以南地热井水化学类型为SO4·Cl Ca·Na型，部分水样TDS含量偏大，整体水化学特征变异性较大，这表明该地区地下水处于较封闭环境中，地下水径流缓慢。黄河以北地热井水化学类型为SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、SO4 Ca型，阴阳离子含量及TDS含量整体差异性较小，水化学类型较为稳定。另外HR1地热井水化学类型为HCO3·SO4 Ca·Mg型，主要原因是其井深在1900m以上，含水层主要为寒武纪地层，因此其水化学类型与其他地区有明显区别。
3.2 离子组合比分析
钠氯系数（rNa+/rC1 ）、钙镁系数（rCa2+/rMg2+）、脱硫系数（100×rSO2 4/rC1 ）和盐化系数（rCl/rHCO3+rCO3）等离子间毫克当量数的比值可以表明地热水所处热储环境的开放性及封闭性（表3），并确定热水变质程度，从而反映地热水来源并判断其成因类型等［12 13］。
3.2.1 钠氯系数（rNa+/rC1 ）
可对热储层所处水化学环境的封闭程度以及地热水的蒸发浓缩程度进行分析。一般情况下，rNa+/rC1 的比值越小，阳离子的交替吸附作用越快，热水蒸发浓缩程度越强，对应所处的水文地球化学环境更加封闭［14］。海水的钠氯系数一般为0.85［15］，而溶滤岩盐地层或者受大气降水入渗补给程度较高的地下水钠氯系数通常大于等于1。如表3、图3所示，研究区地热水的钠氯系数为0.835～1.965，其中JR 1、CZ 1、XR01地热水的钠氯系数大于1，说明该区域地热水所处的环境相对开放；而遥墙—鸭旺口一带钠氯系数在0.85～1之间，表明该区域地热水既有沉积水，也有溶滤水，地热水所处的环境相对封闭。
3.2.2 钙镁系数（rCa2+/rMg2+）
地下水中rCa2+/rMg2+也可判断地下水中Ca2+、Mg2+离子是来源于硅酸岩还是方解石、白云石的溶解。如果rCa2+/rMg2+=1，则表示地下水中发生了白云石的溶解；如果1
3.2.3 脱硫系数（100×rSO2-4/rC1 ）
脱硫系数可以判断地热水所处环境的氧化还原程度，在缺氧的还原环境中脱硫作用易进行，脱硫系数越小，地层水封闭性越好［16］。在还原环境下，SO2 4被还原而形成H2S气体，脱硫系数越小，则热储环境相对更加封闭；若脱硫系数大于1，则表明还原作用不彻底，地热水可能受浅层氧化作用的影响；正常海水的脱硫系数为10.2，如果地热水的脱硫系数大于10.2，表明水体所处环境开放，有冷水的混入，受到表层氧化作用的影响［17］。由表3、图5 可知，研究区的脱硫系数为31.814～402.123，全部大于10.2，说明研究区地热水整体处于相对开放环境，有机质含量低，JR 1、CZ 1、XR01地热水的脱硫系数偏大，说明黄河北部热储环境相对开放，脱SO2 4的还原作用进行较强。
4 同位素化学特征
4.1 水的来源
地热流体中稳定同位素氘（D）和氧 18（18O）的组成通常用于确定地热流体的成因。D是作为自然界的示踪剂来定位热储的蓄水区并进一步研究，整个地区地下水的流动路线，而对于每个系统的18O给出随着深度变化的水岩相互作用的信息。低温地热流体被认为是在经历一定时期沉降的“混合的一般性水样”。降水中同位素的比率是由当地的经度、纬度、温度以及季节所控制的［18 20］。Craig通过研究北美大陆的大气降水，发现降水的氢氧同位素组成显示线性相关的变化，并给出它们的数学关系式δD=8δ18O+10［19］，华北平原降水线数学关系式为δD=7.02δ18O+1.72［21］。研究区地热水δD最大值为 55.91‰，最小值为 76.0‰，平均值为 69.04‰；δ18O最大值为 7.34‰，最小值为 10.54‰，平均值为 9.42‰。根据所测数据绘图分析，如图6所示，研究区地热水样点落在全球、华北平原大气降水线上或右下部，表明研究区地热水总体上受大气降水的入渗补给，补给强度不一，遥墙—桃园—鸭旺口一带地热水所处环境相对封闭，受大气降水入渗补给强度较其他地方弱。
4.2 补给高程
大气降水中δD与δ18O的含量受地理位置、纬度、温度及高程等因素的影响（表4），由于研究区的范围相对较小，大陸效应、纬度效应对于研究区的δD与δ18O同位素的影响不大，可以认为使地热水中δD与δ18O含量具有差异性的主要影响因素为高程效应［22］。因此利用同位素的高程效应，可以用公式1估算地热水的补给高程［23］：
H=（δS-δP）/k+h （式1）
式中： H 为地热水的补给区高程（m）； h 为地热水取样点的地面高程（m）； δS 为地热水取样点的同位素成分（‰）； δP 为取样点附近大气降水中的同位素成分（‰）； k 为同位素高程梯度（ δ‰/100m）。
研究区地热水的补给区高程计算结果见表4，地热水补给区高程范围为497.81～2117.97m，推断地热水的主要补给少部分来自于泰山北麓火成岩、变质岩分布区的大气降水入渗，大部分来源于长清群和九龙群岩溶裂隙含水岩组分布区岩溶地下水的深循环径流补给［9］。
4.3 同位素测年
国内外学者根据地下水实测的氚值大小，根据经验法对地下水年龄的估算进行了研究，提出了一些地下水年龄估算的划分标准［23］（表5），对比表2可知，研究区地热水氚含量为（2.4±0.1）～（12.98±2.01）/TU，属于亚现代与近期补给的混合水和现代水，总体上距离补给区越近，地热水中氚含量较高，更接近现代水（＜5～10a）［9］。
5 成因模式
研究区岩溶热储地热资源可以概化为由热储层、盖层、通道、热源和水源组成的地热模型［24］（图7）。
（1）热储层。奥陶纪马家沟群灰岩、寒武 奥陶纪九龙群灰岩和寒武纪长清群灰岩组成了该区主要热储层。
（2）盖层。新生代第四系松散沉积层、新生代新近系、中生代侏罗系、古生代二叠系和石炭系构成下伏基岩热储层的保温层。
（3）通道。在济南岩体与齐河 广饶断裂之间分布较多断裂，其中，导水性断裂沟通了深部与浅部的联系，使深部地下热水能够向浅部运移和聚集，是地热流体与深部热源沟通的通道。
（4）热源。主要包括大地热流和断裂的附加供热。大地热流为其主要热源，一部分来自地壳深部8～16km的花岗岩中的放射性元素衰变释放的地壳热流，一部分来自于上地幔热流，供热方式为热传导［24］；区域内断裂沟通深部，对地下热水的运移和分布起着重要作用，切割了深部奥陶纪灰岩，是地球深部热源向对流的重要通道［25］。
（5）水源。奥陶纪灰岩埋藏深度较大，由于断层的切割使灰岩裂隙相对发育，但由于其埋深大，地下水的运动滞缓，易被围岩加热形成地热流体。
6 结论
（1）研究区地热水水化学类型主要为SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。
（2）黄河以北地区地热水所处的环境相对开放；而黄河以南遥墙—鸭旺口一带地热水既有沉积水，也有溶滤水，地热水所处的环境相对封闭。地下水中Ca2+、Mg2+离子是主要来源于硅酸岩的风化溶解。
（3）研究区地热水总体上受大气降水的入渗补给，地热水补给区高程范围为497.81～2117.97m，地热水属于亚现代与近期补给的混合水和现代水。
（4）研究区为奥陶纪岩溶裂隙热储，盖层为新生代第四系和新近系、古生代二叠系和石炭系；热储为奥陶纪中、下统灰岩，正常的大地热流为其主要热源，大断裂形成了地热水与深部热源沟通的通道。
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Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water of the Yellow River Basin （Jiyang Section） Based on Hydrogeochemical Characteristics
GAO Zhiyou1，LI Dapeng2，YAN Mei1，LV Tao1， GAO Rongzheng1，WANG Bingfeng1， ZHANG Xinhui1
（1.Shandong Geo-engineering Group Limited Corporation，Shandong Ji'nan 250014， China；2.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resource Utilization， MNR， Shandong Provincial Key Laboratory of Metallogenic Geological Process and Resource Utilization；Shandong Institute of Geological Sciences，Shandong Ji'nan 250013，China）
Abstract： The Yellow River Basin （Jiyang Section） is rich in geothermal resources. It is of great significance to elucidate the genetic mechanism of geothermal fields and the exploitation and utilization of regional geothermal water resources for high-quality development of the Yellow River basin. Taking thermal reservoir of limestone in the south of Qiguang fault in the Yellow River basin （Jiyang section） as the research object， hydrochemical analysis and isotope analysis have been carried out. It is showed that hydrochemical types of geothermal water in the study area are mainly SO4·Cl-Ca·Na type， SO4-Ca·Na type， HCO3·SO4-Ca·Mg type and SO4-Ca type. The geothermal water is generally replenished by the infiltration of atmospheric precipitation， and the elevation range of the geothermal water recharge area is 497.81～2117.97m. The geothermal water belongs to the mixed water of submodern and recent replenishment and modern water.
Key words： Geothermal water； hydrogeochemistry;genetic mechanism；Yellow River basin；Jiyang section
