鲁北平原阳信地区地热田地热地质特征及地热流体化学特征

王琪 秦宇 尹俊凯 李友 迟鹏 胥文军

收稿日期：20240227；修订日期：20240311；编辑：曹丽丽

基金项目：山东省自然资源厅，山东省阳信县东部地区地热资源调查项目，项目编号：鲁勘字〔2020〕41号；山东省煤田地质局，惠民地热田馆陶组砂岩热储优质地热水富集机理研究，项目编号：鲁煤地科字〔2023〕6号

作者简介：王琪（1989—），男，山东泰安人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质研究工作;Email：783172174@qq.com

*通讯作者：秦宇（1988—），男，陕西西安人，讲师，主要从事沉积大地构造、构造地质学研究工作；Email：qwizardy@163.com

摘要：山东省滨州市阳信地区在大地构造单元上位于惠民潜凹陷，北部边缘为无棣潜凸起，东部边缘为沾化潜凹陷，区内以沉降构造运动为主，形成巨厚的古近系、新近系和第四系沉积物地层，创造了地热资源形成的有利条件。阳信地区施工钻孔6眼，均揭露馆陶组热矿水，水温48～53℃，属于温热水型地热资源。地热流体化学研究显示，阳信地区地热流体为咸水，水化学类型为ClNa型，地热水中偏硅酸、锶、锂达到有医疗价值浓度标准，可用作理疗矿泉水。各样点的NaKMg组离子分析显示，地热水属部分平衡水，溶解作用仍在进行。地热水同位素δ18O和δ2H接近大气降水线，表明区内地热水起源于大气降水。SiO2温标对热储温度估算结果表明，T石英=53.22～66.66℃，平均地温梯度为3.50℃/100 m，估算热循环深度为1 146～1 530 m。

关键词：地热地质特征；地热流体化学特征；热储温度；阳信地区；鲁北平原

中图分类号：P641.1    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.001

引文格式：王琪，秦宇，尹俊凯，等.鲁北平原阳信地区地热田地热地质特征及地热流体化学特征［J］.山东国土资源，2024，40（6）：110.WANG Qi， QIN Yu， YIN Junkai， et al. Geothermal Geological Characteristics and Geothermal Fluid Chemical Characteristics of Geothermal Fields in Yangxin Area in Lubei Plain［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：110.

0  引言

地热资源作为集热能、水资源为一体的可再生新能源和清洁能源，近年来在世界各地得到广泛应用［13］。鲁北平原坐落于渤海湾盆地西南部，隶属华北平原，是中—新生代断陷盆地，地热资源丰富，为典型的沉积盆地型砂岩孔隙热储［45］。鲁北平原地热资源开发最早始于20世纪70年代，水温最高可达98℃。

阳信地区是山东鲁北平原地热田的一部分，属于地热储形成条件较好的地区，区内地热勘查、开发始于2005年，结合开发成本和技术难度，新近纪馆陶组热储为区内最具经济开采价值的热储［67］。随着时间的推移，人类工程活动越来越频繁，区内地热资源被广泛开发利用，地质环境也发生了较大的变化，以前的动态数据在时效性上大不如前，已不能正确反映当前的实际情况。本次在分析总结前人研究的基础上，通过在研究区实施地热调查、物探、钻探工作的基础上，研究地温场、水化学场变化规律，查明阳信地区地热地质条件和地热水化学特征，为本区地热资源开发利用和科研提供依据。

1  区域地热地质背景

滨州市阳信县地处山东省北部，地理位置优越，蕴藏有丰富的地热资源。在大地构造上主体位于惠民潜凹陷，北部边缘为无棣潜凸起，东部边缘为沾化潜凹陷。惠民潜断陷处于济阳坳陷中部，为中新生代以来的断陷盆地。区内地热水形成受地壳深部的地幔结构、岩浆活动和地壳浅部地质构造、地层岩性、地下水活动等影响，与盖层、热储空间、热源和热水补给源等因素密切相关［812］。新近纪馆陶组热储盖层为平原组和明化镇组组成的松软层。馆陶组砂岩、砂砾岩富水性强，具备较好的储集空间，构成了区内馆陶组孔隙—裂隙层状热储层［13］。

山东省大地热流值由西往东逐渐升高，表现出东高西低的分布规律。华北地区平均值为47.155mW/m2［14］，研究区所在地大地热流值60～70mW/m2，高于华北地区平均值。区域热储以砂岩为主，上覆较厚盖层，属于中低温传导性地热系统［4］。

2  地热地质地球物理特征

2.1  地质特征

2.1.1  盖层及热储层特征

阳信地区全区被第四系覆盖，新近纪馆陶组上覆平原组和明化镇组的黏性土与砂性土组成的松软层［15］，沉积厚度在900～1 100 m左右，其岩性多为黏性土，结构致密，富水性差，岩性热导率低，属隔水层和隔热层，能够储存热能，为该区地热成矿提供了重要的盖层条件。新近纪馆陶组的砂砾岩层为本区可供开发利用的最佳热储目的层，该套地层岩性砂砾成分高，孔隙度高，含水性好，易形成良好的孔隙裂隙层状热储。

结合前人研究和本次调查成果，阳信地区馆陶组顶面埋深比较平缓，顶板埋深在940～1 096 m，底板埋深1 200～1 400 m（图1），研究区西南部附近最深，大于1 300 m，地层厚度大于300 m，东部、东北部浅，小于1 200 m，地层厚约200 m。2.1.2  构造特征

阳信地区主控断裂齐河广饶断裂和埕子口断裂，主体位于华北板块、华北坳陷区、济阳坳陷区，惠民潜断陷的次级构造单元惠民潜凹陷，另外，研究区北部边缘位于无棣潜断隆的次级构造单元无棣潜凸起；东部边缘位于沾化潜断陷的次级构造单元沾化潜凹陷。

区内断裂构成了区域地层的构造骨架和基本轮廓，自中生代特别是喜山运动以来，该地区构造运动一直以沉降为主，接受大量新生界沉积物，形成了巨厚的古近纪、新近纪和第四纪地层，为该区地热资源形成创造了条件［14］。

2.2  地球物理特征

2.2.1  重力场及航空磁场特征

研究区重力值（14～8）×105m/s2，布格重力等值线与基底构造轮廓一致。阳信地区莫霍面总体起伏不大，从南部惠民潜凹陷向北部无棣潜凸起逐渐变大，深度在31～36 km。

磁场介于50～400 nT，居里面深度介于28～31 km，居里深度总体浅于莫霍面，区域居里面由凹陷区向隆起区逐渐变浅，至北部无棣潜凸起最浅至28 km，表明深部热流向浅表的散发距离较短，有利于区域地热资源的勘探研究和开发利用。

2.2.2  AMT测量异常特征

本次研究布设4条AMT测线，共3条近SN向1条近EW向测线（图2—图5），L1—L3线为平行的近SN向测线，L4为近EW向测线。结果显示，0～300 m以浅，电阻率相对较低，为第四纪平原组地层的粉砂、细砂及黏土引起的电性反映；200～1 000 m，电阻率整体随深度增加而升高，为明化镇组泥岩；1 000～1 400m，电阻率表现为相对高阻，为明化镇组下部半胶结状砂岩；1 100～1 600 m，电阻率表现为相对中高阻，为馆陶组砂岩；埋深1400m以深，电阻率表现为相对低阻，推断为东营组泥岩、砂质泥岩。探测结果与实际钻探相符，馆陶组中、上部泥岩较发育，下部砂岩较发育。

2.3  地温场特征

阳信地区现有6眼地热井（表1），取水层段均为馆陶组，采用水泵长时间抽水（＞48h），测量井口水温显示井口水温48～53℃。对阳信地区现有机民井进行地温场测量55次，从井深大于30 m的11眼机民井测温曲线图（表2，图6、图7）可以看出，变温带、恒温带、增温带变化规律明显，恒温带深度为20 m左右，20 m以下为增温带，出现地温持续升高现象，地层深度20 m处平均地温为14℃。

通过本次山东省阳信县东部地区地热资源调查勘查井（DR1井）测温曲线图（图8）可以看出：自恒温带以下，地温呈现持续升高趋势，至约240 m处，地温发生一次明显波动，为进入明化镇组热储含水层引起的温度陡增，之后随着深度的进一步增加，地温升温幅度较明显，曲线总体可以反映出区内地温场特征。

由于阳信县地热井主要集中在城区附近（4眼），为全面查清研究区地温场特征，本次利用阳信及周边地区7眼地热井井口水温、井深及恒温带深度，计算区域地温梯度为2.93～3.70 ℃/100m，由南向北地温梯度逐渐升高（图6），全区均显示地热异常。

3  地热流体化学特征

3.1  水化学成分特征

对阳信地区4眼地热井进行了取样分析（表3，图6），根据水质分析结果，地热水矿化度6 476.37～13 975.68 mg/L，总硬度534.20～1 448.26 mg/L，pH为7.20～8.00，水中阴离子以Cl为主，含量2 734～8 009 mg/L，毫摩百分数71.42%～93.86%，其次为SO24，含量596～1 368mg/L，毫摩百分数5.16%～25.07%；阳离子以Na+为主，含量2 117～4 715mg/L，毫摩百分数85.94%～89.65%（表3）。TDS值在6 477.64～13 997.45mg/L，属于咸水—盐水［16］。SiO2含量15.11～21.77 mg/L，偏硅酸含量为19.64～28.30 mg/L，Sr含量4.65～42.7 mg/L，Li含量0.42～1.55 mg/L，可作为理疗矿泉水［17］。同时，水中的铁、锰、氯化物、硫酸盐、TDS等含量超过了《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006），说明该区域馆陶组地热水不能作为生活饮用水。

3.2  水化学类型

利用AquaChem制作地热流体水化学Piper图（图9），可以看出，各个样品的投影点非常集中，说明地热水具有同源性，来自同一循环通道［1819］。按舒氏分类法，本区地热水的水化学类型均为ClNa型。地热流体所处水文地球化学环境越封闭，溶解的氯离子和钠离子就越多［2021］，因此可以认为阳信地区馆陶组地热水所处水文地质环境相对封闭。同时由于Cl是一种较难从地下水中沉淀析出的保守离子［2223］，因此可根据其含量的不同初步推断地热水演化路径。区域Cl、Na+含量说明阳信地区馆陶组地热水的部分来源为经过了较强的蒸发浓缩作用的同生水。

3.3  水岩平衡状态分析

NaKMg三角图是Giggenbach提出用于区分地下热水的一种图解方法，能直观地反应地下热矿水的水—岩平衡状态［2427］。

NaKMg三角图（图10）显示，4个样品均落在部分平衡区，说明地热田内的地热流体尚未达到水—岩平衡状态，可能是深部地热流体中Na+、K+达到了平衡状态，在向上径流过程中混进了非平衡的冷水。4个样点均位于镁离子的右下角顶点附近说明地热流体处于水—岩作用的初级阶段［28］。由于阳信地区地热流体未达到平衡状态，因此阳离子（Na+、K+）地热温标不适宜用来估算研究区的热储温度，估算热储温度可以用SiO2温标法［29］。

3.4  同位素特征

根据前人研究成果，大气降水中的δ18O与δ2H的含量存在着特定的关系［3032］。结合全球大气降水线（δ2H=8δ18O+10）和中国现代大气降水线（δ2H=7.9δ18O+8.2）（图11），利用δ2Hδ18O关系直线及测定的地下水的δ2H和δ18O（表4），可判定被测定的水是否来源于大气降水及馆陶组热储地热水成因。

由图11可见，研究区地热流体中的δ2H和δ18O关系点稍位于中国现代大气降水线之下，说明区内地热水起源于大气降水，同时在漫长的地质年代中，受到了下部地层中蒸汽的稀释作用。同时相对于大气降水，地热水又发生了一定的氧漂移，本文认为其是在经历了相当长时期的雨水沉降的深循环过程后，在地温及地热气作用下被加热形成的，表明阳信地区地热水所处环境封闭，滞留时间较长。

3.5  热储温度估算

根据前人研究成果，热储温度计算通常可以采用石英温标无蒸汽损失（0～250℃）、玉髓温标无蒸汽损失（0～250℃）、α方石英等方式计算［3334］。其中石英温标无蒸汽损失要求热水中的二氧化硅是由热水溶解石英形成，且热水到达取样点（泉口或井口）时没有沸腾；玉髓温标无蒸汽损失要求热水中的二氧化硅是由热水溶解玉髓形成，且热水到达取样点（泉口或井口）时没有发生蒸汽损失；α方石英要求热水中的二氧化硅是由热水溶解α方石英形成。根据适用条件，研究区地热水适用于石英温标无蒸汽损失温标进行热储温度估算（表5）。

从表5计算结果可知，估算结果T石英为53.22～66.66℃，T玉髓为97.71～115.26℃，T方石英为4.57～17.37℃。α方石英温标估算结果明显低于井口水温，此温标不适用于阳信地区，玉髓温标估算结果高于井口水温过大，亦不适用于温度估算；石英温标估算结果与井口水温较为接近，因此石英温标作为估算温度最为合适。

3.6  循环深度

阳信地区具有相对较高的地热异常背景，其大地热流值（60～70mW/m2）高于华北地区平均大地热流值（47.155 mW/m2）。由此推断，阳信地区的主要热源是天然地热增温。根据地温梯度推算地下热水的循环深度，公式如式（1）：

H=（T热储-T0）/G+h（1）

式中：T热储根据前述计算选择石英温标估算结果：T热储=T石英=53.22～66.66℃；T0取当地多年平均气温13.8℃（资料收集）；G为地温梯度，取当地平均地温梯度3.5℃/100m（本次调查成果）；h恒温带深度取20m（本次调查成果）。

通过式（1）估算得出阳信地区馆陶组地热流体循环深度为1 146～1 530 m。

4  结论

（1）阳信地区主控断裂齐河广饶断裂和埕子口断裂，主体位于惠民潜凹陷，北部边缘为无棣潜凸起，东部边缘为沾化潜凹陷，区内的构造运动以沉降为主，形成巨厚的新生代沉积物，区域大地热流值属于中低温传导性地热系统。

（2）阳信地区馆陶组热储层顶面埋深在940～1096m，底板埋深1200～1400m，地层厚度一般在242～345m。热储砂岩一般为120～218m，占地层厚度的30%～80%，单层厚度平均为0.45～36.05m，为良好的地热储层。当地平均地温梯度3.5℃/100m，恒温带深度取20m。

（3）阳信地区地热流体为咸水—盐水，水化学类型为ClNa型。馆陶组地热水所处水文地质环境相对封闭，偏硅酸、Sr、Li含量达到理疗矿泉水标准，但水中的铁、锰、氯化物、硫酸盐、TDS等含量过高，馆陶组地热水不能作为生活饮用水。

（4）研究区地热田地热流体处于水—岩作用的初级阶段，热储温度T=53.22～66.66℃，热流的循环深度为1146～1530m。

（5）阳信地区地热水所处环境封闭，无现代大气降水补给，交换更替能力较差，赋存环境较封闭，其水化学及同位素特征具有沉积水特征。

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Geothermal Geological Characteristics and Geothermal Fluid Chemical Characteristics of Geothermal Fields in Yangxin Area in Lubei Plain

WANG Qi1， QIN Yu2， 3，4， YIN Junkai1， LI  You1， CHI Peng1， XU Wenjun1

（1. No.3 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geological Bureau，Shandong Tai'an 271000， China; 2. Department of Geology of Northwestern University， Shanxi Xi'an 710069， China; 3. Petroleum Engineering and Environmental Engineering College of Yan'an University， Shanxi Yan'an 716000， China; 4. Yan'an High Efficiency Pipeline Transportation and Flow Guarantee Engineering Technology Research Center， Shanxi Yan'an 716000， China）

Abstract： Yangxin area in Shandong province is located in Huimin depression on the tectonic unit. Its northern edge is Wudi depression and the eastern edge is Zhanhua depression. The area is mainly characterized by subsidence tectonic movement， thick sedimentary strata of Paleogene， Neogene and Quaternary have been formed， and favorable conditions for the formation of geothermal resources have been created. 6 construction boreholes have been drilled in Yangxin area， and all revealled hot mineral water of Guantao formation. The water temperature is 48～53 ℃， which belongs to warm water type geothermal resource. As showed by geothermal fluid chemistry， geothermal fluid in Yangxin area is saline water. Hydrochemical type is Cl  Na type. The concentration standards of metasilicic acid， strontium， and lithium in geothermal water can reach medical value. It can be used as therapeutic mineral water. Analysis of Na  K  Mg ions at various points shows that geothermal water belongs to partially equilibrium water， and dissolution is still ongoing. Geothermal isotopes of δ 18O and δ 2H are close to the atmospheric precipitation line. It is indicated that hot water in the area originates from atmospheric precipitation. The estimation results of SiO2 temperature scale for thermal storage temperature indicate that the temperature of quartz is 53.22～66.66 ℃， the average geothermal gradient is 3.50 ℃/100m， and the estimated depth of thermal cycle is 1146～1530 m.

Key words： Geothermal and geological characteristics; chemical characteristics of geothermal fluids; reservoir temperature; Yangxin area; Lubei plain