济南北部地热水化学特征及成因模式研究_孙云川.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 006济南北部地热水化学特征及成因模式研究孙云川1，任洪玲2(1 山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南 250200;2 山东省水工环地质工程有限公司，山东 济南 250014)摘要为研究济南北部地热水化学特征及成因模式，运用统计分析、Piper 图、Schoeller 图等手段，对区内 8口地热井内地热水进行水化学特征研究，并对成因模式进行探讨。结果表明，济南北部地热水属于低温水热型地热资源，且为弱碱性硬水;化学类型主要为 Cl Na，阳离子浓度具有 Na+Ca2+Mg2+K+的特点，阴离子浓度存在Cl SO42 HCO3的关系。同位素特征分析表明地热水补给主要来源于大气降水，热储温度范围为 63 16 81 53。济南北部大气降水在济南南部山区入渗补给地下水后，大部分受到济南岩体的阻挡以泉的形式排泄，少部分沿地势及地层倾角继续往北侧向径流，断裂带沟通了深部热源，在大地热流的加热作用下，形成地热水。关键词地热水;水化学特征;成因;热储温度;济南北部中图分类号P314 1文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0017 05收稿日期2022 12 27作者简介孙云川(1985 )，男，河北邢台人，工程师，主要从事水文地质方面工作。Study on chemical characteristics and geneticmodel of geothermal water in Northern JinanSUN Yun chuan1，EN Hong ling2(1 Shandong Geological and Mineral Engineering Group Co，Ltd，Jinan 250200，China;2 Shandong HydroindustrialEnvironment Geological Engineering Co LTD，Jinan 250014，China)Abstract:In order to study the chemical characteristics and genetic model of geothermal water in Northern Jinan，thehydrochemical characteristics of geothermal water in 8 geothermal wells in the area were studied by means of statistical analy-sis，Piper diagram and Schoeller diagram，and the genetic model was discussed The results show that the geothermal water inNorthern Jinan belongs to low temperature hydrothermal geothermal resources，and it is weak alkaline hard water;the chemi-cal type is mainly Cl Na;the cation concentration has the characteristics of Na+Ca2+Mg2+K+，and the anion con-centration has the relationship of CI SO42 HCO3 Isotopic analysis shows that geothermal water mainly comes from at-mospheric precipitation The temperature of geothermal storage is 63 16 81 53，It is concluded that the atmosphericprecipitation in the northern part of Jinan infiltrates into the ground through the fault zone or karst pores，and continuously ex-changes heat with the surrounding rock in the process of infiltration and migration from the shallow to the deep，and is gradual-ly heated to form geothermal waterKey words:Geothermal water;Hydrochemical characteristics;Genesis;Thermal storage temperature;Northern Jinan0引言地热资源作为一种集热、矿、水于一身的可再生矿产资源，因其资源储量大、对环境危害小受到越来越多关注及青睐1 2。地热水水化学特征作为辨识地热水运动特征及来源的主要研究手段，被广泛应用于地热水研究3。王姝等4运用统计学方法、相关性分析及 Gibbs 图等方法对河西走廊浅层地下水化学特征进行研究，探明了浅层地下水主要离子特征，并对其水质进行了评价。甘浩男5等运用 Piper 图、统计分析等对东南沿海从化永汉地区地热水化学特征进行了研究，分析了当地地热水赋存特征及成因。Marques6研究了葡萄牙中部碳酸盐热储层水化学特征及同位素特征，分析了其地热水水 岩相互作用及补给径流途径。国内外专家学者对不同地区地热水水化学特征研究，加深了地热水成因的认识。济南北部地热资源丰富，有“中国温泉之都”的佳誉。郭新亮等7通过对济南北部岩溶热储地热田内地热井进行抽水试验及地下水动态监测，结合地质条件，从水位动态变化及水化学特征方面分析了地热开发对济南岩溶冷水的影响。史忠民等8对济南北部地热动力场、化学场及温度场进行研究，并对济南北部地热田热储、盖层及热源进行了简单分析。李常锁等9根据济南北部地区钻井、物探资料，对地热水埋藏特征、地温场特征及化学特征进行研究，查明了地热田范围及地热水赋存规律。杨询昌等10通过对鲁北平原馆陶组热储地温场、水化学特征研究，分析了断裂构造对地热水的影响，揭示了地热水的富集机理。梁月龙11通过对济南北部地质、构造、地热特征研究，分析了地热田控制因素，并探讨了地热水的分布区段。胡彩萍等12利用地质钻探、抽水试验、水质分析等手段，对济南西北部碳酸盐岩地质特征、地温场特征及水化学特征进行了研究，探讨了地热水形成机理。尚敏等13通过分析济南北部地热地质特征、地温场特征，探讨了济南地热田形成模式。前人对济南北部地热资源研究多限于研究地热资源赋存地质条件、地热水来源、循环特征等问题对地热成因进行简712023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3单分析，有关本地区地热水水文化学特征及地热水成因模式综合研究及深入分析相对较少。鉴于此，本文以济南北部为研究对象，对区内 8 口地热井地热水进行水化学特征分析，并结合地热地质特征，探讨地热水成因模式，以期为济南北部地热资源的勘查评价及开发利用提供一定的依据和科学参考。表 1济南北部地热水水样分析结果井号馆陶组东营组馆 1馆 2馆 3馆 4东 1东 2东 3东 4T/5051525158605758pH7 977 77 777 87 57 2TH/mgL 1968 27605 48605 551035 43173718471854 591532 48TDS/mgL 17 802 996 731 246 039 128 638 4610 17710 8509 074 1510 726 22离子含量/mgL 1微量特征同位素分析K+2016 2518 3316 6725 6123 8927 3625Na+2 4002 2251 7552 2003 0643 3303 409 53 400Ca2+280 56182 36169 80691 85540 3544 40505 75466 93Mg2+6536 4543 50129 5794 41117 60100 3889Cl3 578 682 708 382 445 294 623 235 3575 6725 717 935 769 49SO42 1 229 571 301 61953 17679 02904 1974 40873 17821 31HCO3189 16225 77150 94118 89133 6131 30147 58128 14SiO220 828 7619 8520 3822 123 7821 0322 5As 0 005 0 01 0 005 0 005/0 01 0 01 0 005Hg 0 001 0 000 1 0 000 1 0 000 5 0 000 1 0 000 1 0 000 1 0 000 1Cu 0 001 0 020 06 0 001 0 160 0 010 0 050 05Pb0 020 004 0 005 0 005 0 001 0 001 0 01 0 005Cr6+0 009 0 004 0 006 0 004 0 020 0 020 0 01 0 006Cr3+0 004/0 006 0 004/0 006Zn0 0040 052 0 05 0 0011 0750 086 0 05 0 05Cd 0 001 0 005 0 002 5 0 0010 03 0 002 0 001 0 002 5Mo 0 0050 0210 004 30 0060 070 0070 010 008 5Se 0 005 0 000 10 001 3 0 005 0 001 0 001 0 0020 003 3Sr21 4713 9418 213 319 9621 1323 1419 95Li0 320 3340 251 0450 2250 250 420 26Mn0 510 3432 920 441 0450 9860 580 41Ag/0 003 0 05/0001 0 001/0 05D/71 13 72 28 69 09 71 48 76 91 75 9818O/9 22 9 25 9 22 9 11 7 94 8 43/T U4 40 0 404 30 0 603 50 0 305 80 0 708 84 2 62 10 20 2 231研究区地质背景研究区位于济南市北部地区，齐河 广饶断裂以北，地形总体呈西南高东北低之势，地貌主要为第四系冲积平原，地貌较单一。研究区地层属于华北平原地层分区，自上往下依次分布第四系，新近纪明化镇组、馆陶组，古近纪东营组、沙河街组、孔店组及中生界白垩系等，新近纪馆陶组及古近系分布广泛，并且厚度巨大，寒武 奥陶系埋藏较深。研究区热储分为新近纪馆陶组热储和古近系东营组热储两个类型，其中，新近纪馆陶组热储岩性主要以粉细砂岩为主，局部为细砂，埋深 980 1 534 m，热储厚度 8 150 m，自北部、东南部、西部往中部，热储层厚度增大，孔隙度增大，富水性变好。古近系东营组热储岩性以细砂岩为主，埋深1 100 2 000 m，厚度 50 500 m，东营组埋深及厚度自北部和东南部往中部及西南部逐渐增大，随着热储厚度增大，孔隙度增大、富水性变好。图 1济南北部地质图及地热水取样点位置图研究区内断裂主要有郑洋断裂、临惠断裂、商河断裂、夏口断裂。其中，郑洋断裂走向 NEE60，倾向 SSE，断距自下而上逐渐变小，该断裂的在孔店组 1 000 1 700 m，至东营组断距仅 22 m 左右。临惠断裂走向 NEE80，倾向 SSE，倾角75左右，南盘下降，北盘上升，为一张扭性断裂，古近系断距800 m，新近系断距约 150 300 m，在古新世活动强烈。商河断裂系临邑 惠民断裂的分支断裂，走向 NE40，倾向南东，倾角约 70。夏口断裂在诸家集一带与临惠断裂相交，走向NEE70，倾向 SSE，南东盘上升，北西盘下降，倾角 70左右。工作区地下水因其埋藏特征的不同包含浅层潜水 微承81第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月压水、中深层承压水以及深层承压水三种类型。其中浅层潜水 微承压水多埋藏于地下 0 60 m，上部为潜水，下部含水层呈现微承压性;中深层承压水埋藏于地下 60 200 m，表现为较高的承压性能;深层承压水埋藏在地下 200 m 以下。2研究区地热水水样采集及测试为研究济南北部地热水化学特征，于 2015 年 9 月采集区内 8 口地热井地热水样品，其中东营组热储水样 4 件，馆陶组热储水样 4 件。(见图 1)采用已清洁干燥的 500 ml 高密度聚乙烯塑料瓶对地热水样品进行采集，取样前先用待取水样充分清洗取样瓶 2 3 次，取样完成后用封口膜进行封口，防止外漏14。现场测试采用便携式水质分析仪测定水样温度 T()及 pH 值，其它主要化学组分由山东省地矿工程集团有限公司实验室测试。其中，采用电感耦合等离子体发射光谱法测定地热水中主要阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量，主要阴离子(Cl、SO42)含量由离子色谱仪测定，采用滴定法测定总硬度(TH)及 HCO3含量，采用烘干法测定溶解性总固体(TDS)，D 与 18O 采用同位素质谱仪测定。济南北部地热水水样分析结果详见表 1。3研究区地热水水化学特征分析3 1地热水水化学基本特征由表 1 数据可知，济南北部无论是馆陶组还是东营组地热水，其 pH 值处于 7 8，地热水温度 T 不大于 60 ，地热水均为弱碱性，是典型的低温水热型地热资源。但是东营组与馆陶组地热水在温度 T、总体溶解性总固体(TDS)含量及总硬度(TH)方面差异明显，东营组地热水均高于馆陶组地热水。济南北部地热水离子含量总体较高，阳离子为 K+、Na+、Ca2+、Mg2+，其中 Na+含量最高，在阳离子浓度中占有绝对优势，阳离子浓度 Na+Ca2+Mg2+K+。阴离子是 Cl、SO42、HCO3，含量最高为 Cl，阴离子浓度 Cl SO42 HCO3。从图 2 地热水 Schoeller 图可以看出，本次所研究 8件水样中主要阴阳离子含量整体变化趋势基本一致，大部分组分仅有一点细小的差异，由此可以初步判定济南北部馆陶组及东营组地热水的水化学赋存环境相同或相近。济南北部地热水含有 Zn、Li、Sr、Mn、Mo、Cu、Se、Ag 等人体健康所需的微量元素，其中 Zn、Li、Sr、Mo 含量丰富，对人体健康有害的 As、Hg、Pb、Cr6+、Cr3+等含量极微。图 2济南北部地热水 Schoeller 图3 2地热水水化学类型用 AqQA 软件绘制 Piper 三线图，Piper 图常被用来进行地下水水化学类型判别及主要离子组成特征描述15。将济南北部所取的 8 个水样数据投影到 Piper 图上，如图 3 所示。从图 3 可以看出，济南北部无论是馆陶组还是东营组地热水中阴离子均以 Cl、SO42 为主，水样数据点在 Piper 图中靠近Cl最大值顶点分布;阳离子以 Na+为主，水样数据点在 Piper图中 Na+最大值顶点附近聚集，表明济南北部地热水水化学类型主要为 Cl Na 型。图 3济南北部地热水 Piper 图3 3地热水离子比分析3 3 1(Na+K+)/Cl通过(Na+K+)/Cl的比值可以分析地下地下热水Na+、K+组分来源。若取样点数据分布于(Na+K+)/Cl=1 上方，这说明地热水中 K+、Na+来源于岩盐的风化溶解;若取样点数据分布于(Na+K+)/Cl=1 下方，就说明地热水中 K+、Na+来自于硅酸盐的风化溶解16。如图4(a)所示，济南北部无论是馆陶组还是东营组地热水水样点均分布于(Na+K+)/Cl=1 上方，这说明济南北部地热水中 K+、Na+来源于岩盐的风化溶解。3 3 2(SO42+Cl)/HCO3用(SO42+Cl)/HCO3的 比 值 判 断 地 下 热 水 中Cl、SO42、HCO3离 子 来 源。若 取 样 点 数 据 分 布 于(SO42+Cl)/HCO3=1 上 方，这 说 明 地 热 水 中 Cl、SO42、HCO3来源于蒸发盐岩的溶解;若取样点数据分布于(SO42+Cl)/HCO3=1 下方，就说明地热水中 Cl、SO42、HCO3来自于碳酸盐岩的溶解17。从图 4(b)可以看出，济南北部无论是馆陶组还是东营组地热水水样点均分布于(SO42+Cl)/HCO3=1 下方，就说明济南北部地热水中 Cl、SO42、HCO3来自于碳酸盐岩的溶解。3 3 3(Ca2+Mg2+)/(SO42+HCO3)利用(Ca2+Mg2+)/(SO42+HCO3)值判断地热水中 Ca2+、Mg2+离子来源。若取样点数据分布于(Ca2+Mg2+)/(SO42+HCO3)=1 上方，这说明地热水中 Ca2+、Mg2+来源于蒸发硅酸盐岩及蒸发盐岩的风化溶解;若取样点数据分布于(Ca2+Mg2+)/(SO42+HCO3)=1 下方，就说明地热水中 Ca2+、Mg2+来自于碳酸盐岩的风化溶解18。如图 4(c)所示，济南北部无论是馆陶组还是东营组地热 水 水 样 点 均 分 布 于 (Ca2+Mg2+)/(SO42+HCO3)=1 上方，这说明济南北部地热水中 Ca2+、Mg2+来源于蒸发硅酸盐岩及蒸发盐岩的风化溶解。图 4济南北部地热水离子比值图3 4地热水同位素特征分析同位素特征能够研究地热水信息的原理是利用地热水中91第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月溶解的稳定同位素的标记作用及放射性同位素计时作用，达到研究地热水来源及演化规律的目的。本文利用同位素 D、18O、T 值，研究地热水的主要补给来源，估算补给区高程及地热水形成的大致时间。3 4 1地热水来源分析Craig 统计了全球各地数百个地区大气降水、地表水及地下水中同位素 D 与 18O 值，发现它们之间存在线性关系，建立了全球大气降水线方程 Craig 方程式(1)19:D=818O+10(1)在 D 18O 图上，这条直线又被称为全球大气降水线。由表 1 看 出，济 南 北 部 地 热 水 中 同 位 素 D 含 量 69 09 76 91，18O 含量 7 94 9 25，将这 8 份水样同位素 D 及 18O 测试数据绘制在 D 18O 图上，如图 5 所示，地热水样品分布在全国大气降水线附近，说明所取地热水水样均为大气降水补给20。在 D 18O 图上，馆陶组地热水水样偏离降水线较近，东营组地热水水样偏离降水线较远，出现明显的“18O 漂移现象”，说明了大气降水与岩石中氧同位素不同程度交换，导致地热水中 18O 升高。同时，东营组及馆陶组地热水水样呈现明显的“分组聚集”，东营组与馆陶组地热水温度及水岩相互作用程度存在一定差异而“分组”，但东营组及馆陶组地热水内部温度及水岩作用程度差别不大故而“聚集”，这与表 1 地热水水样温度T、总体溶解性总固体(TDS)含量测试结果规律相符。图 5济南北部地热水 D 18O 图3 4 2地热水补给高程济南北部热水来源于大气降水，大气降水中 D 及 18O存在高程效应，即 D 及 18O 随着降水高程增加而降低21。H=G pK+h(2)式中:H 为地热水补给高程，m;h 为取样点标高，m;为地下水 D 或 18O 含量，;为大气降水中 D 或 18O 含量，;K 为 D 或 18O 高度梯度，/100m。王家乐利用济南地区雨水及泉水 D 值和其对应的补给高程进行推算得到济南地区大气降水 D 高程效应方程22。H=80 6 D 4 647 4(3)将济南北部地热水 D 代入式(3)，计算各地热水水水样的补给高程列于表 2。济南北部地热水补给高程范围为921 25 1 551 55 m。表 2济南北部地热水水样补给高程井号东 1东 2馆 1馆 2馆 3馆 4补给高程1551551476 591085681178 37921 251113893 4 3地热水年龄同位素 T 值能估算地热水形成距今时间，40 a 之前形成的地热水称之为“古水”，一般不大于 5 T U，新渗入的地下水同位素 T 值一般不小于 40 T U12。所测水样馆陶组地热水有 3 组 T 值小于 5 T U 的“古水”，说明地热水绝大部分为“古水”，新近水入渗很少。而东营组地热水 T 值平均值9 52 2 43 T U，范围在 5 40 T U，且更为靠近 5 T U，这表明地热水为“古水”为新近水与“古水”的混合水，且“古水”占据优势，新近水补给较少。4研究区地热水成因模式探讨4 1地热水热储温度估算热储温度可以通过地温梯度法、地球化学温标法、同位素法计算得到，本文采用地球化学温标法计算济南北部地热热储温度。在地热水中因某些化学反应达到平衡仅和地热水温度有关，故利用反应物浓度或者浓度之比来推算热储温度，该方法被称为地球化学温标法，目前应用最广泛的地球化学温标法是阳离子温标法和 SiO2温标法。4 1 1阳离子温标法阳离子温标法使用条件为地热水必须达到水岩平衡状态，因此需要对地热水的水 岩平衡状态进行判别。Na Mg K 三角图是 Giggenbach 提出的用于评价地热水水 岩平衡状态的一种方法，将地热水分为完全平衡水、部分平衡水和未成熟水三种类型23。将济南北部地热水 Na+、K+、Mg2+含量投影至 Na K Mg 三角图(图 6)上，由图 6 可以看出，济南北部地热水数据点均落在部分平衡水区域内，这说明济南北部地热水水 岩作用未达到平衡状态，可能是地热水涌至地表过程中与浅部地下冷水发生冷热混合，受到浅层地下冷水的稀释，从而使地热水中 Na+、K+、Mg2+含量降低，因此阳离子 温 标 法 不 适 合 用 于 计 算 济 南 北 部 地 热 水 热 储 温度19。图 6济南北部地热水 Na K Mg 三角图4 1 2SiO2温标法地热水中溶解的 SiO2在 300 下受其它离子的影响很小，而且在地热水上涌至地表的冷却过程中不会发生沉淀及稀释，浓度相对稳定，因此经常被用来进行中低温地热热储温度的计算。常用的 SiO2温标公式如下24 26:1)石英温标地热水运移过程中无蒸汽损失:T=1 3095 19 lg C=273 15(4)2)石英温标地热水运移过程中最大蒸汽损失:T=1 5225 75 lg C=273 15(5)3)玉髓温标地热水运移过程中有蒸汽损失:T=1 0324 69 lg C=273 15(6)式中:T 为热储温度，;C 为地热水中 SiO2的浓度，mgL 1。济南北部地热水计算结果详见表 3，玉髓温标计算结果与石英温标计算结果差别很大，将 SiO2温标计算热储温度与地热水井口实测温度进行对比如图 7 所示，发现玉髓温标的计算温度均低于井口温度，这不符合实际，说明玉髓温标不能用于02第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月济南北部地热热储计算。石英温标计算热储温度波动较小，故济南北部地热热储温度范围为 63 16 81 53 表 3济南北部 SiO2温标法地热热储温度计算结果SiO2温标公式热储温度/馆 1馆 2馆 3馆 4东 1东 2东 3东 4式(4)64 9277 6763 1664 1567 2470 0865 3467 93式(5)70 2781 5368 7069 5872 3274 8370 6472 93式(6)32 9146 2331 0732 1035 3138 2833 3436 03图 7济南北部地热水 SiO2温图 8济南北部地热水成因标法计算热储温度与地热水温概念模式图度对比图4 2地热水成因模式济南北部地热盖层为第四系及新近纪 明化镇组，热储为新近纪馆陶组及古近系东营组两个热储类型，其主要热源是正常的大地热流，区域内断裂是地热水与深部热源沟通的通道。大气降水在济南南部山区入渗补给地下水后，大部分受到济南岩体的阻挡以泉的形式排泄，少部分沿地势及地层倾角继续往北侧向径流，断裂带沟通了深部热源，在大地热流的加热作用下，形成地热水(图 8)。5结语(1)济南北部地热属于低温水热型地热资源，地热水为弱碱性硬水，但东营组与馆陶组地热水在温度 T、总体溶解性总固体(TDS)含量及总硬度(TH)方面差异明显，东营组地热水均高于馆陶组地热水。济南北部地热水水化学类型主要为 Cl Na，阳离子浓度呈 Na+Ca2+Mg2+K+的关系，主要阴离子浓度具有 Cl SO42 HCO3的特征，且离子含量相对稳定。地热水主要离子受到岩盐的风化溶解、碳酸盐岩的溶解、蒸发硅酸盐岩及蒸发盐岩的风化溶解的控制。(2)济南北部地热水水样在 D 18O 图上均沿全国大气降水线分布，表明地热水补给主要来源于大气降水。同位素 T 值表明馆陶组地热水为“古水”，而东营组地热水为“古水”占主要优势的新近水与“古水”的混合水。(3)济南北部大气降水在济南南部山区入渗补给地下水后，大部分受到济南岩体的阻挡以泉的形式排泄，少部分沿地势及地层倾角继续往北侧向径流，断裂带沟通了深部热源，在大地热流的加热作用下，形成地热水。参考文献 1Yuqing Wang，Yingxin Liu，Jinyue Dou，et al Geothermal energy inChina:Status，challenges，and policy recommendationsJ Utili-ties Policy 2020 642Siyuan Chen，Qi Zhang，Philip Andrews Speed，et al Quantitativeassessment of the environmental risks of geothermal energy:A reviewJ Journal of Environmental 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