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

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
【摘要】以章宁1地热井的研究为例,在分析地热水水文地球化学特征基础上,对地热水的化学成分形成进行了研究,并通过与相对补给径流区的西曹范、章桃1地下水水化学特征的比较,研究其演化机理.综合分析认为地热水为沉积岩溶滤水,属于中度变质水,地下水流经火成岩侵入体时溶解了大量的Cl-及F-,HSiO3-等微量元素,次为地下水与沿文祖断裂上升的深部热液的混合,导致地热水化学类型的改变.深部热液的水化学成分与济南东地热水与深部热液的混合比例有待进一步研究.
【期刊名称】《山东国土资源》
【年(卷),期】2019(035)008
【总页数】6页(P20-25)
【关键词】地热水;水文地球化学;演化机制;成热模式;济南章丘
【作者】程洪柱;成世才;王振涛
【作者单位】中化地质矿山总局山东地质勘查院,山东济南 250014;中化地质矿山总局山东地质勘查院,山东济南 250014;山东省地质环境监测总站,山东济南250014
【正文语种】中文
【中图分类】P641.3
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
济南东部章宁1地热井位于齐河潜凸起与邹平-周村凹陷交接带地区，地热区为向N缓倾的单斜构造，基本为第四系覆盖，下伏地层包括三叠系、石炭-二叠系、奥陶系；主要断裂构造为文祖断裂，该断裂总体走向NNW，倾向SW，倾角70°～80°，西盘相对下降，东盘相对上升，为一高角度张性断裂，虽然文组断裂一带地热地质工作相对开展较多，但对济南东部地热田边界认识不够清楚；区内侵入岩形成时代为中生代燕山晚期，岩体的侵位以浅成相为主，岩性为辉绿岩、闪长岩、辉长玢岩等[3]，这些岩浆的侵入为地下热量的传递和运移提供了便利条件，从而为地热在该区的形成提供了客观因素。

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
地热水无色、透明、无异味、无肉眼可见物；pH值7.03～7.06，中性水；溶解性总固体6.583～6.621g/L，平均值为6.602g/L，咸水；总硬度2747.47～2785.06mg/L，平均值2766.27mg/L(以CaCO3计)，硬水；阳离子以
Na+,Ca2+离子为主，含量分别为1046.00～1062.00mg/L，852.28～
853.38mg/L；阴离子以离子为主;含量分别为1783.90～
1835.53mg/L,2309.90～2339.53mg/L;水化学类型按舒氏分类法属Cl·SO4-Na·Ca型水。

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-)
此外，热储层中膏盐含量较大，且有石膏夹层，在热储温度、压力、盐度的长期作用下，石膏溶解增大了的浓度。

地热水流动缓慢，在漫长的水岩作用过程中，热储层中含锶的碳酸盐和硫酸盐矿物充分溶解形成锶离子，另一方面，锶的浓度和硫酸盐浓度呈正相关关系[8]，热水中硫酸根离子浓度越高，锶的浓度也越高。

(2)沉淀作用:地热水中含量极低，与地下热水系统发生的沉淀作用有关。

含有
Ca2+和地下水在径流过程中，使水溶液中其他离子浓度增大，因同离子效应和热储温度的共同作用产生CaCO3沉淀，长期的沉淀作用使Ca2+浓度与浓度相差较
大，亦使消耗殆尽[9]。

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)]+2
F-
黑云母转变成水云母时也会释放出F-：
[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化学成分
SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OP2O3含量
(%)72.820.1413.80.6920.010.451.143.924.680.04微量元素ZnPbCuVCoNiRbSrZrNb含量(×10-6)69686951<17161266851798
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。

式中：Ci—离子体积摩尔浓度；Zi—离子的电价，章宁1地热水K=30.4，I=0.12。

根据别尔亚柯夫1970年提出的按K及I分类的水质变质程度分类方案[12](K≤0.5，I<0.006，为未变质水；0.5<K≤4，0.01<I<0.04，为初期变质水；4<K≤60，
0.05<I<0.2，为中度变质水；K>60，I>0.2，为高度变质水)，该地热水属于中度变质水。

表明地热水中化学成分之间发生了复杂的反映，包括易溶盐的溶解、难溶盐CaCO3的沉淀以及水中离子与含水介质离子的交换反应等[13-14]，结果使地热水中阴离子成分逐渐以由为主演化为Cl-及为主，阳离子逐渐由Ca2+为主演化为以Na+为主。

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)分析指标K+Na+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3矿化度北曹范0.44586.4521.3415.256.56263.56493.35章桃
184.66717648.51110.37814.142454.95205.945064.44章宁
155.841054852.83141.651809.722324.72191.716697.91
根据图2，从补给区到径流排泄区，地热水中除了外，其余离子含量均出现较大幅度的上升。

矿化度从补给区的493.35mg/L上升为径流区的5064.44～
6697.91mg/L，其原因一方面与流经地层的岩性有关，地下水经过长距离径流，尤其是流经火成岩侵入体时，从富含的辉石、角闪石、长石、黑云母中溶解了部分上述离子；另一方面，随着地热水滞留时间的增加，使水岩作用更加充分，上述离子浓度不断上升。

地下水含量变化主要受控于碳酸盐、硫酸盐矿物的溶解沉淀平衡。

补给区、岩溶水经过入渗和径流，已达到或接近饱和，随着进一步径流及深部循环的进行，地下水含量变化不大，含量相对稳定。

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。

根据图3、图4，岩溶水从补给区(北曹范)较为单一的HCO3·Ca型转变为排泄区(章宁1)Cl·SO4-Na·Ca型，水中含量显著上升，此现象与地下水流经热储的岩性有关。

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。

(3)地热水形成的化学过程以溶解作用为主，地热水水化学成分是在地下长期径流
及深循环过程中各种水化学作用的结果。

地热水含量基本稳定的原因受控于碳酸盐、硫酸盐矿物溶解—沉淀平衡作用；随着进一步径流及深部循环的进行，地下水对
岩石中各种离子元素的溶解、淋滤作用增强，地下水在运移过程中水—岩作用随
着径流途径及滞留时间的增加而更加充分，地热水中等离子含量大幅上升。

(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。

参考文献：
【相关文献】
[1] 李宇荣，王艳平．山东温泉旅游资源分析及科学发展思考[J]．山东国土资源，2008，24(3)：
37-39．
[2] 张增奇．山东省地层侵入岩构造单元划分对比意见[J]．山东国土资源，2014，30(3)：19-21．
[3] 蒙永辉．章丘市枣园桃花山地热田地质特征[J]．山东国土资源，2010,26(11)：24-25．
[4] 王奎峰．山东省聊城市东部地热田地热资源特征[J]．中国地质，2009，36(1)：199-200．
[5] 陈墨香．华北地热[M]．北京：科学出版社，1988:50-52．
[6] 沈照理．水文地球化学基础[M]．北京：地质出版社，1993：152.
[7] 张保健．聊城市东部岩溶地热田地下热水水化学特征及成因分析[J]．中国岩溶，2009，28(3)：264-265．
[8] 王奎峰，李文平，韩代成，等．山东省临清地热田地热水化学特征及热水起源研究[J]．地质调
查与研究,2014，37(3):230-235．
[9] 马振民，何江涛．菏泽凸起地下热水的水文地球化学特征及成因分析[J]．山东地质,2000，
16(2):26-27．
[10] 隋海波，康凤新，李常锁，等．水化学特征揭示的济北地热水与济南泉水关系[J]．中国岩溶，2017，36(1):49-58．
[11] 于晓静，金兴，尹斐．济南市平阴氡地热水中氟的来源及赋存机理浅析[J]．山东国土资
源,2017，33(8):46-50．
[12] 陈静生．水环境化学[M]．北京：高等教育出版社，1991:20-24．
[13] 李红雁，马致远．因子分析法在深层地下热水水化学组分形成作用中的应用[J]．地下水,2013，35(4):1-4．
[14] 成世才，卢兆群，张强．济南西部地区地下水水化学特征及演变机理浅析[J]．山东国土资源，2017，33(1):56-59．
[15] 汪集旸，黄尚瑶．华北平原地热区形成的深部地质背景地热专辑[M]．北京：地质出版社，1989:143．。