豫北內黃凸起地熱田成因機制分析

詹亞輝 王現國 錢建立 高曉 黃學謙

摘要：豫北內黃凸起地熱田熱儲資源較為豐富，區內熱儲層有新近系明化鎮組熱儲層、新近系館陶組熱儲層及寒武系、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲層。應用同位素水文地球化學方法，結合區域地質構造條件，對地熱田成因機制進行了系統研究，結果表明：研究區地溫場主要受地殼深部結構、地質構造以及地層巖性結構控制，同時受邊界斷裂導熱以及地下水活動等因素影響；該地熱田地熱水溫度偏低，最高約為58℃，屬于低溫地熱系統，區內地熱流體的氫氧同位素投影基本落在當地雨水線上，表明地熱流體來源于大氣降水；地熱水的陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-和S042-為主，地熱水為Cl-Na、SO4-Na、SO4+Cl-Na型水；研究區地熱水來源于西部山區的大氣降水，地熱水的形成年齡為1.6萬～3.2萬a。

關鍵詞：地熱田；同位素；熱儲層；水化學特征；豫北內黃凸起

中圖分類號：P314.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.017

與傳統能源相比地熱能是一種清潔的可再生能源，地下熱水作為地熱能的主要載體，其開發與利用力度逐步加大[1]。要實現地下熱水的可持續開發利用，必須查明地熱資源的成因機制。目前國內對于地熱資源的成因機制研究方法已較為成熟[2]，同位素水文地球化學方法應用較多[3]。豫北內黃凸起地熱田開發利用地熱水開始于20世紀80年代，先后開鑿深千米左右的地熱井40余眼，多數地熱井溫度為42～56℃，地熱水廣泛應用于醫療、洗浴、游泳等方面，部分用于礦泉水開發及供暖，其熱儲資源較為豐富[4]。河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院、第二地質礦產調查院曾對豫北內黃凸起地熱田進行了地熱資源調查與評價，對豫北內黃凸起地熱田地質條件和地熱流體賦存環境有了整體認識。在前人研究的基礎上，結合豫北內黃凸起地熱田地質構造背景，筆者通過分析地熱水的水化學和同位素特征，提出豫北內黃凸起地熱田的成因機制，以期為可持續開發利用豫北地區地熱田提供指導。

1 研究區概況

1.1 地質構造特征

研究區屬華北地層大區，華北平原地層分區豫北小區，地層具有明顯變質巖基底和沉積巖蓋層，為典型的臺型沉積。地表廣為第四系覆蓋，其余地層為隱伏地層或零星出露。地層自下而上分布有太古界、元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系、古近系、新近系、第四系等。

研究區邊緣為斷裂所圍限，湯東斷裂、長垣大斷裂、焦作一商丘深斷裂共同控制著地層分布。研究區內斷裂不發育，多為近北東向小斷裂，主要代表為北部近東西向安陽斷裂及北東向南樂斷裂。研究區地溫場主要受地殼深部結構、地質構造和地層巖性結構控制，同時受邊界斷裂導熱和地下水活動等因素影響。

1.2 熱儲層特征

豫北內黃凸起地熱田位于河南省黃河以北平原區，華北盆地邊緣，分布有低溫地熱流體，巨厚的新生界沉積及其覆蓋下的下古生界奧陶系、寒武系形成良好的地下水熱儲層。地形西高東低，西部北高南低，東部南高北低，地面標高為40～250m。熱儲以層狀熱儲為主，根據所屬地層時代及儲水介質特征，可分為新近系碎屑巖孔隙熱儲層、古近系碎屑巖孔隙裂隙熱儲層和寒武系、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲層。第四系埋深淺、水溫低，形成熱儲蓋層。

新近系碎屑巖孔隙熱儲層根據其含水介質巖性、厚度及地層時代劃分為新近系明化鎮組、新近系館陶組[5]。新近系明化鎮組在?？h火龍崗一帶直接出露地表，其余地區頂板埋深0～350m，底板埋深258～1730m，含水介質巖性主要為粉砂巖、細砂巖及中細砂巖，局部地區分布礫巖或夾礫粗砂巖，砂巖層數較多，有17～81層，單層厚度1.5～37.0m，總厚度205.9～381.5m，熱儲厚度占地層厚度的25%～55%，熱儲層孔隙度為30%～40%，單孔涌水量為720～1440m3/d，地熱水水溫為25～52℃。新近系館陶組頂板埋深1000～1400m，向東南方向逐漸加深；底板埋深1000～2200m，由隆起區向長垣縣惱里一帶逐漸加深。含水介質巖性主要為細砂巖，底部為含礫砂巖與砂礫巖。含水介質有18～25層，單層厚度1.2～13.1m，總厚度124.3～155.1m，熱儲層占地層總厚度的32.4%～67.2%，涌水量一般為840～2600m3/d，水溫為46～50℃。古近系碎屑巖孔隙裂隙熱儲層頂板埋深800～2414m，巖性以厚層中砂巖和中細砂巖為主，熱儲層累計厚度260m左右，含水層滲透性較好，單井開采能力為50～60m3/h，熱儲溫度最高為58℃。寒武系、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲層頂板埋深781～2170m，最大揭露厚度597m，未見底，熱儲層巖性以灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖為主，受構造控制，其裂隙、溶隙、溶洞發育程度不同，富水性不均，在構造帶附近，裂隙、溶隙發育，富水性較好。

1.3 大地熱流分布特征

根據收集到的研究區及其周邊大地熱流值可以看出：大地熱流值最低為40.0mW/m2，最高為79.5mW/m2，平均為59.771 mW/M2[6]，與華北盆地大地熱流值（58.6mW/m2）相當，但低于我國大陸整體的平均熱流值（約63mW/m2）。華北盆地內部凸起區熱流值高于斷陷區：內黃縣城大地熱流值為64.19mW/m2，高于地處湯陰斷陷的安陽—湯陰一帶的熱流值，構造發育部位熱流值相對較高。

2 地熱成因機制研究

2.1 取樣與測試

對研究區地熱井、常溫水井及地表水、大氣降水分別進行采樣，主要采樣點分布見圖1。用于D（氘）、18O和T（氘）分析的水樣經0.45μm的微孔濾膜過濾后直接裝人50mL聚乙烯瓶中；用于13C和14C分析的水樣經過處理和萃取后裝入聚乙烯瓶中；用于87Sr/86Sr分析的水樣經0.45μm的微孔濾膜過濾后直接裝入50mL聚乙烯瓶中，并向水樣中加人優級純硝酸至其pH值小于2，然后密封待測。δD和δ18O采用MAT-253穩定同位素比質譜儀測定，δ13C將樣品轉化成CO2采用MAT-253穩定同位素比質譜儀測定，T和14C采用Quantulus 1220液閃譜儀測定，87Sr/86S的分析采用MAT-261熱電離固體質譜計測定。

2.2 水化學特征

采集水樣的地熱鉆孔深度為1200～1800m，水溫為40～55℃，取水層主要為新近系。研究區地熱水樣品的pH值為7.51～8.41，呈微堿性；大氣降水和地表水的pH值約為8.00；常溫地下水（淺層地下水）的pH值為7.64～8.10。地熱水、常溫地下水、大氣降水、地表水的pH值沒有明顯差異。地熱水的總溶解固體（TDS）含量一般比淺層地下水的大，地熱水TDS含量最大為8166.29mg/L，大部分大于1500mg/L，為微咸水；淺層地下水TDS含量最大為2200.99mg/L，但大部分小于1000mg/L，為淡水。將采集水樣按其主要組分K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-的毫克當量百分比投影到Piper三線圖（見圖2）上，對其水化學類型進行分析。

從水化學類型來看：地熱水的陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-和SO42-為主，地熱水為Cl-Na、SO4-Na、SO4+Cl-Na型水；常溫地下水的陽離子以Na+、Ca2+、Mg2+為主，陰離子以Cl-和HCO3-為主，常溫地下水為HCO3-Na、HCO3-Ca+Mg、HCO3+Cl-Na型水；地表水和大氣降水為HCO3-Na、HCO3+Cl-Na型水。

地熱水含有特征元素（見表1），可溶性SiO2含量尤其高，最高為50.780mg/L，另外B含量最高為1.38mg/L，Sr含量最高為13.78mg/L，Li含量最高為0.77mg/L，這些特征元素的含量明顯高于一般常溫地下水和地表水的。

對地熱水H、O、C、S、Sr的穩定同位素組成進行分析，同時對放射性同位素T和14C進行測定，見表2。地熱水的δ34S值較大，最大為2.73%，平均為2.218%，而地表水的δ34S值為1.03%，大氣降水的δ34S值為0.55%，說明地熱水的硫來源不同于地表水和大氣降水的，含水層中硫酸鹽礦物溶解于地熱水中；地熱水的87Sr/86Sr值不同于大氣降水的，說明水-巖相關作用過程中熱儲層礦物的Sr元素溶解進入地熱水中；地熱水的δ13C值明顯大于大氣降水的，說明水-巖相關作用過程中礦物的C元素溶解進入地熱水中。

地熱水的δD和δ18O值都明顯小于地表水和大氣降水的δD和δ18O值，說明地熱水的來源不同于當地地表水和大氣降水[7]的。

地熱水的氘含量明顯很低，而地表水和大氣降水的氘含量為10TU左右，可見地熱水與地表水和大氣降水有區別。地熱水一般為20世紀50年代核爆前補給的大氣降水[8]。

地熱水14C表觀年齡為1.6萬～3.2萬a，且地熱水形成時間越早，表觀年齡越大，其中新近系明化鎮組上部溫水為1.6萬a，新近系明化鎮組下部及館陶組為2.3萬～3.0萬a，奧陶系地熱水為3.2萬a。總體上地熱水比淺層常溫地下水、大氣降水的表觀年齡大，表明是經歷了一定徑流時間的地下水，循環更新時間比較緩慢。

2.3 氫氧同位素示蹤地熱水來源

從地表水的氫氧同位素組成來看，基本上都落在當地雨水線上（見圖3），當地地表水和大氣降水氫氧同位素組成值稍大于地熱水的，顯示出大氣降水來源特征。地熱水集中在當地雨水線左下方，表明地熱水的來源可能比較單一，而且地熱水補給來源的位置高程可能較高。從區域水文地質條件看，西部山區降水入滲補給是地下水的主要來源，可以推測地熱水主要

2.4 水熱系統的熱交換溫度

對比K-Mg溫標和SiO2溫標溫度評估結果，K-Mg溫標T（K-Mg）和SiO2溫標T（SiO2）與水樣點T3和T4平均值[（T3+T4）/2]比較接近，和實測溫度（水溫）差距不大，具有較高的可信度，見圖4。采用兩種溫標的平均值作為區域水熱系統的熱交換溫度更加接近實際。針對內黃地區新近系地層中的水熱系統，熱交換溫度為51.0～68.7℃，平均值為57.7℃。

2.5 水熱系統中的水巖相互作用

將研究區所采集地下熱水中Na+、K+、Mg+含量投影到三角圖中（見圖5，其中TK-Mg、TK-Na分別為K-Mg溫標、K-Na溫標），由Na-K-Mg三角圖可以看出，研究區所有地熱水采樣點均靠近右下角頂點處Mg端元，反映出水-巖平衡的溫度較低，地熱水中鈉、鉀礦物均未達到飽和狀態。也可以說明，經深循環的高溫地熱水在淺層與冷水混合，原本達到溶解平衡的熱水受到冷水的稀釋變成鈉、鉀礦物不飽和水。地熱水點聚集在Mg端元，說明地熱水到達淺層與冷水混合后，Mg達到了再平衡，進一步說明采用K-Mg溫標計算的溫度比較合理。

研究區地熱水主要礦物飽和指數Si見表3，溶液中溶解SiO2沒有達到飽和狀態，玉髓和石英的飽和指數為-0.5～-0.11。玉髓大致處于飽和狀態，代表著深部地熱流體與淺層冷水的混合溫度。石英的飽和指數更接近于0，說明石英接近化學平衡，地熱水中原始二氧化硅含量在循環中沒有達到再平衡，原因可能是地熱水在深大斷裂中流動的速度較快，在通過冰冷的基巖時熱量幾乎沒有散失。

鈉長石、石膏、天青石等SI<-0.5，處于未飽和狀態；綠泥石、白云石、云母等礦物SI>0.5，處于過飽和狀態。長石類礦物、硫酸鹽礦物和鋁硅酸鹽類礦物都未達到飽和狀態，說明熱水在與淺層冷水發生混合后，這類礦物在水中沒有達到飽和。因此，可以判斷研究區新近系地熱水存在與淺層常溫地下水混合的問題。

3 結語

豫北內黃凸起地熱田地溫場主要受地殼深部結構、地質構造以及地層巖性結構控制，同時受邊界斷裂導熱和地下水活動等因素影響。豫北內黃凸起地熱田地質構造復雜，處于多條活動斷裂的交匯地帶，斷裂形成的破碎帶為區域內地熱水提供了良好的運移通道，且上覆較厚第四系松散堆積物蓋層，從而造成地熱異常。研究區地熱水來源于西部山區的大氣降水，地熱水年齡為1.6萬～3.2萬a；地熱流體的升流通道及熱水上涌過程中可能存在地熱水與上部淺層地下水的混合作用。區域內地熱水可再生能力有限，而且熱水井密度較大，相互之間干擾較為嚴重，應該合理分配各熱水井的開采時間和開采量。

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