基于水化學的沂源盆地地熱田成熱模式探討

薄本玉,王韶霞,馬鵬飛,葉倩,譚肖波*,謝峰

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊(山東省地礦工程勘察院),山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心,山東 濟南 250014；2.淄博市自然資源和規劃局地質礦產技術中心,山東 淄博 255022)

0 引言

地熱資源作為清潔、環保、可再生的清潔能源，已得到廣泛應用[1]。山東省是地熱資源大省[2]，《山東省能源發展“十四五”規劃》明確指出，要加大地熱資源勘查力度，加快能源結構調整步伐。

沂源盆地現有地熱井兩眼(編號為R1、R2)(圖1)，分別成井于2007年和2011年，由于位于魯中高地，地熱資源顯得彌足珍貴，引起了學者們對該區地熱地質的興趣并進行了進一步研究。2017年，尹秀貞[3]以R1井為例，對地熱田水質進行了評價，對資源量進行了估算，初步分析了地熱成因。2020年，單吉成等[4]結合沂源盆地已有的兩眼地熱井，從分析地熱地質條件及地溫場特征角度對地熱田成因進行了歸納，對地熱水質進行了評價，指出其開發利用用途廣泛，對提升城市形象，打造地方品牌具有重要推動作用。筆者在前人研究的基礎上，對區內地熱井重新采集了地熱水樣品，進行了氫氧同位素、碳同位素及氣體同位素分析，根據測試結果進行綜合研究，明確其水源、熱源的來源，并結合水循環機理，總結小型盆地地熱的成熱模式，從地學角度對成熱模式進行命名，以提高其地熱找礦的理論研究水平，為下一步的勘查規劃及開發利用提供地質依據，為類似地熱田的研究提供借鑒參考。

1 地熱地質條件概述

沂源縣位于山東省中部，淄博市最南端，地處魯中腹地沂蒙山區，平均海拔401m，是山東省平均海拔最高的縣。沂源盆地地熱田位于魯中隆起地熱亞區內[5]，屬隆起山地型地熱資源。大地構造位于沂源斷陷盆地內，分布于中部南麻街道—悅莊鎮一帶，為魯西臺背斜魯中隆起-馬牧池-沂源斷隆-沂源凹陷區，為魯中南中低山丘陵區的凹陷盆地，地殼運動表現為區域上升運動中的局部下降運動。古生代中奧陶紀以來，主要表現為不斷的下降運動，蓋層以厚度可觀的古近系、白堊系及部分石炭系為主。蓋層之下隱伏或埋藏著巨厚的寒武-奧陶紀碳酸鹽巖地層，厚度大于1000m。經過地質歷史上多期構造運動，區內發育了較為復雜的斷裂構造，成為溝通深部熱源的良好通道。如上五井斷裂、韓旺斷裂、李家莊斷裂等。經地熱井揭露，沂源盆地地熱田熱儲層主要為奧陶系和寒武系，其巖性主要為石灰巖、泥灰巖、白云質灰巖。盆地北部為地質時代較老的太古代花崗片麻巖。R1井井深2003m，井口出水溫度45℃，水量為192m3/d(降深268m)，熱儲層為奧陶系和寒武系；R2井井深1200m，井口出水溫度42℃，水量1954m3/d(降深128m)，熱儲層為奧陶系。

沂源盆地地熱田邊界：東部、北部以韓旺斷裂為界，西部以李家莊斷裂為界，南部以奧陶系頂板400m等埋深線(25℃熱儲界線)為界，面積約31km2(圖1)。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—花崗巖；9—地質界線；10—實測平行不整合地質界線；11—角度不整合地質界線；12—推測平行不整合地質界線；13—斷裂及推測斷裂；14—奧陶紀灰巖頂板埋深等值線及值(m)；15—測溫孔及地溫梯度(℃/100m)；16—地溫梯度等值線及值(℃/100m)；17—地熱井及編號；18—地熱田范圍圖1 沂源盆地地熱地質簡圖

2 樣品采集與分析

本次研究采集了R2號地熱井地熱流體樣品并進行了相關測試分析。其中常規分析和微量元素分析由山東省地礦工程勘察院測試完成，地熱水中陰離子的測定采用離子色譜(Dionex-500)測定，陽離子的測試采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定，微量元素的測試采用電感耦合等離子體光譜/質譜(ICP-AES/MS)測定。水化學的測試精度是±3%，檢測下限是0.05mg/L。

氫氧及碳同位素由美國Beta實驗室(Beta Analytic Inc.)測試完成，氫氧同位素采用液體激光同位素分析儀(L1102-1,Picarro)測定，δ18O和δ2H的檢測精度分別為±0.1×10-3和±0.5×10-3；水中14C采用加速質譜(AMS)，測試精度為±0.2pmC(現代碳百分比)。

氣體樣品的采集采用排水集氣法，用50mL的玻璃瓶作為樣品收集容器，排水過程中，保持玻璃瓶口浸入裝有地熱水的盆中，待玻璃瓶內氣體收集將滿時，在水面下迅速用鋁箔膠塞封口，并將玻璃瓶保持倒立置于500mL的裝有地熱水的棕色塑料瓶中。確保塑料瓶中未殘留氣泡后，旋緊瓶蓋，以膠帶密封瓶蓋。氣體同位素由具有相關中國計量認證(編號：170017161211)的中科院地質與地球物理研究所蘭州油氣中心完成。氣體組分分析，采用氣體質譜儀(MAT271,ThermoFinnigan)測定，以氣體的體積百分含量(vol.%)的形式表示,儀器的檢出下限為0.0001%。儀器的分辨率為3000,以區分CO/N2/C2H4和CO2/C3H8氣體組分。氣體樣品C同位素采用氣體質譜儀(MAT252,ThermoFinngan)測試，用同位素比值13C/12C相對千分差δ表示，標準樣品參照國際標準Vienna Pee Dee Belemnite(VPDB)，儀器的檢測精度為>±0.5×10-3。稀有氣體同位素3He、4He和20Ne的分析，采用稀有氣體質譜儀(Noblesse MS,Nu Instrument)測定，用3He/4He和4He/20Ne來表示。

另外收集了R1號地熱井地熱流體樣品部分測試結果(表1、表2)，一并進行研究分析。

表1 R1、R2地熱井常規水質分析數據表

表2 R2地熱井氣體元素、氫氧及碳同位素分析結果匯總表

3 地熱地質特征

3.1 地溫場特征

沂源盆地地溫梯度較低，R1、R2蓋層地溫梯度分別為2.4℃/100m、2.3℃/100m。由地熱井并結合該區地溫梯度測量結果繪制的地溫梯度等值線圖可知(圖1)，水平方向上，總體呈現由盆地外圍到盆地中心地溫梯度逐漸增高的趨勢，分析可能是受地下水流干擾因素影響。

根據R1號地熱井測溫資料(圖2)，第四系厚度25m，為變溫帶；全孔地溫梯度為1.89℃/100m，蓋層地溫梯度為2.4℃/100m。R1號地熱(1)山東省地礦工程勘察院,山東省沂源縣南麻-悅莊盆地地熱資源調查報告,2012年。井井深2003m，寒武紀石灰巖在揭露的深度內溫度為60.95℃。該區蓋層、熱儲層地溫梯度整體偏低，分析認為由于蓋層較薄，特別是石炭-二疊紀蓋層較薄，而且盆地較小，導致地下水運移途徑較短，交替活動更強烈[6]的原因，而使其地溫梯度較低。

圖2 R1地熱井垂向地溫曲線圖

3.2 水化學特征

3.2.1 水化學特征

按熱儲層來講，R1井穿透奧陶系、為寒武-奧陶紀灰巖熱儲；R2井為奧陶紀灰巖熱儲。R1和R2兩眼地熱井的井口出水溫度分別為45℃、42℃，水化學類型分別為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型、HCO3-Ca·Mg型，均為低溫水熱型地熱資源。與臨近的淄博向斜盆地巖溶熱儲地熱水水化學特征[7-8]比較，研究區7大離子濃度和礦化度都偏低，且呈現巖溶冷水的特征。以礦化度為例，沂源盆地地熱田地熱水礦化度小于1g/L，與淄博市張店地區地熱水礦化度3～5g/L左右相比，明顯偏低；與山東省魯中隆起地熱亞區地熱水礦化度平均值1.14g/L，魯西南潛隆地熱亞區地熱水礦化度平均值4.8g/L相比也明顯偏低[9]，分析是由于沂源盆地整體較小，地下水徑流、運移路徑較短，地質構造特別是較大地質構造在盆地內不甚發育，地下水與圍巖的水巖作用較弱，導致其礦化度和其他主要離子濃度明顯較低。

3.2.2 同位素特征

(1)氫氧同位素。熱水的δ18O與δD的關系可以指示熱水的來源[10]，將R2號地熱水的氫氧同位素測試結果投影到中國現代大氣降水線[11]δD=7.9δ18O+8.2和Craig全球大氣降水線(GMWL)δD=8.0δ18O+10上[12]，可以看出，投影點位于大氣降水氫氧同位素組成線附近，說明本區巖溶熱水來源于大氣降水補給(圖3)。

圖3 沂源地熱田R2 δD～δ18O關系圖

(2)碳同位素。不同的放射性同位素測定的地下水年齡段不同，一般其測定范圍是其半衰期的0.1～10倍[13]。根據地下水的年齡，將地下水分為“現代”地下水、“次現代”地下水和“古地下水”。“現代”地下水是指在過去幾十年補給的地下水，是強烈水文循環的一部分；“次現代”地下水是年齡50～1000a之間的地下水；年齡大于1000a通常就算作“古地下水”[14-15]。顧慰祖等[16]從水文循環成因角度將地下水分為現代地下水(0～50a)、近代地下水(50～200a)、古代全新世地下水(200～10000a)和古代晚更新世地下水，且以14C年齡不大于1萬年為古代全新世地下水特征。放射性同位素測年目前常用的是14C測年技術[13]。本次研究對R2地熱水進行了14C測定，經校正后R2的14C年齡為10.51ka B.P.，

接近1萬年，綜上可以判定R2井地熱水為古代全新世地下水。

(3)可更新能力評價。地下水的可更新能力與地下水的形成年齡成反比[17-18]。綜合上述氫氧同位素及碳同位素分析結果，可知R2地熱水主要源于古代大氣降水，說明其存在一定的封閉性，補給年代久遠，地下水在含水層滯留時間長，地下水循環弱，可更新能力較差。

3.3 氣體及其同位素特征

地熱氣體的地球化學和同位素特征可以用來判斷地熱流體的來源，識別殼源組分和幔源組分的比例，評價殼源熱量和幔源熱量對地表熱量的貢獻比例。

由表2可知，R2中地熱水主要氣體成分為N2，占比72.07%，其次為O2、CO2。富含N2成分的地熱流體在中低溫系統是很常見的，可能表示地熱流體循環過程中低的平衡溫度[19]。而O2的相對富集，分析認為系水溶氣氧溶解度大，巖石吸附氧的能力強，加上地下水處在非平衡狀態所致。但因受取樣條件限制，本次只取到一個地熱水樣品，尚無法進行更深入的分析研究。今后隨著研究區地熱勘查開發的不斷深入，需要加強樣品的采集，以多方面綜合分析印證。

本研究根據N2-Ar-He三種組分之間的相互關系對N2的來源進行識別(圖4)。大氣、飽和空氣水和地下水N2/Ar的比值分別為84、38、50[20-21]。如圖4所示，通過計算R2地熱流體的N2/Ar(%)比值為53.39%，靠近He-grounder趨勢線，表明熱儲中地熱氣體的N2來源于深循環的地下水較多。

圖4 R2氣體N2-Ar-He三角圖

幔源、殼源和空氣中的He各自具有特征的3He/4He比值，分別為(1.1～1.4)×10-5、2×10-8、1.9×10-6[22-23]。對3He/4He進行大氣校正(Rc/Ra)后可以計算出幔源He的百分比[24]。R2校正后的Rc/Ra值為0.35，遠大于0.01，表明R2地熱流體有地幔起源的He加入，其He占總He組分Xm=4.18%，說明R2地熱水的He來源仍然以殼源為主(圖5)。

圖5 R2地熱氣體樣品的20Ne/4He-3He/4He關系圖

綜上分析，沂源盆地地熱水水化學類型以HCO3·Cl·SO4型或HCO3型為主，礦化度小于1g/L，水化學特征接近巖溶冷水特性。但該區地下水具有深循環性，表現為兩點：一是地下水從西向東徑流，水化學類型由HCO3型逐漸演變為HCO3·Cl·SO4型，特別是Cl-的出現，表明地下水進入了相對封閉的環境，徑流相對緩慢，這與同位素分析結果基本一致；二是通過同位素及氣體地球化學分析，其地熱水來源于古代大氣降水，是古大氣降水經過漫長的深部循環形成的。

從地球化學特征分析可以看出，沂源盆地地熱水水源為古大氣降水經過漫長的深循環形成的，熱源以殼源為主。形成年代在萬年左右，地下水相對封閉。對比兩眼井的成井質量，R2井水量、水溫均較理想，前期用于小區供暖進行了開發利用；而R1井水量僅為192m3/d，水量較小，降深又大，幾乎沒有開發利用價值，這也是導致該井未進行開發利用的主要原因。結合水文地質條件分析，因為R2靠近斷裂帶，深部巖溶較為發育，地下水深循環條件好；R2井遠離斷裂帶，深部巖溶發育弱，導水導熱的通道發育弱，地下水深循環條件較差。從另一方面說明在該區地熱井成井風險較高，在該區進行地熱井勘探要進行充分的地熱探采結合井位分析論證。并有規劃性地做好地熱井的勘探、開發和回灌工作，以實現可持續開發利用。

4 成熱模式

“儲、蓋、通、源”是地熱形成的基本條件[25]，沂源盆地地熱水的形成基本具備上述條件(圖6)。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系+侏羅系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—花崗巖；8—斷裂；9—角度不整合地質界線；10—平行不整合地質界線；11—冷熱水運移途徑；12—大地熱流；13—地溫梯度剖面線；14—地熱井圖6 沂源盆地地熱田概念模型圖

儲：沂源盆地為EW向狹長，四周被低山丘陵所環繞，中間平坦，位于魯中隆起區的局部凹陷區。熱儲層主要為埋藏很深的奧陶紀石灰巖。奧陶紀石灰巖熱儲層中豐富的地下水是地熱承載和運移的物質基礎。

蓋：上覆較厚的古近紀、白堊紀和石炭紀地層對深部地熱具有良好的隔熱保溫性能。

通：盆地四周發育的斷裂構造，切割深度較深，是地熱溝通大地熱流的主要通道，是深部裂隙巖溶發育帶，是地熱水賦存的主要場所。

源：殼源是其主要熱源。南部分布大面積奧陶紀石灰巖，是盆地內熱儲層的裸露區，也是區內熱儲層地下水的補給區。

沂源斷陷盆地南部山區大面積出露碳酸鹽巖，地勢較盆地中部高出約200～300m，地形的大高差是勢能轉化為動能的先決條件，是地下水進行深循環的動力。在這種條件下，南部山區大氣降水入滲補給后，一部分在較淺部位補給奧陶紀灰巖含水層形成常溫裂隙巖溶水，一部分在大高差勢能驅動下，沿層面及斷裂構造帶或裂隙帶向區內徑流并向地殼深部下滲，遇北部大面積巖漿巖體呈坐椅形圍成的天然屏障及上部蓋層的聯合阻擋下，轉化為承壓水并進入深循環。地熱水深循環往往在承壓水滯留區賦存，地下水在流動狀態下很難達到較高的溫度[26]。由于盆地面積較小，地下水深循環的路徑較短，且在盆地內部地下水深循環條件較差，水巖作用不是太強烈，使得沂源盆地地熱水溫度不是太高(42～45℃)，礦化度也較低。因此，深循環是沂源盆地地熱水形成的必要條件，這種成因可簡單歸納為“小型斷陷盆地深循環承壓型”。

5 結論

(1)沂源盆地地熱水礦化度小于1g/L，水化學類型為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型或HCO3-Ca·Mg型。

(2)R2地熱水中主要氣體成分為N2，其He特征中校正后的Rc/Ra值為0.35，反映其具有明顯的殼源主導性。

(3)沂源盆地地熱田為低溫水熱型地熱資源，地熱水來源于古代大氣降水經深循環補給，熱源以殼源為主，其成因類型可歸納為小型斷陷盆地深循環承壓型。

致謝：感謝水文地質專家程秀明老師和劉廣義老師對本文的指導。