山西陽高縣地熱水地球化學特征及成因分析

摘 要：為了探明陽高縣地熱資源，以陽高縣北部山前地帶為研究區，通過對比和分析不同區域地下水組分和化學特征，探討了地熱水的來源和成因。陽高縣地熱水主要分布在孤山—平山村一帶，水溫２８～１０４ ℃；水化學類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 型水為主，為含鋰的硅水、氟水，具有良好的醫療保健價值。分析認為，陽高縣地熱水來源于深層熱儲和淺層熱儲，在云門山斷裂帶控制下，深層熱儲流體沿斷裂帶上涌形成了溫度較高的地熱水；地熱水向南補給新近系、第四系含水層，與地下冷水混合，在孤山—平山村一帶形成了低溫淺層地熱水。

關鍵詞：地熱水；水文地球化學特征；熱儲；成因分析；陽天盆地

中圖分類號：Ｐ３１４．１；ＴＶ２１１．１＋ ２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１７

引用格式：段江飛． 山西陽高縣地熱水地球化學特征及成因分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：９６－１０１．

地熱水是一種綠色低碳、可循環利用的可再生資源，對人體具有醫療保健作用［１－２］ ，開發地熱資源對我國“雙碳”目標的實現和經濟社會的可持續發展具有積極意義［３］ 。陽高縣北部山前地區地熱資源豐富，位于陽高—天鎮裂陷地熱田的西北部［４－６］ 。陽高縣已開發地熱資源位于平山村和孤山村一帶，水溫２８ ～ ４５℃，為新近系、第四系水熱型低溫地熱資源，用途以洗浴為主。平山村北部部分勘探鉆孔已遇到高于９０ ℃的中溫地熱資源，地熱流體最高溫度達１０４ ℃，其地熱水屬于具有醫療價值的優質熱礦水［２，７－８］ ，與周邊地下水物理化學性質不同。本文從水文地球化學角度分析和研究陽高縣地熱水的特征和成因，以期為勘探、開發陽高縣地熱資源提供技術參考。

１ 研究區地質概況

研究區位于陽高縣北部，云門山以南，屬于山前沖洪積地帶，北高南低，坡度７°～１２°，面積８０ ｋｍ２。研究區在地質構造上屬于華北板塊北緣活動帶的天鎮—陽高塊凸，所在陽天盆地為新生代裂陷盆地。盆地北緣云門山前發育一條ＮＥＥ 向云門山斷裂帶Ｆ１［５－７］ 。中生代以來，陽天盆地在形成過程中經歷了多期次的構造運動，并伴有較大規模的巖漿侵入和基巖變質作用，至今盆地仍處于沉降期。歷史上陽天盆地周邊地震頻發，但震級較低，以淺源地震為主，集中于云門山斷裂帶附近，地震活動頻發表明該地區地質構造至今仍處于活躍期［９］ 。研究區出露地層分為南北兩部分，盆地北側云門山為新太古界變質巖體，以片麻巖、石英巖為主；云門山南部陽天盆地表面為第四系全新統沖洪積物，厚度０～３００ ｍ，盆地中心變厚，見圖１。

研究區西南３５ ｋｍ 處是第四紀形成的大同火山群，大同火山群是上地幔熔融物質上涌的結果，未噴發的巖漿沿構造裂隙向東北部運移匯集，在陽高縣北部形成了地熱水熱源［９－１０］ 。研究區地熱資源熱儲分為淺層和深層兩類。淺層熱儲為第四系下部和新近系砂、礫、卵石層，地熱水以大氣降水入滲和山前側向徑流為主要補給來源，人工開采為主要排泄方式；該熱儲埋深１５０～３００ ｍ，單井出水量３０～６０ ｍ３ ／ ｈ，水溫３５～１０４ ℃，屬于中低溫地熱資源；蓋層為上部２ ～ ３ 層黏性土組合。深層熱儲為山前深大斷裂帶（Ｆ１）的深部含水巖組，呈帶狀、管道狀，被斷層控制，地下水屬于承壓水，補給來源為遠處山體大氣降水入滲，地下水被深部地層加熱后沿斷裂帶上涌排泄；埋深＞１ ０００ ｍ，預計出水量１００～３００ ｍ３ ／ ｈ，地熱流體溫度＞１００ ℃，屬于高溫地熱資源。研究區北部云門山斷裂延伸下切，自上而下呈Ｙ 形向盆地方向傾斜，形成了有利的導熱、導水通道，研究區典型地質剖面見圖２。

２ 水樣測試與分析

２０２１ 年１１ 月，在研究區采集地下水水樣１９ 個（采樣點分布見圖３），其中：熱水９ 個，均取自井水；冷水１０ 個，８ 個為井水，２ 個為泉水。采集地下水水樣井深９６～１９５ ｍ，埋深２０～１１０ ｍ。水井水樣采集方式均為潛水泵抽水，聚乙烯瓶封裝。水樣采集后立即送往中國煤炭地質總局水文地質局測試中心檢測，檢測項目為水質簡分析及鋰、偏硅酸、氟等化學指標分析，見表１、表２。

３ 地下水水文地球化學特征

３．１ 水質類型分析

大氣降水滲入淺部地層中的地下冷水可直接溶解地層中易溶解的組分，加上循環更替較快等，往往陰離子以ＨＣＯ－３ 為主，陽離子以Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋為主；地熱水通常補給源較遠，由于溫度較高，因此可以溶解更多的礦物組分，加上循環更替相對較慢等，地熱水陰離子以ＳＯ２－４ 、Ｃｌ－ 為主，陽離子以Ｎａ＋ 為主，此外還有氟、偏硅酸、鍶、鋰等特殊組分［１１－１２］ 。研究區地熱水水化學類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 為主，地下冷水水化學類型以ＨＣＯ３ －Ｃａ·Ｍｇ 為主（見表１、表２）。地下冷水中陰離子ＨＣＯ－３ 和陽離子Ｃａ２ ＋、Ｍｇ２＋質量濃度高于地熱水的，地熱水中陰離子Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 和陽離子Ｎａ＋質量濃度明顯高于地下冷水的，此外，地熱水中溶解性總固體、偏硅酸、氟、鋰質量濃度也高于地下冷水中的。研究區地熱水為（含鋰的）硅水、氟水，具備良好的醫療保健價值。從水質類型、化學組分構成和醫療價值上看，研究區地熱水和地下冷水明顯不同。Ｐｉｐｅｒ 三線圖主要用于地下水化學成分的歸類和分析［１３］ ，研究區９ 個地熱水和１０ 個地下冷水（主要離子的毫克當量百分比）Ｐｉｐｅｒ 三線圖見圖４。圖中顯示地熱水和冷水點存在明顯分區，地熱水集中分布在菱形右下部，以Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 離子占優；冷水集中分布在菱形左部，以ＨＣＯ－３ 、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋離子占優。Ｐｉｐｅｒ 三線圖也顯示了研究區地熱水與冷水的水質分化。

３．２ 地球化學地熱溫標分析

通常情況下，深層熱儲的地下水和圍巖發生水巖反應而達到化學平衡，在壓力和水循環作用下，深層地熱水向上運移，而其攜帶的離子成分幾乎不變，依據其水巖平衡原理，當獲得淺部地熱水后，可利用其某種離子質量濃度計算出深層熱儲的溫度。根據研究區實際情況和我國地熱資源研究常用的地熱溫標，選用鉀鎂溫標和二氧化硅溫標進行計算和分析。

式（１）計算出的鉀鎂溫度可以認為是鉆探可及的最高溫度，式（２）計算出的二氧化硅溫度代表地熱水形成過程中曾經歷過的最高溫度。對研究區９ 個地熱水水樣進行溫標計算，結果顯示鉀鎂溫標均接近或高于井口水溫，二氧化硅溫標均遠高于井口水溫，見表３。研究區Ｊ－４、Ｊ－４６、Ｊ－５８ 地熱勘探孔位于云門山斷裂帶，為研究區內溫度較高的地熱井，鉀鎂溫標與井口水溫基本一致或低于井口水溫，表明這三眼地熱井選址和鉆探深度是合理的；其他地熱井鉀鎂溫標高于井口水溫，說明增加鉆探深度地熱水還有增溫的可能。Ｊ－４６、Ｊ－５８ 地熱水二氧化硅溫標超過了１５０ ℃，說明研究區可能存在高溫地熱資源。

４ 地熱水成因分析

４．１ 水質控制因素分析

美國學者Ｇｉｂｂｓ 利用半對數坐標圖進行水質分析，該圖稱之為Ｇｉｂｂｓ 圖，可以直觀比較不同水體間的化學組成、成因以及相互聯系。該圖的縱坐標為對數坐標，代表水體中ＴＤＳ 含量，橫坐標表示水體中陽離子ρ（Ｎａ＋） ／ ［ρ （Ｎａ＋ ） ＋ ρ （Ｃａ２＋ ）］ 值或陰離子ρ （ Ｃｌ－ ） ／［ρ（Ｃｌ－）＋ρ（ＨＣＯ－３ ）］值，見圖５。

依據水樣在Ｇｉｂｂｓ 圖中的位置，可以判別地下水屬于“降水控制類型”“巖石風化類型”還是“蒸發濃縮類型”［１４］ 。研究區地下冷水集中分布在巖石風化作用區域，說明地下冷水水質主要受巖石風化作用影響，大氣降水進入含水層后，使風化的礦物直接被溶解在地下水中，水動力條件好；研究區最典型的地熱水Ｊ－４６ 位于Ｇｉｂｂｓ 圖右上部，水質完全受蒸發濃縮作用影響，其水動力條件弱，地下水循環交替條件較差，是研究區典型的深層水；其他地熱水陽離子主要分布在蒸發濃縮作用區域，陰離子自巖石風化作用區過渡至蒸發濃縮作用區，水質受巖石風化和蒸發濃縮作用雙重影響，可能是冷熱水混合的結果。

４．２ 地熱水組分比率分析

地熱水中離子主要來源于水巖反應，依據地熱水離子組分能夠反映熱儲層巖性特征，對地熱水的組分比率進行分析，以揭示其成因［１１］ 。對研究區地熱水ρ（Ｎａ＋） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）、ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ） 代表性離子組分比率（見表４）進行了計算和分析。

（１）ρ（Ｎａ＋ ） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率。較厚的蓋層對Ｌｉ＋ 有一定吸附作用，使得地熱水Ｌｉ＋質量濃度降低，但對Ｎａ＋的影響較小。Ｊ－４６ 地熱水ρ（Ｎａ＋ ） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率最低，其溫度最高，該地熱井２００９ 年勘探施工，揭露了云門山斷裂帶，說明其地熱水徑流通道順暢，直接受云門山深部斷裂構造水補給，受蓋層影響較小；位于北部的Ｊ－４、Ｊ－４５、Ｊ－５８ 地熱水ρ（Ｎａ＋） ／ ρ（Ｌｉ＋）比率也較低，說明其受深部斷裂構造水補給較多或距離云門山斷裂帶較近。與之對比，其他地熱井ρ（Ｎａ＋ ） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率較高，均位于南部，其蓋層較厚或距離云門山斷裂帶較遠。

（２）ρ（Ｃｌ－） ／ ρ（Ｆ－）比率。地熱水中的Ｆ－ 主要來源于螢石（ＣａＦ２ ）溶解，其反應式為ＣａＦ２ →Ｃａ２＋ ＋２Ｆ－；螢石溶解度受水溫影響較大，Ｃｌ－ 質量濃度變化受水溫影響小，通常地熱水混入冷水后會使得ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ）比率升高。Ｊ－４６ 地熱井位于云門山斷裂帶，其地熱水ρ（Ｃｌ－） ／ ρ（Ｆ－）比率最高，說明冷水混入少；其他地熱水ρ（Ｃｌ－） ／ ρ（Ｆ－）比率遠低于Ｊ－４６ 的，說明其冷水混入的比例遠高于Ｊ－４６。ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ）比率越小，冷水混入的比例越高。

地熱水離子組分比率分析表明，研究區Ｊ－４６ 水樣為典型的地熱水，相比之下，其他地熱水樣均有一定比例的冷水混入，表明研究區不同區域地熱水補給來源不同。

４．３ 冷熱水混合分析

根據溫度分級可將地熱資源分為高溫地熱資源（溫度≥１５０ ℃）、中溫地熱資源（溫度范圍：９０～１５０ ℃）和低溫地熱資源（熱水：６０～９０ ℃，溫熱水：４０～６０ ℃，溫水：２５ ～ ４０ ℃）［１５］ 。美國學者Ｗｉｌｆｒｅｄ Ｆ． Ｌａｎｇｅｌｉｅｒ 和Ｈａｒｖｅｙ Ｆ． Ｌｕｄｗｉｇ 創建了一種矩形圖解法應用于熱水、冷水不同的水質類型和其間的混合關系分析，該矩形圖解法稱之為蘭格利爾－路德維奇矩形圖解法［１６］ 。將研究區１９ 個水質指標（主要離子毫克當量百分比）繪制到矩形圖上，見圖６。

地下冷水集中分布在矩形右下部，以ＨＣＯ－３ ＋ＣＯ２－３ 、Ｃａ２ ＋ ＋Ｍｇ２＋ 離子占優，其離子毫克當量百分比大于６０％，為ＨＣＯ３ －Ｃａ·Ｍｇ 型水，屬于典型的地下冷水。中溫地熱資源地熱水Ｊ－４６ 位于矩形左上部，為典型的地熱水，在研究區內水溫最高（１０４ ℃），以Ｎａ＋ ＋Ｋ＋、Ｃｌ－ ＋ＳＯ２－４ 離子占優，其離子毫克當量百分比大于８０％，為Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ 型水。低溫地熱資源地熱水中熱水、溫熱水、溫水介于上述兩者之間，總的特點是陽離子Ｎａ＋ ＋Ｋ＋毫克當量百分比較Ｊ－４６ 小，Ｃａ２ ＋ ＋Ｍｇ２＋ 毫克當量百分比較冷水小，陰離子ＨＣＯ－３ ＋ＣＯ２－３ 毫克當量百分比較Ｊ－４６ 大，Ｃｌ－ ＋ＳＯ２－４ 毫克當量百分比較冷水大，水質類型比較多，為ＨＣＯ３ ·Ｃｌ －Ｎａ、ＨＣＯ３ ·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３ －Ｎａ 型水。連接矩形圖解中典型中溫地熱水Ｊ－４６ 點與典型冷水，則低溫地熱水大致位于連接線中間偏上，說明低溫地熱水是深部地熱水和地下冷水混合的結果。

４．４ 地熱水成因分析

研究區地熱水可分為中溫地熱水和低溫地熱水。中溫地熱水位于研究區北部，來源于云門山斷裂帶深部熱儲，深部地下水被高溫地層加熱后，沿斷裂通道上涌，屬于斷裂構造控制的對流型地熱資源。受特殊地質環境影響，地熱水循環條件相對較差，在運動過程中發生濃縮作用，造成了其水質的特殊性，其地熱水成因和特征與國內其他區域典型深層斷裂地熱水均有相似之處［１７－１９］ 。研究區低溫地熱資源位于云門山斷裂帶南部新近系、第四系熱儲，屬于層狀對流型地熱水，其受北部山間淺層地下水側向徑流和云門山斷裂深部地熱水雙重補給，是冷熱水混合的結果。

５ 結 語

（１）研究區中溫地熱水分布在云門山斷裂帶附近，深部有高溫地熱水存在的可能；低溫地熱水位于云門山斷裂帶南部的新近系、第四系熱儲，通過增加地熱井鉆探深度還有增溫的潛力。研究區地熱水水化學類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 型水為主，為含鋰的硅水、氟水，具備良好的醫療保健價值。

（２）陽高縣中溫地熱水為云門山斷裂帶控制的對流型地熱水，地下水循環交替條件較差，屬于受蒸發濃縮作用影響的地熱水；新近系、第四系低溫地熱水水動力條件較好，其形成受巖石風化和蒸發濃縮作用雙重影響，為層狀對流型地熱水。

（３）在云門山斷裂帶控制下，深層熱儲流體沿斷裂帶上涌形成中溫地熱水；地熱水向南補給新近系、第四系含水層，與地下冷水混合，在孤山—平山村一帶形成低溫淺層地熱水。

（４）研究區地熱資源勘查程度較低，建議先在該區域實施地面物探，以深部云門山斷裂帶為找熱對象，然后實施一眼２ ０００～３ ０００ ｍ 深度的地熱探采結合井，為下一步系統開發陽高縣深部高溫地熱資源奠定基礎。

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【責任編輯 呂艷梅】