華北地區地熱資源更新能力研究

高志娟 李書恒

【摘 要】依據華北地區500到3500米深地熱井中地下水的化學組分和同位素組分，對華北地區地下熱水D、18O、14C、分布特征進行了測定與分析，確定地下水的補給來源是古大氣降水。運用放射性同位素14C測定年齡，分析華北地區熱儲層年齡是比較接近的，大致在15000—30000a范圍。運用穩定同位素D計算補給高程，確定華北地區地熱資源更新能力，屬于弱可更新或不可更新的靜消耗性開采，對今后地熱資源的開發利用具有一定的參考價值。

【關鍵詞】地熱水;同位素;地下水年齡;更新能力;華北地區

The Renewal Capability in Geothermal Water in North China

GAO Zhi-juan1，2 LI Shu-heng3

（1.Shijiazhuang University of Economics， Shijiazhuang Hebei 050031， China;

2. Key Lab of Sustainable Utilization and Exploitation of Water Recourses of Hebei Province， Shijiazhuang Hebei 050031， China;

3.Xilongchi Pumped-storage Power Station of Shanxi Province， Wutai Shanxi 035503， China）

【Abstract】Geothemal waters were studied using hydro-geo-chemistry and isotopic properties to determine groundwater ages and identify the recharge sources in North China. The δ18O、δD and δ14C values of geothermal waters sampled from500 to 3500 meters deep. In order to understand the host environment of the geothermal water， The research on the isotopes of D、18O、14C in geothermal water in North China show that the characteristic distributing of environmental isotopic， it shows that old atmospheric precipitation is the recharge sources. Adioactive ?isotope 14C was applied to measuring the age of geothemal waters， heat reservoir age is relatively close， generally at the range of ?15000—30000 meters， Calculation of recharge elevation using steady ?isotope D， the ability to renewable of Geothermal resources in North China， which belongs to weak renewable or unrenewable water， exploration belongs to the static consumption of mining， it has a certain reference value for the future development and utilization of geothermal resources.

【Key words】Geothemal waters; Isotopes; Groundwater age; Renewal capability; North China

地熱作為一種可再生的清潔能源，作為替代傳統能源的非常規能源受到日益關注。隨著地熱資源開發、利用的深入，地熱資源法更新能力是備受關注的問題之一，同位素技術是目前國內外地下水年齡測定最主要的手段[1]。

華北地區屬于傳導性為主的大地熱流作用機制下形成的以中、低溫熱水型為主的地熱資源區[2]，然而，采用環境同位素研究該地區的資料不多，環境同位素法對認識華北地區地熱資源的水文地質循環具有重要的參考意義。

1 穩定同位素特征

1.1 補給來源

圖1 δD-δ18O相關圖

根據華北地區地下水δD與δ18O關系曲線（圖1）如圖所示： ①氘、氧濃度存在良好的線性關系，斜率小于全球雨水線斜率;②地下水樣點均落在全球雨水線下方，表明該區地下水主要來源于大氣降水入滲補給，且在補給過程中經歷了明顯的蒸發過程，導致重同位素相對富集;③氚和氧濃度變化幅度不大，各取樣點數據相對集中，反映各地區地下熱水的補給來源一致。④明化鎮組的低溫熱水的落點最接近大氣降水線，其余點的δD值均輕化，而δ18O值均有所漂移。

華北地區地下熱水的δ18O值幾乎不隨著埋深的增大而變化，δ18O值與井深變化不大， 隨井深略有上升，δ18O的差異性反映了地下熱水不同巖層中水巖作用的強弱。δ18O、δD值隨著深度、溫度增加是呈上升趨勢。

1.2 氫氧同位素的分布特征

影響地下熱水氧同位素漂移的主要影響因素有埋藏深度、溫度、滯留時間、地質條件[3-4]。

圖2 地下熱水δ18O與深度、溫度關系圖

圖3 地下熱水δD與深度、溫度關系圖

地下熱水的δ18O值高于當地淺層低溫地下水的δ18O值。δ18O的差異性反應了地下熱水水巖作用的強弱。δD值隨深度、溫度增加是呈上升趨勢。

地下熱水的δD值一般與當地淺層低溫地下水的δD值相等，等于當地大氣降水的年平均δD值。δD變化主要取決于地下熱水接受補給時的環境溫度及其補給高程。此外，混合作用亦有一定影響[3]。地下熱水的δD在低溫、中低溫和高溫地下熱水中δD相對穩定。但是總體δD值隨著δ18O值的增大而增加，根據Graig的觀點認為地下熱水在70～90℃時的蒸發作用造成上述現象。

1.3 地下熱水的補給高程

按照穩定同位素的高程效應原理，華北地區地下熱水的補給高程各個地區不一致，主要是外圍山區對華北盆地內部的補給。

2 放射性同位素特征

14C測年方法是較傳統的方法，在地下水資源研究和評價中發揮著重要作用。

華北地區地下水取樣點同位素14C年齡估算，見圖4。

華北地區熱儲年齡：明化鎮組2500-29000a，館陶組6000-24000a，基巖熱儲奧陶系12000-22000a，寒武系15000-22000a，薊縣系霧迷山組12000-35000a，牛駝鎮地熱田的基巖熱水22000-34000a，總體上，華北地區地下熱水的年齡是比較接近的，大致在15000—30000a范圍。

圖4 華北地區14C年齡分布圖

3 地下熱水更新能力評價

判斷地下熱水更新能力大小的主要依據是地下熱水的循環速度或者周轉時間。可以利用地下熱水的循環速度或周轉時間來定量地判斷地下熱水的可更新能力。

根據14C的年齡也可以粗略的估計出地下熱水的年齡來，一般情況下：14C<10000年，為幾十年的地下水，具有可更新性;10000年<14C<20000年，地下熱水介于可更新與不可更新之間，具有弱更新性;14C>20000年，地下水為古水，幾乎不具有更新性[5]。根據14C的測定結果，華北地區地下熱水絕大部分都為弱可更新和不可更新的古地下水。僅有個別水井接受大氣降水補給顯示年齡比較輕，同時熱儲溫度較低。

4 結論

（1）研究區地下熱水具有現代大氣降水氫、氧穩定同位素的組成特征，華北地區地下熱水起源于大氣降水，地下熱水位于大氣降水線附近，但地熱水是14C年齡逾萬年的古水，其補給為古大氣降水。

（2）δ18O的差異性反應了地下熱水水巖作用的強弱。δD值隨深度、溫度增加呈上升趨勢。推測深部基巖地下熱水與淺層第三系地下水熱水分屬不同補給源，補給源溫度存在差異，產生明顯的混合作用，并且高溫條件下產生的蒸發造成上述現象。δ18O的正向漂移主要原因是隨水的運動以及溫度的影響。

（3）華北地區由太行山山前、燕山山前的補給區，向盆地內部，地下熱水的年齡是比較接近的，大致在15000—30000a范圍。

【參考文獻】

[1]錢會，馬致遠，李培月.水文地球化學[M].地質出版社，2012，8.

[2]姚足金.華北地熱水3萬年以來的古氣候記錄[J].中國地質大學學報，1995，20（4）：383-388.

[3]李婷，胡偉偉，馬致遠，豆惠萍.古氣候變化與地下熱水中氫氧穩定同位的關系[J].地下水，2011，33（1）：4-7.

[4]張亞鴿，馬致遠，胡楊.西安凹陷熱儲流體環境同位素研究[J].地下水，2010，32（2）：8-10.

[5]范基姣.關中盆地地下熱水循環模式及可更新性研究[D].長安大學，2006.

[責任編輯：湯靜]