張家口市地下熱水地球化學特征及成因分析

黃樹梅　李楊　林海苓

摘要：典型地區地下水成因和演化機制的研究不僅對于熱水資源的合理利用與開發具有重要的指導意義，而且可以為日后的地熱資源勘查評價提供重要信息。通過對張家口市的地下熱水的化學成分、同位素及其水文地質特征的分析，進而對這一地區的地下熱水的成巖和演化過程進行了研究。結果顯示地下熱水的形成受區內深大斷裂和基底構造對地熱形成的控制，地下熱水補給是來自大氣降水，水化學成分以易溶鹽溶解作用為主，地下熱水的氣體組分主要起源于大氣、地殼和地幔的混合物，反映了地下水長期徑流及深循環中各種水化學作用。

關鍵詞：地熱；水文地質；熱儲結構

1.前言

地熱資源是一種潔凈的綠色能源，河北省地熱資源比較豐富，張家口地區是河北省重要地熱資源分布區域，近些年當地政府正在大力提倡開采利用地熱資源，例如涿鹿、懷來、赤城、蔚縣、陽原等，對地熱資源開采利用積極性非常高。但是，張家口地熱資源形成機制研究程度較低，理論研究落后于生產實踐，在一定程度上制約著對地熱資源的勘查和開發利用。

本文重點分析了蔚縣盆地內地熱水的空間變化，闡述了盆地周邊山區、盆地邊緣、盆地中心的變化規律。統計分析了不同類型的地熱田（異常區、點）的水化學組份的變化特征，闡述了其變化規律。

2.張家口市地熱資源概況

該區包括壩上高原，地處板緣地體拼貼帶及燕山斷褶帶的背部。水溫大于60cc的熱水溫泉大多分布于尚義--h城斷裂以北，由西而東分布有赤城城關湯泉68℃、東萬口鄉塘子營熱水泉68.5℃、隆化縣湯池子北湯泉79℃、大廟鄉小廟湯泉71.5℃、二道河鄉開湯泉78.5℃、圍場山灣子熱水泉82℃等。古北口一平泉斷裂以南的興一平復向斜內（地處燕山斷褶帶北部）所分布溫泉，水溫均低于60℃，以溫水或溫熱水為主。例如承德頭溝鄉湯溝泉40.8℃、青龍白家店鄉湯丈子溫泉39.4℃、撫寧縣溫泉寺溫泉38℃、盧龍縣崔莊溫泉50%等。

3.地熱水水文地質條件

蔚縣盆地由周圍山體最高峰圍攏而成。在南部由走向近東西、山勢陡峻的蔚縣南山構成盆地內壺流河水系與拒馬河水系的地表分水嶺；北部月山山脈構成壺流河水系與桑干河水系的地表分水嶺；西部有太古界老地層及中上元古界、下古生界地層構成葫蘆河與陜西渾河水系的地表分水嶺；東部則由中上元古界地層所組成的低山丘陵構成壺流河與桑干河水系的地表分水嶺。在地表分水嶺之外、盆地邊緣尚有一個與地表分水嶺形態相似的、由古老的不透水層太古界花崗巖、花崗片麻巖、變質巖系及燕山期巖漿巖構成的地下分水嶺。

蔚縣盆地匯水面積：南山區為888km²，北山區332km²，東北山區261km²。蔚縣盆地巖石透水性能強，地下徑流通暢，地下水循環條件良好，地下水由南、北兩側向盆地中心運移，地下水流向和地形坡降一致，壺流河是地下水的天然排泄區。由于本區降雨集中，周圍山區向山間盆地山前沖洪積扇群地下水集中匯流，形成了雨季滲入，非雨季在盆地

中心以泉水溢出形成緩慢排泄的地下水補、徑、排特征。

4.水化學特征

4.1水化學類型

通過分析本次試驗成果，蔚縣卜南堡地熱異常點地熱水化學類型為HCO₃-Na·Ca·Mg型。據張正山的相關研究，該井南部暖泉溫水與該鉆孔水化學類型一致，說明該區域地熱水成因一致。

4.2主要離子組成特征分析

陽離子主要以鈉、鈣離子為主，陰離子碳酸氫根為主。F離子濃度0.4mg/L，pH=7.66，弱堿性水。根據蔚縣礦區主要離子、礦化度以及溫度分布情況，結合區域地層巖性，該區域水化學特征與構造、地層有著密切的聯系。Fw、FR斷層兩側陰陽離子差異比較明顯，沿這兩條斷裂礦化度出現高值異常。暖泉大灣斷層兩側差別不大，說明該斷層為主要通道。陰陽離子、礦化度沿壺流河分布差別不大，與溫度異常呈現一定關聯系性。以上說明卜南堡地熱田分布面積還有增大的可能，底部可能較大面狀的熱儲層，典型盆地型地熱田，但由于奧灰水的混合，溫度不會很高。

5.地下熱水的成因分析

通過對地下熱水水文化學特征的分析，地下熱水的形成與大氣降水、熱儲巖性和地質構造三個方面密切相關。

5.1大氣降水

通過地熱水樣的試驗資料中穩定同位素氘（D）、氧（¹⁸O）的分析，與當地降水穩定同位素資料對比，說明地熱水的補給來源為大氣降水。大氣降水在地下滲透運移和深循環過程中受地質條件的影響而增溫。

5.2熱儲巖性

研究區地熱田熱儲巖性主要有兩種：一種為以燕山期巨斑狀花崗巖、太古界片麻巖等為主，少量蓋層為熔結凝灰巖；另一種以元古界白云巖為主。熱儲巖性對地下熱水的組分及水化學類型有一定影響，而更重要的是，其內部巖漿活動或放射性元素衰變放熱為地下熱水的重要能量來源。

5.3地質構造

區域內的地熱田深受北東方向的斷裂構造控制，且主要分布在深大斷裂的交匯部位。在斷裂交匯處，斷裂發育，巖石破碎，為地下熱水的上升和運移提供了通道和賦存空間。地熱田位于桑干河南岸大斷裂帶與北西扭斷裂的交匯處，深大斷裂成為研究區地下熱水的主要通道。

6.結論

（1）分析研究了蔚縣卜南堡熱田（異常區、點）的水化學類型、主要離子的組份特征以及相關因素的變化特征。

（2）研究分析了地熱田內部水化學特征變化特征，蔚縣卜南堡地熱異常點地熱水化學類型為HCO₃-Na·Ca·Mg型。

（3）研究分析了本區地下熱水的成因，本區主要為大氣降水滲入補給地下水，經過復雜曲折的遠距離運移和深部循環，到達地殼深部，受到地下熱源（巖漿活動，地熱增溫等）的影響，地下水溫度升高，由于深大斷裂溝通了地下熱儲層，使具有強大壓力的地下熱水通過斷裂構造帶及構造裂隙上升儲存于上部地層中或出露地表，形成地熱田（地熱·異常區、點）。