膠東地熱田地熱流體的補徑排特征
——以招遠東湯地熱田為例

趙輝，殷濤，史猛，江海洋

(1.山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264000；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250000)

0 引言

膠東地區地熱資源豐富，主要以溫泉點為主要出露方式，前人在區內進行了大量的地熱地質研究工作，但對膠東地熱資源賦存機理的研究甚少，特別是對地熱流體的補給-徑流-排泄特征的深入研究更少，研究地熱流體的補徑排特征，不僅是人們認識一個地熱田最直觀的方式，而且對地熱流體資源量評價及可持續開發利用具有重要的意義。前人針對地熱水的補給來源做了大量研究工作，秦大軍、龐忠和等[1]利用水化學及同位素，確定了西安地區地熱水的補給來源及循環路徑；Pastorelli S[2]運用氫氧同位素技術，分別對瑞士阿爾卑斯山附近的地下水和墨西哥的地熱流體進行了水的來源研究；肖瓊等[3]利用水化學分析、氘氧同位素及動態檢測等方法，以重慶北溫泉為例，對地下熱水的來源與補給機制進行了系統分析；許高勝等對地熱水的補給來源、滯留時間、流動途徑和熱水流動系統等地下熱水的流動模式進行綜合研究；田東升[4]通過對鄭州市不同地段、不同層位水樣氘氧同位素分析，計算了鄭州市深部地熱水的補給來源；張保建等[5]利用H，O同位素計算了魯西北陽谷-齊河凸起地熱水的補給來源；王圣文[6]對招平斷裂帶構造體制轉折中流體演化作用進行了系統分析；張卓等[7]利用D，18O，14C等環境同位素技術，確定濟南平陰某氡地熱井的補給來源；宋明春[8]、黃永華等[9]對膠東半島的構造發展史及主要的斷裂構造特征進行了詳細的研究，以上這些成果為該次研究提供了理論依據。

膠東地熱田均屬于開放式對流型柱狀熱儲地熱田類型，主要分布于以棲霞復背斜為代表的膠北隆起和以膠南-文登復背斜為代表的膠南-文登隆起區[10]。溫泉的出露主要受斷裂構造和巖漿侵入體的控制，16處溫泉皆出露于復背斜核部的NNE或NE向壓扭性斷裂與NNW或NW向張性斷裂交會處[11]，多組斷裂的交會復合部位裂隙十分發育，巖石破碎，成為溫泉出露最有利的條件。該文在對招遠東湯地熱田進行詳細地熱地質調查的基礎上，采用綜合地質分析、水化學、同位素等手段，系統分析招遠東湯的補徑排特征，分析膠東地區地熱田的補徑排特征。

1 研究區概況

招遠東湯地熱田位于山東省招遠市城區，地理坐標為：東經120°24′53″，北緯37°21′48″，地熱田內目前有開采井十余口，現日平均開采量在2000m3/d左右，20世紀80年代以前，該地熱田內地熱井仍可以自流，自流量值為240m3/d，隨著開采量不斷增大，地熱田內地熱井已經不能自流，地熱田水溫在70～90℃之間。

區域上招遠東湯地熱田位于膠北隆起區的棲霞復背斜，出露的地層主要為第四紀松散巖層；出露巖體為太古—元古代棲霞序列奧長花崗巖、黑云英云閃長巖、斜長角閃巖、中生代玲瓏序列的中粒花崗巖和文登序列的二長花崗巖等。

對于膠東地區中低溫對流型地熱田，斷裂構造是控制其熱源、水源及出露位置的主要因素。研究區內的主要控熱導水構造有基底古老褶皺構造和中生代燕山期的新華夏系斷裂構造，而影響區內地熱分布的斷裂構造主要有招(遠)-平(度)斷裂帶和玲瓏斷裂帶(圖1)。

(1)招(遠)-平(度)斷裂帶(F19)

該斷裂帶南起平度，經由招遠市城北轉向龍口顏家溝一帶，長100km，寬150～200m，屬早新華夏系構造，斷裂帶沿襲玲瓏巖體與膠東群地層接觸帶延伸。主體走向30°左右，受其他構造的影響，走向變化較大，整個構造帶呈舒緩狀彎曲，斷裂帶在招遠城以南走向近SN或NE 15°左右，經考家村向NE急轉彎為45°～60°。其傾向隨走向的改變而轉變，即由傾向E轉向SE，傾角30°～45°，局部可達60°。

在招遠城以南，斷裂帶沿玲瓏花崗巖與膠東群地層的接觸帶延伸，招城以北斷裂是玲瓏巖體和欒家河巖體的分界線。主斷裂兩側發育不同規模的與其平行或微有交角的次級斷裂構造[12]。在構造帶轉彎地段的丁家莊子附近，沿巖體與棲霞序列巖石的接觸帶，產生一個大的分支斷裂，走向40°～68°，傾向SN，傾角37°～52°，寬150m左右，出露長度9.6km，其構造特征與主干斷裂相近，均顯示壓扭性特征。

(2)玲瓏斷裂帶(F26)

該斷裂帶晚于招平斷裂帶，屬晚新華夏系壓扭性斷裂破碎帶。分布在玲瓏礦田附近，斷裂帶全長大于60km，斷裂帶走向穩定，大體為NE 20°方向延伸，傾向NW，傾角65°～85°，南端變緩，傾角45°左右，破碎帶寬一般在20～40m。在斷裂破碎帶內擠壓特征明顯，構造節理、劈理密集發育，并見有1～3m厚的斷層泥，沿走向連續分布，厚薄不一。帶內有灰白色糜棱巖、角礫巖透鏡體分布，兩側碎裂狀花崗巖較發育。

構造帶內有玢巖脈充填，局部被擠壓破碎為構造角礫，并使玢巖發生構造熱液蝕變，沿脈巖邊緣有片理化現象或煌斑巖脈充填，為東湯地熱田的主要導水斷裂。

2 地熱田補給來源判定

關于地熱田地熱水補給來源的研究，首先要明確地熱水的補給是來自地熱田周邊水體的補給還是地下水通過深循環徑流補給的。該次研究從不同類型的地下水水質分析結果、D與18O同位素分析及其與大氣降雨線的關系來說明東湯地熱田地熱水的補給來源[13-14]。

從地熱田內地熱水、基巖水及第四系水的水質方面看，地熱水水化學類型為Cl-Na型水，基巖水為HCO3-Ca型水，第四系水為HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型水(圖2)，水化學類型明顯不同，且地熱流體中Cl-，F-，Ba2+，Li-，Sr2+，H2SiO3等離子及礦化度的濃度明顯高于溫泉附近基巖水與第四系水中離子的含量(表1)，特別是地熱水TDS更是高達3312mg/L。而其周邊的基巖水TDS為863mg/L，第四系水TDS為317ng/L，這也側面反映了地熱水一定是經過了深循環，在循環的過程中，地熱水不斷地與圍巖發生水巖作用，從而導致熱水的礦化度從低變高；地熱田位于城區，附近地下水均受到不同程度的污染，而地熱流體經過多年的開采，水質并未受到污染，這些都表明地熱流體的補給來源并不是溫泉附近的第四系水或者基巖裂隙水。

1—第四系；2—粉子山群；3—荊山群；4—郭家嶺序列；5—文登序列；6—玲瓏序列；7—雙頂序列；8—萊州序列；9—棲霞序列；10—馬連莊序列；11—官地洼序列；12—石英脈；13—花崗閃長斑巖脈；14—花崗閃長玢巖脈；15—石英閃長斑巖脈；16—閃長玢巖脈；17—絹英巖；18—地質界限；19—張扭性斷裂；20—壓扭性斷裂；21—性質不明斷裂；22—片麻理；23—倒轉向斜；24—構造韌性帶；25—破碎帶；26—招遠東湯位置圖1 招遠市構造綱要圖

降水中的穩定同位素D與18O在補給過程中，將大氣D與18O的信號傳遞給地下水，地下水在滲透的過程中使得水中同位素的含量發生變化，這些變化為地下水來源調查提供了基礎[15]。地下水的δD與δ18O含量在垂向上具有明顯的分層特點，整體表現為隨著地下水的埋藏深度的增加，地下水的δD與δ18O值逐漸偏負，指示著地下水不同含水層段上水力聯系微弱[16]。

表1 招遠東湯地熱流體、基巖水及第四系水主要離子及微量元素分析對比 ng/L

圖2 膠東地熱田地熱水、基巖水、第四系水piper圖

為了進一步佐證地熱水與區域地下水的關系，該次研究利用不同年份采取的兩組地熱水、基巖水及第四系水水樣的D，18O同位素分析結果，來判定不同類型地下水之間的水力聯系(表2)。由表2及圖3可以很直觀地發現，隨著地下水埋藏深度的增加，東湯地熱田附近的地下水的δD與δ18O值逐漸偏負，同位素結果指示著地熱水與其周邊的基巖水及第四系水無明顯的水力聯系，同位素結果與水化學分析結果一致，可以斷定地熱水與其周邊的水體無水力聯系，地熱水來自于深循環的地熱水。

表2 招遠東湯溫泉地熱流體氘氧濃度 ×10-3

注：由中國地質科學院水文地質環境地質研究所重點實驗室測試(河北正定)。

圖3 東湯地熱田地熱水、基巖水及第四系水氘氧同位素關系圖

既然地熱水來自于深循環的地熱水，那么深循環的地熱水又來自于哪里？D、18O同位素是研究地下熱水來源及其成因的天然示蹤劑，通過分析東湯地熱田地熱水中的D、18O同位素指標，并與大氣降雨線進行對比，可判別地下熱水的補給來源、補給高程、補給區域等[17]。為了說明東湯地熱水的補給來源，根據招遠東湯地熱田及膠東各地熱田的D，18O同位素與全球及山東省東部地區大氣降雨線的關系(圖4)，可以看出，地熱水的D，18O同位素均落在大氣降雨線的附近，未出現氧漂移的現象，第四系水(1)至基巖水(2)再至地熱水(3)，膠東地區地熱田附近的地下水隨深度增加其δD與δ18O值逐漸偏負。綜上可以得出，東湯地熱田的地熱流體來源于大氣降雨的補給，入滲的地下水經過深循環加熱后形成地熱水。

圖4 膠東各溫泉地熱水中δD-δ18O關系圖

2.1 構造依據

前面已經論述東湯地熱水來自于深循環的大氣降水，那么地熱水如何進入地下進行深循環的？

從招遠東湯地熱田地熱流體開采量及水位長期觀測資料分析可知，控制地熱田的主要構造并不是區內的次級小斷裂，而是區域性的深大斷裂。招遠東湯目前地熱水開采量約為2000m3/d，雖然隨著開采量的增大，地熱田的水位出現了一定程度的下降，冬季水位埋深可達50m，但是在夏季地熱田開采量減小的時候，地熱田仍能恢復短暫的自流狀態，充分說明該地熱田具有良好的補徑排條件，可更新能力強。但地熱田內的次級斷裂構造的發育規模一般，并且在這些次級斷裂的周邊又沒有很好的補給來源，由此可以推斷，控制招遠東湯地熱田的斷裂為區域性的深大斷裂，而非地熱田內發育的次級小斷裂。

從地熱田所處的區域構造位置分析(圖1)，東湯地熱田位于傾向SE的招平斷裂帶北段與傾向NW的玲瓏斷裂帶交會形成的閉合區域內，兩個深大斷裂在地熱田的東北部雙頂山附近開始交會，從交會部位向西南地熱田方向斷裂交會帶不斷加深，深切的斷裂不僅溝通了深部熱源，也為地表水通過構造裂隙進入地殼深部提供了條件[18]，同時由于近EW向斷裂的切割作用，使得地熱田下部巖石更加破碎，導水能力更強，更有利于地熱水的上涌，當地下水經過深循環加熱后形成局部的上升壓力，地熱水就會沿著斷裂交會形成的破碎通道上涌形成地熱田(圖5)。

1—斷裂構造帶及傾向、傾角；2—推測的兩條斷裂不同深度復合投影線；3—地熱主要分布區；4—冷熱水循環路徑；5—剖面線；6—溫泉圖5 區域斷控熱導水裂構造復合關系圖[18]

綜上所述，可以斷定地熱流體補給源并不是來自于地熱田周邊的水體補給，而是大氣降雨通過地表次級小斷裂，入滲進入招平斷裂帶與玲瓏斷裂帶交會復合形成的破碎帶，進入地下深循環，在合適的部位沿著熱儲通道上涌而形成地熱田。那么東湯地熱田的地熱流體在哪里通過地表入滲進入地下的呢？

3 地熱田補給區確定

由于地形變化、季節變化等所引起的D與18O同位素變化可以被地下水所保留，這些變化可以用來計算地下水的補給高程[19]。但是不同時期的D與18O值會有不同，如冰期的時候，大氣降水的氘氧值可能會比較低，而高程效應造成的結果也是氘氧值低，所以，要考慮到時間的問題。因此為了排除時間因素對D與18O值的影響，該次研究取溫泉地熱水進行14C同位素測年分析，確定地熱水的補給年齡。14C測年的基本原理是應用地下水中的溶解無機碳作為示蹤劑，以14C測定地下水中溶解的無機碳的年齡。年齡是根據地下水的14C濃度與補給時濃度之間的差別來計算。其計算公式如下：

A=A0×e-λ·t

式中：A0—樣品的初始14C放射性濃度(Bq/g)，實際應用時取“現代碳”標準(813.6Bq/g)；A—停止交換t年后樣品的14C放射性濃度(Bq/g)；t—停止交換后所經歷的時間；λ—14C的衰變常數，λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2，T1/2為14C半衰期(5730a)，帶入后得到：

t=(1/λ)×ln(A0/A)=8268ln(A0/A)

招遠東湯地熱田地熱水的14C分析結果見表3，將所測數據帶入上式，得出招遠東湯地熱水年齡在3000a左右，而末次冰期發生時間在10ka以前，因此可以排除時間因素對D與18O值的影響。

表3 天然溫泉地熱水年齡

注：由中國地質科學院水文地質環境地質研究所重點實驗室測試(河北正定)。

按照氫氧同位素的高程效應原理，δD值隨著地下水補給高程的增大而減小[20-22]，根據東湯地熱田地熱流體δD值變化來計算地熱流體的補給高程，初步推斷其可能補給區域，補給高程計算公式如下：

H=(δg-δp)/K+h

式中：H—補給區高程，m；K—區域大氣降水δD高度梯度，(-2.5～-2.0)×10-3/100m；δg—溫泉水δD值，×10-3；δp—地熱流體采樣點附近大氣降水δD值，×10-3；h—溫泉所在位置的海拔高度，m。

由于研究區整體海拔相對內陸較低，為64m，該次計算取δD值為-2.0×10-3/100m，經計算研究區地熱流體補給區的高程為314～414m之間，該高程是不同高程補給水體的一個平均高程而非絕對高程。

膠東地熱田均屬于受斷裂構造控制的開放式對流型柱狀熱儲地熱田類型，斷裂交會形成的柱狀破碎帶為其主要的導水通道，上文論述了F16招平斷裂與F29玲瓏斷裂交會形成的破碎帶為東湯地熱田的主要深部運移的導水通道，次級斷裂F3為將深部地熱流體導入地表的主要斷裂。根據F16,F29斷裂走向、傾向及匯流區域推測地熱田的南部山區、北部山區為可能的主要的匯流補給區，但從地形上南部山區高程普遍在314m以下，不滿足計算的東湯地熱田補給高程條件，因此可以確定其補給區域主要在招遠城區的東北部雙頂山區域，距離地熱田約15km(圖6)。通常地熱水的補給來源并不是單一的補給源，但是由于取樣的地熱水是多方補給源的水體混合后的結果，因此，通過D同位素高程效應計算的補給區高程是一個多方補給高程的綜合平均值，雙頂山區域是該地熱田的主要的補給源，而并非是唯一的補給源。

圖6 招遠東湯地熱田主要補給區域

4 東湯地熱田補徑排模型

根據東湯地熱田招1、招3、招4、招5、招6、招10、招11地熱井測溫數據及斷裂構造分布情況得出東湯地熱田平面地溫場分布圖(圖7)及剖面圖(圖8)。從圖中可以看出東湯地熱田中心位于多組斷裂構造交會復合部位，這與前面的論述相一致。地熱田整體呈NW-SE向分布，地熱田南東部位溫度明顯高于北西部位溫度，從溫度分布可以推斷熱儲從南東向北西由深到淺分布(圖8)。

根據東湯地熱田的構造特征，受招平斷裂帶、玲瓏斷裂帶及近EW向次級斷裂的控制，地熱水的上涌通道為3個斷裂交會復合破碎帶，其中招平斷裂與玲瓏斷裂交會破碎帶為地下水往深部運移的主要徑流通道；D，18O同位素的高程效應計算東湯地熱田的補給高程為314～414m，結合導水斷裂的走向及傾向特征確定東湯地熱田的補給區為距離招遠城區東北部15km的雙頂山區域，其補給-徑流-排泄模型見圖9。大氣降雨在雙頂山地區降落至地表，通過地表裂隙進入地下，在循環的過程中首先吸收圍巖中的熱量，當地下水從微小裂隙進入到比較破碎的玲瓏斷裂帶及其影響帶(F26)附近時，地下水沿斷裂帶往地殼深部運移，在深循環的過程中，地下水吸收大地熱傳導熱再次加熱，此時地熱水的溫度通常是正常大地熱流增溫類型的地熱水，而當地下水再次流經深切割的導熱斷裂帶(F19)附近時，地下水與導熱斷裂發生水熱對流，地下水迅速升溫形成高溫地熱流體，此時當地熱田上方的次級斷裂(F3)溝通深部地熱水時，加熱后的地熱水沿著斷裂破碎部位上涌形成地熱田。

圖7 東湯地熱田地溫場平面分布圖

圖8 東湯地熱田地溫場剖面圖

圖9 東湯地熱田地熱水來源及補徑排機制模型示意圖

5 結論

(1)招遠市東湯地熱田在區域上主要受招平斷裂帶、玲瓏斷裂帶及地熱田周邊次級斷裂帶的共同影響，兩深大斷裂的交會復合部位為地下水的入滲補給、深循環徑流及上涌提供了良好的通道，深大斷裂是控制該地熱流體形成的主導因素，次級斷裂是控制地熱田出露位置的主要因素。

(2)東湯地熱田地熱水中的Cl-，F-，Ba2+，Li-，Sr2+，H2SiO3等離子及TDS濃度遠高于其周邊的水體化學成分，特別是TDS高達3312ng/L，明顯區別于周邊水體；隨著埋藏深度的增加，地熱水、基巖水及第四系水的δ18O與δD值逐漸偏負，證明地熱水與其周邊的基巖水及第四系水之間并無水力聯系，證明地熱水的補給并不是地熱田周邊水體的直接補給，而是通過深循環補給。

(3)根據氫氧同位素的高程效應，計算東湯地熱田地熱水的補給高程為314～414m；由地熱田的D，18O同位素與山東省東部地區大氣降雨線的關系可以看出，東湯地熱田的地熱水來源于大氣降雨的補給；大氣降雨在距離地熱田15km處的雙頂山地區降落到地表后沿地表裂隙進入地下，然后沿著招平斷裂與玲瓏斷裂復合的破碎通道運移至地殼深部形成地熱流體。

(4)地熱水是多方補給來源的水體混合后的結果，通過D同位素高程效應計算的補給區高程是一個多方補給高程的綜合平均值，雙頂山區域是該地熱田的主要的補給源，而并非是唯一的補給源。

(5)水位監測點也可以將全市區范圍的水位監測點接入，尤其是水源地的監測數據，以便于綜合分析沉降產生的原因等。