濟南北部地熱開發對南部巖溶冷水的影響相關性分析

郭新亮,邢繼飛

(山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250014)

濟南北部地區為濟南發展北跨戰略的區域，劃為濟南新舊動能轉換區的引爆區，該區域發展地熱資源作為新能源的利用必不可少。濟南北部地區地熱水的大量開發，人工開采排泄作為地熱水最主要排泄方式[1]，造成水力坡度增大從而加速濟南南部地下水的補給徑流速度，無疑會削弱泉水的流量。根據濟南地下水、泉水、北部地區地熱流體的動態特征，分析濟南北部地熱開發對濟南泉水的影響程度，是合理開發利用濟南北部地熱資源工作中意義重大而深遠的一項工作。

1 區域地質條件

濟南北部地區在地質構造上位于魯西隆起北部古潛隆地帶，其地質構造在總體上是一個以新生代和古生代地層為主體的北傾單斜構造。單斜構造中有多條橫截全區的大斷裂，也有數條走向不同切割深淺不一的小型斷裂，多條斷裂切割將單斜構造分割為多個不同規模的斷塊。北有近東西走向的齊廣斷裂、西-西北部有北北東向展布的聊考斷裂，東部分布走向北西-南東的明水斷裂，區內還分布多條不同走向的中、小型斷裂。第四系廣布地表，其下分布主要有古生界寒武系九龍群、奧陶系馬家溝組、石炭系-二疊系、侏羅系-白堊系、新近系等地層如圖1所示。

工作區內大的巖漿巖侵入體是濟南巖體，該巖體主要侵入奧陶紀地層，局部侵入石炭-二疊紀地層。該巖體空間形態為東薄西厚的契狀體，據鉆孔資料，巖體由北向南呈仰角侵入，南部呈緩傾斜狀超覆于奧陶系之上，由北向南變薄。巖體的北部與灰巖接觸呈向北平緩傾斜，向深部延伸，中心在新徐莊桃園一帶，侵入巖與圍巖界限清楚，巖體邊部發育平行于接觸面的流動構造。巖性由橄欖輝長巖到輝石二長巖，巖石化學成分SiO2為49.07%～66.68%。

2 區域地熱地質條件

2.1 地熱儲存條件

濟北地區位于魯西隆起地熱區(Ⅱ)魯西南潛隆起及魯中南隆起北緣地熱亞區(Ⅱ2)，奧陶系灰巖地層為主要熱儲層。其地熱資源的形成是來自地殼深處的熱能在通過巖層、斷裂或火成巖與圍巖的接觸帶等上升過程中將來自南部深層徑流補給的地下冷水加熱后又沿斷層等上涌至淺部灰巖巖溶裂隙中，受上覆較厚上古生界石炭-二疊系地層、中生代地層及新生代地層的阻隔而形成熱異常。局部因巖漿巖體的侵入阻滯了南(東)部山區冷水的大量直接徑流補給，冷水沿巖體與灰巖接觸帶進行深循環，相對提高了北部地區熱儲的溫度[2]。奧陶系灰巖熱儲地熱資源有巖溶裂隙型熱儲、孔隙裂隙型熱儲和裂隙型熱儲等多個熱儲層，其中巖溶裂隙型熱儲是本區主要熱儲層，也是本次研究的對象。

區內巖溶發育規律主要受兩大因素的控制。一是由于地層巖性差異造成的層間巖溶發育帶，在這些部位由于地下水相對受阻在層間活動強烈而使巖溶發育成層狀，如奧陶系-寒武系鳳山組系列灰巖與白云巖中，不同巖性界面之間巖溶易發育。二是巖溶發育受構造斷裂，區內斷裂相互切割將濟南北部地區地層分割成多個區塊如圖2所示，特別是張性或張扭性斷裂的控制，成垂直帶狀發育，與層間巖溶發育構成巖溶發育網絡，地下水在這些巖溶網絡中活動，這些巖溶網絡就成為地下熱水賦存的空間。區內奧陶系灰巖頂板埋深一般500～2000m，地熱流體水位埋深小(多為自流)，出水量大，溫度較高；奧陶系石灰巖熱儲分布范圍廣，熱儲厚度一般800m左右，且分布較穩定。由南向北奧陶系灰巖熱儲埋深總體逐漸增大，橫向上變化相對較小。

圖1 濟南北部區域地質圖

圖2 輝長巖體北側地熱地質略圖

2.2 濟南泉水、北部地熱水成因分析

濟南泉水主要來源于市區南部大氣降水，降雨滲入地下順單斜層巖北流，至老城區北部火成巖阻擋帶形成承壓水涌出地表，形成泉水。大氣降水在南部山區入滲補給進入含水層后，沿地勢、地層傾向向北部徑流，在濟南市區遇濟南巖體徑流受阻后，向深部循環，進入濟南北部地熱田，在大地熱流作用下，形成地熱水。奧陶系灰巖熱儲上覆厚度很大的第四系、新近系及石炭-二疊系地層，作為熱儲蓋層，起到了良好的保溫效果[3- 6]。同時，工作區濟南巖體的存在對北部地熱的形成具有重要的作用。

(1)阻擋了南部大量冷水向北徑流，對北部地熱水水溫的保持起到了很重要的作用。

(2)迫使南部一部分巖溶水地下深處徑流，起到增加水溫的作用。

(3)由于巖體向上侵入，使上部地層抬升，熱儲埋藏變淺，形成淺部地熱異常，更適合開采。在巖漿侵入后冷凝過程中，產生一系列圍巖裂隙，同時在壓應力作用下使含水層裂隙發育，有利于熱水的對流、傳導和儲存。

(4)巖漿侵入體帶來大量可溶性物質組分，使地熱水獲得特殊的微量元素，對形成醫療熱礦水具有重要意義。

3 地熱水與巖溶冷水相關性研究

3.1 抽水試驗與取樣點選取布置

本次抽水孔的布設原則選擇遠離含水層的透水、隔水邊界，布置在含水層的導水及儲水性質、補給條件、厚度和巖性條件等有代表性的地方，綜合考慮各因素以及研究區的水文地質、地熱地質條件，共布設地熱井抽水孔齊熱1、國科1、北林1、CK- 1、GH1 5眼，自動監測冷水井電臺西、電報1、巷1、青1、JK1、DW1及趵突泉7個，人工監測孔桑西、匡1、B1及JR1。群孔抽水試驗期間同時進行水樣的采集和分析，以了解抽水時的地下水水化學特征，采集地熱水全分析樣品5件，對比群孔抽水前，分析地熱水水質變化特征。

3.2 水位動態特征分析

將抽水試驗期間地熱水以及南部巖溶冷水統測水位繪制成波面圖，其中地熱水水位已換算成17℃溫度條件下水位，以與冷水水位對比(溫度校正后水位)。如圖3—6所示。可以看到抽水試驗前后以及抽水試驗期間，巖溶水徑流方向始終保持由南向北，南部巖溶冷水水位基本保持穩定，并未受到地熱抽水的影響。抽水試驗開始后，地熱水水位迅速下降，但在抽水期間保持穩定。抽水結束后，地熱水水位能夠迅速恢復。通過分析各抽水孔的s-t曲線得出因受區域地下水位總體呈下降趨勢影響，冷水魚地熱水的水位動態難以發現其相互之間具有明顯的規律性影響。

圖3 抽水前水位波面圖

圖4 抽水240h水位波面圖

圖5 抽水360h水位波面圖

圖6 抽水結束時刻水位波面圖

3.3 水化學及同位素、年齡特征分析

濟南北部地熱水從西部灰巖條帶(CK1-0)-北郊林場地區(北林1、齊熱1)—桃園地區(桃1、桃2)—鴨旺口地區(YK1、YK2)水化學特征呈規律性變化[7- 10]：自西向東，陰離子逐漸以SO4離子為主逐漸過渡為以Cl-為主，陽離子逐漸以Ca2+為主逐步過渡到以Na+為主，礦化度由1.4g/L逐步增加到7.2g/L(表1濟南北部地區地熱水常規離子一覽表)，說明自西向東，地熱水“變質程度”逐漸增大，地熱水的賦存環境由徑流條件相對較好的開放環境過渡到徑流滯緩的相對封閉環境。

表1 濟南北部地區部分地熱水井常規離子一覽表

將濟南北部地熱水以及部分南部巖溶水樣點列在Schoeller圖中,如圖9所示，交錯連成線，可以看出同一區域內地下水各水化學組分含量基本相近。地熱水與南部巖溶冷水曲線形狀基本相似，只在垂向上有移動，表明工作區地下熱水與冷水具有同一補給源，只是經歷了的水巖作用強弱以及充分程度不同。

圖7 鋼熱1地熱井2004、2013年水化學組分變化

圖8 齊熱1地熱井2004、2013年水化學組分變化

圖9 2013年地熱水-冷水Schoeller圖

工作區地熱水及南部部分巖溶冷水氘氧穩定同位素組成如圖10所示。可以看出豐、枯水期，地熱水氘氧穩定同位素變化較小，說明其補給條件較差，水質穩定。地熱水、巖溶冷水均沿大氣降水線展布，說明二者均來自大氣降水補給，但地熱水的氘氧同位素值明顯比巖溶冷水以及大氣降水值偏負，說明地熱水來自比現代更寒冷氣候條件下的補給。工作區地熱水年齡為13.4～26.6千年，表明地熱水來自于末次冰期的補給，更加印證了氘氧穩定同位素的分析。

圖10 地熱水及部分巖溶冷水氘氧穩定同位素組成

4 結語

(1)濟南北部地熱水的水位動態與南部冷水動態較為一致，動態相對穩定，具有同源補給的特征，說明二者存在一定的水力聯系，但受地質條件限制，聯系不是十分密切。年內枯、豐水期水質變化很小，但礦化度、總硬度、Na+、Cl-等離子近10年來有變小的趨勢，說明長期開采地熱水可能導致冷水混入，使地熱水水質淡化，因此長期開采地熱水可能加強地熱水與南部巖溶冷水的水力聯系。

(2)北部地熱田與濟南泉群之間存巨厚的輝長巖體，因而抽水降落漏斗的擴展主要是沿灰巖條帶分布方向擴展。在現狀開采條件下1500～2000m3/d，開發地熱資源不會對市區泉水造成影響。

(3)濟南北部地區地熱資源開采量若再增大，則應進一步做監測研究工作，為濟南北部地區地熱資源開采和保泉工作提供更加可靠的依據。