華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的水化學(xué)特征及其成因機(jī)制

何 欣，馬 悅

(1.陜西天地源新能源投資有限公司，陜西 西安 710065；2.中光建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

我國(guó)雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)后，碳酸鹽巖熱儲(chǔ)以其獨(dú)特的巖溶作用、高產(chǎn)量、低鹽度、易回灌的特性而越來越受到關(guān)注。碳酸鹽巖熱儲(chǔ)是指儲(chǔ)存于一定深度內(nèi)、具有有效孔隙和滲透性的碳酸鹽巖地層中的地?zé)豳Y源。它是除非火山作用儲(chǔ)熱系統(tǒng)外最重要的熱水資源之一[1]，主要分布在斷陷盆地和坳陷盆地中，具有典型的中低溫傳導(dǎo)型熱水系統(tǒng)的特征[2]。

奧陶紀(jì)華北板塊廣泛沉積了一套穩(wěn)定的碳酸鹽巖建造，雖然之后經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但大部分奧陶系碳酸鹽巖地層仍深埋地下，這也構(gòu)成了北京[3-4]、天津[5-6]、石家莊[7-9]、濟(jì)南[10-11]、太原[12-16]、嵩山[17]、韓城[18]、銅川[19-20]等地主要的巖溶熱儲(chǔ)層。其一般特征表現(xiàn)為：①多分布于沉積盆地內(nèi)；②多屬于中低溫巖溶裂隙型熱儲(chǔ)；③巖溶主要發(fā)育于隆起區(qū)或邊山斷裂帶附近；④熱儲(chǔ)層巖性主要為奧陶系馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；⑤蓋層為上覆的新生界、中生界及古生界地層，厚度約500～2 500 m不等。

目前，學(xué)界對(duì)華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的賦存特征認(rèn)識(shí)較為統(tǒng)一，眾多專家學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域圍繞地?zé)釄?chǎng)[21]、地?zé)岢梢騕13,17,22-23]、地?zé)岬刭|(zhì)條件[4,8,10-11]、水化學(xué)特征[3,5,24-25]、水-巖相互作用[13]、古巖溶發(fā)育[26-29]、熱源[30]等方向開展了研究，但對(duì)其水熱循環(huán)系統(tǒng)、運(yùn)移規(guī)律、成礦概念模型尚無(wú)完整、系統(tǒng)的論述。為此，本文根據(jù)華北板塊部分奧陶系碳酸鹽巖地?zé)峋乃牡厍蚧瘜W(xué)特征，分析了地?zé)崴乃瘜W(xué)特征組分及其水文地球化學(xué)過程，并探討了該熱儲(chǔ)形成機(jī)制的概念模型，為今后尋找和探討奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)提供一定的理論依據(jù)。

1 華北板塊地質(zhì)背景與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)背景條件

五臺(tái)運(yùn)動(dòng)和呂梁運(yùn)動(dòng)使華北四分五裂的基底陸殼連成一體，形成了統(tǒng)一的華北古板塊，轉(zhuǎn)而進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的蓋層發(fā)展階段。在經(jīng)歷了中元古代—晚元古代早期的沉降階段和晚元古代晚期的抬升階段后，古生代寒武紀(jì)時(shí)華北板塊開始下降，海水重新入侵，形成了一套碎屑巖-碳酸鹽巖建造。

早奧陶世華北板塊繼承和發(fā)展了寒武紀(jì)的古地理面貌，基本是一個(gè)十分廣闊的碳酸鹽巖臺(tái)地，西至賀蘭山以西，南至祁連山、秦嶺、伏牛山、大別山，東至渤海和東海，北至陰山以北[31]；中奧陶世華北板塊大部分依然處于陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地沉積區(qū)，但受加里東運(yùn)動(dòng)南北向擠壓應(yīng)力的影響，開始發(fā)生海退，華北板塊逐漸抬升，中部形成了東西走向的瀉湖或半瀉湖環(huán)境，發(fā)育了石膏巖及鹽巖[32-33]；晚奧陶世—早石炭世華北板塊受南、北兩側(cè)的大洋板塊持續(xù)俯沖，華北板塊結(jié)束了漫長(zhǎng)的淺海相碳酸鹽巖的沉積，整體抬升成陸，并遭受風(fēng)化剝蝕，為古巖溶發(fā)育創(chuàng)造了穩(wěn)定的良好條件；直到中石炭世華北板塊才重新沉降并沉積了一套海陸交互相含煤碎屑巖建造；二疊紀(jì)華北板塊基本為陸相含煤建造。整個(gè)古生代華北板塊均處于相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境。

印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)以后，華北板塊開始活化，太行山、燕山等地褶皺成山，華北板塊重新遭受風(fēng)化剝蝕，導(dǎo)致大部分缺失侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層；喜山運(yùn)動(dòng)以后，全區(qū)主要處于北西-南東向的拉張應(yīng)力場(chǎng)中，孕育了一系列新生代的斷陷盆地和裂谷盆地，這一時(shí)期造就了盆地區(qū)碳酸鹽巖地層“深埋”、邊山區(qū)碳酸鹽巖地層“淺出”的構(gòu)造面貌。

1.2 水文地質(zhì)條件

華北板塊凹隆相間，奧陶系地?zé)崴饕獮樘妓猁}巖巖溶裂隙水，補(bǔ)給區(qū)主要為碳酸鹽巖中低山區(qū)，含水層為奧陶系灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，沿著中低山區(qū)一般均發(fā)育深大斷裂，構(gòu)造裂隙發(fā)育，大氣降水沿著碳酸鹽巖露頭區(qū)、滲透性較好的松散沉積物或貫穿性良好的斷裂下滲，大部分形成了淺循環(huán)的巖溶發(fā)育良好的邊山巖溶系統(tǒng)，儲(chǔ)層為溶蝕孔洞發(fā)育的奧陶系碳酸鹽巖，蓋層為上覆新生界松散沉積的砂泥巖、黏土等，埋藏深度往往不大，水溫和礦化度較低，水量較好；部分沿著切割較深的斷裂或者順層向凹陷運(yùn)移，形成過渡巖溶系統(tǒng)，儲(chǔ)層為奧陶系碳酸鹽巖，但地下水循環(huán)緩慢，巖溶發(fā)育一般，蓋層大多為上覆新生界松散沉積物和中生界的砂巖等，蓋層加厚，埋藏深度加深，水溫升高，水量一般；而隨著向凹陷進(jìn)一步運(yùn)移，地下水流動(dòng)基本處于滯緩狀態(tài)，碳酸鹽巖的溶蝕大大減弱[29]，形成了深埋巖溶系統(tǒng)，大氣降水通過補(bǔ)給邊山巖溶系統(tǒng)進(jìn)而補(bǔ)給深埋巖溶系統(tǒng)的可能性不大[15]，儲(chǔ)層依然為奧陶系碳酸鹽巖，但巖溶發(fā)育較差，加上成巖過程中的充填膠結(jié)作用，碳酸鹽巖很少存在孔洞[29]或幾乎不存在孔洞，蓋層為上覆新生界、中生界和古生界的砂頁(yè)巖、泥巖、煤層等，埋藏深度往往較大，水溫較高，礦化度較大，水量較小。

2 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴乃瘜W(xué)特征

2.1 地?zé)崴乃瘜W(xué)類型分析

華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的水化學(xué)參數(shù)及主要水化學(xué)組分，見表1。通過對(duì)華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴腜iper三線圖(見圖1)進(jìn)行分析，結(jié)果表明華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴蓜澐譃?組：邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?A)、過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?B)、深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?C)。

表1 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴乃瘜W(xué)特征

圖1 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴腜iper三線圖Fig.1 Hydrochemical Piper three-line diagram of the Ordovician carbonate rock geothermal water in North China plate

2.2 地?zé)崴瘜W(xué)類型與井深的關(guān)系分析

華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)類型與井深的關(guān)系圖見圖2。

圖2 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴瘜W(xué)類型與 井深的關(guān)系圖Fig.2 Hydrochemical type and depth distribution of the Ordovician carbonate rock geothermal water in North China Plate

由圖2可見，華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴乃瘜W(xué)類型與井深的關(guān)系密切，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na、SO4·HCO3-Ca·Na、SO4-Ca型的地?zé)崴?，即上述邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?，?duì)應(yīng)的井深范圍約600～2 100 m；水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na型的地?zé)崴?，即上述過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴瑢?duì)應(yīng)的井深范圍約2 100～2 700 m；水化學(xué)類型為Cl-Na型的地?zé)崴?，即上述深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴瑢?duì)應(yīng)的井深范圍大于2 700 m，其深度最深。

2.3 地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)和脫硫系數(shù)分析

變質(zhì)系數(shù)(rNa+/rCl-)可反映地層水的濃縮變質(zhì)程度和儲(chǔ)層的水文地球化學(xué)環(huán)境。通常認(rèn)為變質(zhì)系數(shù)越小，則反映地層水的封閉性越好、越濃縮，變質(zhì)程度越深，表明處于比較還原的水體環(huán)境[34]。

由表1可知，除個(gè)別地?zé)峋惓Ｍ?，華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)值大多在0.62～4.16之間，其中邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)大多在0.62～4.16之間，平均值為2.8，過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)介于1.29～2.26之間，平均值為1.89，深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)介于為0.62～1.5之間，平均值為1.0。由此說明，從邊山巖溶系統(tǒng)到深埋巖溶系統(tǒng)，隨著距補(bǔ)給區(qū)由近至遠(yuǎn)，地?zé)崴姆忾]越好、越濃縮，變質(zhì)程度越深，所處水體環(huán)境的還原性呈相對(duì)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

由表1可知，華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)值變化較大，介于0.28～7 713.42之間，其中邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)在32.07～7 713.42之間，其值大多超過1 000，過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)在0.28～4.5之間，深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)在2.05～10.84之間。由此說明，從邊山巖溶系統(tǒng)到深埋巖溶系統(tǒng)，隨著距補(bǔ)給區(qū)由近至遠(yuǎn)，地?zé)崴姆忾]性越好，所處水體環(huán)境的還原性呈現(xiàn)相對(duì)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)過程

圖3 華北板塊邊山巖溶系統(tǒng)奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴?S與Ca2+離子濃度的對(duì)比圖Fig.3 Comparison of S and Ca2+ concentrations of the Ordovician carbonate rock geothermal water in boundary mountain karst system in North China Plate

CaSO4+2NaHCO3→Ca(HCO3)2+Na2SO4

4FeS2+15O2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO4

H2SO4+Mg·Ca(CO3)2→CaCO3↓+

MgSO4+H2O+CO2

隨著地?zé)崴^續(xù)向深處緩慢運(yùn)移，Cl-和Na+離子作為保守組分，很難形成次生礦物從水中析出，水-巖相互作用使得Cl-和Na+源源不斷地溶解進(jìn)入到地?zé)崴校責(zé)崴蠧l-離子含量越來越高，地?zé)崴乃瘜W(xué)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃l-Na型水。圖4為華北板塊深埋巖溶系統(tǒng)奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴蠧l-與Na+離子濃度的對(duì)比圖。

圖4 華北板塊深埋巖溶系統(tǒng)奧陶系碳酸鹽巖地?zé)?水中Cl-與Na+離子濃度的對(duì)比圖Fig.4 Comparison of Cl- and Na+ concentrations of the Ordovician carbonate rock geothermal water in deep buried karst system in North China Plate

由圖4可見，深埋巖溶系統(tǒng)地下熱水點(diǎn)基本都落在Cl-與Na+離子濃度比為1∶1的摩爾線附近，表明深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴蠧l-和Na+離子主要是由巖鹽溶解而成，但大多是偏向Cl-離子一側(cè)，造成Cl-離子含量高的原因可能有以下三個(gè)方面：

(1) 深埋巖溶系統(tǒng)奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴幱谝粋€(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，可能存在封閉水[37]，榆次經(jīng)緯廠井中Cl-離子濃度甚至達(dá)到了15 089.0 mg/L，接近于海水濃度。

(2) 隨著深度增加，地層溫度升高，碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等礦物的溶解度下降而從地?zé)崴形龀觯然锏娜芙舛仍龃蟆?/p>

(3) 地?zé)崴谏仙^程中由于壓力減小，碳酸鹽、硫酸鹽等礦物的溶解度隨之下降而從地?zé)崴形龀觥?/p>

4 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)形成機(jī)制的概念模型

綜合以上分析，本文提出了華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)形成機(jī)制的概念模型，見圖5。

圖5 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)形成機(jī)制的概念模型示意圖Fig.5 Conceptual model of the formation mechanism of Ordovician carbonate reservoir in North China Plate

5 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)華北板塊27眼奧陶系碳酸鹽巖地?zé)峋M(jìn)行水化學(xué)組成分析，將奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴畡澐殖?組：邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴乃瘜W(xué)類型多為HCO3-Na、SO4·HCO3-Ca·Na、SO4-Ca型水；過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴乃瘜W(xué)類型主要為Cl·HCO3-Na型水；深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴乃瘜W(xué)類型為Cl-Na型水。

(2) 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴乃瘜W(xué)類型與井深的關(guān)系密切，其中邊山巖溶系統(tǒng)地?zé)崴瑢?duì)應(yīng)的地?zé)峋罘秶s為600～2 100 m；過渡巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?，?duì)應(yīng)的地?zé)峋罘秶s為2 100～2 700 m；深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴?，?duì)應(yīng)的地?zé)峋钔ǔ４笥? 700 m。

(3) 華北板塊奧陶系碳酸鹽巖地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)和脫硫系數(shù)均表明從邊山巖溶系統(tǒng)到深埋巖溶系統(tǒng)，隨著距補(bǔ)給區(qū)由近至遠(yuǎn)，地?zé)崴姆忾]性越好，所處水體環(huán)境的還原性相對(duì)增強(qiáng)。

(5) 深埋巖溶系統(tǒng)地下熱水點(diǎn)基本都落在Cl-與Na+離子濃度比為1∶1的摩爾線附近，表明深埋巖溶系統(tǒng)地?zé)崴蠧l-和Na+離子主要是由巖鹽溶解而成，但大多是偏向Cl-離子一側(cè)，除了深度和壓力的改變導(dǎo)致碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等礦物的溶解度下降而從地?zé)崴龀鐾?，深埋巖溶系統(tǒng)局部可能還存在封閉水。