黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水地球化學特征及成因分析

梅博，張巖峰，楊云展，邢化廬，常林禎，劉普峰

（河北省地礦局第四水文工程地質大隊，河北 滄州 061000）

0 引言

地熱水是集水、熱、礦三重屬性于一體的綠色可再生能源，開發利用地熱資源對優化能源結構、環境治理、節能減排有著得天獨厚的優勢（張薇等，2019）。在地熱資源勘探開發過程中開展地熱流體地球化學特征分析研究，是認識地熱資源形成機制、賦存環境以及循環機理的有效手段（Hidalgo and Cruz-Sanjulián,2001）。隨著先進檢測儀器以及計算機的普及應用，國內外不同學者針對不同地區的地熱水開展水文地球化學研究工作并取得了較豐碩的成果（顏世強等，2007；張保建等，2015；楊詢昌等，2019；劉明亮等，2020；程立群等，2020）。

黃驊臺陷滄州段位于滄州市東部，東經116°17′～117°37′，北緯37°30′～38°43′。該地區地熱產業開發程度較高，開采歷史接近30年之久，所有地熱井利用熱儲層均為新近系館陶組熱儲，尚未有基巖熱儲開采。多年以來，石油、地質部門在該地區開展了大量區域性和單井的地熱地質勘查工作，在熱儲特征、構造、儲量計算、地熱水水質評價等方面為該地區地熱資源的開發提供了大量地質成果和數據支撐，但是對區內館陶組地熱水化學組分和水文地球化學特征的研究幾乎沒有。地熱流體的水文地球化學特征受地下熱水與圍巖間相互作用、巖漿活動、大氣降水入滲以及含水層之間的補給等因素影響（高宗軍等，2019）。本文在系統研究區域地熱地質條件和地熱水運移規律的基礎上，綜合運用Piper三線圖、離子比值法、水巖平衡、礦物飽和指數法等手段，對黃驊臺陷（滄州段）館陶組熱儲的水文地球化學特征及地下水運移過程中所發生的水巖作用進行研究，并探討形成的機理，以期為地熱資源的合理開發利用提供依據，同時也為今后該地區的地熱地質研究工作提供參考。

1 區域地質概況

研究區位于中朝準地臺（Ⅰ級）華北斷拗（Ⅱ級）黃驊臺陷（Ⅲ級）南段，滄縣臺拱（Ⅲ級）東側，埕寧臺拱（Ⅲ級）西側。該構造單元上分布有7個凹凸鑲嵌的Ⅳ級構造單元，自北向南、自西向東分別為滄東斷凹、齊家務臺凸、孔店臺凸、歧口斷凹、南皮斷凹、徐里臺凸、鹽山斷凹（圖1）。

圖1 黃驊臺陷（滄州段）區域及研究區構造示意圖

本區所處的華北沉降帶，沉積了巨厚的松散地層，據《河北省區域地質圖》（河北省地礦局，1989）等區域資料，區內地層由新到老為新生界第四系、新近系、古近系，中生界侏羅系—白堊系，古生界石炭系—二疊系、奧陶系。根據含水巖組發育程度、穩定隔水層的分布及其他水文地質特征，研究區深度4000 m以內，主要分布新近系館陶組孔隙熱儲層。依據地層時代、沉積韻律旋回，古近紀漸新世末的喜馬拉雅運動結束了該地區的斷陷活動，導致湖盆萎縮、消亡，隨后經歷了長期且廣泛的風化、侵蝕和準平原化作用。自中新世起，盆地又開始轉入整體下沉而進入坳陷階段，沉積了館陶組辮狀河和低曲度河道砂礫質巖和洪泛相泥質巖。館陶組熱儲層在本區均有分布，頂界埋深一般1100～1600 m，底界埋深1400～2300 m，局部超過2300 m，沉積厚度一般200～500 m；含水巖層主要為中細砂巖，砂厚比35%～45%，孔隙度25%～30%，底部為十幾米到幾十米厚的砂礫巖；該層熱儲水量大，涌水量一般50～120 m3/h，水溫較高，熱儲底界溫度可達50～75 ℃，屬低溫熱水，是目前研究區主要開采層段。

2 樣品采集及分析

本次在研究區內共采集黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水全分析水樣23件，其中包含同位素水樣8件。采集的全分析水樣送至河北省水環境監測實驗中心分析，同位素水樣送至國土資源部地下水科學與工程重點實驗室（中國地質科學院水文地質環境地質研究所）分析。其中氫氧同位素使用波長掃描-光腔衰蕩光譜法在溫度23 ℃、濕度45%條件下檢測。取樣點位置見圖1，各Ⅳ級構造單元均有采樣點分布。

3 結果分析與討論

3.1 地熱流體水化學特征

由表1研究區地熱水主要化學組分含量分析成果表可知，黃驊臺陷（滄州段）館陶組地下水化學類型均為Cl-Na型，陽離子中Na+含量占絕對優勢，為1458.87～2206.38 mg/L；陰離子中Cl－含量占絕對優勢，為2117.1～3363.9 mg/L；溶解性總固體（TDS）含量為4105.7～6446.1 mg/L；pH值為7.53～8.27，屬弱堿性水。將各優勢離子數據繪制成Piper三線圖（圖2），各水樣中所含的優勢離子摩爾分數相差不大，在Piper三線圖中水樣點均集中在一塊，陽離子全部分布于Na++K+端，陰離子全部分布于Cl-端。

圖2 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣Piper三線圖（底圖據中國地質調查局,2012）

表1 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣主要化學組分含量分析成果

由此可見研究區館陶組熱儲層位分布穩定，地下水化學類型單一，這是由于熱水被封存于缺氧的封閉水文地球化學環境中，由于砂巖類熱儲及圍巖中巖鹽含量較大，地下熱水化學成分的形成以巖鹽等可溶鹽類的溶解為主，在漫長的地質歷史演化過程中熱水的水化學類型趨于一致，變為Cl-Na型水。通過數據對比發現，研究區最南端的南皮斷凹Ⅳ級構造單元中南皮縣、東光縣兩個縣城內地熱井水樣TDS含量高于6000 mg/L。結合區域地質資料分析，該構造單元處于黃驊臺陷（Ⅲ級）最南端，隨著地熱水運移距離的增加，不斷對圍巖系統進行溶濾并發生離子置換，導致具有很高遷移能力的兩種離子Na+、Cl-含量略高。

圖3 為研究區內各個水樣的Schoeller 圖（Truesdell，1991），可以看出各水樣曲線形狀趨勢大致相同，只在縱向上有部分移動，說明水樣的補給來源基本相同。各水樣在Ca+、Mg+處出現較分散現象，而“富鈣”、“富鎂”水樣多存在于南皮斷凹Ⅳ級構造單元之內，說明在該構造單元內熱儲沉積環境圍巖中含有石膏、白云石等來源物質較多，且該地區所處水文地球化學環境相對更封閉，水巖反應更充分，導致溶解圍巖中組分更多。

圖3 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣Schoeller圖

3.2 特征系數分布特征

水化學特征的各種參數組合關系，在一定程度上反映了地層水的封閉環境和變質程度（張保建，2011）。鹽化系數表征地層水的濃縮程度，其值越大，則表明水的濃縮程度越強烈。用水樣中強、弱酸根的比例系數（K）和及離子強度（Ⅰ）亦可以定量表征水化學成分的變質程度，一般認為：K≤0.5，I＜0.006，為未變質水；0.5≤K＜4，0.01≤I≤0.04，為初期變質水；4≤K＜60，0.05≤Ⅰ≤0.2，為中度變質水；K≥60，Ⅰ＞0.2，為高度變質水（陳靜生，1987）。

表2計算了研究區水樣的鹽化系數，強、弱酸根的比例系數（K），離子強度（Ⅰ）（錢會和馬致遠，2005），由表可以看出，各水樣鹽化系數多在20以上，水樣濃縮程度較高，在南皮斷凹IV級構造單元上的水樣鹽化系數較研究區其他幾個IV級構造單元水樣略高，該值大小基本上與水樣TDS的大小分布呈對應關系，同樣說明地下熱水橫向運移距離越長，水巖交互作用越完全；綜合分析強弱酸根比例系數K及離子強度I，所有水樣均屬于中度變質水，變質程度同樣和前述濃縮程度、TDS濃度大小基本呈對應關系。

表2 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣特征系數計算結果

3.3 水巖作用分析

Na-K-Mg平衡圖是由Giggenbach于1988年提出的，以Na/1000、K/100和Mg1/2為3個頂點，劃分為完全平衡、部分平衡和未成熟（即仍處于巖石溶解、淋濾過程中的水）的水，常被用來判斷水巖平衡狀態和區分水樣類型（Giggenbach,1988）。

將水樣的K+、Na+、Mg2+化驗數據投至Na-KMg平衡圖上（圖4），由圖4可以看出，大部分水樣落在部分平衡區，說明大部分水樣水巖作用尚未達到平衡狀態，溶濾作用仍在進行中。在該圖中，只有岐口斷凹IV級構造單元中的HH31、HH57、ZJ02三個水樣達到完全平衡區，且該IV級構造單元中的幾個水樣分布于上部；總體上看所有水樣點在Na-K-Mg平衡圖上呈有規律的線性排布，即：越接近反應平衡區的水樣溫度越高，下方接近非平衡區水樣溫度越低，在一定程度上說明可以利用陽離子溫標對熱儲溫度值進行計算。在對上述水樣進行了陽離子溫標計算，溫標公式如表3所示，得到計算熱儲溫度和實測溫度見表4。通過表4可以看出，鈉鉀溫標（R.O.Fournier）和研究區的地熱水取樣溫度相對更接近，說明鈉鉀溫標（R.O.Fournier）對于估算研究區的熱儲溫度適應性更好。

圖4 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣Na-K-Mg平衡圖（底圖據Giggenbach,1998）

表3 溫標公式選取表

表4 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣陽離子溫標計算結果

用Phreeqc計算軟件可以計算出各種礦物在不同溫度下的飽和指數SI值。當SI＞0，表示過飽和；SI＝0，表示飽和；SI＜0，表示未飽和（李常鎖等，2018）。為了說明研究區地下熱水對于各種礦物的飽和狀態，本文對礦物飽和指數（SI）進行了計算（表5）。由表5可以看出熱儲及圍巖的主要礦物成分中，易溶成分巖鹽、無水石膏、石膏等均未達到飽和，而難溶成分方解石、白云石、石英、玉髓、滑石等達到或接近飽和狀態。結合圖5可以看出，所有水樣均在rCl-=rNa+線附近，這同樣說明研究區的熱水中Cl-和Na+大部分均來自于巖鹽的溶解。

圖5 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水樣Cl-和Na+關系圖

表5 Phreeqc軟件計算礦物的飽和指數一覽表

續表5 Phreeqc軟件計算礦物的飽和指數一覽表

3.4 同位素地球化學特征

地下水因其來源不同，其氫氧同位素組成亦不同，因此研究地下水氫氧同位素組成及發生的變化，對于確定地下水的成因類型、補給條件以及大氣降水與地表水的聯系程度，了解地下水的循環途徑具有重要意義（錢會和馬致遠，2005；顧慰祖等，2011）。表6為研究區內地熱水氫氧同位素分析結果，并將研究區水樣的D、18O同位素組分以及滄州地區其他類型地下水、地表水（徐彥澤等，2009；徐彥澤，2009）同全球降水線（GMWL）、及石家莊地區降水線（LMWL）（魏靜文，2012）進行了對比（圖6）。

表6 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地熱水氫氧同位素分析結果

由表5看出，各水樣氚濃度小于＜1.0 T.U，說明研究區館陶組地熱流體非現代起源，3個14C測年結果均在3萬年左右，同樣證明這一觀點。研究區內館陶組儲層地熱流體的δD值為-73‰～-75‰，δ18O值為-8.8‰～-9.5‰。各水樣點均落在了大氣降水線和地區降水線附近，表明研究區館陶組熱水來源為主要為大氣降水（圖6）。在橫向上各水樣點均出現了“氧漂移”現象，經過長時間的徑流運移至研究區內，發生了“氧漂移”而并非當地降水垂向入滲。對幾個水樣的橫向對比發現CZ01、NP04、DG03這3個水樣較其他幾個水樣的“氧漂移”程度大，這可能是由于該IV級構造單元內地熱水運移距離更遠、滯留時間更久。

圖6 地熱水樣δD-δ18O關系圖（底圖據魏靜文，2012）

天然大氣降水的同位素組成變化受控于溫度效應、緯度效應、大陸效應、高度效應以及雨量效應，所以不同地區其降水中氫氧同位素組成略有差別，利用大氣降水同位素高程效應產生的變化規律可確定地熱流體的補給區和補給高程。依據氫同位素計算地熱流體補給高程的公式為：

（1）式中：H為地熱流體補給區高程；Hr為地熱水水樣點的地面高程；δDr為參考點水樣δD值，取滄州地區30 m以淺井水樣平均值為-62‰（徐彥澤，2009）；gradD為雨水的δD隨高程的遞減梯度值，取-2‰/100 m（陳宗宇，2001）；經計算各水樣點地熱流體補給高程平均值為620.7 m。

依據修正氧漂移后的氧同位素計算地熱流體補給高程的公式為：

（2）式中：Hr為地熱水水樣點的地面高程；δ18OLM水樣修正氧漂移后δD值，δ18Or為參考點水樣δ18O值，取滄州地區30 m以淺井水樣平均值為-8.38‰（徐彥澤，2009）；grad18O為雨水的δ18O隨高程的遞減梯度值，取-0.2‰/100 m（李嫄嫄，2014）；經計算各水樣點地熱流體補給高程平均值為1105.62 m。

綜上，利用氫氧同位素計算的地熱流體補給高程均遠高于研究區的地面高程。分析周邊地形資料可知，該高程值為北部燕山山脈及西部太行山脈，距勘查區距離均在200 km以上。結合本區地熱水14C年齡樣均在3萬年左右，經過分析估算，研究區的館陶組熱水循環速率約為18 mm/d，徑流比較緩慢、補給微弱，排泄方式為人工開采的靜儲量消耗型；該值建立在研究區幾十年大量地熱井開采引起該層水位下降明顯，水力坡度大，側向徑流補給加劇；因此，在無人工開采條件下，熱水自然徑流速度還要緩慢，滯留時間更長。

4 結論

（1）黃驊臺陷（滄州段）館陶組熱水水化學類型均為Cl-Na型，TDS含量4105.7～6446.1 mg/L；pH值為7.53～8.27，屬弱堿性水。其中南皮斷凹Ⅳ級構造單元內TDS含量較高，該地區所處水文地球化學環境相對更封閉，水巖反應更充分，導致溶解圍巖中組分更多。所有水樣均屬于中度變質水，變質程度與濃縮程度、TDS濃度大小基本呈對應關系。

（2）研究區內館陶組熱水大部分水樣水巖作用尚未達到平衡狀態，溶濾作用仍在進行中，隨熱儲溫度越高，水樣越接近反應平衡；鈉鉀溫標（R.O.Fournier）對于估算研究區的熱儲溫度適應性更好。

（3）通過本次研究表明區內館陶組熱儲圍巖的主要礦物成分中，易溶成分巖鹽、石膏、無水石膏等均未達到飽和，而難溶成分方解石、白云石、石英、玉髓、滑石等基本達到了飽和狀態；該區館陶組熱水中Cl-和Na+均來自巖鹽的溶解。

（4）研究區內館陶組熱水來源為大氣降水，地熱流體補給區距研究區較遠，經過長時間的徑流運移至研究區內，熱水循環速率為18 mm/d，徑流比較緩慢、補給微弱，因此應盡快建立地熱尾水回灌制度，以可開采資源量、回灌能力、用熱需求，確定地熱水的可開采規模，從根本上保護地熱水資源，延長地熱資源使用年限。

注 釋

①中華人民共和國國家質量監督檢驗總局,中國國家標準化管理委員會.2010.地熱資源地質勘查規范：GB/T 1695-2010[S].北京：中國標準出版社.