濟源-開封凹陷東段館陶組熱儲水化學特征及成因啟示

張 萌，秦祥熙，黃 雯，石 磊，鄭 鋼

1. 浙江陸特能源科技股份有限公司，浙江 杭州 310051；2. 東華大學，上海 201620；3. 百合花集團股份有限公司，浙江 杭州 311228；4. 浙江省國土整治中心，浙江 杭州 310012；5. 滄州陸特新能源科技有限公司，河北 滄州 061000

0 引言

河南省地熱資源稟賦條件良好，開采潛力較大，主要分布在以濟源-開封凹陷為代表的東部平原區［1-2］.濟源-開封凹陷地熱資源的開發利用由來已久，眾多學者［3-8］已分別對其內的武陟、原陽、鄭州、中牟等地區，開展了地熱資源的熱儲特征、賦存情況、開發利用等研究. 在其東段的開封-蘭考地區內，相關研究多集中于開封市區及周邊［9-11］，且受限于以往的開采深度，又多針對明化鎮組熱儲. 近年來，該區的地熱資源開發向更深部的館陶組熱儲延伸，開發利用規模進一步增加. 目前，在開封市、蘭考縣境內已建設多個館陶組熱水區域集中供熱項目，圍繞蘭考境內館陶組熱儲層的賦存規律、資源評價等研究也相繼開展［12-14］，但是關于館陶組地熱水的形成條件與成因機制的研究尚存不足.

本文以濟源-開封凹陷東段的開封斷隆與開封-蘭考斷陷（涉及的行政區大致為開封市區及西部至蘭考縣城區）為研究區，利用2017—2020 年在蘭考、開封投資建設的水熱型地熱能區域集中供熱項目所施工的館陶組地熱井信息，以館陶組熱儲為研究對象，通過開展地下水的化學特征、形成作用等水文地球化學研究，探討其賦存環境及成因特點，以期為該地區內地熱資源的開發利用提供科學依據.

1 區域地熱地質條件

濟源-開封凹陷（Ⅰ44）屬于中朝準地臺（Ⅰ）之華北拗陷（Ⅰ4），沿黃河呈東西向展布于濟源-開封-民權一帶. 區內斷裂發育，近東西向的鄭州-開封斷裂（F2）為南部邊界，古近紀時期為強活動正斷層，造成區內巨厚的新生界沉積，至第四紀已停止活動［15］. 北西向的濟源-商丘深大斷裂（F1）為北部邊界，具有多期次活動特征，且切割較深，為深部地下熱能的傳導及水源、熱源的流通創造了有利條件［16］. 一系列的北北東向斷裂自西向東將濟源-開封凹陷分割為濟源凹陷、武陟斷凸、原陽-封丘斷陷、開封斷隆及開封-蘭考斷陷等多個斷塊（圖1）［17］. 該區屬華北地層區華北平原分區，基底主要為奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系及白堊系，新生代地層底板埋深2 000～5 000 m，自下而上為古近系、新近系、第四系.

圖1 研究區與地熱井位置示意圖（修改自文獻［17-18］）Fig. 1 Location sketch map of the study area and geothermal wells（Modified from References［17-18］）

區內地熱資源豐富，源、通、蓋、儲結構完整. 熱源供給為大地熱流傳導；區域性深大斷裂為深部熱源的溝通傳導與地熱水的運移創造條件；淺部地層發育有多層黏土和砂質黏土層，具有保溫隔熱作用，形成良好的蓋層；新生界地層厚度大、孔隙度高、富水性好，是良好的熱儲層，從上自下依次發育新近系明化鎮組熱儲層、新近系館陶組熱儲層和古近系熱儲層，各熱儲層相互獨立，其間分布著弱透水層隔絕上下的連通［12］.

2 館陶組熱儲基本特征

研究區包括濟源-開封凹陷東段的開封斷隆、開封-蘭考斷陷（圖1），區內新近系地層整體自西向東傾斜，除部分地區因人工開采造成局部降落漏斗外，區域上地熱水自西向東徑流［19］. 館陶組地層頂板埋深在開封斷隆內自南向西北逐漸變深，開封市南部約1 250 m，北部和西部可達1 700 m. 館陶組厚度從南到北約為200～800 m，蘭考縣境1 300～1 600 m 不等，平均約1 500 m，厚度總體呈東薄西厚、北薄南厚的特點［12，19］. 本研究共選用地熱井10 口（表1），其中開封斷隆2 口、開封-蘭考斷陷8 口，地熱井深均穿透館陶組地層，取水層僅為館陶組含水層.

表1 館陶組地熱井基本情況Table 1 Basic information of geothermal wells in Guantao Formation

開封斷隆內館陶組巖性上部為黏土夾細砂、粉細砂，下部為泥巖夾細粒砂巖、粉砂巖，頂板埋深1 450～1 520 m，地層厚度692.48～881.36 m. 開封-蘭考斷陷內館陶組地層巖性上部為細-中砂巖及泥巖與細砂巖互層夾粉砂巖，下部巖性為礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細砂巖夾粉砂巖、泥巖，頂板埋深1 260.71～1 600 m，地層厚度330.93～672.00 m. 圖2 顯示，兩者館陶組熱儲含水層單層厚度差異不大，但開封-蘭考斷陷內易出現異常大值. 而兩者的含水層孔隙度差別明顯，開封斷隆內數值相對集中且偏小，大部分集中在10.13%～12.41%區間，平均11.43%，變化幅度也不大；開封-蘭考斷陷內大部分數值集中在25.72%～41.27%，變化幅度相對較大，但各地熱井的平均值相差不多，為31.98%～35.91%，整體平均值為34.28%.

圖2 不同區域館陶組熱儲含水層單層厚度與孔隙度對比Fig.2 Comparison of thickness and porosity of geothermal reservoir single aquifer in Guantao Formation of different areas

地熱井測溫結果（圖3）顯示，垂向上研究區地溫隨深度加深而逐漸升高，呈現典型的傳導型地溫變化特點. 平面上，開封斷隆內館陶組熱儲的蓋層地溫梯度為2.79～2.92 ℃/hm；開封-蘭考斷陷內為3.25～4.06 ℃/hm，平均3.45 ℃/hm，高于前者（表1）. 開封斷隆內館陶組熱儲地熱水靜水位埋深58.1～78.9 m，井口水溫82～84 ℃，出水量80～96 m3/h，單位涌水量2.08～2.21 m3（/h·m）；開封-蘭考斷陷內靜水位埋深38.5～55 m，井口水溫70～76 ℃，出水量97～131 m3/h，單位涌水量4.13～11.82 m3（/h·m）.

圖3 研究區地熱井測溫曲線Fig. 3 Temperature logging curves of geothermal wells in the study area

綜合以上分析可知，開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，開封斷隆內館陶組熱儲層埋藏較深，厚度較大，含水層孔隙度較低，抽水降深較大，單井出水量和單位涌水量較低，出水溫度較高.

3 水化學特征及形成條件

3.1 水質分析結果

研究區館陶組地熱水常量組分的測試結果見表2，同時選取明化鎮組地熱水、第四系地下水以及地表（黃河）水，用于對比分析.

表2 地熱水主要離子測試結果Table 2 Test results of main ions in geothermal water

由表2 可知，研究區館陶組地熱水pH 值均介于6.5～8 之間，屬于中性水；明化鎮組地熱水pH 則略大于8；第四系地下水及地表水也屬于中性水. 館陶組地熱水的總溶解固體（TDS）介于10～50 g/L，均為鹽水，總硬度（以CaCO3計）除LK1 外均大于450 mg/L，為極硬水，KF1 的總硬度甚至高達10 969 mg/L. 開封斷隆內明化鎮組地熱水和第四系地下水TDS＜1 g/L，為淡水，總硬度小于150 mg/L，為軟水. 開封-蘭考斷陷內明化鎮組地熱水則為微咸水、軟水，第四系地下水為微咸水、硬水. 地表水則為淡水、硬水.

Schoeller 圖（圖4）顯示，開封斷隆與開封-蘭考斷陷內館陶組地熱水常量組分的變化趨勢相同，而與明化鎮組熱水、第四系地下水及地表水相異. Piper 三線圖（圖5）表明館陶組熱水化學類型明顯異于其他地下水和地表水. 除KF1 外，館陶組熱水水化學類型均為Cl-Na 型，Cl-、Na+占有絕對優勢，分別為首要陰離子和首要陽離子. KF1 總硬度（以CaCO3計）與其他館陶組熱水水樣數值相差一個數量級，水中含有大量的Ca2+，因此Ca2+成為次要陽離子，水化學類型表現為Cl-Na·Ca 型. 明化鎮組熱水中，Na+仍為首要陽離子，陰離子組分中HCO3-占比較大，在開封斷隆內為首要陰離子，在開封-蘭考斷陷內為次要陰離子. 第四系地下水中Cl-占比均低于25%，不表現在水化學類型中，Ca2+、Mg2+在陽離子中的占比較高，超過25%. 地表水的水化學類型則為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca 型.由以上分析可知，研究區館陶組地熱水的水質特點與化學類型與上部的明化鎮組熱水、第四系地下水及地表水差異明顯，表明它們之間的水力聯系微弱，所處環境封閉［23-24］. 而開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，前者的館陶組地熱水具有更高的TDS 值與硬度值，除KF1因Ca2+含量較高表現為Cl-Na·Ca 型水外，其余均為Cl-Na 型水.

圖4 研究區水樣Schoeller 圖Fig. 4 Schoeller diagram of water samples from the study area

圖5 研究區水樣Piper 三線圖Fig. 5 Piper diagrams of water samples from the study area

3.2 水化學控制因素分析

Gibbs 圖［25-26］（圖6）顯示研究區館陶組地熱水均聚集于蒸發濃縮作用區域，遠離大氣降水控制區域，表明其控制機制以蒸發濃縮作用為主導，受大氣降水作用影響小，可能還存在巖石風化作用的影響. Mg2+/Na+與Ca2+/Na+離子比值端元圖［27-28］（圖7）中同樣展現出這樣的特征，研究區館陶組地熱水主要集中于蒸發鹽巖溶解區域，部分向硅酸鹽風化區域偏移. 因此，研究區館陶組熱水主要受鹽巖的蒸發濃縮作用影響，開封斷隆區內可能還受巖石風化作用影響，在開封-蘭考斷陷內鹽巖的蒸發濃縮作用對館陶組熱水的控制影響大于開封斷隆區. 蒸發濃縮作用會導致水中溶解度低的鹽類離子（如Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-）濃度降低，溶解度高的鹽類離子（如Na+、Cl-、SO42-）濃度升高［29］，因此研究區館陶組熱儲地熱水展示出前文所述的水化學類型. 明化鎮組熱儲、第四系地下水和地表水在圖6、7中明顯位于與館陶組不同的區域，表明它們與館陶組熱儲有著不同的控制因素.

圖6 研究區水樣Gibbs 圖Fig. 6 Gibbs diagrams of water samples from the study area

圖7 Mg2+/Na+與Ca2+/Na+比值關系Fig. 7 Relationship between Mg2+/Na+and Ca2+/Na+

地下水的封閉程度、變質程度、濃縮程度可用變質系數（γNa/γCl）、脫硫系數（100×γSO4/γCl）、鹽化系數［γCl/（γHCO3+γCO3）］等特征系數來反映［30］. 研究區地下水的特征系數值如表3 所示. 研究區館陶組熱水的變質系數均小于1，部分接近1，表現出含鹽巖地層溶濾水的特征；且小于明化鎮組地熱水和第四系地下水，表明其處于更封閉、更停滯的賦存環境，水體變質程度更深，水體為還原環境. 然而，部分館陶組熱水的變質系數則小于標準海水γNa/γCl 的平均值（0.85），展現出海相沉積水的特點［31］，但其Cl/Br 系數均大于293（本研究僅部分館陶組地熱井水樣分析了Br 的含量，其中KF1 Cl/Br 系數為2958.77、KF1 為1 511.84、LK1 為566.12、LK3 為709），可排除其海相沉積水的成因，應屬于陸相含鹽沉積型地下水［32-33］.

表3 研究區地下水特征系數Table 3 Characteristic coefficients of groundwater in the study area

研究區館陶組熱水的脫硫系數遠小于明化鎮組地熱水和第四系地下水，相差1～2 個數量級，說明與其他地下水相比，館陶組熱水熱儲封閉性良好，熱水還原較徹底. 而開封斷隆內館陶組熱水的脫硫系數小于1［34］，表明其環境更封閉、還原更徹底；開封-蘭考斷陷內的館陶組熱水大于1，則表明其可能受到淺表氧化作用的影響.

研究區水樣的鹽化系數與其TDS 含量呈現良好的正相關關系（圖8），即鹽化系數越高，水的TDS 越大，水的濃縮程度越高［35］. 館陶組地熱水的鹽化系數遠高于明化鎮組地熱水、第四系地下水，表明其具有較強的濃縮程度，且開封斷隆區內館陶組地熱水與開封-蘭考斷陷區相比更濃縮.

圖8 鹽化系數與TDS 關系圖Fig. 8 Relationship between salinization coefficient and TDS

4 水化學特征對成因的啟示

已有的同位素研究成果表明，研究區內地熱水起源于大氣降水，且年代久遠［36］. 區內地熱資源類型為沉積盆地傳導型，地熱水由大地熱流傳導增溫. 發育的斷裂、裂隙，特別是區域性深大斷裂，為地熱水的導熱和運移提供了有利條件. 區內發育多層熱儲，且垂向上聯系甚微，上部熱儲可作為下部熱儲層的良好蓋層.

研究區館陶組熱水賦存于砂巖孔隙中，在漫長的地質歷史時期不斷與周圍地層發生溶濾作用，屬陸相含鹽巖地層沉積型溶濾水. 館陶組地層封閉性良好，地熱水的化學特征、控制因素、特征系數等與上部明化鎮組地熱水、第四系地下水和地表水完全不同，進一步佐證了區內各層地下水間基本無水力聯系. 館陶組熱水化學特征的控制機制以蒸發濃縮作用為主導，館陶組熱水賦存環境封閉、停滯，水體還原程度高，濃縮程度大，水中聚集大量的Na+、Cl-，水化學類型總體表現為Cl-Na 型. 而開封斷隆與開封-蘭考斷陷對比，其館陶組熱儲含水層孔隙度較低、單井出水量、單位涌水量較低，其熱水的賦存環境更封閉、更停滯，熱水還原更徹底、濃縮程度更高，熱水TDS 和硬度相對更高.

5 結論

通過對濟源-開封凹陷東段的開封斷隆、開封-蘭考斷陷內館陶組熱儲層的基本特點、熱水水化學特征及形成條件進行分析研究，得出主要結論如下：

（1）研究區館陶組熱水為中性水、鹽水、極硬水，水化學類型以Cl-Na 型為主. 其中開封斷隆與開封-蘭考斷陷相較，前者館陶組熱儲層埋藏較深，厚度較大，含水層孔隙度較低，抽水降深較大，單井出水量和單位涌水量較低，出水溫度較高.

（2）研究區館陶組熱水為陸相含鹽巖地層沉積型溶濾水，賦存介質為砂巖孔隙. 區域發育的斷裂、裂隙為其提供導熱和運移的通道，在大地熱流的傳導增溫下，不斷發生溶濾作用、蒸發濃縮作用等. 同時熱儲層封閉性良好，熱水運移較停滯，使得熱水還原性徹底，濃縮程度高. 館陶組熱水與上部明化鎮組熱水、第四系地下水和地表水的水化學特征、控制因素、特征系數等完全不同，垂向間基本無水力聯系. 開封斷隆與開封-蘭考斷陷對比，其館陶組熱水的賦存環境更封閉、更停滯，熱水還原更徹底、濃縮程度更高，熱水的TDS和硬度相對更高.

（3）本文的研究分析結果指示研究區內的館陶組熱水再生能力差，屬消耗型資源，在開采過程中易出現結垢、堵塞、回灌能力衰減等問題，近年來的實際工程項目中確實已出現上述問題. 為維持地熱水的可持續開發，完成100%同層回灌，目前已采取的應對措施中最有效的是增設回灌井，但地熱開發企業的投資建造成本、運行維護成本也同步增加. 這些都對研究區館陶組地熱水的高效應用、可持續開發、吸引市場資金投入等方面造成了挑戰. 建議今后結合本文的研究成果，在地熱水開發利用中做到合理規劃、科學有序，同時加大對地熱水堵塞機理、防垢阻垢、增加熱儲層回灌能力等方面的工程技術研究，促進地熱資源經濟可持續開發.