菏澤地區鄄城地熱田地熱水化學特征及成因研究

摘要：菏澤斷裂北部鄄城地熱田地熱資源豐富，探究區域地熱成因機制對菏澤斷裂北部地區的地熱資源開發利用和經濟發展具有重要意義。本文通過對采集的樣品進行水文地球化學、氣體及其同位素測試分析，結果顯示，鄄城地熱田地熱水水化學類型主要以SO4·HCO3·ClCa·Na、SO4·HCO3Ca·Na和SO4Ca·Na型為主；鄄城地熱田呈現出從補給區的淺循環－開放式巖溶地下水流系統（Ⅰ），至徑流區的中循環—半開放式巖溶地熱水流系統（Ⅱ），再至排泄滯留區的深循環—弱開放式巖溶地熱水流系統（Ⅲ）的演化路徑。熱源以殼源為主，屬典型的中低溫傳導型地熱系統。

關鍵詞：鄄城地熱田;水化學類型;同位素化學;成熱模式；菏澤地區

中圖分類號：P314""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.03.013

0 引言

地熱是一種清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全穩定的優質可再生能源［1］。菏澤市地熱資源豐富，以往研究程度較高。馬振民［23］等利用水文地球化學方法、同位素分析方法及古水文地質條件分析方法探討了菏澤凸起地熱水成因。康鳳新［4］等對菏澤潛凸起巖溶熱儲地熱田的水文地球化學特征、同位素、地溫場、水動力場進行了系統分析，揭示了地熱水補給、徑流和富集機理。史啟朋［5］等分析了菏澤凸起地熱田巖溶地熱水的水化學演化路徑，初步揭示了地熱水循環機理。

筆者基于前人研究成果，在菏澤斷裂北部鄄城地熱田采集了地熱水及氣體樣品，對水化學組分、氫氧同位素、碳同位素、氣體組分及同位素等進行了實驗測試，結合以往收集資料和區域地質條件，分析研究了區內地熱水的成因機理。

1 研究區概況

研究區為菏澤斷裂北部鄄城地熱田，區內地熱資源豐富，主要熱儲類型為巖溶熱儲，熱儲層呈層狀，分布廣泛，為一套淺海相沉積地層，巖性以灰色、棕灰色灰巖為主，還含有少量的灰色豹皮狀灰巖、泥灰巖、白云質灰巖等，巖溶裂隙較發育，為熱儲層提供了良好的儲水空間，地熱水主要用于供暖和洗浴［5］。研究區地處華北板塊（Ⅰ）魯西隆起區（Ⅱ）魯西南潛隆起區（Ⅲ）菏澤兗州潛斷隆（Ⅳ）菏澤潛凸起（Ⅴ）構造單元內［6］。受區域構造控制，區內及附近地區斷裂大致呈網格狀分布，規模較大，多為凸起和凹陷的界限性斷裂，延伸較遠，大致可分為近EW向和近SN向兩組。近SN向斷裂主要有聊考斷裂、古城斷裂、侯集斷裂，近EW向斷裂主要有菏澤斷裂、鄆城斷裂。研究區屬華北平原地層區魯西地層分區，地層發育較為齊全，自老到新依次分布有古生代寒武奧陶系、石炭系、二疊系和新生代新近系、第四系。

研究區為巖溶裂隙型層狀熱儲，熱儲為巨厚的寒武奧陶紀碳酸鹽巖，厚度一般大于800m，富水性較好。東部熱儲蓋層主要為第四系和新近紀松散沉積物，厚度800～1100m，由東向西逐漸增大，地熱水水溫42～50℃，單井涌水量100～150m3/h；西南部熱儲蓋層主要為第四系、新近紀松散沉積物和石炭二疊紀砂巖、泥巖，厚度1000～1500m，蓋層總體上東部薄，西部厚，地熱水水溫45～57℃，單井涌水量100～240m3/h。

2 樣品采集與分析

本次共采集水質分析樣12組，氣體分析樣2組，氫氧同位素分析樣2組，碳同位素分析樣1組，取樣位置見圖1。其中常規分析和微量元素分析由山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊）實驗測試中心完成，地熱水中陰離子的測定采用離子色譜測定，陽離子的測試采用電感耦合等離子體發射光譜儀測定，微量元素的測試采用電感耦合等離子體光譜/質譜測定。

氫氧及碳同位素樣品由美國Beta實驗室測試完成，氫氧同位素采用液體激光同位素分析儀測定，水中14C采用加速質譜測定。

氣體樣品由中國科學院西北生態環境資源研究院完成。氣體組分分析采用氣體質譜儀測定。稀有氣體同位素3He、4He和20Ne的分析采用稀有氣體質譜儀測定，用3He/4He和4He/20Ne來表示。

收集氫氧同位素數據9組［24］，氣體組分及同位素數據1組［24］，碳同位素數據4組［24］。水樣數據見表1，氣體樣品數據見表2，同位素數據見表3。

3 地熱田地質特征

3.1 地溫場特征

對比研究區內ZK1地熱井測溫數據和ZK1西側的鄄城DR1地熱井測溫數據［45］（表4，圖2）。ZK1鉆孔全孔地溫梯度2.43℃/100m，蓋層平均地溫梯度2.53℃/100m；鄄城DR1地熱井全孔地溫梯度3.15℃/100m，蓋層平均地溫梯度3.6℃/100m。可以看出水平方向上，研究區總體呈現地溫梯度由東向西逐漸增高的趨勢。

垂直方向上，第四紀地層上部由于靠近地表，使得地層增溫梯度較低，下部由于黏性土層厚度較大，阻擋地下熱能散失的能力較強，成為新近系熱儲良好的蓋層。新近系成巖程度較差，地熱散失程度較差，因而地溫梯度較高，說明該層泥巖、砂巖等熱導率低的巖石，是深部地熱儲的良好蓋層。石炭二疊系成巖程度較高，熱導率、散熱率都相對較高，該層既能為上部新近系熱儲層傳導熱能，又是深部奧灰熱儲層的保溫蓋層。寒武奧陶系主要巖性為灰巖，巖石的熱導率高，因此地溫梯度低，隨著深度增加，熱儲層溫度增高的程度不大。奧陶紀灰巖巖溶、裂隙發育，透水性強，增加了地熱的傳導和熱量的散失，地溫梯度較小，是良好的深部熱儲層。

3.2 水化學特征

3.2.1 水化學類型

地下水水化學類型是了解天然水的成因條件和圈劃地下水系統、地表水系統，以及研究兩者間水力聯系的重要證據［67］。本文將采集的鄄城地熱田地熱水樣按其主要組分（表1）投影到Piper三線圖上顯示，地熱水及其補給區的巖溶地下水可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區。

第Ⅰ區為裸露型巖溶補給山區：東部梁山—嘉祥一帶，水化學類型以SO4·HCO3·ClCa·Na和HCO3·SO4·ClNa·Mg為主。

Ⅱ區為覆蓋型巖溶徑流區：巨野—鄆城一帶，水化學類型以SO4Ca·Na和SO4Ca型水為主。

Ⅲ區為深埋藏型巖溶排泄滯留區：鄄城一帶，水化學類型主要以SO4Ca·Na型水為主［5］。

鄄城地熱田巖溶熱儲地熱水從Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ區，在熱儲溫度、壓力和圍巖組分長期作用下水化學類型由SO4·HCO3·ClCa·Na型轉變為SO4Ca·Na型，礦化度增大，HCO3濃度減少；SO24、Cl濃度逐漸增大；Ca2+、Mg2+濃度逐漸增大（圖4）。

3.2.2 鈉氯系數和脫氧系數

鈉氯系數（γNa+/γCl）反映了地熱水濃縮變質程度和儲層水文地球化學環境［810］，受大氣降水淋濾作用影響的地下水γNa+/γCl一般大于1［12］。脫硫作用都是在缺氧的還原環境中進行，脫硫系數（100×γSO24/γC1）越小，反映地熱水還原環境越強，封閉性越好［710］。鄄城地熱田巖溶熱水含水巖組由海相沉積的石灰巖、白云巖組成，同一區域地熱水變質系數、脫硫系數相差不大，表明地熱水具有相似的水化學賦存環境［1314］。通過對變質系數和脫硫系數特征分析（表5），鄄城地熱田及附近巖溶熱水的變質系數2.304～2.725，脫硫系數537.246～646.176，遠大于1。表明鄄城地熱田地熱水受大氣降水淋濾作用影響大，且含水層封閉性較差，大氣降水逐漸淋濾沉積水，形成滲入起源的溶濾水。

3.2.3 同位素化學特征

（1）氫氧同位素特征。

熱水的δ18O與δD的關系可以指示熱水的來源［1011］。將地熱水樣氘氧同位素測試數據（表3）投點至δDδ18O關系圖上（圖5），可以看出，所有的數據點都落在全球大氣降水線及中國大氣降水線附近，說明地熱水起源于大氣降水。巖溶冷水數據點落在大氣降水線上，地熱井數據點均落在降水線下方，氧同位素明顯發生了向右漂移，這主要是由于水－巖之間同位素的交換作用所致，熱水在地下的滯留時間長，與圍巖作用的時間充分，從巖石中獲得的18O越多，“氧漂移”也就越明顯［12］。通過氫氧同位素計算補給高程，得到各地熱井中地熱水的補給高程為+88.48m～+116.38m（表3）。補給區高程范圍基本相當于梁山、嘉祥一帶基巖山區高程，研究區碳酸鹽巖熱儲地熱水可能來自于東北部梁山、東部嘉祥基巖山區的大氣降水入滲，經過較遠距離徑流后補給形成的。

（2）碳同位素。

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［7］。本次研究對鄄城西賈莊地熱水進行了14C測定，經校正后鄄城西賈莊的14C年齡為31.977ka。本文對實測、收集的校正后14C年齡綜合氫氧同位素進行分析，可知鄄城地熱田地熱水主要源于古代大氣降水，且巖溶水年齡自東向西年齡逐漸變大（表3），說明鄄城地熱田地熱水距補給區越遠，地熱水的循環更新能力越差，可更新能力越差。

3.3 氣體及其同位素特征

地熱氣體的研究，較之水相組分，地熱氣體的組分及其同位素具有其特殊優勢［1516］。這是因為氣體源于深部，較少受到近地表過程的影響，氣體的化學特征反映的是系統的流體相與固相間達到最終平衡時的狀態［16］。地熱氣體的地球化學和同位素特征可以用來判斷地熱流體的來源，識別殼源組分和幔源組分的比例，以及評價殼源熱量和幔源熱量對地表熱量的貢獻比例［16］。

研究區碳酸鹽巖巖溶熱儲地熱流體中氣體的化學組分如表2所示，主要氣體組分為N2、O2、CO2。地熱系統中N2的可能來源有大氣，以及沉積巖和變質巖中的有機物質發生熱解反應產生的N2［16］。本文根據N2ArHe三種組分之間的相互關系來對N2的來源進行識別［1619］。如圖6所示，鄄城地熱田地熱氣體中He組分是以地殼的起源為主導。灰巖熱儲層氣體樣品落在HeAir趨勢線和HeGroundwater趨勢線之間，且N2/Ar比值介于69～88，接近大氣的N2/Ar比值（84），表明該儲層地熱氣體中的N2組分既有淺部接受溶解大氣的流體來源，也有深循環地下水的來源，為兩者的混合來源［16］。因此，初步判定研究區灰巖熱儲層中的N2組分為大氣起源。

He同位素是識別地幔來源組分最有效的示蹤劑［16，21］。RA表示大氣的3He/4He比值，值為1.4×106［22］幔源、殼源各自有特征3He/4He值，殼源3He/4He比值為0.1～0.01RA［16，22］；上地幔來源He的3He/4He比值范圍為（8±1）RA，下地幔來源He的3He/4He比值gt;30RA［16，22］。

若流體中He的3He/4He比值gt;0.1RA，意味著含有地幔起源He組分。研究區地熱氣體中的He濃度和3He/4He比值如表3所示。通過測定氣體中Ne的濃度和4He/20Ne比值來校正3He/4He比值［1624］，校正后的3He/4He的比值即（R/RA）c為0.11～0.13RA。樣品的3He/4He比值均高于殼源3He/4He，表明樣品中的He含有地幔起源He的加入。可以據20Ne/4He3He/4He關系圖來反映地熱氣體地幔起源He所占的比例（圖7），地熱氣體幔源He占總He組分的1.13%～1.38%，說明He的來源仍以地殼來源為主。

綜上分析，鄄城地熱田呈現出從補給區的淺循環—開放式巖溶地下水流系統（Ⅰ），至徑流區的中循環—半開放式巖溶地熱水流系統（Ⅱ），再至排泄滯留區的深循環—弱開放式巖溶地熱水流系統（Ⅲ）的演化路徑。從Ⅰ區、Ⅱ區至Ⅲ區巖溶地下水化學環境逐步由開放狀態演化為較開放至弱開放狀態。

Ⅰ區巖溶地下水徑流途徑短、循環深度淺，地下水化學環境處于開放狀態，能夠接受裸露型巖溶補給及山區大氣降水入滲補給，變質程度低。Ⅱ區巖溶地下水徑流途徑較遠、循環深度較深，巖溶地下水化學環境處于半開放狀態，能夠接受Ⅰ區巖溶地下水側向徑流補給，變質程度中等。Ⅲ區巖溶地下水循環深度增加，距離補給區更遠、徑流途徑更長；受西部聊考斷裂等斷裂阻水影響，徑流運移速度滯緩，巖溶地下水逐步演化為巖溶地熱水，地熱水所處水化學環境相對較封閉，變質程度高。

4 成因模式

研究區巖溶熱儲地熱資源可以概化為由熱儲層、蓋層、通道、熱源和水源組成的地熱模型［8］（圖8）。

（1）熱儲層：研究區熱儲層主要為寒武奧陶紀灰巖，灰巖層呈層狀，分布廣泛，為一套淺海相沉積地層，灰巖熱儲巖溶裂隙較發育，為熱儲層提供了良好的儲水空間。

（2）蓋層：鄄城地熱田熱儲蓋層均為密度小、導熱性能差、熱阻大的砂巖、泥巖，為良好的熱儲保溫層。東部蓋層主要為第四系、新近系，厚度800～1100m，由東向西逐漸增大，局部超過1500m；西南部蓋層主要為第四系、新近系、石炭二疊系，厚度1000～1500m，蓋層總體上東部薄，西部厚，局部超過1500m。

（3）通道：在大氣降水補給區與巖溶熱水區之間，斷裂構造近EW和近SN交錯分布，這些斷裂形成于中生代，屬張性斷層，這種性質的斷裂，對地下水的富集、運移都是有利的，是良好的導水斷裂構造。且斷裂的破碎溝通了深部熱源的上涌和地下水的深循環，同時熱儲層灰巖較發育的裂隙和溶洞也是較好水源、熱源通道。

（4）熱源：鄄城地熱田熱源主要來自于地球內部熱能傳導，即大地熱流毯狀加熱，區域熱背景較高，大地熱流值明顯高于華北盆地的大地熱流平均值，表現在地溫場上，整體地溫梯度相對較高，表明其他附加熱源不明顯［2527］。大地熱源由兩部分構成，即地殼放射性元素產生的熱量和來自上地幔的熱［26］。由于西邊界聊考斷裂為超殼斷裂，溝通了一部分深部熱源，鄄城地熱田屬典型的中低溫傳導型地熱系統。地下水流經過長距離的水平、垂向運移，充分吸取圍巖的熱量，此時熱交換以傳導為主；在深入大斷裂附近與深部熱源溝通，此時熱交換以對流為主［27］。通過地下水的運移，對來自深部較均一的熱流在地殼淺部進行再分配，將分散在較大范圍內地殼中的熱量集中到滲透性好、熱導率高的寒武奧陶紀灰巖中，從而形成有開采價值的熱儲。

（5）水源：大氣降水是熱儲層內熱水的主要補給源，垂直入滲經深部循環補給地熱水，地熱水補給主要來自于東北部梁山、東部嘉祥山區的大氣降水入滲，受西部聊考斷裂等斷裂阻水影響，徑流運移速度滯緩，巖溶地下水逐步演化為巖溶地熱水。

5 結論

（1）鄄城地熱田地熱水水化學類型主要以SO4·HCO3·ClCa·Na、SO4·HCO3Ca·Na和SO4Ca·Na型為主。

（2）鄄城地熱田呈現出從補給區的淺循環，開放式巖溶地下水流系統（Ⅰ），至徑流區的中循環，半開放式巖溶地熱水流系統（Ⅱ），再至排泄滯留區的深循環，弱開放式巖溶地熱水流系統（Ⅲ）的演化特點。水化學類型由SO4·HCO3·ClCa·Na型轉變為SO4Ca·Na型。

（3）大氣降水是熱儲層內熱水的主要補給源，地熱水補給主要來自于東北部梁山、東部嘉祥山區的大氣降水入滲。

（4）研究區蓋層為新生代第四系和新近系、古生代二疊系和石炭系；熱儲為寒武奧陶紀灰巖，正常的大地熱流為其主要熱源，屬典型的中低溫傳導型地熱系統，大斷裂形成了地熱水與深部熱源溝通的通道。

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Study on Geothermal Chemical Characteristics and Genesis of Juancheng Geothermal Fields in Heze Area

MA Long1，2，3， JIA Chen1，2，3， ZHANG Ye1，3， WANG Huafeng1，3， ZHANG Xiaofei1，3

（1.Lunan Geo-engineering Exploration Institute （No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources）， Shandong Ji'ning 272100， China; 2.Shandong Provincial Engineering Research Center of Geothermal Energy Exploration and Development， Shandong Ji'ning 272100，China; 3.Heze Key Laboratory of Geothermal Clean Energy Exploration， Development and Utilization， Shandong Heze 274000， China）

Abstract：Juancheng geothermal field in the northern of Heze fault is rich in geothermal resources. It is of great significance to explore the formation mechanism of regional geothermal resources for the development and utilization of geothermal resources and economic development in the northern part of Heze fault. In this paper， the collected samples have been analyzed by hydrogeochemistry， gas and isotope tests. It is showed that hydrochemical types of geothermal water in Juancheng geothermal field are mainly SO4·HCO3·ClCa·Na， SO4·HCO3Ca·Na and SO4Ca·Na. Juancheng geothermal field shows the evolution path from the shallow circulationopen karst groundwater flow system （Ⅰ） in the recharge area， to the middle circulationsemiopen karst geothermal water flow system （Ⅱ） in the runoff area， and then to the deep circulationweak open karst geothermal water flow system （ Ⅲ） in the discharge retention area. The heat source is mainly shell source， which is a typical mediumlow temperature conduction geothermal system.

Key word：Juancheng geothermal field；water chemistry type；isotope chemistry；heating model；Hezhe