魯北平原陽信地區地熱田地熱地質特征及地熱流體化學特征

王琪 秦宇 尹俊凱 李友 遲鵬 胥文軍

收稿日期：20240227；修訂日期：20240311；編輯：曹麗麗

基金項目：山東省自然資源廳，山東省陽信縣東部地區地熱資源調查項目，項目編號：魯勘字〔2020〕41號；山東省煤田地質局，惠民地熱田館陶組砂巖熱儲優質地熱水富集機理研究，項目編號：魯煤地科字〔2023〕6號

作者簡介：王琪（1989—），男，山東泰安人，工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質研究工作;Email：783172174@qq.com

*通訊作者：秦宇（1988—），男，陜西西安人，講師，主要從事沉積大地構造、構造地質學研究工作；Email：qwizardy@163.com

摘要：山東省濱州市陽信地區在大地構造單元上位于惠民潛凹陷，北部邊緣為無棣潛凸起，東部邊緣為沾化潛凹陷，區內以沉降構造運動為主，形成巨厚的古近系、新近系和第四系沉積物地層，創造了地熱資源形成的有利條件。陽信地區施工鉆孔6眼，均揭露館陶組熱礦水，水溫48～53℃，屬于溫熱水型地熱資源。地熱流體化學研究顯示，陽信地區地熱流體為咸水，水化學類型為ClNa型，地熱水中偏硅酸、鍶、鋰達到有醫療價值濃度標準，可用作理療礦泉水。各樣點的NaKMg組離子分析顯示，地熱水屬部分平衡水，溶解作用仍在進行。地熱水同位素δ18O和δ2H接近大氣降水線，表明區內地熱水起源于大氣降水。SiO2溫標對熱儲溫度估算結果表明，T石英=53.22～66.66℃，平均地溫梯度為3.50℃/100 m，估算熱循環深度為1 146～1 530 m。

關鍵詞：地熱地質特征；地熱流體化學特征；熱儲溫度；陽信地區；魯北平原

中圖分類號：P641.1??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.001

引文格式：王琪，秦宇，尹俊凱，等.魯北平原陽信地區地熱田地熱地質特征及地熱流體化學特征［J］.山東國土資源，2024，40（6）：110.WANG Qi， QIN Yu， YIN Junkai， et al. Geothermal Geological Characteristics and Geothermal Fluid Chemical Characteristics of Geothermal Fields in Yangxin Area in Lubei Plain［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：110.

0? 引言

地熱資源作為集熱能、水資源為一體的可再生新能源和清潔能源，近年來在世界各地得到廣泛應用［13］。魯北平原坐落于渤海灣盆地西南部，隸屬華北平原，是中—新生代斷陷盆地，地熱資源豐富，為典型的沉積盆地型砂巖孔隙熱儲［45］。魯北平原地熱資源開發最早始于20世紀70年代，水溫最高可達98℃。

陽信地區是山東魯北平原地熱田的一部分，屬于地熱儲形成條件較好的地區，區內地熱勘查、開發始于2005年，結合開發成本和技術難度，新近紀館陶組熱儲為區內最具經濟開采價值的熱儲［67］。隨著時間的推移，人類工程活動越來越頻繁，區內地熱資源被廣泛開發利用，地質環境也發生了較大的變化，以前的動態數據在時效性上大不如前，已不能正確反映當前的實際情況。本次在分析總結前人研究的基礎上，通過在研究區實施地熱調查、物探、鉆探工作的基礎上，研究地溫場、水化學場變化規律，查明陽信地區地熱地質條件和地熱水化學特征，為本區地熱資源開發利用和科研提供依據。

1? 區域地熱地質背景

濱州市陽信縣地處山東省北部，地理位置優越，蘊藏有豐富的地熱資源。在大地構造上主體位于惠民潛凹陷，北部邊緣為無棣潛凸起，東部邊緣為沾化潛凹陷?；菝駶摂嘞萏幱跐栛晗葜胁?，為中新生代以來的斷陷盆地。區內地熱水形成受地殼深部的地幔結構、巖漿活動和地殼淺部地質構造、地層巖性、地下水活動等影響，與蓋層、熱儲空間、熱源和熱水補給源等因素密切相關［812］。新近紀館陶組熱儲蓋層為平原組和明化鎮組組成的松軟層。館陶組砂巖、砂礫巖富水性強，具備較好的儲集空間，構成了區內館陶組孔隙—裂隙層狀熱儲層［13］。

山東省大地熱流值由西往東逐漸升高，表現出東高西低的分布規律。華北地區平均值為47.155mW/m2［14］，研究區所在地大地熱流值60～70mW/m2，高于華北地區平均值。區域熱儲以砂巖為主，上覆較厚蓋層，屬于中低溫傳導性地熱系統［4］。

2? 地熱地質地球物理特征

2.1? 地質特征

2.1.1? 蓋層及熱儲層特征

陽信地區全區被第四系覆蓋，新近紀館陶組上覆平原組和明化鎮組的黏性土與砂性土組成的松軟層［15］，沉積厚度在900～1 100 m左右，其巖性多為黏性土，結構致密，富水性差，巖性熱導率低，屬隔水層和隔熱層，能夠儲存熱能，為該區地熱成礦提供了重要的蓋層條件。新近紀館陶組的砂礫巖層為本區可供開發利用的最佳熱儲目的層，該套地層巖性砂礫成分高，孔隙度高，含水性好，易形成良好的孔隙裂隙層狀熱儲。

結合前人研究和本次調查成果，陽信地區館陶組頂面埋深比較平緩，頂板埋深在940～1 096 m，底板埋深1 200～1 400 m（圖1），研究區西南部附近最深，大于1 300 m，地層厚度大于300 m，東部、東北部淺，小于1 200 m，地層厚約200 m。2.1.2? 構造特征

陽信地區主控斷裂齊河廣饒斷裂和埕子口斷裂，主體位于華北板塊、華北坳陷區、濟陽坳陷區，惠民潛斷陷的次級構造單元惠民潛凹陷，另外，研究區北部邊緣位于無棣潛斷隆的次級構造單元無棣潛凸起；東部邊緣位于沾化潛斷陷的次級構造單元沾化潛凹陷。

區內斷裂構成了區域地層的構造骨架和基本輪廓，自中生代特別是喜山運動以來，該地區構造運動一直以沉降為主，接受大量新生界沉積物，形成了巨厚的古近紀、新近紀和第四紀地層，為該區地熱資源形成創造了條件［14］。

2.2? 地球物理特征

2.2.1? 重力場及航空磁場特征

研究區重力值（14～8）×105m/s2，布格重力等值線與基底構造輪廓一致。陽信地區莫霍面總體起伏不大，從南部惠民潛凹陷向北部無棣潛凸起逐漸變大，深度在31～36 km。

磁場介于50～400 nT，居里面深度介于28～31 km，居里深度總體淺于莫霍面，區域居里面由凹陷區向隆起區逐漸變淺，至北部無棣潛凸起最淺至28 km，表明深部熱流向淺表的散發距離較短，有利于區域地熱資源的勘探研究和開發利用。

2.2.2? AMT測量異常特征

本次研究布設4條AMT測線，共3條近SN向1條近EW向測線（圖2—圖5），L1—L3線為平行的近SN向測線，L4為近EW向測線。結果顯示，0～300 m以淺，電阻率相對較低，為第四紀平原組地層的粉砂、細砂及黏土引起的電性反映；200～1 000 m，電阻率整體隨深度增加而升高，為明化鎮組泥巖；1 000～1 400m，電阻率表現為相對高阻，為明化鎮組下部半膠結狀砂巖；1 100～1 600 m，電阻率表現為相對中高阻，為館陶組砂巖；埋深1400m以深，電阻率表現為相對低阻，推斷為東營組泥巖、砂質泥巖。探測結果與實際鉆探相符，館陶組中、上部泥巖較發育，下部砂巖較發育。

2.3? 地溫場特征

陽信地區現有6眼地熱井（表1），取水層段均為館陶組，采用水泵長時間抽水（＞48h），測量井口水溫顯示井口水溫48～53℃。對陽信地區現有機民井進行地溫場測量55次，從井深大于30 m的11眼機民井測溫曲線圖（表2，圖6、圖7）可以看出，變溫帶、恒溫帶、增溫帶變化規律明顯，恒溫帶深度為20 m左右，20 m以下為增溫帶，出現地溫持續升高現象，地層深度20 m處平均地溫為14℃。

通過本次山東省陽信縣東部地區地熱資源調查勘查井（DR1井）測溫曲線圖（圖8）可以看出：自恒溫帶以下，地溫呈現持續升高趨勢，至約240 m處，地溫發生一次明顯波動，為進入明化鎮組熱儲含水層引起的溫度陡增，之后隨著深度的進一步增加，地溫升溫幅度較明顯，曲線總體可以反映出區內地溫場特征。

由于陽信縣地熱井主要集中在城區附近（4眼），為全面查清研究區地溫場特征，本次利用陽信及周邊地區7眼地熱井井口水溫、井深及恒溫帶深度，計算區域地溫梯度為2.93～3.70 ℃/100m，由南向北地溫梯度逐漸升高（圖6），全區均顯示地熱異常。

3? 地熱流體化學特征

3.1? 水化學成分特征

對陽信地區4眼地熱井進行了取樣分析（表3，圖6），根據水質分析結果，地熱水礦化度6 476.37～13 975.68 mg/L，總硬度534.20～1 448.26 mg/L，pH為7.20～8.00，水中陰離子以Cl為主，含量2 734～8 009 mg/L，毫摩百分數71.42%～93.86%，其次為SO24，含量596～1 368mg/L，毫摩百分數5.16%～25.07%；陽離子以Na+為主，含量2 117～4 715mg/L，毫摩百分數85.94%～89.65%（表3）。TDS值在6 477.64～13 997.45mg/L，屬于咸水—鹽水［16］。SiO2含量15.11～21.77 mg/L，偏硅酸含量為19.64～28.30 mg/L，Sr含量4.65～42.7 mg/L，Li含量0.42～1.55 mg/L，可作為理療礦泉水［17］。同時，水中的鐵、錳、氯化物、硫酸鹽、TDS等含量超過了《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006），說明該區域館陶組地熱水不能作為生活飲用水。

3.2? 水化學類型

利用AquaChem制作地熱流體水化學Piper圖（圖9），可以看出，各個樣品的投影點非常集中，說明地熱水具有同源性，來自同一循環通道［1819］。按舒氏分類法，本區地熱水的水化學類型均為ClNa型。地熱流體所處水文地球化學環境越封閉，溶解的氯離子和鈉離子就越多［2021］，因此可以認為陽信地區館陶組地熱水所處水文地質環境相對封閉。同時由于Cl是一種較難從地下水中沉淀析出的保守離子［2223］，因此可根據其含量的不同初步推斷地熱水演化路徑。區域Cl、Na+含量說明陽信地區館陶組地熱水的部分來源為經過了較強的蒸發濃縮作用的同生水。

3.3? 水巖平衡狀態分析

NaKMg三角圖是Giggenbach提出用于區分地下熱水的一種圖解方法，能直觀地反應地下熱礦水的水—巖平衡狀態［2427］。

NaKMg三角圖（圖10）顯示，4個樣品均落在部分平衡區，說明地熱田內的地熱流體尚未達到水—巖平衡狀態，可能是深部地熱流體中Na+、K+達到了平衡狀態，在向上徑流過程中混進了非平衡的冷水。4個樣點均位于鎂離子的右下角頂點附近說明地熱流體處于水—巖作用的初級階段［28］。由于陽信地區地熱流體未達到平衡狀態，因此陽離子（Na+、K+）地熱溫標不適宜用來估算研究區的熱儲溫度，估算熱儲溫度可以用SiO2溫標法［29］。

3.4? 同位素特征

根據前人研究成果，大氣降水中的δ18O與δ2H的含量存在著特定的關系［3032］。結合全球大氣降水線（δ2H=8δ18O+10）和中國現代大氣降水線（δ2H=7.9δ18O+8.2）（圖11），利用δ2Hδ18O關系直線及測定的地下水的δ2H和δ18O（表4），可判定被測定的水是否來源于大氣降水及館陶組熱儲地熱水成因。

由圖11可見，研究區地熱流體中的δ2H和δ18O關系點稍位于中國現代大氣降水線之下，說明區內地熱水起源于大氣降水，同時在漫長的地質年代中，受到了下部地層中蒸汽的稀釋作用。同時相對于大氣降水，地熱水又發生了一定的氧漂移，本文認為其是在經歷了相當長時期的雨水沉降的深循環過程后，在地溫及地熱氣作用下被加熱形成的，表明陽信地區地熱水所處環境封閉，滯留時間較長。

3.5? 熱儲溫度估算

根據前人研究成果，熱儲溫度計算通?？梢圆捎檬貥藷o蒸汽損失（0～250℃）、玉髓溫標無蒸汽損失（0～250℃）、α方石英等方式計算［3334］。其中石英溫標無蒸汽損失要求熱水中的二氧化硅是由熱水溶解石英形成，且熱水到達取樣點（泉口或井口）時沒有沸騰；玉髓溫標無蒸汽損失要求熱水中的二氧化硅是由熱水溶解玉髓形成，且熱水到達取樣點（泉口或井口）時沒有發生蒸汽損失；α方石英要求熱水中的二氧化硅是由熱水溶解α方石英形成。根據適用條件，研究區地熱水適用于石英溫標無蒸汽損失溫標進行熱儲溫度估算（表5）。

從表5計算結果可知，估算結果T石英為53.22～66.66℃，T玉髓為97.71～115.26℃，T方石英為4.57～17.37℃。α方石英溫標估算結果明顯低于井口水溫，此溫標不適用于陽信地區，玉髓溫標估算結果高于井口水溫過大，亦不適用于溫度估算；石英溫標估算結果與井口水溫較為接近，因此石英溫標作為估算溫度最為合適。

3.6? 循環深度

陽信地區具有相對較高的地熱異常背景，其大地熱流值（60～70mW/m2）高于華北地區平均大地熱流值（47.155 mW/m2）。由此推斷，陽信地區的主要熱源是天然地熱增溫。根據地溫梯度推算地下熱水的循環深度，公式如式（1）：

H=（T熱儲-T0）/G+h（1）

式中：T熱儲根據前述計算選擇石英溫標估算結果：T熱儲=T石英=53.22～66.66℃；T0取當地多年平均氣溫13.8℃（資料收集）；G為地溫梯度，取當地平均地溫梯度3.5℃/100m（本次調查成果）；h恒溫帶深度取20m（本次調查成果）。

通過式（1）估算得出陽信地區館陶組地熱流體循環深度為1 146～1 530 m。

4? 結論

（1）陽信地區主控斷裂齊河廣饒斷裂和埕子口斷裂，主體位于惠民潛凹陷，北部邊緣為無棣潛凸起，東部邊緣為沾化潛凹陷，區內的構造運動以沉降為主，形成巨厚的新生代沉積物，區域大地熱流值屬于中低溫傳導性地熱系統。

（2）陽信地區館陶組熱儲層頂面埋深在940～1096m，底板埋深1200～1400m，地層厚度一般在242～345m。熱儲砂巖一般為120～218m，占地層厚度的30%～80%，單層厚度平均為0.45～36.05m，為良好的地熱儲層。當地平均地溫梯度3.5℃/100m，恒溫帶深度取20m。

（3）陽信地區地熱流體為咸水—鹽水，水化學類型為ClNa型。館陶組地熱水所處水文地質環境相對封閉，偏硅酸、Sr、Li含量達到理療礦泉水標準，但水中的鐵、錳、氯化物、硫酸鹽、TDS等含量過高，館陶組地熱水不能作為生活飲用水。

（4）研究區地熱田地熱流體處于水—巖作用的初級階段，熱儲溫度T=53.22～66.66℃，熱流的循環深度為1146～1530m。

（5）陽信地區地熱水所處環境封閉，無現代大氣降水補給，交換更替能力較差，賦存環境較封閉，其水化學及同位素特征具有沉積水特征。

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Geothermal Geological Characteristics and Geothermal Fluid Chemical Characteristics of Geothermal Fields in Yangxin Area in Lubei Plain

WANG Qi1， QIN Yu2， 3，4， YIN Junkai1， LI? You1， CHI Peng1， XU Wenjun1

（1. No.3 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geological Bureau，Shandong Tai'an 271000， China; 2. Department of Geology of Northwestern University， Shanxi Xi'an 710069， China; 3. Petroleum Engineering and Environmental Engineering College of Yan'an University， Shanxi Yan'an 716000， China; 4. Yan'an High Efficiency Pipeline Transportation and Flow Guarantee Engineering Technology Research Center， Shanxi Yan'an 716000， China）

Abstract： Yangxin area in Shandong province is located in Huimin depression on the tectonic unit. Its northern edge is Wudi depression and the eastern edge is Zhanhua depression. The area is mainly characterized by subsidence tectonic movement， thick sedimentary strata of Paleogene， Neogene and Quaternary have been formed， and favorable conditions for the formation of geothermal resources have been created. 6 construction boreholes have been drilled in Yangxin area， and all revealled hot mineral water of Guantao formation. The water temperature is 48～53 ℃， which belongs to warm water type geothermal resource. As showed by geothermal fluid chemistry， geothermal fluid in Yangxin area is saline water. Hydrochemical type is Cl? Na type. The concentration standards of metasilicic acid， strontium， and lithium in geothermal water can reach medical value. It can be used as therapeutic mineral water. Analysis of Na? K? Mg ions at various points shows that geothermal water belongs to partially equilibrium water， and dissolution is still ongoing. Geothermal isotopes of δ 18O and δ 2H are close to the atmospheric precipitation line. It is indicated that hot water in the area originates from atmospheric precipitation. The estimation results of SiO2 temperature scale for thermal storage temperature indicate that the temperature of quartz is 53.22～66.66 ℃， the average geothermal gradient is 3.50 ℃/100m， and the estimated depth of thermal cycle is 1146～1530 m.

Key words： Geothermal and geological characteristics; chemical characteristics of geothermal fluids; reservoir temperature; Yangxin area; Lubei plain