山东阳谷-齐河地区地下热水成因分析

山东阳谷-齐河地区地下热水成因分析

阳谷齐河突出的地热田主要包括济南北部的热田和东部的热田。这2个地热田均距区域性中心城市较近,地热资源的开发利用对促进当地的经济发展、保护环境发挥了重要作用。地热资源是十分宝贵的自然资源,是在特定的地质、构造、水文地质和水文地球化学环境条件下形成的,由于埋藏深、补给途径远、再生能力弱,其资源量是有限的。因此,揭示地下热水的补给机制(包括补给来源、补给区、补给期、补给通道、补给速率等)和形成模式具有重要的科研价值和现实意义,已成为地热研究的热点之一。在地下热水补给来源的研究中,同位素地球化学方法的应用最为广泛,常采用的同位素有δ18O、δD、3H、13C、He等。H、O同位素是研究地下热水来源及其成因的理想天然示踪剂,通过测定地下热水中的H、O同位素指标,并与全球大气降水分馏线或地方分馏线进行对比,可判别地下热水的补给来源、补给高程、补给区域等。近年来,国内对地下热水补给来源的研究很多,朱家玲等对中国地下热水的δ18O和δD研究后指出,中国地热水的主体属于大气水起源的循环水。孙占学等根据庐山温泉的H、O同位素组成,计算出该区地热水补给高度在1100m左右。朱命和等根据H、O同位素判别出开封地热田地热水的主要补给源是来自西部山区的大气降水,补给高程平均值为320.19m。马致远等通过H、O同位素组成,计算得出了西安地下热水的补给高程为2010~2812m,咸阳地下热水的补给高程为700~1023m;并根据2H过量参数d指出,与关中盆地其他地区相比,西安和咸阳的地质环境更为封闭,水岩反应也更加强烈。可见,利用环境同位素技术研究地热资源的生成和运移机理,是目前地热领域中逐渐发展起来的新技术,是深层次评价地热资源的又一创新领域。王奎峰、李常锁等利用H、O同位素资料分别研究了聊城东地热田和济南北地热田地下热水的补给来源问题,指出这2处地热田地下热水的补给来源均为大气降水。国家地震局华北地球化学背景场课题组在1989年编制完成的《华北地震水文地球化学研究》一书中指出,聊城地区聊古1孔热水和埋深大于300m的自流水的补给区为40~500m的泰鲁凸起(相对于鲁中山区)。但目前对阳谷-齐河凸起地下热水的补给范围和补给高程尚未形成明确的认识。本文从阳谷-齐河凸起地下热水及其东南部鲁中山区、山前平原地下水的H、O同位素组成和2H过量参数出发,研究其形成规律,对阳谷-齐河凸起地下热水的补给来源进行分析探讨,明确指出地下热水的补给范围和补给高程,为本区地热资源的开发管理提供依据。1地质背景条件1.1石炭系—地质构造阳谷-齐河凸起在地质构造上位于鲁中隆起区的西北边缘地带,基本构造形态为一单斜构造。西、北分别以聊城-兰考断裂和齐河-广饶断裂为界,南至省界,东部边界为东阿断裂等一系列北东向的山前断裂(图1)。中间发育有长清断裂、刘集断裂等北西向断裂。本区地层属华北地层区鲁西地层分区的一部分。本区热储层主要为奥陶系与寒武系,假整合于石炭系—二叠系含煤岩系之下,构成煤系的基底,其露头出露于黄河南岸的长清至平阴一带,形成中、低山丘陵区。本区奥陶系与寒武系伏于石炭系—二叠系和厚度较大的第四系、新近系之下。本区缺失古近系大部、中生界、下石炭统、泥盆系、志留系、上奥陶统与元古宇。聊城-兰考断裂(聊考断裂)和齐河-广饶断裂(齐广断裂)是区域分划性的断裂,为Ⅱ级构造单元的分界断裂。聊考断裂是鲁中隆起区与临清坳陷区的分划性断裂。是一条规模宏大的深大断裂,断裂两侧地壳块体断距达4~6km。断裂自中生代强烈活动以来,对西侧坳陷和东侧隆起的发育起控制作用,古近纪活动强烈,在聊城一带断距达3000~4000m;新近纪继续活动,断距达600~1200m;第四纪仍有活动显示。齐广断裂是鲁中隆起区与济阳坳陷区的分划性断裂,是一条被第四系覆盖的隐伏断裂带。东西长约300km,宽5~10km,由2~3条断裂组成,为阶梯状断裂组合带。断裂总体走向80°左右,倾向北,倾角60~80°。断裂带两侧新生代地层的分布和厚度差异较大,断裂总断距达1200~2000m。1.2热储岩性及含水层阳谷-齐河凸起地热田为岩溶裂隙型层状热储系统,热储含水层组主要为岩溶裂隙发育的奥陶系灰岩及白云岩。济北地热田盖层为第四系、新近系、古近系、二叠系和石炭系,其岩性主要为碎屑岩类。据有关钻孔揭露,热储层为奥陶系碳酸盐岩类,热储层顶板埋深为341.88~1444m(平均埋深945.18m),裂隙岩溶较发育。据齐河地热井揭露,热储岩性以厚层质纯灰岩、云斑灰岩为主,上覆盖层厚度达1306.53m。由于受济南岩体的阻挡和埋深大等因素的影响,该区地下水处于一种半封闭状态,水交替循环微弱,经深循环的地下热水在此聚集,其矿化度较高,水温度高。聊城东地热田盖层为第四系、新近系、二叠系和石炭系。顶板埋深为800~1300m,厚度800~900m。在聊城开发区的军王屯一带形成东西宽3km、南北长10km的新近系之下的奥陶系灰岩“构造天窗”,外围则被石炭系—二叠系覆盖。热储含水层以奥陶系灰岩上部的厚层结晶次生灰岩古溶蚀发育带为主,岩性为厚层灰岩及豹皮状灰岩,裂隙岩溶率为8%~15%,总厚度100m左右。奥陶系灰岩的古潜山隆起、有利的“构造天窗”、活动性聊考断裂和上覆新近系粘性土隔热保温地层的存在,构成了良好的热水富集储存构造。2水化学类型及矿化度地热田代表着一个高温条件下的化学系统,其化学特征是该系统的液体相(水、汽)与周围的固体相(围岩)之间最终达到动平衡状态的反映。本区岩溶地下热水的化学特征如下。聊城东地热田地下热水的矿化度为5252.38~5321.79mg/L;总硬度为2376.47~2406.51mg/L;热水中阳离子以Na+和Ca2+为主,含量分别为834.7~837.5mg/L和701.1~707.78mg/L,阴离子以Cl-和SO42-为主,含量分别为1617.17~1657.4mg/L和1680.2~1745.2mg/L;pH值为6.8~7.8;水化学类型属Cl·SO4—Na·Ca水。地下热水中Sr含量为15.14~16.0mg/L,偏硅酸含量为37.7~41.57mg/L,F含量为3.9~4.0mg/L,Li含量为0.942~1.43mg/L,Sr、F达到命名矿水的浓度,Li、偏硼酸达到矿水的浓度,可命名为F·Sr型医疗热矿水。济北地热田齐河地热井热水的矿化度为3.424g/L,孔口水温57℃。地下热水的水化学类型以SO4-Ca水为主。Sr含量为11.62mg/L,偏硅酸含量为27.30mg/L,F含量为3.5mg/L,偏硼酸含量为3.30mg/L,可命名为F·Sr型医疗热矿水,偏硅酸含量达到矿水的浓度,偏硼酸浓度达到有医疗价值的浓度。3地下热水和东南地下淡水的h和o属性在研究区及其周边,前人积累了较多的地下热水和地下冷水的H、O同位素资料。3.1在其他地段的d和18o值分布由表1、图2可以看出,阳谷-齐河凸起东南部地下冷水的δD值为-55.7‰~-75.1‰,δ18O值为-7.4‰~-10.1‰。除泰山南天门冷泉的δD和δ18O值偏低(分别为-75.1‰和-10.1‰)外,其他地段冷水的δD和δ18O值波动范围不大,分别为-55.7‰~-66.5‰和-7.4‰~-9.3‰,在H、O同位素关系(图2)图上均落于Ⅰ域,分布于全球雨水线和当地雨水线附近,说明其补给均直接或间接来源于当地大气降水的就近入渗补给。泰山南天门冷泉的δD和δ18O值偏低,是因为该冷泉海拔较高,比周边冷水井海拔要高1200~1400m,海拔高度效应造成了δD和δ18O值偏低。3.2地下热水对地层水岩的影响由表1、图2可以看出,阳谷-齐河凸起地下热水的δD值为-65‰~-80.67‰,δ18O值为-9.2‰~-10.2‰,较东南部地下冷水的δD和δ18O值明显偏低,在图2上均落于Ⅱ域,说明地下热水不是直接来源于当地大气降水的就近入渗补给。而聊城东地热田地下热水的δD和δ18O值(在图2上落于Ⅱ-2域)又较济南北地热田(在图2上落于Ⅱ-1域)偏低,这主要是18O漂移的结果。为说明这一现象,引入定义为d=δD-8δ18O的2H过量参数d,可以作为水岩反应中18O同位素交换程度的衡量指标。d值越小,表明地下热水补给路径越长,径流时间越长,地质环境越封闭,水岩反应也更加强烈。由表2可以看出,聊城东地热田地下热水的d值明显低于济南北地热田。说明聊城东地热田地下热水补给路径更长,径流时间越长,地质环境越封闭,水岩反应也更加强烈。4地下热水的补充分析4.1地下热水的补给区d由图2可以看出,阳谷-齐河凸起地下热水的δD为-65‰~-80.67‰,δ18O为-9.2‰~-10.2‰,均分布在全球雨水线和当地雨水线的附近,说明该区地下热水主要为大气降水成因,是通过深循环在地温作用下加热形成的。按照H、O稳定同位素的高程效应原理,δD和δ18O随地下水补给高程的增大而减小。据此可以确定地热水的补给区和补给高度。式中:H—地热水补给区高程,m;Hr—地热水水样点的地面高程,m;D—补给水的δD值,‰;Dr—地热水的δD值,‰;gradD—随高程的递减梯度,‰/100m。可以根据泰山南天门冷泉水和泰山山脚下的泰安林科所、泰安食品厂浅层地下水的δD值求取gradD,泰安林科所和食品厂浅层地下水的δD均值为-60.2‰,与泰山南天门冷泉水的高程差为1200m,δD值差为-14.9‰。经计算,区域大气降水的gradD为-1.24‰/100m。济南北地热田地下热水的δD均值为-69.7‰,Ⅱ-1域地下热水和当地雨水线交点(图2中B点)的δD值为-72.5‰,该值可以认为是济南北地热田地下热水的原始补给降水的δD值,地下热水水样点的平均地面高程为30m,根据区域大气降水的gradD值求得济南北地热田地下热水的补给高程为256m。此范围大致相当于济南南部山区及其以南的泰山北麓,补给区距济南北地热田相对较近。聊城东地热田地下热水的δD均值为-76.74‰,Ⅱ-2域地下热水和当地雨水线交点(图2中C点)的δD值为-81.4‰,地下热水水样点的平均地面高程为35m,根据gradD值求得该地热田地下热水的补给高程为411m。此范围大致相当于泰山山脉及其周边的中山区,补给区距聊城东地热田相对较远。聊城东地热田地下热水的2H过量参数d明显低于济南北地热田,也说明其地下热水18O漂移比后者更明显,地下热水补给路径更长,径流时间越长,地质环境越封闭,水岩反应更加强烈。由图2可以看出,泰山南天门冷泉水(20号点)落于图2中的Ⅱ域,也说明泰山地区为阳谷-齐河凸起地下热水的补给区。根据以上分析,东南部地下冷水来源于当地大气降水的就近入渗补给;而阳谷-齐河凸起地下热水则是其东南部海拔256~411m以上的泰山山脉及其周边山区的大气降水入渗经过较远距离径流后补给形成的。4.2深循环的深循环根据上述地下热水补给来源和补给区域的分析,可以基本确定阳谷-齐河凸起地下热水的补给模式。济南南部山区补给区降水入渗转化成地下水,大部分水量受济南岩体和石炭系、二叠系的阻挡,以冷水泉的形式出露排泄,另一小部分地下水则继续沿岩体底部和灰岩倾向向北部地下深处进行深循环,在深循环的过程中经围岩地温加热后,在静水压力的作用下,在济南北部隐伏区沿构造通道和岩层裂隙上升至浅部,沿途在断裂构造带与围岩发生水-岩反应,溶解了大量元素成分,形成地下热水(图3)。聊城东部地热田在阳谷凸起及其中的断裂构造中呈层状兼带状分布,受聊考断裂等凸起边缘断裂构造的控制。深部热源沿聊考断裂等凸起边界深大断裂传导,东部鲁中山区的大气降水经过长途径流,在聊考断裂带通过深循环被对流加热,沿途和在聊考断裂带与围岩发生水-岩反应,溶解了大量元素成分,形成地下热水(图4)。5地下水热水的补给和排放系统(1)阳谷-齐河凸起地热田为岩溶裂隙型层状热储系统,热储含水层组主要为岩