华北地区地热资源更新能力研究

高志娟 李书恒

【摘 要】依据华北地区500到3500米深地热井中地下水的化学组分和同位素组分，对华北地区地下热水D、18O、14C、分布特征进行了测定与分析，确定地下水的补给来源是古大气降水。运用放射性同位素14C测定年龄，分析华北地区热储层年龄是比较接近的，大致在15000—30000a范围。运用稳定同位素D计算补给高程，确定华北地区地热资源更新能力，属于弱可更新或不可更新的静消耗性开采，对今后地热资源的开发利用具有一定的参考价值。

【关键词】地热水;同位素;地下水年龄;更新能力;华北地区

The Renewal Capability in Geothermal Water in North China

GAO Zhi-juan1，2 LI Shu-heng3

（1.Shijiazhuang University of Economics， Shijiazhuang Hebei 050031， China;

2. Key Lab of Sustainable Utilization and Exploitation of Water Recourses of Hebei Province， Shijiazhuang Hebei 050031， China;

3.Xilongchi Pumped-storage Power Station of Shanxi Province， Wutai Shanxi 035503， China）

【Abstract】Geothemal waters were studied using hydro-geo-chemistry and isotopic properties to determine groundwater ages and identify the recharge sources in North China. The δ18O、δD and δ14C values of geothermal waters sampled from500 to 3500 meters deep. In order to understand the host environment of the geothermal water， The research on the isotopes of D、18O、14C in geothermal water in North China show that the characteristic distributing of environmental isotopic， it shows that old atmospheric precipitation is the recharge sources. Adioactive  isotope 14C was applied to measuring the age of geothemal waters， heat reservoir age is relatively close， generally at the range of  15000—30000 meters， Calculation of recharge elevation using steady  isotope D， the ability to renewable of Geothermal resources in North China， which belongs to weak renewable or unrenewable water， exploration belongs to the static consumption of mining， it has a certain reference value for the future development and utilization of geothermal resources.

【Key words】Geothemal waters; Isotopes; Groundwater age; Renewal capability; North China

地熱作为一种可再生的清洁能源，作为替代传统能源的非常规能源受到日益关注。随着地热资源开发、利用的深入，地热资源法更新能力是备受关注的问题之一，同位素技术是目前国内外地下水年龄测定最主要的手段[1]。

华北地区属于传导性为主的大地热流作用机制下形成的以中、低温热水型为主的地热资源区[2]，然而，采用环境同位素研究该地区的资料不多，环境同位素法对认识华北地区地热资源的水文地质循环具有重要的参考意义。

1 稳定同位素特征

1.1 补给来源

图1 δD-δ18O相关图

根据华北地区地下水δD与δ18O关系曲线（图1）如图所示： ①氘、氧浓度存在良好的线性关系，斜率小于全球雨水线斜率;②地下水样点均落在全球雨水线下方，表明该区地下水主要来源于大气降水入渗补给，且在补给过程中经历了明显的蒸发过程，导致重同位素相对富集;③氚和氧浓度变化幅度不大，各取样点数据相对集中，反映各地区地下热水的补给来源一致。④明化镇组的低温热水的落点最接近大气降水线，其余点的δD值均轻化，而δ18O值均有所漂移。

华北地区地下热水的δ18O值几乎不随着埋深的增大而变化，δ18O值与井深变化不大， 随井深略有上升，δ18O的差异性反映了地下热水不同岩层中水岩作用的强弱。δ18O、δD值随着深度、温度增加是呈上升趋势。

1.2 氢氧同位素的分布特征

影响地下热水氧同位素漂移的主要影响因素有埋藏深度、温度、滞留时间、地质条件[3-4]。

图2 地下热水δ18O与深度、温度关系图

图3 地下热水δD与深度、温度关系图

地下热水的δ18O值高于当地浅层低温地下水的δ18O值。δ18O的差异性反应了地下热水水岩作用的强弱。δD值随深度、温度增加是呈上升趋势。

地下热水的δD值一般与当地浅层低温地下水的δD值相等，等于当地大气降水的年平均δD值。δD变化主要取决于地下热水接受补给时的环境温度及其补给高程。此外，混合作用亦有一定影响[3]。地下热水的δD在低温、中低温和高温地下热水中δD相对稳定。但是总体δD值随着δ18O值的增大而增加，根据Graig的观点认为地下热水在70～90℃时的蒸发作用造成上述现象。

1.3 地下热水的补给高程

按照稳定同位素的高程效应原理，华北地区地下热水的补给高程各个地区不一致，主要是外围山区对华北盆地内部的补给。

2 放射性同位素特征

14C测年方法是较传统的方法，在地下水资源研究和评价中发挥着重要作用。

华北地区地下水取样点同位素14C年龄估算，见图4。

华北地区热储年龄：明化镇组2500-29000a，馆陶组6000-24000a，基岩热储奥陶系12000-22000a，寒武系15000-22000a，蓟县系雾迷山组12000-35000a，牛驼镇地热田的基岩热水22000-34000a，总体上，华北地区地下热水的年龄是比较接近的，大致在15000—30000a范围。

图4 华北地区14C年龄分布图

3 地下热水更新能力评价

判断地下热水更新能力大小的主要依据是地下热水的循环速度或者周转时间。可以利用地下热水的循环速度或周转时间来定量地判断地下热水的可更新能力。

根据14C的年龄也可以粗略的估计出地下热水的年龄来，一般情况下：14C<10000年，为几十年的地下水，具有可更新性;10000年<14C<20000年，地下熱水介于可更新与不可更新之间，具有弱更新性;14C>20000年，地下水为古水，几乎不具有更新性[5]。根据14C的测定结果，华北地区地下热水绝大部分都为弱可更新和不可更新的古地下水。仅有个别水井接受大气降水补给显示年龄比较轻，同时热储温度较低。

4 结论

（1）研究区地下热水具有现代大气降水氢、氧稳定同位素的组成特征，华北地区地下热水起源于大气降水，地下热水位于大气降水线附近，但地热水是14C年龄逾万年的古水，其补给为古大气降水。

（2）δ18O的差异性反应了地下热水水岩作用的强弱。δD值随深度、温度增加呈上升趋势。推测深部基岩地下热水与浅层第三系地下水热水分属不同补给源，补给源温度存在差异，产生明显的混合作用，并且高温条件下产生的蒸发造成上述现象。δ18O的正向漂移主要原因是随水的运动以及温度的影响。

（3）华北地区由太行山山前、燕山山前的补给区，向盆地内部，地下热水的年龄是比较接近的，大致在15000—30000a范围。

【参考文献】

[1]钱会，马致远，李培月.水文地球化学[M].地质出版社，2012，8.

[2]姚足金.华北地热水3万年以来的古气候记录[J].中国地质大学学报，1995，20（4）：383-388.

[3]李婷，胡伟伟，马致远，豆惠萍.古气候变化与地下热水中氢氧稳定同位的关系[J].地下水，2011，33（1）：4-7.

[4]张亚鸽，马致远，胡杨.西安凹陷热储流体环境同位素研究[J].地下水，2010，32（2）：8-10.

[5]范基姣.关中盆地地下热水循环模式及可更新性研究[D].长安大学，2006.

[责任编辑：汤静]