河南平顶山市北部寒武系热储层水的同位素组成及其地质意义

刘国营 ，韩长寿

（1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南 郑州 450016；2.河南省有色金属地质矿产局第四地质大队，河南 郑州 450016）

0 引言

随着我国大气污染防治工作力度的不断加强，清洁能源的利用越来赿受到重视。平顶山市为减少燃煤利用，制订了绿色矿业城市发展规划，将地热开发利用列为规划的重要内容，为此，在平顶山市区以北基本沿李口向斜轴向设置了平顶山北地热开发示范区，该示范区中心坐标约为：北纬33°53′，东径 113°18′。

平顶山地区以往地质工作以煤为主，煤勘查钻孔揭露地层一般只到寒武系上部，对埋深更大的寒武系中、下部岩层含水情况了解较少。平顶山市域地热梯度2.6～3.2 ℃/100m，地热流值在河南省最高，如果寒武系灰岩层含水丰富，区内就有开发岩溶地热资源的基础地质条件。

为了解区内寒武系地层的含水和热储情况，2019—2020年由河南省有色金属地质矿产局设计并施工了的区内的首井PBR01井，该井位于平顶山市郏县堂街镇。PBR01井在寒武系张夏组—馒头组地层中发现了良好的热储层，获得了具有开发利用价值的地热水资源。

经对水的C、H、O同位素测定，获得了第一批地下水的有关参数数据。通过研究，初步认识了区内寒武系地下水的补给途径、循环方式、更新速率等特征，这在开发利用过程中，对确定地热井的密度和开采量具有重要参考作用。

1 研究区地质概况

1.1 基本地质特征

研究区大地构造位置处在华北地台南部，区内基本为新生界覆盖区，基岩地层自老到新主要有：新元古界震旦系东坡组砂岩、泥岩；下古生界寒武系下统辛集组、朱砂洞组、中统馒头组、张夏组，上统崮山组，主要岩性为灰岩、白云质灰岩夹砂岩、泥岩；上古生界石炭系本溪组、太原组，岩性为铁质粘土岩、铝土矿层、铝质粘土岩，灰岩夹砂岩、泥岩含煤层；上古生界二叠系山西组、石盒子组和石千峰组，为一套含煤岩系，以砂岩、泥岩为主，夹多层煤。

区内褶皱、断裂构造都较发育，褶皱构造轴向总体呈北西向，李口向斜轴部从平顶山北地热示范区西南角通过，以东还发育有多个向斜、背斜构造。断裂构造主要分为北西向和北东向两组，规范较大者多为正断层（图1）。区内未见岩浆岩分布。

图1 平顶山北地热示范区地质简图（据区域资料及自测修编）

1.2 含水层特征

研究区处在伏牛山东北部余脉与黄淮海平原的接壤部位，区内大部为平原，海拔+100 m左右，局部为丘崚，地势总体呈西北高，东南低。新生界覆盖层的厚度200～2000 m，自东南向西北逐渐变厚。

区内水系属淮河流域北汝河水系，北汝河在本区以北自西向东流过，地下潜水由西北向东南渗流，地下水具有丰富的补给源。从所处构造位置看，该区处于李口向斜的轴部，两翼地下水均向轴部集中，区内地下水所受压力较大，基本为承压水。

区内的基岩含水层主要有二叠系石千峰组，该含水层主要由多层中—富含水性的中—粗粒石英砂岩、长石石英砂岩组成，单分层含水层厚度7.3～71.6 m，总厚度242.5 m，水的类型为空隙裂隙水。二叠系太原组含水层，由三层中—富含水性的灰岩组成，单分层厚度4.25～41.1 m，总厚度51.2 m，水的类型为岩溶裂隙水。寒武系含水层由数层中—富含水性的灰岩、白云质灰岩组成，单分层厚度2.45～57.7 m，总厚度201.95 m，岩石总孔隙率1.84%，水的类型为岩溶裂隙水。

区内隔水层主要为各地层中的泥岩、泥质砂岩及页岩，单层厚度数十至上百余米

2 水的同位素组成

2.1 水样采集与检测

PBR01井评价的主要含水层为寒武系和二叠系，抽水试验过程中对二叠系石千峰组以下基岩各含水层混合水和寒武系各分含水层混合水分别进行了抽水试验，并各取了一批水样，每批次6件，分别检测了不同的项目。SY1为基岩各含水层混合水，SY2寒武系各分含水层混合水。

水样由中国地质科学院水文地质环境地质研究所检测，δ18O和δD的检测依据为JCZX–BZ-002-2015，检测仪器为L2130i型水同位素分析仪，测试环境为：温度24 ℃，湿度40%；T的检测依据为DZ/T 0064.1-0064.80-1993（中华人民共和国地质矿产部，1993），检测仪器为Quantulus1220型超低本底液体闪烁谱仪，测试环境为：温度20 ℃，湿度45%；14C 的检测依据为DZ/T 0184.9-1997（中华人民共和国地质矿产部，1997），检测仪器为PE1220QUANTULUS型超低本底液体闪烁谱仪，测试环境为：温度21 ℃，湿度 40%。

2.2 检测结果

区内水样的检测项目及结果见表1。由于SY1为不同含水层的混合水，其检测结果对于讨论地质问题意义不大，为作比较也一并列出，但本文主要是对SY2的结果进行研究分析。

表1 地下水同位素检测结果表

3 同位素组成的地质意义

稳定同位素18O和D，放射性同位素T和14C都早已被作为示踪剂用来研究地下水的水文地质特征（余梦明和潘红忠，2010；曹玉兰和黄裕乾，2011；董玉兴等，2013；郑扬帆，2016），它可以确定地下水的来源与补给途径、水的置换速率、水的年龄等。平顶山北地热示范区主要热储层为寒武系碳酸盐岩层，热储层类型为岩溶裂隙型。本文根据寒武系混合水的同位素检测结果，对该层地下水所反映的地质意义进行讨论。

3.1 水的来源

从水样的δ18O 和δD 组成看（图2），其基本分布的世界平均大气降水线上，这说明地下水的来源为大气降水。大气降水渗流到地下后，有时会与所流经地层的岩石发生18O同位素的交换，因岩石中缺少氢而δD值一般稳定。寒武系含水层岩石主要为灰岩、白云岩，碳酸盐岩是在海水中形成化学沉积岩，而海水的δ18O约为0（刘顺峰，2016），因此在海水中沉积形成的碳酸盐岩富含18O。如果大气降水与碳酸盐岩发生同位素平衡交换，地下水会发生18O飘移，即在δD和δ18O组成图上，样品落点会分布在一个水平范围较宽，上下范围较窄且向右离开大气降水线的区域内，这种现象在沉积岩中大气降水形成的热液矿床中普遍存在（张理刚，1985）。在图2中，样品落点就基本位于大气降水上，样品并没有出现18O 飘移现象，说明大气降水与岩石之间没有发生明显的18O同位素交换，地下水基本保持了大气降水的δ18O和δD值（王月和薛传东，2008）。

图2 平顶山市北部地区地下水的δ18O和δD组成

3.2 水中氚（T）浓度的指示意义

T有天然和人工两种来源，前者是由宇宙射线轰击大气层中的氮原子形成，后者是由人类在大气层进行聚变核爆炸和各种核聚变反应堆运行所产生。在人类没有进行核聚变爆炸前，地球上大气降水和地表水中T浓度仅受天然源影响，有资料表明，核试验前天然淡水的T浓度为0.2～0.9 Bq/L（1 T.U=0.119 Bq/L），平均值为0.4 Bq/L（程荣林和任天山，1992）。1952年美国进行人类首次氢弹爆炸后，环境中T浓度升高致使地表水的T浓度也逐步升高，上世纪70年代基本达到峰值，禁止核试验后虽有所降低，但核电站等各种聚变反应堆的不断建设和运行，仍有人工源T不断释放到大气中。目前，北半球地表水T浓度平均达到8 T.U以上，我国还缺乏这方面较系统、详细的数据。据任天山等人资料，1992年在河南省内采集的15个江、河水样品T活度浓度值为2.3～5.55 Bq/L，平均值为4.27 Bq/L（任天山等，2005），相当 35.58 T.U。

当有了人工T后，地表水会接受人工T而使总体浓度升高。由于T是放射性同位素，其半衰期为12.26年，通过测定地下水中T浓度水平就可以估计水的短期年龄。区内水样T浓度检测的结果为＜1 T.U，以上述河南省现代地表水T浓度35.58 T.U为参考，被人工T影响的地表水通过孔隙或裂隙渗流到地下并与较老的地下水混合，混合后的浓度要达到1 T.U以下，至少要经历约5个半衰期，时间约61年。

一般地，有降水就会有部分水渗入地下对地下水进行补充分，这必然造成地下水T浓度不同程度的升高。寒武系地下水T浓度小于1 T.U可能有两种原因，一是该层水绝大部来源于1952年前的大气降水，即使有现代水进入至该含水层的量也很少，以致被含T已经衰变水的稀释，混合水的T浓度达到了稳态水平；二是即便有1952年后以后的大气降水进入该含水层，时间也超过了60年。无论哪个原因，都表明寒武系含水层的水在地下埋藏时间很久，循环较慢。

另外，如表2 所示，根据以往郏县姚庄煤普查ZK1608 钻孔从二叠系石千峰组含水层所取水样的水质分析结果与本次工作在寒武系含水层取水样的部分元素检测结果对比看，寒武系水的F、Sr含量是二叠系石千峰组水的5倍以上，Ca、Mg 含量也明显较高。如果两层水连通较好，其水质应相近，水质的明显差异，反映出两个含水层之间水力联系不大，这也印证了上述分析T同位素地质意义的观点。

表2 水质化学成分对照表 ρ(B)/mg·L-1

3.3 地下水的年龄意义

现在无法知道到底有多少现代水进入到不同的含水层，从其水T浓度小于1 T.U的结果看，其中最年轻水的年龄超过了60年。由于地下水是不同年份降水的混合水，水样的14C年龄应是混合后水的平均年龄，寒武系水样的14C检测结果表明，寒武系地下水的14C年龄值为（29.24±1.88）ka，这时间处在第四系更新世的末期。这么老的地下水一直埋藏在深处，基本处在一个封闭状态中，被后期新水置换的速度也就极慢。这表明寒武系及二叠系地下水虽来自大气降水，但大气降水却不是在短期内通过直接途径对其进行补给的，可能是大气降水形成的地表水由浅及深分级次对地下各含水层进行补给。

这种情况在区内地热开发时应予以重视，对一个较封闭的含水层中的地热水资源开发时要充分考虑其补给速度慢这一因素，从而合理设计水井密度和取水量。若过多的布置取水井，取水速度大于补给速度会很快造成出水量下降，甚至造成地热井的废置。

寒武系含水层总厚度201.95 m，总孔隙率为1.84%，按此估算，区内每平方千米的静水储量为371.588万吨。如果按单井每小时取水50吨，每个供暖周期为120天，回灌率为50%，单井每年净取水量为7.2万吨，如地下水采出率按70%计，每平方千米单井服务年限约为36年。因区内目前尚无回灌率的实测数据，勘查后如回灌率不及50%，实际服务年限还要减少。因此，要按单井稳定服务100年的标准考虑，井的密度应设计在1井/3km2以上，如果回灌率低较低其密度还应放稀。

3.4 氢氧同位素反映年平均气温变化

大气降水中的δD和δ18O值受距海岸距离、地区海拔和温度的影响，研究区自第四纪更新世以来，上述影响因素中除温度外，没有资料显示其他因素发生过变化，因此区内大气降水中的δD和δ18O值主要受温度的影响。

不同季节大气降水的δD和δ18O组成波动较大，而地下水是四季降水的混合水，其δD和δ18O组成基本代表了大气降水年平均值。深层地下水又混合了多年降水，与岩石间也没有发生明显的同位素交换，它的δD和δ18O组成仍能代表混合水中各年度大气降水的年平均值。丹斯加尔德认为，全年大气降水的δD和δ18O值与年平均气温呈直线关系，张理刚总结出了我国东部年平均气温与大气降水的δD、δ18O关系式，即δ18O=0.35 ta-13.0、δD=2.8 ta-94，其中 ta为年平均气温（张理刚，1985）。

平顶山地区近年来年平均气温为14 ℃，根据上述关系式估算出区内大气降水的δ18O、δD年平均值分别为-8.1‰和-54.8‰，二者均高于水样检测值（图2）。同样，根据水样检测结果可以反算出过去2.92万年以来年平均气温约为6 ℃，表明第四纪最后一个亚冰期结束以来，地球年平均气温呈逐步上升的趋势。这也印证了其他领域的学者对大气温度变化研究得出的相似结论。

4 结论

通过以上对平顶山市北部地区寒武系热储层中水的同位素特征研究，得出如下结论。

（1）平顶山市以北的李口向斜核部地区处在平顶山市区和郏县城区之间，区内的寒武系地层埋深在1400～3000 m，在该地层含水的前提下，仅靠地热梯度增温，其含水层蕴藏的地热水可满足冬季取暖供热的水温要求，该区具有地热开发的良好前景。

（2）区内寒武系因埋深适中是中深层地热开发优先考虑的热储层，地热开发投入较高，要可持续长期利用，就要充分考虑影响目的热储层水利用的各种因素。综合前述分析，认为区内寒武系热储层中的水具有以下两大特征：寒武系含水层中水的来源为大气降水，但大气降水并不直接补给到该含水层，与浅部其他含水层的水力联系较弱，水更新速成度极慢；寒武系含水层中水的平均年龄为2.928万年，最新年龄超过60年。这些水主要是“老水”，其基本处在封闭状态中。

（3）由于研究区首次获得水同位素资料据，数据又有限，认识上可能还不够全面。笔者希望以上认识，能为在规划地热开发利用时避免盲目决策起一点抛砖引玉之作用，以使地热资源和地下水资源更好地发挥社会效益和经济效益。