泰安市桥沟地热田水文地球化学特征及其成因分析

崔庆岗

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

地热资源作为一种集热能、水和矿产于一体的多用途自然资源，是继太阳能和风能之后的一种重要的绿色能源，已广泛应用于发电、采暖、理疗、洗浴、温室、养殖等行业[1]，其潜在的开发利用价值越来被关注[2-3]，地热资源广义上包括天然温泉、热泵技术开采利用的浅层地温能、人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热能[4]。地热资源的开发利用可直接减少煤、油等常规能源所产生的废气、悬浮颗粒物、煤灰渣等排放量，符合“绿水青山就是金山银山”的生态文明发展理念。

20世纪70年代初，桥沟地热田以温泉的形式被发现，此后施工了多处地热井，被改建为温水养鱼。1985—1988年开展了徂徕、满庄、凤台地热地质普查，未施工钻孔；1998—2001年徂徕地区地热及供水水文地质普查工作中对桥沟地热水进行了简单评价(1)山东省地矿工程勘察院，泰安市徂徕地区地热及供水水文地质普查报告，2000年。；2002—2003年在桥沟地热田施工Dr1、Dr2地热井，井深82.80～110.00m，热储温度28.8～39.0℃，出口温度26.8～33.8℃(2)山东省第一地质矿产勘查院，山东省泰安市岱岳区徂徕镇地热资源普查报告，2003年。；2008年施工ZK1地热井，井深468m，井底温度48.4℃，出口温度41.1℃，降深20.48m，出水量1572.0m3/d，地温梯度7.31℃/100m，为目前桥沟地热田内最深的地热井(3)山东省第一地质矿产勘查院，山东省泰安市岱岳区桥沟地热单井地质报告，2008年。。桥沟地热田从被发现至今已有近50年，但前期地热资料仅限于少量、短期的水温、水位埋深资料，对地热水质分析等动态监测仍处于起步阶段。地热流体的成因起源事关地热资源利用的可持续发展，一直是学术界、政府管理部门以及开发单位关注的热点，已成为当代地球科学的重大前沿课题。笔者在充分研究分析以往勘探资料成果的基础上，依托于泰安市地热资源调查项目，对桥沟地热田开展地热地质调查、地温场调查等工作，在此基础上探讨桥沟地热田地热水的主量元素、微量元素、放射性元素、同位素等组分特征，阐述地热流体离子组分特征、形成年龄及地热成因，希望能够对桥沟地热田地热资源的科学勘查和开发利用提供数据支撑。

1 地质背景概况

桥沟地热田地处泰安市徂徕镇桥沟村西，基底由新太古代泰山岩群变质岩构成。大地构造位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)之泰莱凹陷(Ⅳ)南部和新甫山凸起(Ⅳ)西段之徂徕山背斜接触带上[5-6]，大汶河流经地热田北侧，是地下水补给的主要来源之一(图1)。

1—馒头组；2—朱砂洞组；3—新太古代花岗岩类；4—整合接触界线；5—角度不整合界线；6—断裂位置及编号；7—地热田范围；8—典型地热井位置及编号图1 桥沟地热田基岩地质图

桥沟地热田地势平坦，地表覆盖层为第四系松散沉积物，下伏地层为新太古代泰山岩群、寒武纪长清群朱砂洞组。根据ZK1地热井显示，第四系厚12.5m，中砂为主，底部为厚约0.6m的黏质砂土；寒武纪朱砂洞组厚25m，岩性为白云岩、白云质灰岩，溶洞溶孔发育；新太古代花岗岩类以花岗闪长岩、钾长花岗岩、二长花岗岩为主，夹构造角砾岩及少量石英脉，说明构造运动、侵入岩在该区域相当发育。

桥沟地热田断裂构造发育，按走向主要分为NNW向和NEE向2种。NEE向徂徕山断裂(F4)与NNW向滂河断裂(F1)交于桥沟村附近，与NNW向岱道庵断裂(F2)交于孙家瞳附近，导水、导热性较差，构成了地热田的阻水断裂构造体系。NEE向F5、F6隐伏断裂切割了深部，是地热田主要导水、导热的断裂构造；其中，F5断裂倾向NE、倾角76°，切割深度小于400m；F6断裂倾向NE，倾角65°，发育规模、发育深度均大于F5断裂(图1)。

2 地温场特征

桥沟地热田现有地热井50余眼，在用10余眼。本次研究测量地热井32眼，测温时间为2020年5月，基本情况见表1，井位分布见图2。桥沟地热田热储类型为泰山岩群花岗闪长岩带状热储，严格受F5、F6断裂构造控制。导热构造破碎带附近温度较高，远离导热构造破碎带温度则变低；断裂发育强烈地段沟通了深部热源，热量沿断裂构造上涌。

表1 测温点基本情况一览表

根据测量数据来看，桥沟地热田北部水温相比明显高于南部，抽水井水温明显高于闲置地热井。通过水温等值线的平面上来看，桥沟地热田的异常中心位于C03井附近，水温高于30℃，周围在用C06、C09、C10井的水温也超过30℃；异常中心外围的在用C07、C08、C11、C14、C28～C31井水温介于20℃～30℃，且普遍大于25℃；最低温度位于南部区域的C20～C27井，目前均闲置，水温介于18℃～20℃。从在垂向上，除C02、C05、C16、C20井深较浅，水温呈现下降趋势，主要是受气温的影响大于深部温度向上的传递作用，深部水温难以传导至浅部所致；其他地热井的水温总体上都呈现出线性增高的趋势，表现出传导为主的传热过程；此外，C03井即为桥沟地热田目前最深的地热井ZK1，孔深468m，井底温度48.4℃，井口温度41.1℃，也充分说明了桥沟地热田深部的地热资源具有对流传热特征。从水位等值线来看，地热田西北部靠近大汶河流域，水位埋深较浅，普遍低于6.0m；地热田南部往北水位埋深呈现下降趋势，而且越靠近C03井水位埋深越大，介于6.5～7.5m之间；最深处位于C03井及周围在用地热井一带，地下水位下降较明显，水位埋深大于8.0m，形成了轻微的地下水降落漏斗。

1—朱砂洞组；2—新太古代花岗岩类；3—角度不整合界线；4—断裂位置及编号；5—地热田范围；6—水位等值线；7—水温等值线；8—测温井位置及编号图2 桥沟地热田测温井分布简图

3 热储概念模型

桥沟地热田北为泰莱凹陷，南为新甫山凸起，位于凹陷与凸起的接触带上，这就导致了该区域一直处于构造活动带上；北部的旧县地区从1845—2019年间发生地震6次，1985年3.6级地震、2019年6月2.9级地震都说明了该处断裂一直处于活动状态，从而可以在地壳内部获得源源不断的热量。第四系底部黏质砂土成为主要保温盖层；寒武纪朱砂洞组灰岩发育部位水温明显没有高于该地层发育的区域，说明也具有一定隔热隔水保温作用。NNW向滂河断裂(F1)与NEE向徂徕山断裂(F4)在桥沟村西交汇并相互切割，次级隐伏断裂F5、F6发育较宽破碎带，储水性、导水性良好，极有利于热水上涌，是地热水进行深循环对流的良好通道；而滂河断裂作为一条导水和储水断裂，来自西北方向的地下水通过该断裂向桥沟方向汇集，后受徂徕山前及东南部致密坚硬的新太古代泰山岩群变质岩系的阻挡，热流上涌至泰山岩群花岗闪长岩热储层内并被储存起来。基于“储—盖—通—源”要素，建立的桥沟地热田的热储概念模型是：泰山岩群内聚热—第四系和朱砂洞组灰岩隔热保温—深循环加热受迫对流机制—大地热流热源—构成控水控热模型。由此可见，桥沟地热田是具有断裂构造对流型带状热储的低温地热资源(图3)。

1—第四系；2—朱砂洞组；3—新太古代花岗岩类；4—地热井ZK1井深及井口温度/℃；5—断裂位置及编号；6—冷水补给及循环方向；7—大地热流形成的地下热水图3 桥沟地热田热储概念模型

4 地热流体水文地球化学特征

本次采取C03、C07、C09井地热流体样，编号为桥1、桥2、桥3。地热流体主量元素、微量元素及特殊组分测试样送至山东省鲁南地质工程勘察院实验测试中心，采用BDFIA—8000全自动流动注射分析仪、Aquion离子色谱、TU—1900紫外可见分光光度计、PF5-2原子荧光分光光度计、Agilent7900型ICP—MS进行测试；放射性元素总α放射性、总β放射性、镭(226Ra)、氡(222Rn)送至国土资源部济南矿产资源监督检测中心，采用BH1216低本底α、β测量仪和FD—125氡钍分析仪进行测试；同位素氘(2H)、氧(18O)、氚(3H)送至国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心，采用L2130i同位素分析仪和Quantulus1220超低本底液体闪烁谱仪进行测试。

4.1 主量元素特征

表2 桥沟地热田地热流体测试数据结果一览表

4.2 微量元素特征

桥沟地热田地热水中偏硅酸(53.97～57.44mg/L)、氟化物(2.28～2.51mg/L)、偏硼酸(0.604～0.704mg/L)、锶(3.581～3.953mg/L)等含量偏高。理疗热矿水归属为氟水、偏硅酸水[7]，多种特殊的微量元素对皮肤病、关节炎等疾病有特殊的医疗作用，具有医疗保健价值，属康复医疗型地热资源。锶、偏硅酸含量达到天然饮用矿泉水界限指标要求[8]，氟化物、硫酸盐超过生活饮用水质常规指标的限值[9]，满足农田灌溉水质标准限值[10]，氟化物超标，不能直接用于渔业养殖[11]。

1—桥1；2—桥2；3—桥3图4 桥沟地热田地热流体Piper三线图解

4.3 Piper三线图

地热流体的化学成分可反映出其形成条件，形成条件的不同与自然环境息息相关。Piper三线图由2个三角形和1个菱形组成，是地下水分类的1种图示法，三角形表示阴阳离子的相对含量，菱形表示离子相对含量，可以直观反映水样的一般化学特征及水化学类型，判别各种水源的特征或规律[12-13]。根据库尔洛夫分类和舒卡列夫分类法，毫克当量百分数大于25%的离子按递增排列表示。从Piper三线图(图4)来看，桥沟地热田地热流体属SO4·Cl—Na·Ca型水。

4.4 放射性元素特征

地热流体在深循环过程中，不可避免会虏获围岩中的物质成分，放射性物质会不断溶滤、富集到地热流体之中，而且随着深度的不断增加，温度的不断增高，放射性元素的含量一般也会随之增大。根据地下水按放射性分类原则[14]，226Ra含量>10-9g/L为强放射性水、10-10～10-9g/L为中等放射性水、10-11～10-10g/L为弱放射性水；222Rn含量>300em为强放射性水、100～300em为中等放射性水、35～100em为弱放射性水。依据计算公式换算，1Ci=1克镭、1Bq/L= 0.27em= 0.27×10-10Ci/L= 0.27×10-10g/L。桥沟地热田地热流体中226Ra=13.80×10-13～55.84×10-13g/L，222Rn含量0.92～2.58em，为低于弱放射性水(表2)。

4.5 温标离子计算

根据《GB/T11615—2010》中给出了多种温标计算公式[7]。其中，阳离子温标中，K-Mg温标适用于中低温地热田，指示地热流体在浅部与围岩达到平衡的温度。SiO2广泛存在于地壳中的岩石中，一般情况下溶解作用极小，受温度、压力影响较大；地热水温度小于110℃，通常是玉髓控制二氧化硅含量。

桥沟地热田热储温度介于25～48.4℃。SiO2温标采用玉髓温标，公式(1)：

t=1032/(4.69-lgC1)-273.15

(1)

式中：t为热储温度(℃)；C1为热水中溶解的H2SiO3形式的SiO2含量(mg/L)，预测桥沟地热田深部热储温度可达到75.75～78.97℃。阳离子温标采用K-Mg温标，表达式(2)：

t=4410/(13.95-lg(C2/C3))-273.15

(2)

式中：t为热储温度(℃)；C2为水中K浓度(mg/L)；C3为水中Mg浓度(mg/L)，依据温标计算推测深部热储温度可达61.76～67.85℃。

通过温标计算数据显示(表2)，本次采集的桥沟地热田地热流体样实测温度介于32.3～40.0℃，温标离子估算的热储温度明显要高，说明地热流体仍处于水—岩作用不完全平衡状态，随着热储层深度的增加，地热田热储温度仍有上升空间。

5 地热流体成因分析

5.1 地热流体离子组分特征

在地热流体化学组分中，许多化学成分之间在含量上存在着某种相关或共生关系，依据这些化学特征系数可反演出地下水成因、所处环境和水—岩作用强度等。

5.1.1 γNa/γCl系数

γNa/γCl毫克当量浓度比值能够反应水样是否来自于海相沉积，海水中γNa/γCl=0.85。如果地下水地质历史是海相沉积，Na+与地层中的交换性Ca2+发生交换，水中Ca2+增多、Na+下降，则γNa/γCl系数小于0.85；如果地下水主要是含盐岩地层溶滤而成，地下水在径流过程中水解作用和酸化作用会导致岩石矿物溶解，Na+从长石中释放，Ca2+与Na+发生交换，Na+浓度大于Cl-浓度，γNa/γCl系数接近于1[15-16]。从表2来看，桥沟地热田地热流体γNa/γCl系数介于1.81～1.98、平均值1.87，落于1<γNa/γCl<2区间内，排除了来自于海洋沉积的可能，可能来自于含岩盐地层溶滤而成，具有陆相溶滤水特征。

5.1.2 Cl/Br系数、γMg/γCa系数

Cl/Br系数是一个海水的特征比率[17]。当Cl/Br<300时地下水属海相沉积水或古封存水；Cl/Br>300时地下水属于贫溴的含盐地层溶滤水。此外，海水中Mg2+总是比Ca2+多得多，γMg/γCa系数值约为5.5，一般地下水不可能达到如此高值。桥沟地热田地热流体中Cl/Br系数介于418.09～450.24、平均值432.46；γMg/γCa系数介于0.12～0.15、平均值0.14，都说明了地热流体主要受大陆溶滤水演化的影响(表2)。

5.2 地热流体年龄及成因分析

利用同位素研究地热水补给以及地热资源的生成和运移机理，是深层次评价地热资源的重要手段[18]。同位素技术是一种不可替代的地球深部地热流体起源、成因、形成年龄及其运动循环的有效工具。对地热流体成因类型的认识具有重要的科学意义和研究价值。Craig[19]通过研究北美大陆大气降水建立了全球大气降水线(Global Meteroric Water Line, GMWL)，成为描绘水中稳定同位素的标准方法，表达式为δD=8δ18O+10；郑淑慧等[20]总结了中国大气降水线方程式δD=7.9δ18O+8.2；柳鉴荣等[21]建立了中国东部季风区大气降水线方程式δD=7.46δ18O+0.90。桥沟地热田的地热水氘—氧同位素集中在中国东部大气降水线附近(图5)，相对于全球大气降水线及中国大气降水线稍向右偏移，产生轻微“氧偏移”，提示地热流体埋藏年代久远，水—岩反应强烈，且水循环交替缓慢，可基本排除桥沟地热田地热水的现代海水、地幔水、岩浆水、变质水起源，推测其补给来源可能为古溶滤水或沉积水的外生水起源，受到了地表水或浅层地下水的混合，也可能是地热水深循环过程中与围岩发生了氧同位素交换[19]。

1—桥1、桥2；2—桥3；3—全球大气降水线；4—中国大气降水线；5—中国东部大气降水线图5 桥沟地热田地热流体氘—氧同位素线性相关图

大气降水中氚(3H)同位素含量作为研究地下水状态的天然放射性示踪剂，可区分老水与有近期降水混合的水[14]。通过氚浓度可推算地热流体形成年龄及成因，“3H<0.8T.U，次现代—1952年之前补给；0.8～4T.U，次现代和最近补给的混合”。从表2同位素测试数据显示，桥沟地热田地热流体中氚同位素含量介于(2.8±0.8)～(3.7±0.9)T.U，均小于4.0T.U，以“次现代和最近补给的混合”为主。

1969年苏联学者Cherdyntse[22]利用226Ra、222Rn计算地热水年龄，计算公式(3)：

t=-(1/λRa)*ln(1-NRa/NRn)

(3)

其中：t为地下热水形成年龄，a；λRa为226Ra的衰变常数，4.26×10-4/a；NRa为226Ra的含量，Bq/L；NRn为222Rn的含量，Bq/L。

利用公式计算出桥沟地热田地热水形成年龄为20.41～30.21a，地热水年龄受到了地表水或浅层地下水混合的影响，但总体来看，热水循环时间不长，合理开发利用的前提下可实现地热水的可持续利用。

6 结论

(1)桥沟地热田属于带状热储型的低温地热资源。新太古代花岗闪长岩为热储；第四纪黏质砂土和寒武纪灰岩为盖层；徂徕山断裂(F4)、滂河断裂(F1)、岱道庵断裂(F2)构成阻水断层，隐伏断裂F5、F6组成地热水深循环对流通道；大地热流为主要热源。

(2)桥沟地热田北部水温高于南部，异常中心位于C03(ZK1)井附近，最低温度位于南部区域，地热水具有对流传热特征。地热田西北部靠近大汶河流域水位埋深较浅，从南往北水位埋深呈现下降趋势，越靠近C03井水位埋深越大，出现轻微的地下水降落漏斗。

(4)桥沟地热田地热水的偏硅酸、氟化物、偏硼酸、锶等含量较高。锶、偏硅酸达到天然饮用矿泉水界限指标。为氟水、偏硅酸水型理疗热矿水，对皮肤病、关节炎等疾病有特殊的医疗作用，属康复医疗型地热资源。

(5)桥沟地热田热储温度介于25～48.4℃；通过温标计算，K-Mg温标深部热储温度61.76～67.85℃；玉髓温标热储温度75.75～78.97℃；表明深层热储温度仍有上升空间。目前地热田最深的地热井井深468m，后期布设地热井钻探工作量时可适当增加深度，以夺取更深层次的地热能。

(6)桥沟地热田γNa/γCl、Cl/Br、γMg/γCa系数以及氘、氧、氚同位素组成表明，地热水主要来自于大气降水入渗补给，受大陆溶滤水演化的影响，以“次现代和最近补给的混合”为主。

桥沟地热田地热资源的开发利用应以监测为基础，以资源和环境保护为根本，实行梯级开发、综合利用，最大限度合理科学利用地热资源。此外，桥沟地热田的地热水不适宜直接应用于生活饮用水、渔业养殖，直接排放可能会引起土壤板结及盐碱化，造成周边环境、浅层地下水及土壤等污染，采用地热回灌技术是十分必要的，既能够补充热储可开采量，变静态储量为动态储量，又能减少了大量开采地热水可能诱发的地质灾害。