基于水文地球化学特征的辽宁丹东地区地热水成因模式研究

杨峰田 ，石宇佳，李文庆

(1.吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春 130021；2.吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021；3.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130021；4.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，吉林 长春 130021)

0 引 言

近年来，我国能源发展由清洁高效进入了降碳节能的新阶段。而作为清洁、零碳能源的地热能，迎来了空前的发展机遇[1]。如何实现地热资源的可持续利用是我国地热产业发展的关键问题[2]。为科学评价地热田的资源潜力，制定合理的开发方案，首先需要查明地热田的成因模式。

依据地热能的赋存形式和开发利用条件可将地热资源分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热资源[3]。其中，水热型地热资源是指开采赋存于高渗透介质中流体获取的地热能[4]，可分为中低温水热系统(<150 ℃)和高温水热系统(>150 ℃)[5]。由于中低温地热资源埋深一般较浅且热储孔渗性较高，开发较为容易，得到了广泛的开发利用，可用于沐浴、医疗和供暖等领域。

变异系数(Coefficient of Variation，简称CV)用于比较两组数据离散程度的大小.如果两组数据的测量尺度相差太大，或者数据量纲不同，直接使用标准差来进行比较就不合适了.此时就应当消除测量尺度和量纲的影响，而变异系数可以做到这一点，变异系数是原始数据标准差与原始数据平均数的比.

本研究运用因子分析对农民工创业质量量表的结构进行了简化，Bartlett球形检验和KMO度量的结果表明适合进行因子分析。接着运用正交旋转的主成分法对上述6个农民工返乡创业质量指标进行因子分析，在保证特征根取值大于1、共量大于0.4的情况下，根据碎石图判断抽取2个因子。依据因子负载情况将其分别命名为“生存性创业质量因子”“成长性创业质量因子”，这2个新因子的累计方差贡献率高达62.562%(表1)。

我国丹东地区地热资源丰富，分布广泛，自然流量居辽宁省第三位。前人对辽东地区的地热资源研究主要集中在地热资源分布特征[6-7]、地球物理勘探[8]、地热观测[9]、热矿泉水化学特征[10]、温泉资源的应用[11]和地热田与地震空间分布关系[12]等方面。然而，对丹东地区地热田的热源、热水年龄、热储温度和循环深度等研究较少，尚未得出地热田完整的成因模式。随着经济发展，丹东地区的地热用水量逐年增加，过量开采导致部分温泉丧失了自流能力，增加了开发难度，亟待查明地热田成因。

本文基于前人研究成果，对丹东地区主要地热田——北汤、东汤和五龙背地热田进行了水文地球化学和构造调查，探讨了丹东地热田的热水来源，并计算了补给高程、热水年龄、热储温度和热水循环深度，总结了地热田成因模式。所得认识可为该区地热资源的进一步勘探和可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

题目1 编程实现灰度图像的灰度值的统计，改变图像亮度分别使其整体变暗和变亮得到图像，显示原灰度图像、结果图像及其直方图．

区内主要有NNE-NE向、近EW向和NW向三组断裂，以NNE-NE向断裂为主，后期形成的NW-NWW向断裂穿切了原有构造[14]。区内温泉多出露于两组断裂交汇处[15]，包括北汤温泉、东汤温泉以及五龙背地热田(图1)。

天脊集团已形成年产45万吨合成氨、108万吨硝酸、90万吨硝酸磷肥（硝酸磷钾100万吨）、40万吨硝铵、25万吨硝基复合肥、26万吨苯胺、2万吨硝酸钾、3万吨硝酸铵钙的生产规模，化肥化工总产能达到200多万吨。

北汤温泉位于凤城市刘家河镇的河流右岸漫滩上。河谷较为开阔，宽300～400 m，南北两侧为侵蚀、剥蚀低山和丘陵，为一小型山间盆地。东汤温泉位于凤城市东汤镇附近的河流右岸阶地上。温泉河谷两侧为侵蚀丘陵，西部基岩为燕山期的肉红色中粒状花岗岩，东部为玢岩及细粒花岗岩(图2)。

五龙背地热田位于丹东市五龙背镇中心南300 m处，出露于沙河南岸河漫滩及北岸一级阶地上，南部丘陵有花岗岩出露，并有少量闪长岩脉侵入其中。地热异常区分布范围东西长约500 m，南北宽约200 m，地热田为第四系冲积层覆盖，冲积层一般厚8～16 m，最厚可达30 m，主要由黑色黏土及中细砂、砂砾石组成(图3)。

2 水化学特征

2.1 水化学分析

水样采集时间为2015年8月。现场测试指标包括水温、pH值和TDS等，所用仪器为HANNA便携式水质多参数仪；Cl-、SO42-、NO3-、F-、Br-等阴离子采用戴安ICS-2100型离子体色谱仪测定，HCO3-、CO32-采用酸碱滴定法测定，检测限5 mg/L；Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Sr2+采用Shimadzu AA-6000CF原子吸收分光光度计测定。阴阳离子电荷平衡误差<10%；SiO2采用硅钼蓝比色法测定，所用仪器为U-76A紫外可见分光光度计，检测限0.03 μg /L;3H采用液体闪烁计数法测定，所用仪器为Quantulus 1220超低本底液体闪烁计数仪，检测限为2.5 TU。以上测试均在为吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室完成;14C年龄采用加速质谱仪方法测定，测试单位为Beta实验室；δ2H、δ18O采用Picarro1102-i水同位素分析仪测定，测试单位为中国科学院地质与地球物理研究所水同位素与水岩反应实验室，测试精度为δ2H <0.5‰,δ18O<0.1‰。11个样品的测试结果如表1所示。

根据以上三种模型，可推断北汤、东汤和五龙背地热田地热水年龄分别为2 000～3 300 a B.P.、2 200～7 200 a B.P.和700～2 900 a B.P.。

从区内水体水化学Piper三线图可见，北汤地热水水化学类型为SO4·Cl-Na·Ca型，北汤第四系地下水的水化学类型为HCO3-Na·Ca型，北汤温泉上游河水水化学类型为HCO3-Ca·Na·Mg型，北汤温泉下游河水水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型，反映了北汤温泉热水混入的影响；东汤地热水水化学类型为HCO3·SO4-Na型，东汤浅层地下水水化学类型为HCO3-Na·Ca型；五龙背地热水水化学类型为HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na和HCO3·Cl-Na型(图4)。

2.2 地热水水化学变化

将北汤、东汤温泉1984年的温泉水数据(表2)与2015年的地热水数据(表1)进行比对分析。从水化学类型来看，北汤温泉水的化学类型由SO4-Na·Ca型变为SO4·Cl-Na·Ca型，而东汤温泉的水化学类型并没有明显改变；从温度来看，北汤温泉水温略有升高，而东汤温泉水温有较大幅度下降；从TDS来看，北汤、东汤温泉TDS均有所下降，这可能与温泉过度开采引起的冷水混入有关。

表1 研究区水体样品水化学及同位素分析结果

表2 1984年北汤、东汤温泉数据

3 成因分析

3.1 补给来源

地热水氢氧同位素特征可表征热水起源[18-19]。因缺少丹东地区大气降水线，本文选择全球大气降水线(δ2H = 8δ18O+10‰)进行分析。

据区内水样δ2H-δ18O关系可知，样点皆位于全球大气降水线附近，表明地热水来自于大气降水。地下热水没有表现出显著的“氧漂移”现象，符合中低温地热系统特征(图5)。

3.2 补给高程

根据降水同位素的高程效应，可计算研究区热水的补给高程，进而推断并确定补给区[20]。计算地热水补给高程公式[21]为：

(1)

式中：h为地热水补给高程，m；h0为参考点高程，m；δ2H为地热水δ2H值, ‰；δ2H0为参考点浅层地下水δ2H值, ‰；gradδ2H为高程梯度, ‰/hm。

干扰素具有抗病毒活性和免疫调节作用，与白介素-2、自然杀伤细胞一起构成免疫调解网络[18]。吕铁钢[14]、胡廷俊等[19]的研究结果，多糖有促进血清干扰素和白介素-2的作用。本试验结果表明，添加松籽的试验组相对于对照组均有促进干扰素-γ和白介素-2释放的作用，与吕铁钢和胡廷俊等研究结果一致。原因是不饱和脂肪酸是磷脂的组成成分，可以影响细胞膜的流动性，因为膜的流动性的变化会影响动物机体的免疫性能，所以增加细胞膜的流动性就会增强淋巴细胞白介素-2的受体表达，从而导致机体的淋巴细胞的有丝分裂受到抑制，影响免疫调节的作用。

3.3 冷热水混合

地热系统中热水与浅层地下水混合普遍存在，可基于混合关系识别不同流体之间的混合作用[4]。

氚(3H)是指示冷热水混合关系的良好示踪剂[23]。天然状态下，海岸带和中纬度陆地区域降水中氚浓度背景值一般介于1～10 TU，而核爆氚信号随着地下水滞留时间的增加而衰减[24]。可采用国际原子能机构(IAEA)建议的3H浓度与地下水年龄之间的对应关系判断混合是否发生，即当氚浓度<3 TU时，地下水为1952年前补给；3～10 TU时，为近期补给；>10 TU时，表示仍残留部分核爆氚[25]。由于中低温对流型地热系统中热水的年龄一般为千年尺度以上，其氚浓度应<3 TU[26]。由表1可以看出，北汤温泉、东汤温泉和五龙背地区的W02、W03和W04热水样品的氚浓度均小于3 TU，推测热水的补给早于1952年，与浅层地下水几乎无混合；五龙背W01样品氚浓度在3～10 TU之间，混入了浅层地下水。

3.4 热水年龄

利用14C衰变原理可测定地下水年龄，计算公式如下：

(2)

式中：t为地下水的年龄，a B.P.；q为稀释因子；α0为假定补给地下水时初始14C放射性浓度，取100 pMC；αt为样品14C放射性浓度，pMC。

根据研究区水文地质条件，本次研究选取Vogel模型[27]、Tamers化学稀释校正模型[28]和Pearson(δ13C混合)模型[29]进行14C浓度校正并对热水年龄进行估算。

Anti-corrosion Design of Concrete Structure in Sulfate Strong Corrosive Environment in Saline Soil in Plateau Area LI Yuting,ZHANG Xiaofeng,YE Sheng(102)

我嘞个去：在搞笑动漫日和，《平田的世界》及《西游记——旅途的终点》中频繁出现，为平田君和唐僧师徒三人的口头禅。例如：

3.4.1 Vogel模型

式中：A0为地下水初始14C放射性浓度，pMC；δ13CDIC为地下水13C放射性浓度测量值, ‰；δ13Ccarb为被溶解的方解石的13C放射性浓度，取δ13Ccarb为 0；δ13Csoil为土壤CO2中的13C放射性浓度，取δ13Csoil为-23‰；Asoil为土壤初始14C放射性浓度，取Asoil为100 pMC；Acarb为方解石初始14C放射性浓度，取Acarb为0 pMC。

由于研究区所在岩层为燕山期花岗岩，选取其稀释因子为0.9，则初始补给地下水的14C放射性浓度为90 pMC。根据公式(2)求得五龙背、北汤和东汤地热田的地下水年龄为2 922～7 215 a B.P.(表3)。

研究区属于长白山余脉，可参考长白山地区降水δ2H的高程效应，取gradδ2H=-1.74‰/hm[22]。以B04-D和D03-D为参考点水样，取样点海拔分别为103 m和35 m，求得补给高程为376～678 m。结合研究区地形特征，推测补给区为研究区东北方向80～120 km处的丘陵、山区。

3.4.2 Tamers化学稀释校正模型

该方法以初始和最终的碳酸盐(DIC)质量浓度为基础，针对方解石在封闭系统条件下溶解的地下水，公式为：

(3)

式中：ADIC为地下水初始14C放射性浓度，pMC；Asoil为土壤CO2中14C放射性浓度，取100 pMC；mCO2为地下水溶解CO2的质量浓度，mg/L；mHCO3为地下水溶解HCO3-的质量浓度，mg/L。

模型依据质量平衡原理得出，公式如下：

(4)

[H+]=10-pH

(5)

式中：[H+]为地下水H+质量浓度，mg/L；pH为地下水样品pH值；[HCO3-]为地下水HCO3-质量浓度，mg/L；K1为碳酸第一离解平衡常数，取4.7×10-7。

研究区位于辽宁省丹东市，属华北地层区，区内地层主要发育有太古宇鞍山群、古元古界辽河群、中生界侏罗系—白垩系和第四系[13]。区内侵入岩出露面积约占研究区面积的一半，岩石类型以酸性岩为主，约占3/4。北汤、东汤和五龙背三处地热田位于三叠纪和白垩纪侵入岩分布区。其中三叠纪侵入岩分布广泛，岩性以中、酸性岩为主；白垩纪侵入岩以花岗质岩类分布最广，次为闪长岩类[13](图1)。

根据上述三个公式，求得东汤地热田地下水的年龄约为6 000 a B.P.(表3)。北汤、五龙背地热田14C校正年龄为负值，表明该模型不适用。

3.4.3 Pearson(δ13C混合)模型

其中：

(6)

小麦茎基腐病是由多种病原菌引起的土传病害，在小麦的整个生育期均能侵染危害，主要引起苗枯、茎基腐、秆腐和穗腐(白穗)，一般可造成小麦减产10%～30%，甚至绝收。近年来，由于种植方式的改变及秸秆还田技术大面积推广应用，导致土壤中残留了大量的菌源，小麦茎基腐病在陕西关中麦田有逐年加重趋势，重发田块小麦乳熟期白穗率达40%以上，对小麦生产构成严重威胁。为查明小麦茎基腐病的发生原因，探索最佳防治技术方案，有效控制其发生危害，保障粮食生产安全。2017～2018年，富平县农技中心开展了不同农艺措施对小麦茎基腐病发生危害程度的影响试验研究，以期为防治工作提供科学依据。

陆游参与《世说新语》的刻书活动，“陆游本”对后世的影响深远。在《世说新语》成为经典化的宋代，陆游诗文中大量出现《世说新语》“元素”也是与宋代的学术风气相一致的。在表现爱国情思主题的时候，《世说新语》中的典故为陆游的创作增添了又一取材来源。《世说新语》的精神趣旨最能吸引陆游，在不同时期、不同情境、不同作品中展现了对“士”之精神的不同追求，这是由其士大夫的身份与责任所决定的。当然，以上表现都与陆游的过人学识、丰富的才情与人生阅历密不可分。

选择3个酸泥实际样品；1个加标样品，按实验方法测定碲的含量，并与原子吸收法的测定值进行对比，结果见表8。

由(6)式求得北汤、东汤和五龙背地热田的地下水校正年龄为690～2 211 a B.P.(表3)。

表3 地热水样品14C年龄校正值

结果表明，区内地热水温度在31.1～59.5 ℃之间，属中低温地热水。其中，东汤温泉区D01地热水样品pH为5.9，为弱酸性水。五龙背地热区的W01、W02、W03、W04和B01-W地热水样品pH均大于7，为弱碱性水。地热水溶解性总固体(TDS)含量为120～850 mg/L，河水为170～200 mg/L，浅层地下水为70～190 mg/L。

3.5 热储温度

热储温度可采用地温计方法估算[30]。常用地温计为阳离子地温计和二氧化硅地温计[31]。Giggenbach[32]提出首先用Na-K-Mg三角图解法评价水岩平衡状态，判断是否适用于阳离子地温计。根据研究区6个地热水样检测结果(表1)绘制了研究区地热水Giggenbach三角图(图6)。研究区的地热水样分布在部分平衡水和未成熟水区域，故地热水未达到水岩平衡，无法直接用阳离子地温计估算热储温度，故选取二氧化硅地温计和lg(Q/K)地温计进行热储温度预测。

3.5.1 二氧化硅地温计

计算热储温度前，需计算矿物饱和指数，进而选取适合的二氧化硅地温计[33]。采用PHREEQC软件进行研究区地热水中矿物饱和指数(SI)值计算，根据研究区岩性及地热水的化学特征分析，选取硬石膏、霰石、方解石、玉髓、温石棉、白云石、石膏、岩盐、石英等矿物，分别计算它们的矿物饱和指数，并绘制雷达图，结果见图7。

根据图7可知，除玉髓和石英外其余矿物相均未饱和，而玉髓饱和指数更接近0，故选用玉髓控制二氧化硅溶解度的二氧化硅地温计，公式如下：

(7)

式中：T为热储温度, ℃；S为SiO2的质量浓度，mg/L。

由于地热水样品中W01点存在冷水混入，故仅计算北汤温泉B01-W、东汤温泉D01-W、W02、W03和W04点热储温度。根据(7)式求得北汤、东汤和五龙背地热田的热储温度分别为92 ℃、120 ℃和100～101 ℃(表4)。

3.5.2 lg (Q/K)方法

天津食品集团认真践行“一带一路”倡议和农业“走出去”战略，将推动“16+1”合作为己任，以建设和平之路、繁荣之路、开放之路、创新之路、文明之路为目标，用好国内国外两种资源、两个市场，积极探索资源、生产、销售的全球配置，通过打造农业合作示范区，围绕“农工科贸”进行产业链布局，发挥中国与保加利亚及中东欧优质农产品

采用lg(Q/K)方法[34]，运用PHREEQC软件

表4 丹东地热田热储温度(t)估算值(二氧化硅地温计)

计算五龙背W03地热水样不同温度(50～150 ℃)下的lg(Q/K)值，得到平衡温度约为100 ℃。平衡矿物组合为：文石、方解石、玉髓、方英石、白云石和石英(图8)。

综上，北汤、东汤和五龙背地热田的热储温度分别为92 ℃、120 ℃和100～101 ℃。

[1] The World Factbook, “East & Southeast Asia : INDONESIA”, Central Intelligence Agency (CIA), January 1, 2018, https://www.cia.gov/library/publications/resources/the-world-factbook/geos/id.html(登陆时间：2018年2月25日)。

3.6 循环深度

地热水循环深度计算公式[35]为：

(8)

式中：H为地热水循环深度，m；H0为参考点的高程，取H0=0 m；T为热储温度, ℃；T0为参考点水样的温度, ℃；gradT为地温梯度, ℃/ m。

根据区域热流资料，研究区的地温梯度取2.4 ℃/hm[14]，计算得到北汤、东汤和五龙背地热田地热水循环深度分别为1 900 m、3 000 m和800～1 800 m(表5)。

表5 地热水循环深度(H)

4 成因模式

研究区地热田属中低温对流型地热系统。区内主要热储由花岗岩裂隙网络构成，盖层为第四系松散沉积层，岩性主要为亚黏土和亚砂土。研究区新构造断裂发育，主要控水、控热断裂分为NNE-NE向和NW-NWW向两组。地热水在山区接收大气降水入渗补给，推测补给区为研究区东北方向80～120 km处的丘陵、山区，补给高程为376～678 m。降水入渗后沿导水断裂向下游运移，循环深度为800～3 000 m。流动过程中被大地热流逐渐加热，热储温度为92～120 ℃。地热水年龄为700～7 200 a B.P.。在NNE-NE向和NW-NWW向两组断裂交汇形成的破碎带处上涌，进入浅部第四系含水层或出露地表成泉(图9)。

2.3.3 整形修剪不合理 为了提高椒园通风透光，近年来，各地推广低干多主枝自然开心形，但秦安椒农习惯于大冠稀植疏层形，造成树冠紊乱，树体结构比例失调。在修剪技术上，存在两个极端，或“冬剪”或“多缓”，造成树冠密度、通风透光不良，严重影响着花椒早产和丰产。对疏花疏果技术不够重视，进入盛果中后期的花椒树，绝大多数新梢顶端将着生花序，开花结果，由于椒农没有及时进行疏花疏果，花椒新梢生长量小，树势渐弱，落花落果严重，果实颗粒小，致使产量不稳定，大小年现象比较普遍。

5 结 论

北汤、东汤和五龙背地热田热储温度介于92～120 ℃之间，地热水无显著氧漂移现象；研究区内新构造活动迹象明显，区内地热系统发育主要受NNE-NE向和NW-NWW向两组新构造断裂控制，发育于花岗岩之中。在两组断裂交汇处，因岩石破碎而形成高渗通道，热水经此上涌进入浅部含水层或出露地表成泉，属于中低温对流型地热系统。

氘氧同位素组成指示地热水源于研究区东北丘陵、山区的大气降水，沿导水断裂下渗过程中经深循环加热形成地热水。地热水14C校正年龄为700～7 200 a.B.P., 表明其形成时间较长、更新能力较差，应加强地热资源的保护和合理开发研究，以保证地热资源的可持续利用。