基于水化学的沂源盆地地热田成热模式探讨

薄本玉,王韶霞,马鹏飞,叶倩,谭肖波*,谢峰

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院),山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心,山东 济南 250014；2.淄博市自然资源和规划局地质矿产技术中心,山东 淄博 255022)

0 引言

地热资源作为清洁、环保、可再生的清洁能源，已得到广泛应用[1]。山东省是地热资源大省[2]，《山东省能源发展“十四五”规划》明确指出，要加大地热资源勘查力度，加快能源结构调整步伐。

沂源盆地现有地热井两眼(编号为R1、R2)(图1)，分别成井于2007年和2011年，由于位于鲁中高地，地热资源显得弥足珍贵，引起了学者们对该区地热地质的兴趣并进行了进一步研究。2017年，尹秀贞[3]以R1井为例，对地热田水质进行了评价，对资源量进行了估算，初步分析了地热成因。2020年，单吉成等[4]结合沂源盆地已有的两眼地热井，从分析地热地质条件及地温场特征角度对地热田成因进行了归纳，对地热水质进行了评价，指出其开发利用用途广泛，对提升城市形象，打造地方品牌具有重要推动作用。笔者在前人研究的基础上，对区内地热井重新采集了地热水样品，进行了氢氧同位素、碳同位素及气体同位素分析，根据测试结果进行综合研究，明确其水源、热源的来源，并结合水循环机理，总结小型盆地地热的成热模式，从地学角度对成热模式进行命名，以提高其地热找矿的理论研究水平，为下一步的勘查规划及开发利用提供地质依据，为类似地热田的研究提供借鉴参考。

1 地热地质条件概述

沂源县位于山东省中部，淄博市最南端，地处鲁中腹地沂蒙山区，平均海拔401m，是山东省平均海拔最高的县。沂源盆地地热田位于鲁中隆起地热亚区内[5]，属隆起山地型地热资源。大地构造位于沂源断陷盆地内，分布于中部南麻街道—悦庄镇一带，为鲁西台背斜鲁中隆起-马牧池-沂源断隆-沂源凹陷区，为鲁中南中低山丘陵区的凹陷盆地，地壳运动表现为区域上升运动中的局部下降运动。古生代中奥陶纪以来，主要表现为不断的下降运动，盖层以厚度可观的古近系、白垩系及部分石炭系为主。盖层之下隐伏或埋藏着巨厚的寒武-奥陶纪碳酸盐岩地层，厚度大于1000m。经过地质历史上多期构造运动，区内发育了较为复杂的断裂构造，成为沟通深部热源的良好通道。如上五井断裂、韩旺断裂、李家庄断裂等。经地热井揭露，沂源盆地地热田热储层主要为奥陶系和寒武系，其岩性主要为石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩。盆地北部为地质时代较老的太古代花岗片麻岩。R1井井深2003m，井口出水温度45℃，水量为192m3/d(降深268m)，热储层为奥陶系和寒武系；R2井井深1200m，井口出水温度42℃，水量1954m3/d(降深128m)，热储层为奥陶系。

沂源盆地地热田边界：东部、北部以韩旺断裂为界，西部以李家庄断裂为界，南部以奥陶系顶板400m等埋深线(25℃热储界线)为界，面积约31km2(图1)。

1—第四系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—花岗岩；9—地质界线；10—实测平行不整合地质界线；11—角度不整合地质界线；12—推测平行不整合地质界线；13—断裂及推测断裂；14—奥陶纪灰岩顶板埋深等值线及值(m)；15—测温孔及地温梯度(℃/100m)；16—地温梯度等值线及值(℃/100m)；17—地热井及编号；18—地热田范围图1 沂源盆地地热地质简图

2 样品采集与分析

本次研究采集了R2号地热井地热流体样品并进行了相关测试分析。其中常规分析和微量元素分析由山东省地矿工程勘察院测试完成，地热水中阴离子的测定采用离子色谱(Dionex-500)测定，阳离子的测试采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定，微量元素的测试采用电感耦合等离子体光谱/质谱(ICP-AES/MS)测定。水化学的测试精度是±3%，检测下限是0.05mg/L。

氢氧及碳同位素由美国Beta实验室(Beta Analytic Inc.)测试完成，氢氧同位素采用液体激光同位素分析仪(L1102-1,Picarro)测定，δ18O和δ2H的检测精度分别为±0.1×10-3和±0.5×10-3；水中14C采用加速质谱(AMS)，测试精度为±0.2pmC(现代碳百分比)。

气体样品的采集采用排水集气法，用50mL的玻璃瓶作为样品收集容器，排水过程中，保持玻璃瓶口浸入装有地热水的盆中，待玻璃瓶内气体收集将满时，在水面下迅速用铝箔胶塞封口，并将玻璃瓶保持倒立置于500mL的装有地热水的棕色塑料瓶中。确保塑料瓶中未残留气泡后，旋紧瓶盖，以胶带密封瓶盖。气体同位素由具有相关中国计量认证(编号：170017161211)的中科院地质与地球物理研究所兰州油气中心完成。气体组分分析，采用气体质谱仪(MAT271,ThermoFinnigan)测定，以气体的体积百分含量(vol.%)的形式表示,仪器的检出下限为0.0001%。仪器的分辨率为3000,以区分CO/N2/C2H4和CO2/C3H8气体组分。气体样品C同位素采用气体质谱仪(MAT252,ThermoFinngan)测试，用同位素比值13C/12C相对千分差δ表示，标准样品参照国际标准Vienna Pee Dee Belemnite(VPDB)，仪器的检测精度为>±0.5×10-3。稀有气体同位素3He、4He和20Ne的分析，采用稀有气体质谱仪(Noblesse MS,Nu Instrument)测定，用3He/4He和4He/20Ne来表示。

另外收集了R1号地热井地热流体样品部分测试结果(表1、表2)，一并进行研究分析。

表1 R1、R2地热井常规水质分析数据表

表2 R2地热井气体元素、氢氧及碳同位素分析结果汇总表

3 地热地质特征

3.1 地温场特征

沂源盆地地温梯度较低，R1、R2盖层地温梯度分别为2.4℃/100m、2.3℃/100m。由地热井并结合该区地温梯度测量结果绘制的地温梯度等值线图可知(图1)，水平方向上，总体呈现由盆地外围到盆地中心地温梯度逐渐增高的趋势，分析可能是受地下水流干扰因素影响。

根据R1号地热井测温资料(图2)，第四系厚度25m，为变温带；全孔地温梯度为1.89℃/100m，盖层地温梯度为2.4℃/100m。R1号地热(1)山东省地矿工程勘察院,山东省沂源县南麻-悦庄盆地地热资源调查报告,2012年。井井深2003m，寒武纪石灰岩在揭露的深度内温度为60.95℃。该区盖层、热储层地温梯度整体偏低，分析认为由于盖层较薄，特别是石炭-二叠纪盖层较薄，而且盆地较小，导致地下水运移途径较短，交替活动更强烈[6]的原因，而使其地温梯度较低。

图2 R1地热井垂向地温曲线图

3.2 水化学特征

3.2.1 水化学特征

按热储层来讲，R1井穿透奥陶系、为寒武-奥陶纪灰岩热储；R2井为奥陶纪灰岩热储。R1和R2两眼地热井的井口出水温度分别为45℃、42℃，水化学类型分别为HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型、HCO3-Ca·Mg型，均为低温水热型地热资源。与临近的淄博向斜盆地岩溶热储地热水水化学特征[7-8]比较，研究区7大离子浓度和矿化度都偏低，且呈现岩溶冷水的特征。以矿化度为例，沂源盆地地热田地热水矿化度小于1g/L，与淄博市张店地区地热水矿化度3～5g/L左右相比，明显偏低；与山东省鲁中隆起地热亚区地热水矿化度平均值1.14g/L，鲁西南潜隆地热亚区地热水矿化度平均值4.8g/L相比也明显偏低[9]，分析是由于沂源盆地整体较小，地下水径流、运移路径较短，地质构造特别是较大地质构造在盆地内不甚发育，地下水与围岩的水岩作用较弱，导致其矿化度和其他主要离子浓度明显较低。

3.2.2 同位素特征

(1)氢氧同位素。热水的δ18O与δD的关系可以指示热水的来源[10]，将R2号地热水的氢氧同位素测试结果投影到中国现代大气降水线[11]δD=7.9δ18O+8.2和Craig全球大气降水线(GMWL)δD=8.0δ18O+10上[12]，可以看出，投影点位于大气降水氢氧同位素组成线附近，说明本区岩溶热水来源于大气降水补给(图3)。

图3 沂源地热田R2 δD～δ18O关系图

(2)碳同位素。不同的放射性同位素测定的地下水年龄段不同，一般其测定范围是其半衰期的0.1～10倍[13]。根据地下水的年龄，将地下水分为“现代”地下水、“次现代”地下水和“古地下水”。“现代”地下水是指在过去几十年补给的地下水，是强烈水文循环的一部分；“次现代”地下水是年龄50～1000a之间的地下水；年龄大于1000a通常就算作“古地下水”[14-15]。顾慰祖等[16]从水文循环成因角度将地下水分为现代地下水(0～50a)、近代地下水(50～200a)、古代全新世地下水(200～10000a)和古代晚更新世地下水，且以14C年龄不大于1万年为古代全新世地下水特征。放射性同位素测年目前常用的是14C测年技术[13]。本次研究对R2地热水进行了14C测定，经校正后R2的14C年龄为10.51ka B.P.，

接近1万年，综上可以判定R2井地热水为古代全新世地下水。

(3)可更新能力评价。地下水的可更新能力与地下水的形成年龄成反比[17-18]。综合上述氢氧同位素及碳同位素分析结果，可知R2地热水主要源于古代大气降水，说明其存在一定的封闭性，补给年代久远，地下水在含水层滞留时间长，地下水循环弱，可更新能力较差。

3.3 气体及其同位素特征

地热气体的地球化学和同位素特征可以用来判断地热流体的来源，识别壳源组分和幔源组分的比例，评价壳源热量和幔源热量对地表热量的贡献比例。

由表2可知，R2中地热水主要气体成分为N2，占比72.07%，其次为O2、CO2。富含N2成分的地热流体在中低温系统是很常见的，可能表示地热流体循环过程中低的平衡温度[19]。而O2的相对富集，分析认为系水溶气氧溶解度大，岩石吸附氧的能力强，加上地下水处在非平衡状态所致。但因受取样条件限制，本次只取到一个地热水样品，尚无法进行更深入的分析研究。今后随着研究区地热勘查开发的不断深入，需要加强样品的采集，以多方面综合分析印证。

本研究根据N2-Ar-He三种组分之间的相互关系对N2的来源进行识别(图4)。大气、饱和空气水和地下水N2/Ar的比值分别为84、38、50[20-21]。如图4所示，通过计算R2地热流体的N2/Ar(%)比值为53.39%，靠近He-grounder趋势线，表明热储中地热气体的N2来源于深循环的地下水较多。

图4 R2气体N2-Ar-He三角图

幔源、壳源和空气中的He各自具有特征的3He/4He比值，分别为(1.1～1.4)×10-5、2×10-8、1.9×10-6[22-23]。对3He/4He进行大气校正(Rc/Ra)后可以计算出幔源He的百分比[24]。R2校正后的Rc/Ra值为0.35，远大于0.01，表明R2地热流体有地幔起源的He加入，其He占总He组分Xm=4.18%，说明R2地热水的He来源仍然以壳源为主(图5)。

图5 R2地热气体样品的20Ne/4He-3He/4He关系图

综上分析，沂源盆地地热水水化学类型以HCO3·Cl·SO4型或HCO3型为主，矿化度小于1g/L，水化学特征接近岩溶冷水特性。但该区地下水具有深循环性，表现为两点：一是地下水从西向东径流，水化学类型由HCO3型逐渐演变为HCO3·Cl·SO4型，特别是Cl-的出现，表明地下水进入了相对封闭的环境，径流相对缓慢，这与同位素分析结果基本一致；二是通过同位素及气体地球化学分析，其地热水来源于古代大气降水，是古大气降水经过漫长的深部循环形成的。

从地球化学特征分析可以看出，沂源盆地地热水水源为古大气降水经过漫长的深循环形成的，热源以壳源为主。形成年代在万年左右，地下水相对封闭。对比两眼井的成井质量，R2井水量、水温均较理想，前期用于小区供暖进行了开发利用；而R1井水量仅为192m3/d，水量较小，降深又大，几乎没有开发利用价值，这也是导致该井未进行开发利用的主要原因。结合水文地质条件分析，因为R2靠近断裂带，深部岩溶较为发育，地下水深循环条件好；R2井远离断裂带，深部岩溶发育弱，导水导热的通道发育弱，地下水深循环条件较差。从另一方面说明在该区地热井成井风险较高，在该区进行地热井勘探要进行充分的地热探采结合井位分析论证。并有规划性地做好地热井的勘探、开发和回灌工作，以实现可持续开发利用。

4 成热模式

“储、盖、通、源”是地热形成的基本条件[25]，沂源盆地地热水的形成基本具备上述条件(图6)。

1—第四系；2—古近系；3—白垩系+侏罗系；4—石炭系；5—奥陶系；6—寒武系；7—花岗岩；8—断裂；9—角度不整合地质界线；10—平行不整合地质界线；11—冷热水运移途径；12—大地热流；13—地温梯度剖面线；14—地热井图6 沂源盆地地热田概念模型图

储：沂源盆地为EW向狭长，四周被低山丘陵所环绕，中间平坦，位于鲁中隆起区的局部凹陷区。热储层主要为埋藏很深的奥陶纪石灰岩。奥陶纪石灰岩热储层中丰富的地下水是地热承载和运移的物质基础。

盖：上覆较厚的古近纪、白垩纪和石炭纪地层对深部地热具有良好的隔热保温性能。

通：盆地四周发育的断裂构造，切割深度较深，是地热沟通大地热流的主要通道，是深部裂隙岩溶发育带，是地热水赋存的主要场所。

源：壳源是其主要热源。南部分布大面积奥陶纪石灰岩，是盆地内热储层的裸露区，也是区内热储层地下水的补给区。

沂源断陷盆地南部山区大面积出露碳酸盐岩，地势较盆地中部高出约200～300m，地形的大高差是势能转化为动能的先决条件，是地下水进行深循环的动力。在这种条件下，南部山区大气降水入渗补给后，一部分在较浅部位补给奥陶纪灰岩含水层形成常温裂隙岩溶水，一部分在大高差势能驱动下，沿层面及断裂构造带或裂隙带向区内径流并向地壳深部下渗，遇北部大面积岩浆岩体呈坐椅形围成的天然屏障及上部盖层的联合阻挡下，转化为承压水并进入深循环。地热水深循环往往在承压水滞留区赋存，地下水在流动状态下很难达到较高的温度[26]。由于盆地面积较小，地下水深循环的路径较短，且在盆地内部地下水深循环条件较差，水岩作用不是太强烈，使得沂源盆地地热水温度不是太高(42～45℃)，矿化度也较低。因此，深循环是沂源盆地地热水形成的必要条件，这种成因可简单归纳为“小型断陷盆地深循环承压型”。

5 结论

(1)沂源盆地地热水矿化度小于1g/L，水化学类型为HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型或HCO3-Ca·Mg型。

(2)R2地热水中主要气体成分为N2，其He特征中校正后的Rc/Ra值为0.35，反映其具有明显的壳源主导性。

(3)沂源盆地地热田为低温水热型地热资源，地热水来源于古代大气降水经深循环补给，热源以壳源为主，其成因类型可归纳为小型断陷盆地深循环承压型。

致谢：感谢水文地质专家程秀明老师和刘广义老师对本文的指导。