日照市松柏地热井水化学特征及地热成因分析

郭本力，杨 鹏，袁 杰

(1.山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276826； 2.山东地矿局有色金属矿找矿与资源评价重点实验室，山东 日照 276826；3.日照地质地理信息大数据研究院，山东 日照 276826； 4.日照市土地质量评价与污染修复重点实验室，山东 日照 276826)

为了实现双碳目标，可再生能源的开发与利用势在必行。而地热是一种资源丰富、应用广泛、稳定可靠、清洁低碳的绿色可再生能源，现已广泛应用于发电、供暖、理疗和农业养殖，地热资源的开发对于节能减排和改善环境具有重要意义[1]。对地热水水化学的研究有助于识别地热水来源、研究地热系统中水岩相互作用及地热水运动特征等，可为地热资源开发、避免地热水污染提供依据[2]。

目前研究地热水水化学特征的方法包括Piper三线图法、Na-K-Mg三角图解法、多矿物平衡图解法、饱和指数法和同位素分析法，这些方法可用来研究地热水的水化学类型、补给来源以及赋存机理[3]。松柏地热井位于胶南隆起区北部，五莲-荣成断裂的南段，该区地热资源丰富。但目前尚未对日照市胶南隆起区北部地热水进行过全面研究，对该区地热水水文地球化学特征及成因也缺乏系统认识。本研究以松柏地热井为例，运用Piper三线图法、Na-K-Mg三角图解法、多矿物平衡图解法等手段，对该区的热储温度、补给来源、循环条件及水岩相互作用进行研究，为地热资源的合理开发利用提供依据。

1 地热地质条件

松柏地热井位于日照市五莲县松柏镇北部(图1)，成井时间为2017年6月，成井深度1 570 m，井口温度75 ℃，单井涌水量1 486.08 m3/d(降深31.40 m)。区域上属胶南隆起区，区内地层不发育，仅局部沉积了白垩纪青山群、莱阳群，岩性以火山角砾岩、含砾粗砂岩、凝灰岩及细砂岩为主。区内侵入岩广泛分布，其中以燕山晚期侵入岩最多，约占出露面积的60%，岩性为中粗粒-细粒二长花岗岩，其次为晋宁期二长花岗质片麻岩。区内断裂构造发育，以北北东和北东向为主，北西向次之。

1—第四纪沂河组；2—白垩纪石前庄组；3—白垩纪八亩地组；4—白垩纪曲格庄组；5—燕山晚期孤山单元；6—燕山晚期望海楼单元；7—燕山晚期通天岭单元；8—燕山晚期岐阳单元；9—晋宁期威海单元；10—花岗斑岩脉；11—流纹斑岩脉；12—地质界线；13—断裂及编号；14—地热井位置

松柏-小王疃断裂(F1)：NNE向断裂，走向15°～30°，倾向南东，倾角70°～80°，断裂上下盘岩性均为中-中粗粒二长花岗岩，断层内挤压特征明显，岩石风化强烈，性质为压扭性，长度大于24 km。区域测温资料表明，松柏-小王疃断裂影响带地温梯度远高于一般地区，为区域导热断裂。

松柏-叩官断裂(F2)：NW向断裂，走向307°左右，倾向北东，倾角80°左右，断裂两侧出露青山群八亩地组及燕山晚期石英斑岩并左行切割，东段大部分被第四系覆盖，经钻探揭露，为张性富水断裂。

香店-松柏断裂(F5)：NE向断裂，走向50°，断层南段走向35°左右，北段走向75°左右，倾向北西，倾角在80°左右，该断裂性质为张性导水断裂。

松柏-小王疃断裂(F1)为压扭性，主要起导热、阻水作用，松柏-叩官断裂(F2)、香店-松柏断裂(F5)为张性，主要起导水作用，这3条断裂的构造破碎带组成了区内地下水的补给、运移、富集及储存空间。

2 地热水采集及测试分析

采样工作于2017年5月开展，严格按照水样采集、保存和送检的要求进行，在地热井产能测试结束前采集，共采集全分析水样1件，同位素样品1件。样品测试工作委托国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成，水质全分析依据GB 8538—2016《饮用天然矿泉水标准检验方法》[4]检测。水样的稳定同位素δD和δ18O值采用波长扫描-光腔衰荡光谱法检测。

3 地热水水化学特征

3.1 地热水水化学类型

图2 地热水Piper三线图

表1 松柏地热井地热水分析结果

地热水同时富含多种对人体有益的微量元素，地热水中F-含量7.5 mg/L，H2SiO3含量145.73 mg/L，Sr2+含量4.26 mg/L，Li+含量0.386 mg/L，Br含量0.75 mg/L。根据GB/T 1615—2010《地热资源地质勘查规范》[5]理疗热矿水水质标准，F-和H2SiO3含量均达到有医疗价值浓度和命名矿水浓度，具有理疗保健功效(阴阳离子平衡检查E%相对误差0.268)。

3.2 地热水元素比例系数特征

地下水中各离子比例系数可以用来判断地下水的成因和地下水化学成分的来源或形成过程[6]。本研究选用γ(Na)/γ(Cl)、γ(SO4)/γ(SO4+Cl)、γ(Ca+Mg)/γ(CO3+HCO3+SO4)、γ(Ca)/γ(Mg)系数分析地热水成因(表2)。

表2 松柏地热井地热水各离子比例系数表

γ(Na)/γ(Cl)又称变质系数，用来表示地层的封闭性特征，是判断地下水的变质程度和活动性的重要指标。变质系数越小，表明地下水越浓缩，变质程度越深，含水层的封闭越好、反映为比较还原的水体环境；该系数越大，表明地下水受渗入补给的影响越强。标准海水的γ(Na)/γ(Cl)系数值为0.85，受大气降水入渗溶滤影响的地下水γ(Na)/γ(Cl)系数值一般大于0.85，经过强烈水岩作用和蒸发浓缩的陆相沉积水γ(Na)/γ(Cl)系数值一般小于0.85，与岩盐层溶滤作用相关的地下水变质系数接近1.0。经计算，本研究区地热水的γ(Na)/γ(Cl)系数值为2.77，远高于0.85，说明研究区地热水受到入渗补给影响，构造的开放性较好，热储环境开放。

γ(SO4)/γ(SO4+Cl)为脱硫系数，表示脱硫酸作用程度。一般脱硫系数越小，地层越封闭，还原作用越强；反之开放性较好。海水的脱硫系数一般为0.09，若地层水脱硫系数大于0.09，说明地下水储存环境较开放。本研究区γ(SO4)/γ(SO4+Cl)系数为0.7，说明地热水环境封闭性差，可更新能力强。

3.3 地热水腐蚀性及碳酸钙结垢趋势评价

地热水的矿化度一般较高，在传送运输过程中，由于温度和压力的降低，地热水中的矿物容易过饱和发生沉淀作用形成结垢，结垢层增厚造成井管的有效管径变小，系统阻力增加，输送地热水所需能耗也会加大，严重者甚至可造成换热设备及管道的堵塞。另外，地热水中也会含有多种腐蚀性化学组分，对地热设备造成严重的腐蚀破坏，因此，需要对地热水的腐蚀与结垢问题进行评价分析[7]。

1) 地热水腐蚀性评价

地热水中的硫化氢、游离二氧化碳、硫酸根和氯离子等组分对金属有一定的腐蚀性,根据GB/T 1615—2010《地热资源地质勘查规范》[5]，参照工业上用腐蚀系数来衡量地热流体(水)的腐蚀性。

2) 地热水碳酸钙结垢趋势评价

本地热井地热水的氯离子的摩尔当量为27.61%，大于25%，因此采用拉伸指数(LI)对碳酸钙的结垢趋势和腐蚀性程度进行评价。计算公式如下：

(1)

式中：Cl—氯化物或卤化物浓度，mg/L；SO4—硫酸盐浓度，mg/L；ALK—总碱度，mg/L；以上三项均以等当量的CaCO3表示。

当LI≤0.5，可能结垢，没有腐蚀性；0.510，有强腐蚀性。经计算，松柏地热井地热水LI值为16.37，此地热水碳酸钙不结垢，具有强腐蚀性(表3)。

表3 松柏地热井地热水腐蚀性及结垢评价

3.4 热储温度估算

在地下热水研究和开发利用中，热储温度是划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力的重要参数，但在通常情况下难以直接测量，地热温标方法是提供这一参数的经济有效手段[8]。地热温标法，是利用地热流体和矿物在一定温度下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，仍保持这一平衡的特点来估算深部热储温度的方法[9]。目前，热储温度研究中比较常用的是阳离子温标和二氧化硅温标，阳离子温标包括K-Mg温标、Na-K温标和Na-K-Ca温标等[10]，二氧化硅温标常用石英温标和玉髓温标。

使用地热温标方法的基本前提是作为地热温标的某种溶质或气体和热储中矿物达到平衡状态[11]，有时由于成井工艺原因，造成浅层未达到平衡的冷水与地热水混合或发生化学反应，可能导致作为地热温标的化学组分与热储中的矿物不平衡，会造成计算结果偏差。因此需要在检验地热水的水-岩平衡状态和地热温标可靠性分析的基础上，选用合适的地热温标估算热储温度。

1) 水-岩矿物平衡判断

Giggenbach(1988)[12]提出Na-K-Mg三角图解法用于判断水-岩的平衡状态以及是否有浅层水的混入，该方法将地热水划分为完全平衡、部分平衡和未成熟水三种类型[13-14]。当地热水处于完全平衡状态时，使用阳离子温标法得到的热储温度会更加可靠；当地热水处于未成熟水的区域，则不宜用阳离子温标计算热储温度[15]。

将研究区地热水的Na+、K+、Mg2+离子含量经转化后投影至Na-K-Mg三角平衡图解上(图3)。从图3可以看出，地热水位于部分平衡区域，说明经深循环的热水沿断裂通道上升过程中，可能受到浅部冷水混合稀释变成了部分平衡水，但总体受到混合的冷水份额较少，接近水-岩平衡状态，因此，可以采用阳离子温标估算热储温度作为参考。

图3 地热水Na-K-Mg三角平衡图解

2) 多矿物平衡图解法

Reed和Spycher[16]提出多矿物平衡图解法以判断地热系统中热液与矿物之间总体的化学平衡状态。其原理是将水中多种矿物的溶解状态作为温度的函数，若一组矿物在某一特定温度下同时接近平衡，则可判断热水与这组矿物达到了平衡，平衡时温度即为深部热储温度[17]。

根据地热水化学分析资料，利用PHREEQC软件计算了硬石膏、天青石、玉髓、石英和海泡石5种矿物在温度0～200 ℃的饱和指数SI，SI=0说明矿物处于溶解平衡状态，SI<0矿物处于未饱和状态，SI>0矿物处于过饱和状态[18]，并以温度为横坐标，饱和指数SI为纵坐标绘制了矿物-热液平衡状态的SI-T曲线图(图4)。从图4可以看出，地热水中硬石膏、天青石、玉髓、石英和海泡石5种矿物显示较好的收敛性，收敛范围在110～130 ℃。其中硬石膏、天青石和海泡石3种矿物的趋势线在SI=0附近相交，交点处温度为124 ℃，同时在该温度下，玉髓、石英矿物也近似饱和，因此交点处温度124 ℃可作为该样品的热交换平衡温度。

图4 地热水SI-T曲线图

3) 地球化学温标法

根据地热水的水化学特征及地热地质条件，按照不同地热温标的适用条件，选取Na-K温标、K-Mg温标、玉髓温标和无蒸汽损失的石英温标公式(表4)分别计算地热井的热储温度，计算结果见表5。

表4 地球化学温标公式选取表

表5 松柏地热井热储温度

计算结果显示TNa-K>T石英>T玉髓>TK-Mg，阳离子温标中Na-K温标比K-Mg温标计算的结果高很多，这是因为Na-K温标对温度变化的反应相对缓慢，一般适用于循环时间比较长，且高于180 ℃的高温地热系统，在热水温度较低，或热水受到浅层冷水混合时(部分平衡水或未成熟水)，计算结果偏差较大；另外从图4矿物溶解曲线中，也可以看出热储温度在110～130 ℃，所以Na-K温标计算结果偏大。

K-Mg温标相对于温度的变化响应迅速，受到冷水混合后K-Mg平衡被打破可迅速发生再平衡，因此使得计算结果偏向浅层热交换温度，计算结果偏低，所以TK-Mg可作为本次热储温度的下限值。

SiO2地热温标中T石英大于T玉髓。研究表明，当温度小于110 ℃时，溶液中的二氧化硅含量由玉髓控制；温度为110～180 ℃时，溶液中的石英和玉髓都可以达到平衡；当温度大于180 ℃时，溶液中的二氧化硅含量由石英控制[19]。根据上文所述，热储温度应该大于TK-Mg的116.35 ℃，说明石英和玉髓都可以和溶液达到平衡，但从图4来看，玉髓饱和度趋势线相较于石英更接近平衡线，说明玉髓比石英温标更可靠。

综合分析认为，该区地热水为部分平衡水，受到了浅部冷水混合的影响，因此K-Mg温标和玉髓温标计算的热储温度值偏小；多矿物平衡图解法中多种矿物在124 ℃同时近似饱和，该温度可靠性更高，因此确定热储温度为124 ℃。

4 同位素特征

4.1 地热水补给

地热水中稳定同位素δD和δ18O的组成通常用于确定地热水的成因[20]。根据鲁东地区的雨水线方程δD=7.5δ18O+5.4，与全国的雨水线方程δD=7.8δ18O+8.2，绘制了δD-δ18O关系图(图5)。通过地热水中δD和δ18O测试数据(δD=-69‰，δ18O=-9.5‰)可知，测点位于全国降水线及鲁东地区雨水线附近，氧同位素基本未发生漂移，说明大气降水为地热水的补给来源，即地热水主要由大气降水入渗地下后经深循环加热形成。

图5 地热水δD-δ18O关系图

4.2 地热水补给范围

大气降水的氢、氧同位素具有高度效应，即δ18O或δD值随着高程的增加而降低，因此可以利用该效应计算地热水补给区的高程，进而结合地热地质条件推断地热水大致的补给区范围，见计算公式(2)。另外，由于δD在水岩作用过程中比较稳定，且对区域海拔高度变化的反应更为灵敏[20]，因此选择δD值计算地下水的补给高程。

(2)

式中：H—同位素入渗高程(补给区高程)，m；h—取样点高程，m；δG—水样中的δD值，‰；δP—取样点附近大气降水的δD值，‰；K—同位素高度梯度，n‰/100 m，即相对高度每变化100 m时δD值的变化量。

地热水的δD值为-69‰，取样点海拔标高为167 m，取研究区北部青岛市崂山区大气降水的δD=-63‰作为参考计算值，δD高度梯度每100 m为-2.5‰～2.0‰[21]。

经计算，地热水的补给高程为407～467 m，根据区域地形地貌及水文地质条件判断，补给区范围为南部五莲山、九仙山一带。

4.3 热储循环深度估算

根据同位素测试结果可知，该地热水补给来源为大气降水，大气降水沿裂隙或破碎带下渗进行深循环，在循环过程中受高温围岩加热使得温度升高，地热水的温度随入渗循环深度的增大而增加，因此利用式(3)计算地热水的循环深度。

(3)

式中：H—地热水循环深度，m；T1—热储温度，℃，取多矿物平衡图解法确定的温度124 ℃；T0—恒温带温度，℃；tg—地温梯度，℃/100 m；h0—恒温带深度，m。

根据井温测量结果(图6)，恒温带底板埋深40.50 m，恒温带温度14.80 ℃，孔深1 570 m的温度为87.13 ℃。经计算，地温梯度为4.73 ℃/100 m。

图6 松柏地热井钻孔柱状图及测温曲线图

将上述参数代入式(3)，计算得出研究区地热水循环深度约为2 349 m。

5 地热成因分析

该区地热水属断裂控制的中低温深循环对流系统，热储类型属花岗岩类带状热储。区域地下水总体由南向北径流，补给区为南部的五莲山、九仙山一带，地下水的补给来源为大气降水。大气降水通过岩石风化裂隙及构造破碎带构成的裂隙网络，沿地形坡度由南向北径流，在径流过程中不断有水流沿构造破碎带、裂隙垂直下渗向深部运移，形成区域流动系统。在深循环过程中，流体不断与高温围岩进行热交换，从而形成地热水，地热水径流至松柏一带，受松柏-小王疃断裂阻挡逐渐滞留、富集。尤其是在松柏-小王疃断裂、香店-松柏断裂和松柏-叩官断裂3条断裂交汇部位，次级断裂构造发育，岩石破碎强烈，形成了良好的导水通道及储水空间，更有利于地热水的富集，形成地热资源。另外，松柏-小王疃断裂为控热断裂，正常大地热流增温的地热水，在流至该断裂后，地下水与导热断裂发生水热对流，形成温度更高的地热水。

6 结论

1) 松柏地热井水温为75 ℃，为热水型低温地热资源，水化学类型属SO4·C1-Na，微咸水，地热水富含多种对人体有益的微量元素，其中F和H2SiO3含量均达到命名矿水浓度，具有较高的理疗价值。

2) 根据拉伸指数判断，地热水碳酸钙不结垢，具有强腐蚀性；根据腐蚀系数Kk评价，地热水为半腐蚀性水。

3) 松柏地热井热储温度为124 ℃，热循环深度2 349 m。通过同位素分析认为，松柏地热井地下水补给来源主要为大气降水，补给高程为407～467 m，补给区范围为东南五莲山、九仙山一带。

4) 研究区地热水属断裂控制的中低温深循环对流系统，热储类型属花岗岩类带状热储。大气降水沿基岩裂隙和构造破碎带下渗形成深部地热水，径流至松柏地区在断裂交汇处富集，形成地热资源。