济源-开封凹陷东段馆陶组热储水化学特征及成因启示

张 萌，秦祥熙，黄 雯，石 磊，郑 钢

1. 浙江陆特能源科技股份有限公司，浙江 杭州 310051；2. 东华大学，上海 201620；3. 百合花集团股份有限公司，浙江 杭州 311228；4. 浙江省国土整治中心，浙江 杭州 310012；5. 沧州陆特新能源科技有限公司，河北 沧州 061000

0 引言

河南省地热资源禀赋条件良好，开采潜力较大，主要分布在以济源-开封凹陷为代表的东部平原区［1-2］.济源-开封凹陷地热资源的开发利用由来已久，众多学者［3-8］已分别对其内的武陟、原阳、郑州、中牟等地区，开展了地热资源的热储特征、赋存情况、开发利用等研究. 在其东段的开封-兰考地区内，相关研究多集中于开封市区及周边［9-11］，且受限于以往的开采深度，又多针对明化镇组热储. 近年来，该区的地热资源开发向更深部的馆陶组热储延伸，开发利用规模进一步增加. 目前，在开封市、兰考县境内已建设多个馆陶组热水区域集中供热项目，围绕兰考境内馆陶组热储层的赋存规律、资源评价等研究也相继开展［12-14］，但是关于馆陶组地热水的形成条件与成因机制的研究尚存不足.

本文以济源-开封凹陷东段的开封断隆与开封-兰考断陷（涉及的行政区大致为开封市区及西部至兰考县城区）为研究区，利用2017—2020 年在兰考、开封投资建设的水热型地热能区域集中供热项目所施工的馆陶组地热井信息，以馆陶组热储为研究对象，通过开展地下水的化学特征、形成作用等水文地球化学研究，探讨其赋存环境及成因特点，以期为该地区内地热资源的开发利用提供科学依据.

1 区域地热地质条件

济源-开封凹陷（Ⅰ44）属于中朝准地台（Ⅰ）之华北拗陷（Ⅰ4），沿黄河呈东西向展布于济源-开封-民权一带. 区内断裂发育，近东西向的郑州-开封断裂（F2）为南部边界，古近纪时期为强活动正断层，造成区内巨厚的新生界沉积，至第四纪已停止活动［15］. 北西向的济源-商丘深大断裂（F1）为北部边界，具有多期次活动特征，且切割较深，为深部地下热能的传导及水源、热源的流通创造了有利条件［16］. 一系列的北北东向断裂自西向东将济源-开封凹陷分割为济源凹陷、武陟断凸、原阳-封丘断陷、开封断隆及开封-兰考断陷等多个断块（图1）［17］. 该区属华北地层区华北平原分区，基底主要为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系及白垩系，新生代地层底板埋深2 000～5 000 m，自下而上为古近系、新近系、第四系.

图1 研究区与地热井位置示意图（修改自文献［17-18］）Fig. 1 Location sketch map of the study area and geothermal wells（Modified from References［17-18］）

区内地热资源丰富，源、通、盖、储结构完整. 热源供给为大地热流传导；区域性深大断裂为深部热源的沟通传导与地热水的运移创造条件；浅部地层发育有多层黏土和砂质黏土层，具有保温隔热作用，形成良好的盖层；新生界地层厚度大、孔隙度高、富水性好，是良好的热储层，从上自下依次发育新近系明化镇组热储层、新近系馆陶组热储层和古近系热储层，各热储层相互独立，其间分布着弱透水层隔绝上下的连通［12］.

2 馆陶组热储基本特征

研究区包括济源-开封凹陷东段的开封断隆、开封-兰考断陷（图1），区内新近系地层整体自西向东倾斜，除部分地区因人工开采造成局部降落漏斗外，区域上地热水自西向东径流［19］. 馆陶组地层顶板埋深在开封断隆内自南向西北逐渐变深，开封市南部约1 250 m，北部和西部可达1 700 m. 馆陶组厚度从南到北约为200～800 m，兰考县境1 300～1 600 m 不等，平均约1 500 m，厚度总体呈东薄西厚、北薄南厚的特点［12，19］. 本研究共选用地热井10 口（表1），其中开封断隆2 口、开封-兰考断陷8 口，地热井深均穿透馆陶组地层，取水层仅为馆陶组含水层.

表1 馆陶组地热井基本情况Table 1 Basic information of geothermal wells in Guantao Formation

开封断隆内馆陶组岩性上部为黏土夹细砂、粉细砂，下部为泥岩夹细粒砂岩、粉砂岩，顶板埋深1 450～1 520 m，地层厚度692.48～881.36 m. 开封-兰考断陷内馆陶组地层岩性上部为细-中砂岩及泥岩与细砂岩互层夹粉砂岩，下部岩性为砾岩、含砾砂岩、砂砾岩、细砂岩夹粉砂岩、泥岩，顶板埋深1 260.71～1 600 m，地层厚度330.93～672.00 m. 图2 显示，两者馆陶组热储含水层单层厚度差异不大，但开封-兰考断陷内易出现异常大值. 而两者的含水层孔隙度差别明显，开封断隆内数值相对集中且偏小，大部分集中在10.13%～12.41%区间，平均11.43%，变化幅度也不大；开封-兰考断陷内大部分数值集中在25.72%～41.27%，变化幅度相对较大，但各地热井的平均值相差不多，为31.98%～35.91%，整体平均值为34.28%.

图2 不同区域馆陶组热储含水层单层厚度与孔隙度对比Fig.2 Comparison of thickness and porosity of geothermal reservoir single aquifer in Guantao Formation of different areas

地热井测温结果（图3）显示，垂向上研究区地温随深度加深而逐渐升高，呈现典型的传导型地温变化特点. 平面上，开封断隆内馆陶组热储的盖层地温梯度为2.79～2.92 ℃/hm；开封-兰考断陷内为3.25～4.06 ℃/hm，平均3.45 ℃/hm，高于前者（表1）. 开封断隆内馆陶组热储地热水静水位埋深58.1～78.9 m，井口水温82～84 ℃，出水量80～96 m3/h，单位涌水量2.08～2.21 m3（/h·m）；开封-兰考断陷内静水位埋深38.5～55 m，井口水温70～76 ℃，出水量97～131 m3/h，单位涌水量4.13～11.82 m3（/h·m）.

图3 研究区地热井测温曲线Fig. 3 Temperature logging curves of geothermal wells in the study area

综合以上分析可知，开封断隆与开封-兰考断陷相较，开封断隆内馆陶组热储层埋藏较深，厚度较大，含水层孔隙度较低，抽水降深较大，单井出水量和单位涌水量较低，出水温度较高.

3 水化学特征及形成条件

3.1 水质分析结果

研究区馆陶组地热水常量组分的测试结果见表2，同时选取明化镇组地热水、第四系地下水以及地表（黄河）水，用于对比分析.

表2 地热水主要离子测试结果Table 2 Test results of main ions in geothermal water

由表2 可知，研究区馆陶组地热水pH 值均介于6.5～8 之间，属于中性水；明化镇组地热水pH 则略大于8；第四系地下水及地表水也属于中性水. 馆陶组地热水的总溶解固体（TDS）介于10～50 g/L，均为盐水，总硬度（以CaCO3计）除LK1 外均大于450 mg/L，为极硬水，KF1 的总硬度甚至高达10 969 mg/L. 开封断隆内明化镇组地热水和第四系地下水TDS＜1 g/L，为淡水，总硬度小于150 mg/L，为软水. 开封-兰考断陷内明化镇组地热水则为微咸水、软水，第四系地下水为微咸水、硬水. 地表水则为淡水、硬水.

Schoeller 图（图4）显示，开封断隆与开封-兰考断陷内馆陶组地热水常量组分的变化趋势相同，而与明化镇组热水、第四系地下水及地表水相异. Piper 三线图（图5）表明馆陶组热水化学类型明显异于其他地下水和地表水. 除KF1 外，馆陶组热水水化学类型均为Cl-Na 型，Cl-、Na+占有绝对优势，分别为首要阴离子和首要阳离子. KF1 总硬度（以CaCO3计）与其他馆陶组热水水样数值相差一个数量级，水中含有大量的Ca2+，因此Ca2+成为次要阳离子，水化学类型表现为Cl-Na·Ca 型. 明化镇组热水中，Na+仍为首要阳离子，阴离子组分中HCO3-占比较大，在开封断隆内为首要阴离子，在开封-兰考断陷内为次要阴离子. 第四系地下水中Cl-占比均低于25%，不表现在水化学类型中，Ca2+、Mg2+在阳离子中的占比较高，超过25%. 地表水的水化学类型则为HCO3·SO4·Cl-Na·Ca 型.由以上分析可知，研究区馆陶组地热水的水质特点与化学类型与上部的明化镇组热水、第四系地下水及地表水差异明显，表明它们之间的水力联系微弱，所处环境封闭［23-24］. 而开封断隆与开封-兰考断陷相较，前者的馆陶组地热水具有更高的TDS 值与硬度值，除KF1因Ca2+含量较高表现为Cl-Na·Ca 型水外，其余均为Cl-Na 型水.

图4 研究区水样Schoeller 图Fig. 4 Schoeller diagram of water samples from the study area

图5 研究区水样Piper 三线图Fig. 5 Piper diagrams of water samples from the study area

3.2 水化学控制因素分析

Gibbs 图［25-26］（图6）显示研究区馆陶组地热水均聚集于蒸发浓缩作用区域，远离大气降水控制区域，表明其控制机制以蒸发浓缩作用为主导，受大气降水作用影响小，可能还存在岩石风化作用的影响. Mg2+/Na+与Ca2+/Na+离子比值端元图［27-28］（图7）中同样展现出这样的特征，研究区馆陶组地热水主要集中于蒸发盐岩溶解区域，部分向硅酸盐风化区域偏移. 因此，研究区馆陶组热水主要受盐岩的蒸发浓缩作用影响，开封断隆区内可能还受岩石风化作用影响，在开封-兰考断陷内盐岩的蒸发浓缩作用对馆陶组热水的控制影响大于开封断隆区. 蒸发浓缩作用会导致水中溶解度低的盐类离子（如Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-）浓度降低，溶解度高的盐类离子（如Na+、Cl-、SO42-）浓度升高［29］，因此研究区馆陶组热储地热水展示出前文所述的水化学类型. 明化镇组热储、第四系地下水和地表水在图6、7中明显位于与馆陶组不同的区域，表明它们与馆陶组热储有着不同的控制因素.

图6 研究区水样Gibbs 图Fig. 6 Gibbs diagrams of water samples from the study area

图7 Mg2+/Na+与Ca2+/Na+比值关系Fig. 7 Relationship between Mg2+/Na+and Ca2+/Na+

地下水的封闭程度、变质程度、浓缩程度可用变质系数（γNa/γCl）、脱硫系数（100×γSO4/γCl）、盐化系数［γCl/（γHCO3+γCO3）］等特征系数来反映［30］. 研究区地下水的特征系数值如表3 所示. 研究区馆陶组热水的变质系数均小于1，部分接近1，表现出含盐岩地层溶滤水的特征；且小于明化镇组地热水和第四系地下水，表明其处于更封闭、更停滞的赋存环境，水体变质程度更深，水体为还原环境. 然而，部分馆陶组热水的变质系数则小于标准海水γNa/γCl 的平均值（0.85），展现出海相沉积水的特点［31］，但其Cl/Br 系数均大于293（本研究仅部分馆陶组地热井水样分析了Br 的含量，其中KF1 Cl/Br 系数为2958.77、KF1 为1 511.84、LK1 为566.12、LK3 为709），可排除其海相沉积水的成因，应属于陆相含盐沉积型地下水［32-33］.

表3 研究区地下水特征系数Table 3 Characteristic coefficients of groundwater in the study area

研究区馆陶组热水的脱硫系数远小于明化镇组地热水和第四系地下水，相差1～2 个数量级，说明与其他地下水相比，馆陶组热水热储封闭性良好，热水还原较彻底. 而开封断隆内馆陶组热水的脱硫系数小于1［34］，表明其环境更封闭、还原更彻底；开封-兰考断陷内的馆陶组热水大于1，则表明其可能受到浅表氧化作用的影响.

研究区水样的盐化系数与其TDS 含量呈现良好的正相关关系（图8），即盐化系数越高，水的TDS 越大，水的浓缩程度越高［35］. 馆陶组地热水的盐化系数远高于明化镇组地热水、第四系地下水，表明其具有较强的浓缩程度，且开封断隆区内馆陶组地热水与开封-兰考断陷区相比更浓缩.

图8 盐化系数与TDS 关系图Fig. 8 Relationship between salinization coefficient and TDS

4 水化学特征对成因的启示

已有的同位素研究成果表明，研究区内地热水起源于大气降水，且年代久远［36］. 区内地热资源类型为沉积盆地传导型，地热水由大地热流传导增温. 发育的断裂、裂隙，特别是区域性深大断裂，为地热水的导热和运移提供了有利条件. 区内发育多层热储，且垂向上联系甚微，上部热储可作为下部热储层的良好盖层.

研究区馆陶组热水赋存于砂岩孔隙中，在漫长的地质历史时期不断与周围地层发生溶滤作用，属陆相含盐岩地层沉积型溶滤水. 馆陶组地层封闭性良好，地热水的化学特征、控制因素、特征系数等与上部明化镇组地热水、第四系地下水和地表水完全不同，进一步佐证了区内各层地下水间基本无水力联系. 馆陶组热水化学特征的控制机制以蒸发浓缩作用为主导，馆陶组热水赋存环境封闭、停滞，水体还原程度高，浓缩程度大，水中聚集大量的Na+、Cl-，水化学类型总体表现为Cl-Na 型. 而开封断隆与开封-兰考断陷对比，其馆陶组热储含水层孔隙度较低、单井出水量、单位涌水量较低，其热水的赋存环境更封闭、更停滞，热水还原更彻底、浓缩程度更高，热水TDS 和硬度相对更高.

5 结论

通过对济源-开封凹陷东段的开封断隆、开封-兰考断陷内馆陶组热储层的基本特点、热水水化学特征及形成条件进行分析研究，得出主要结论如下：

（1）研究区馆陶组热水为中性水、盐水、极硬水，水化学类型以Cl-Na 型为主. 其中开封断隆与开封-兰考断陷相较，前者馆陶组热储层埋藏较深，厚度较大，含水层孔隙度较低，抽水降深较大，单井出水量和单位涌水量较低，出水温度较高.

（2）研究区馆陶组热水为陆相含盐岩地层沉积型溶滤水，赋存介质为砂岩孔隙. 区域发育的断裂、裂隙为其提供导热和运移的通道，在大地热流的传导增温下，不断发生溶滤作用、蒸发浓缩作用等. 同时热储层封闭性良好，热水运移较停滞，使得热水还原性彻底，浓缩程度高. 馆陶组热水与上部明化镇组热水、第四系地下水和地表水的水化学特征、控制因素、特征系数等完全不同，垂向间基本无水力联系. 开封断隆与开封-兰考断陷对比，其馆陶组热水的赋存环境更封闭、更停滞，热水还原更彻底、浓缩程度更高，热水的TDS和硬度相对更高.

（3）本文的研究分析结果指示研究区内的馆陶组热水再生能力差，属消耗型资源，在开采过程中易出现结垢、堵塞、回灌能力衰减等问题，近年来的实际工程项目中确实已出现上述问题. 为维持地热水的可持续开发，完成100%同层回灌，目前已采取的应对措施中最有效的是增设回灌井，但地热开发企业的投资建造成本、运行维护成本也同步增加. 这些都对研究区馆陶组地热水的高效应用、可持续开发、吸引市场资金投入等方面造成了挑战. 建议今后结合本文的研究成果，在地热水开发利用中做到合理规划、科学有序，同时加大对地热水堵塞机理、防垢阻垢、增加热储层回灌能力等方面的工程技术研究，促进地热资源经济可持续开发.