梅博，張巖峰，楊云展，邢化廬，常林禎，劉普峰

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，河北 滄州 061000）

0 引言

地?zé)崴羌?、礦三重屬性于一體的綠色可再生能源，開發(fā)利用地?zé)豳Y源對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境治理、節(jié)能減排有著得天獨厚的優(yōu)勢（張薇等，2019）。在地?zé)豳Y源勘探開發(fā)過程中開展地?zé)崃黧w地球化學(xué)特征分析研究，是認(rèn)識地?zé)豳Y源形成機制、賦存環(huán)境以及循環(huán)機理的有效手段（Hidalgo and Cruz-Sanjulián,2001）。隨著先進檢測儀器以及計算機的普及應(yīng)用，國內(nèi)外不同學(xué)者針對不同地區(qū)的地?zé)崴_展水文地球化學(xué)研究工作并取得了較豐碩的成果（顏世強等，2007；張保建等，2015；楊詢昌等，2019；劉明亮等，2020；程立群等，2020）。

黃驊臺陷滄州段位于滄州市東部，東經(jīng)116°17′～117°37′，北緯37°30′～38°43′。該地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)開發(fā)程度較高，開采歷史接近30年之久，所有地?zé)峋脽醿泳鶠樾陆叼^陶組熱儲，尚未有基巖熱儲開采。多年以來，石油、地質(zhì)部門在該地區(qū)開展了大量區(qū)域性和單井的地?zé)岬刭|(zhì)勘查工作，在熱儲特征、構(gòu)造、儲量計算、地?zé)崴|(zhì)評價等方面為該地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)提供了大量地質(zhì)成果和數(shù)據(jù)支撐，但是對區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)崴瘜W(xué)組分和水文地球化學(xué)特征的研究幾乎沒有。地?zé)崃黧w的水文地球化學(xué)特征受地下熱水與圍巖間相互作用、巖漿活動、大氣降水入滲以及含水層之間的補給等因素影響（高宗軍等，2019）。本文在系統(tǒng)研究區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件和地?zé)崴\移規(guī)律的基礎(chǔ)上，綜合運用Piper三線圖、離子比值法、水巖平衡、礦物飽和指數(shù)法等手段，對黃驊臺陷（滄州段）館陶組熱儲的水文地球化學(xué)特征及地下水運移過程中所發(fā)生的水巖作用進行研究，并探討形成的機理，以期為地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)，同時也為今后該地區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)研究工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺（Ⅰ級）華北斷拗（Ⅱ級）黃驊臺陷（Ⅲ級）南段，滄縣臺拱（Ⅲ級）東側(cè)，埕寧臺拱（Ⅲ級）西側(cè)。該構(gòu)造單元上分布有7個凹凸鑲嵌的Ⅳ級構(gòu)造單元，自北向南、自西向東分別為滄東斷凹、齊家務(wù)臺凸、孔店臺凸、歧口斷凹、南皮斷凹、徐里臺凸、鹽山斷凹（圖1）。

圖1 黃驊臺陷（滄州段）區(qū)域及研究區(qū)構(gòu)造示意圖

本區(qū)所處的華北沉降帶，沉積了巨厚的松散地層，據(jù)《河北省區(qū)域地質(zhì)圖》（河北省地礦局，1989）等區(qū)域資料，區(qū)內(nèi)地層由新到老為新生界第四系、新近系、古近系，中生界侏羅系—白堊系，古生界石炭系—二疊系、奧陶系。根據(jù)含水巖組發(fā)育程度、穩(wěn)定隔水層的分布及其他水文地質(zhì)特征，研究區(qū)深度4000 m以內(nèi)，主要分布新近系館陶組孔隙熱儲層。依據(jù)地層時代、沉積韻律旋回，古近紀(jì)漸新世末的喜馬拉雅運動結(jié)束了該地區(qū)的斷陷活動，導(dǎo)致湖盆萎縮、消亡，隨后經(jīng)歷了長期且廣泛的風(fēng)化、侵蝕和準(zhǔn)平原化作用。自中新世起，盆地又開始轉(zhuǎn)入整體下沉而進入坳陷階段，沉積了館陶組辮狀河和低曲度河道砂礫質(zhì)巖和洪泛相泥質(zhì)巖。館陶組熱儲層在本區(qū)均有分布，頂界埋深一般1100～1600 m，底界埋深1400～2300 m，局部超過2300 m，沉積厚度一般200～500 m；含水巖層主要為中細(xì)砂巖，砂厚比35%～45%，孔隙度25%～30%，底部為十幾米到幾十米厚的砂礫巖；該層熱儲水量大，涌水量一般50～120 m3/h，水溫較高，熱儲底界溫度可達(dá)50～75 ℃，屬低溫?zé)崴悄壳把芯繀^(qū)主要開采層段。

2 樣品采集及分析

本次在研究區(qū)內(nèi)共采集黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴治鏊畼?3件，其中包含同位素水樣8件。采集的全分析水樣送至河北省水環(huán)境監(jiān)測實驗中心分析，同位素水樣送至國土資源部地下水科學(xué)與工程重點實驗室（中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所）分析。其中氫氧同位素使用波長掃描-光腔衰蕩光譜法在溫度23 ℃、濕度45%條件下檢測。取樣點位置見圖1，各Ⅳ級構(gòu)造單元均有采樣點分布。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 地?zé)崃黧w水化學(xué)特征

由表1研究區(qū)地?zé)崴饕瘜W(xué)組分含量分析成果表可知，黃驊臺陷（滄州段）館陶組地下水化學(xué)類型均為Cl-Na型，陽離子中Na+含量占絕對優(yōu)勢，為1458.87～2206.38 mg/L；陰離子中Cl－含量占絕對優(yōu)勢，為2117.1～3363.9 mg/L；溶解性總固體（TDS）含量為4105.7～6446.1 mg/L；pH值為7.53～8.27，屬弱堿性水。將各優(yōu)勢離子數(shù)據(jù)繪制成Piper三線圖（圖2），各水樣中所含的優(yōu)勢離子摩爾分?jǐn)?shù)相差不大，在Piper三線圖中水樣點均集中在一塊，陽離子全部分布于Na++K+端，陰離子全部分布于Cl-端。

圖2 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼覲iper三線圖（底圖據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局,2012）

表1 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼又饕瘜W(xué)組分含量分析成果

由此可見研究區(qū)館陶組熱儲層位分布穩(wěn)定，地下水化學(xué)類型單一，這是由于熱水被封存于缺氧的封閉水文地球化學(xué)環(huán)境中，由于砂巖類熱儲及圍巖中巖鹽含量較大，地下熱水化學(xué)成分的形成以巖鹽等可溶鹽類的溶解為主，在漫長的地質(zhì)歷史演化過程中熱水的水化學(xué)類型趨于一致，變?yōu)镃l-Na型水。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)最南端的南皮斷凹Ⅳ級構(gòu)造單元中南皮縣、東光縣兩個縣城內(nèi)地?zé)峋畼覶DS含量高于6000 mg/L。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，該構(gòu)造單元處于黃驊臺陷（Ⅲ級）最南端，隨著地?zé)崴\移距離的增加，不斷對圍巖系統(tǒng)進行溶濾并發(fā)生離子置換，導(dǎo)致具有很高遷移能力的兩種離子Na+、Cl-含量略高。

圖3 為研究區(qū)內(nèi)各個水樣的Schoeller 圖（Truesdell，1991），可以看出各水樣曲線形狀趨勢大致相同，只在縱向上有部分移動，說明水樣的補給來源基本相同。各水樣在Ca+、Mg+處出現(xiàn)較分散現(xiàn)象，而“富鈣”、“富鎂”水樣多存在于南皮斷凹Ⅳ級構(gòu)造單元之內(nèi)，說明在該構(gòu)造單元內(nèi)熱儲沉積環(huán)境圍巖中含有石膏、白云石等來源物質(zhì)較多，且該地區(qū)所處水文地球化學(xué)環(huán)境相對更封閉，水巖反應(yīng)更充分，導(dǎo)致溶解圍巖中組分更多。

圖3 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼覵choeller圖

3.2 特征系數(shù)分布特征

水化學(xué)特征的各種參數(shù)組合關(guān)系，在一定程度上反映了地層水的封閉環(huán)境和變質(zhì)程度（張保建，2011）。鹽化系數(shù)表征地層水的濃縮程度，其值越大，則表明水的濃縮程度越強烈。用水樣中強、弱酸根的比例系數(shù)（K）和及離子強度（Ⅰ）亦可以定量表征水化學(xué)成分的變質(zhì)程度，一般認(rèn)為：K≤0.5，I＜0.006，為未變質(zhì)水；0.5≤K＜4，0.01≤I≤0.04，為初期變質(zhì)水；4≤K＜60，0.05≤Ⅰ≤0.2，為中度變質(zhì)水；K≥60，Ⅰ＞0.2，為高度變質(zhì)水（陳靜生，1987）。

表2計算了研究區(qū)水樣的鹽化系數(shù)，強、弱酸根的比例系數(shù)（K），離子強度（Ⅰ）（錢會和馬致遠(yuǎn)，2005），由表可以看出，各水樣鹽化系數(shù)多在20以上，水樣濃縮程度較高，在南皮斷凹IV級構(gòu)造單元上的水樣鹽化系數(shù)較研究區(qū)其他幾個IV級構(gòu)造單元水樣略高，該值大小基本上與水樣TDS的大小分布呈對應(yīng)關(guān)系，同樣說明地下熱水橫向運移距離越長，水巖交互作用越完全；綜合分析強弱酸根比例系數(shù)K及離子強度I，所有水樣均屬于中度變質(zhì)水，變質(zhì)程度同樣和前述濃縮程度、TDS濃度大小基本呈對應(yīng)關(guān)系。

表2 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼犹卣飨禂?shù)計算結(jié)果

3.3 水巖作用分析

Na-K-Mg平衡圖是由Giggenbach于1988年提出的，以Na/1000、K/100和Mg1/2為3個頂點，劃分為完全平衡、部分平衡和未成熟（即仍處于巖石溶解、淋濾過程中的水）的水，常被用來判斷水巖平衡狀態(tài)和區(qū)分水樣類型（Giggenbach,1988）。

將水樣的K+、Na+、Mg2+化驗數(shù)據(jù)投至Na-KMg平衡圖上（圖4），由圖4可以看出，大部分水樣落在部分平衡區(qū)，說明大部分水樣水巖作用尚未達(dá)到平衡狀態(tài)，溶濾作用仍在進行中。在該圖中，只有岐口斷凹IV級構(gòu)造單元中的HH31、HH57、ZJ02三個水樣達(dá)到完全平衡區(qū)，且該IV級構(gòu)造單元中的幾個水樣分布于上部；總體上看所有水樣點在Na-K-Mg平衡圖上呈有規(guī)律的線性排布，即：越接近反應(yīng)平衡區(qū)的水樣溫度越高，下方接近非平衡區(qū)水樣溫度越低，在一定程度上說明可以利用陽離子溫標(biāo)對熱儲溫度值進行計算。在對上述水樣進行了陽離子溫標(biāo)計算，溫標(biāo)公式如表3所示，得到計算熱儲溫度和實測溫度見表4。通過表4可以看出，鈉鉀溫標(biāo)（R.O.Fournier）和研究區(qū)的地?zé)崴訙囟认鄬Ω咏f明鈉鉀溫標(biāo)（R.O.Fournier）對于估算研究區(qū)的熱儲溫度適應(yīng)性更好。

圖4 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼覰a-K-Mg平衡圖（底圖據(jù)Giggenbach,1998）

表3 溫標(biāo)公式選取表

表4 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼雨栯x子溫標(biāo)計算結(jié)果

用Phreeqc計算軟件可以計算出各種礦物在不同溫度下的飽和指數(shù)SI值。當(dāng)SI＞0，表示過飽和；SI＝0，表示飽和；SI＜0，表示未飽和（李常鎖等，2018）。為了說明研究區(qū)地下熱水對于各種礦物的飽和狀態(tài)，本文對礦物飽和指數(shù)（SI）進行了計算（表5）。由表5可以看出熱儲及圍巖的主要礦物成分中，易溶成分巖鹽、無水石膏、石膏等均未達(dá)到飽和，而難溶成分方解石、白云石、石英、玉髓、滑石等達(dá)到或接近飽和狀態(tài)。結(jié)合圖5可以看出，所有水樣均在rCl-=rNa+線附近，這同樣說明研究區(qū)的熱水中Cl-和Na+大部分均來自于巖鹽的溶解。

圖5 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畼覥l-和Na+關(guān)系圖

表5 Phreeqc軟件計算礦物的飽和指數(shù)一覽表

續(xù)表5 Phreeqc軟件計算礦物的飽和指數(shù)一覽表

3.4 同位素地球化學(xué)特征

地下水因其來源不同，其氫氧同位素組成亦不同，因此研究地下水氫氧同位素組成及發(fā)生的變化，對于確定地下水的成因類型、補給條件以及大氣降水與地表水的聯(lián)系程度，了解地下水的循環(huán)途徑具有重要意義（錢會和馬致遠(yuǎn)，2005；顧慰祖等，2011）。表6為研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴畾溲跬凰胤治鼋Y(jié)果，并將研究區(qū)水樣的D、18O同位素組分以及滄州地區(qū)其他類型地下水、地表水（徐彥澤等，2009；徐彥澤，2009）同全球降水線（GMWL）、及石家莊地區(qū)降水線（LMWL）（魏靜文，2012）進行了對比（圖6）。

表6 黃驊臺陷（滄州段）館陶組地?zé)崴畾溲跬凰胤治鼋Y(jié)果

由表5看出，各水樣氚濃度小于＜1.0 T.U，說明研究區(qū)館陶組地?zé)崃黧w非現(xiàn)代起源，3個14C測年結(jié)果均在3萬年左右，同樣證明這一觀點。研究區(qū)內(nèi)館陶組儲層地?zé)崃黧w的δD值為-73‰～-75‰，δ18O值為-8.8‰～-9.5‰。各水樣點均落在了大氣降水線和地區(qū)降水線附近，表明研究區(qū)館陶組熱水來源為主要為大氣降水（圖6）。在橫向上各水樣點均出現(xiàn)了“氧漂移”現(xiàn)象，經(jīng)過長時間的徑流運移至研究區(qū)內(nèi)，發(fā)生了“氧漂移”而并非當(dāng)?shù)亟邓瓜蛉霛B。對幾個水樣的橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)CZ01、NP04、DG03這3個水樣較其他幾個水樣的“氧漂移”程度大，這可能是由于該IV級構(gòu)造單元內(nèi)地?zé)崴\移距離更遠(yuǎn)、滯留時間更久。

圖6 地?zé)崴畼应腄-δ18O關(guān)系圖（底圖據(jù)魏靜文，2012）

天然大氣降水的同位素組成變化受控于溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)、高度效應(yīng)以及雨量效應(yīng)，所以不同地區(qū)其降水中氫氧同位素組成略有差別，利用大氣降水同位素高程效應(yīng)產(chǎn)生的變化規(guī)律可確定地?zé)崃黧w的補給區(qū)和補給高程。依據(jù)氫同位素計算地?zé)崃黧w補給高程的公式為：

（1）式中：H為地?zé)崃黧w補給區(qū)高程；Hr為地?zé)崴畼狱c的地面高程；δDr為參考點水樣δD值，取滄州地區(qū)30 m以淺井水樣平均值為-62‰（徐彥澤，2009）；gradD為雨水的δD隨高程的遞減梯度值，取-2‰/100 m（陳宗宇，2001）；經(jīng)計算各水樣點地?zé)崃黧w補給高程平均值為620.7 m。

依據(jù)修正氧漂移后的氧同位素計算地?zé)崃黧w補給高程的公式為：

（2）式中：Hr為地?zé)崴畼狱c的地面高程；δ18OLM水樣修正氧漂移后δD值，δ18Or為參考點水樣δ18O值，取滄州地區(qū)30 m以淺井水樣平均值為-8.38‰（徐彥澤，2009）；grad18O為雨水的δ18O隨高程的遞減梯度值，取-0.2‰/100 m（李嫄嫄，2014）；經(jīng)計算各水樣點地?zé)崃黧w補給高程平均值為1105.62 m。

綜上，利用氫氧同位素計算的地?zé)崃黧w補給高程均遠(yuǎn)高于研究區(qū)的地面高程。分析周邊地形資料可知，該高程值為北部燕山山脈及西部太行山脈，距勘查區(qū)距離均在200 km以上。結(jié)合本區(qū)地?zé)崴?4C年齡樣均在3萬年左右，經(jīng)過分析估算，研究區(qū)的館陶組熱水循環(huán)速率約為18 mm/d，徑流比較緩慢、補給微弱，排泄方式為人工開采的靜儲量消耗型；該值建立在研究區(qū)幾十年大量地?zé)峋_采引起該層水位下降明顯，水力坡度大，側(cè)向徑流補給加?。灰虼?，在無人工開采條件下，熱水自然徑流速度還要緩慢，滯留時間更長。

4 結(jié)論

（1）黃驊臺陷（滄州段）館陶組熱水水化學(xué)類型均為Cl-Na型，TDS含量4105.7～6446.1 mg/L；pH值為7.53～8.27，屬弱堿性水。其中南皮斷凹Ⅳ級構(gòu)造單元內(nèi)TDS含量較高，該地區(qū)所處水文地球化學(xué)環(huán)境相對更封閉，水巖反應(yīng)更充分，導(dǎo)致溶解圍巖中組分更多。所有水樣均屬于中度變質(zhì)水，變質(zhì)程度與濃縮程度、TDS濃度大小基本呈對應(yīng)關(guān)系。

（2）研究區(qū)內(nèi)館陶組熱水大部分水樣水巖作用尚未達(dá)到平衡狀態(tài)，溶濾作用仍在進行中，隨熱儲溫度越高，水樣越接近反應(yīng)平衡；鈉鉀溫標(biāo)（R.O.Fournier）對于估算研究區(qū)的熱儲溫度適應(yīng)性更好。

（3）通過本次研究表明區(qū)內(nèi)館陶組熱儲圍巖的主要礦物成分中，易溶成分巖鹽、石膏、無水石膏等均未達(dá)到飽和，而難溶成分方解石、白云石、石英、玉髓、滑石等基本達(dá)到了飽和狀態(tài)；該區(qū)館陶組熱水中Cl-和Na+均來自巖鹽的溶解。

（4）研究區(qū)內(nèi)館陶組熱水來源為大氣降水，地?zé)崃黧w補給區(qū)距研究區(qū)較遠(yuǎn)，經(jīng)過長時間的徑流運移至研究區(qū)內(nèi)，熱水循環(huán)速率為18 mm/d，徑流比較緩慢、補給微弱，因此應(yīng)盡快建立地?zé)嵛菜毓嘀贫?，以可開采資源量、回灌能力、用熱需求，確定地?zé)崴目砷_采規(guī)模，從根本上保護地?zé)崴Y源，延長地?zé)豳Y源使用年限。

注 釋

①中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.2010.地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范：GB/T 1695-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.