郭本力，楊 鵬，袁 杰

(1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826； 2.山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 日照 276826；3.日照地質(zhì)地理信息大數(shù)據(jù)研究院，山東 日照 276826； 4.日照市土地質(zhì)量評價與污染修復重點實驗室，山東 日照 276826)

為了實現(xiàn)雙碳目標，可再生能源的開發(fā)與利用勢在必行。而地熱是一種資源豐富、應用廣泛、穩(wěn)定可靠、清潔低碳的綠色可再生能源，現(xiàn)已廣泛應用于發(fā)電、供暖、理療和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖，地熱資源的開發(fā)對于節(jié)能減排和改善環(huán)境具有重要意義[1]。對地熱水水化學的研究有助于識別地熱水來源、研究地熱系統(tǒng)中水巖相互作用及地熱水運動特征等，可為地熱資源開發(fā)、避免地熱水污染提供依據(jù)[2]。

目前研究地熱水水化學特征的方法包括Piper三線圖法、Na-K-Mg三角圖解法、多礦物平衡圖解法、飽和指數(shù)法和同位素分析法，這些方法可用來研究地熱水的水化學類型、補給來源以及賦存機理[3]。松柏地熱井位于膠南隆起區(qū)北部，五蓮-榮成斷裂的南段，該區(qū)地熱資源豐富。但目前尚未對日照市膠南隆起區(qū)北部地熱水進行過全面研究，對該區(qū)地熱水水文地球化學特征及成因也缺乏系統(tǒng)認識。本研究以松柏地熱井為例，運用Piper三線圖法、Na-K-Mg三角圖解法、多礦物平衡圖解法等手段，對該區(qū)的熱儲溫度、補給來源、循環(huán)條件及水巖相互作用進行研究，為地熱資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地熱地質(zhì)條件

松柏地熱井位于日照市五蓮縣松柏鎮(zhèn)北部(圖1)，成井時間為2017年6月，成井深度1 570 m，井口溫度75 ℃，單井涌水量1 486.08 m3/d(降深31.40 m)。區(qū)域上屬膠南隆起區(qū)，區(qū)內(nèi)地層不發(fā)育，僅局部沉積了白堊紀青山群、萊陽群，巖性以火山角礫巖、含礫粗砂巖、凝灰?guī)r及細砂巖為主。區(qū)內(nèi)侵入巖廣泛分布，其中以燕山晚期侵入巖最多，約占出露面積的60%，巖性為中粗粒-細粒二長花崗巖，其次為晉寧期二長花崗質(zhì)片麻巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北北東和北東向為主，北西向次之。

1—第四紀沂河組；2—白堊紀石前莊組；3—白堊紀八畝地組；4—白堊紀曲格莊組；5—燕山晚期孤山單元；6—燕山晚期望海樓單元；7—燕山晚期通天嶺單元；8—燕山晚期岐陽單元；9—晉寧期威海單元；10—花崗斑巖脈；11—流紋斑巖脈；12—地質(zhì)界線；13—斷裂及編號；14—地熱井位置

松柏-小王疃斷裂(F1)：NNE向斷裂，走向15°～30°，傾向南東，傾角70°～80°，斷裂上下盤巖性均為中-中粗粒二長花崗巖，斷層內(nèi)擠壓特征明顯，巖石風化強烈，性質(zhì)為壓扭性，長度大于24 km。區(qū)域測溫資料表明，松柏-小王疃斷裂影響帶地溫梯度遠高于一般地區(qū)，為區(qū)域?qū)釘嗔选?/p>

松柏-叩官斷裂(F2)：NW向斷裂，走向307°左右，傾向北東，傾角80°左右，斷裂兩側(cè)出露青山群八畝地組及燕山晚期石英斑巖并左行切割，東段大部分被第四系覆蓋，經(jīng)鉆探揭露，為張性富水斷裂。

香店-松柏斷裂(F5)：NE向斷裂，走向50°，斷層南段走向35°左右，北段走向75°左右，傾向北西，傾角在80°左右，該斷裂性質(zhì)為張性導水斷裂。

松柏-小王疃斷裂(F1)為壓扭性，主要起導熱、阻水作用，松柏-叩官斷裂(F2)、香店-松柏斷裂(F5)為張性，主要起導水作用，這3條斷裂的構(gòu)造破碎帶組成了區(qū)內(nèi)地下水的補給、運移、富集及儲存空間。

2 地熱水采集及測試分析

采樣工作于2017年5月開展，嚴格按照水樣采集、保存和送檢的要求進行，在地熱井產(chǎn)能測試結(jié)束前采集，共采集全分析水樣1件，同位素樣品1件。樣品測試工作委托國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心完成，水質(zhì)全分析依據(jù)GB 8538—2016《飲用天然礦泉水標準檢驗方法》[4]檢測。水樣的穩(wěn)定同位素δD和δ18O值采用波長掃描-光腔衰蕩光譜法檢測。

3 地熱水水化學特征

3.1 地熱水水化學類型

圖2 地熱水Piper三線圖

表1 松柏地熱井地熱水分析結(jié)果

地熱水同時富含多種對人體有益的微量元素，地熱水中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。根據(jù)GB/T 1615—2010《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》[5]理療熱礦水水質(zhì)標準，F(xiàn)-和H2SiO3含量均達到有醫(yī)療價值濃度和命名礦水濃度，具有理療保健功效(陰陽離子平衡檢查E%相對誤差0.268)。

3.2 地熱水元素比例系數(shù)特征

地下水中各離子比例系數(shù)可以用來判斷地下水的成因和地下水化學成分的來源或形成過程[6]。本研究選用γ(Na)/γ(Cl)、γ(SO4)/γ(SO4+Cl)、γ(Ca+Mg)/γ(CO3+HCO3+SO4)、γ(Ca)/γ(Mg)系數(shù)分析地熱水成因(表2)。

表2 松柏地熱井地熱水各離子比例系數(shù)表

γ(Na)/γ(Cl)又稱變質(zhì)系數(shù)，用來表示地層的封閉性特征，是判斷地下水的變質(zhì)程度和活動性的重要指標。變質(zhì)系數(shù)越小，表明地下水越濃縮，變質(zhì)程度越深，含水層的封閉越好、反映為比較還原的水體環(huán)境；該系數(shù)越大，表明地下水受滲入補給的影響越強。標準海水的γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)值為0.85，受大氣降水入滲溶濾影響的地下水γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)值一般大于0.85，經(jīng)過強烈水巖作用和蒸發(fā)濃縮的陸相沉積水γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)值一般小于0.85，與巖鹽層溶濾作用相關(guān)的地下水變質(zhì)系數(shù)接近1.0。經(jīng)計算，本研究區(qū)地熱水的γ(Na)/γ(Cl)系數(shù)值為2.77，遠高于0.85，說明研究區(qū)地熱水受到入滲補給影響，構(gòu)造的開放性較好，熱儲環(huán)境開放。

γ(SO4)/γ(SO4+Cl)為脫硫系數(shù)，表示脫硫酸作用程度。一般脫硫系數(shù)越小，地層越封閉，還原作用越強；反之開放性較好。海水的脫硫系數(shù)一般為0.09，若地層水脫硫系數(shù)大于0.09，說明地下水儲存環(huán)境較開放。本研究區(qū)γ(SO4)/γ(SO4+Cl)系數(shù)為0.7，說明地熱水環(huán)境封閉性差，可更新能力強。

3.3 地熱水腐蝕性及碳酸鈣結(jié)垢趨勢評價

地熱水的礦化度一般較高，在傳送運輸過程中，由于溫度和壓力的降低，地熱水中的礦物容易過飽和發(fā)生沉淀作用形成結(jié)垢，結(jié)垢層增厚造成井管的有效管徑變小，系統(tǒng)阻力增加，輸送地熱水所需能耗也會加大，嚴重者甚至可造成換熱設備及管道的堵塞。另外，地熱水中也會含有多種腐蝕性化學組分，對地熱設備造成嚴重的腐蝕破壞，因此，需要對地熱水的腐蝕與結(jié)垢問題進行評價分析[7]。

1) 地熱水腐蝕性評價

地熱水中的硫化氫、游離二氧化碳、硫酸根和氯離子等組分對金屬有一定的腐蝕性,根據(jù)GB/T 1615—2010《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》[5]，參照工業(yè)上用腐蝕系數(shù)來衡量地熱流體(水)的腐蝕性。

2) 地熱水碳酸鈣結(jié)垢趨勢評價

本地熱井地熱水的氯離子的摩爾當量為27.61%，大于25%，因此采用拉伸指數(shù)(LI)對碳酸鈣的結(jié)垢趨勢和腐蝕性程度進行評價。計算公式如下：

(1)

式中：Cl—氯化物或鹵化物濃度，mg/L；SO4—硫酸鹽濃度，mg/L；ALK—總堿度，mg/L；以上三項均以等當量的CaCO3表示。

當LI≤0.5，可能結(jié)垢，沒有腐蝕性；0.510，有強腐蝕性。經(jīng)計算，松柏地熱井地熱水LI值為16.37，此地熱水碳酸鈣不結(jié)垢，具有強腐蝕性(表3)。

表3 松柏地熱井地熱水腐蝕性及結(jié)垢評價

3.4 熱儲溫度估算

在地下熱水研究和開發(fā)利用中，熱儲溫度是劃分地熱系統(tǒng)的成因類型和評價地熱資源潛力的重要參數(shù)，但在通常情況下難以直接測量，地熱溫標方法是提供這一參數(shù)的經(jīng)濟有效手段[8]。地熱溫標法，是利用地熱流體和礦物在一定溫度下達到化學平衡，在隨后地熱流體溫度降低時，仍保持這一平衡的特點來估算深部熱儲溫度的方法[9]。目前，熱儲溫度研究中比較常用的是陽離子溫標和二氧化硅溫標，陽離子溫標包括K-Mg溫標、Na-K溫標和Na-K-Ca溫標等[10]，二氧化硅溫標常用石英溫標和玉髓溫標。

使用地熱溫標方法的基本前提是作為地熱溫標的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲中礦物達到平衡狀態(tài)[11]，有時由于成井工藝原因，造成淺層未達到平衡的冷水與地熱水混合或發(fā)生化學反應，可能導致作為地熱溫標的化學組分與熱儲中的礦物不平衡，會造成計算結(jié)果偏差。因此需要在檢驗地熱水的水-巖平衡狀態(tài)和地熱溫標可靠性分析的基礎上，選用合適的地熱溫標估算熱儲溫度。

1) 水-巖礦物平衡判斷

Giggenbach(1988)[12]提出Na-K-Mg三角圖解法用于判斷水-巖的平衡狀態(tài)以及是否有淺層水的混入，該方法將地熱水劃分為完全平衡、部分平衡和未成熟水三種類型[13-14]。當?shù)責崴幱谕耆胶鉅顟B(tài)時，使用陽離子溫標法得到的熱儲溫度會更加可靠；當?shù)責崴幱谖闯墒焖膮^(qū)域，則不宜用陽離子溫標計算熱儲溫度[15]。

將研究區(qū)地熱水的Na+、K+、Mg2+離子含量經(jīng)轉(zhuǎn)化后投影至Na-K-Mg三角平衡圖解上(圖3)。從圖3可以看出，地熱水位于部分平衡區(qū)域，說明經(jīng)深循環(huán)的熱水沿斷裂通道上升過程中，可能受到淺部冷水混合稀釋變成了部分平衡水，但總體受到混合的冷水份額較少，接近水-巖平衡狀態(tài)，因此，可以采用陽離子溫標估算熱儲溫度作為參考。

圖3 地熱水Na-K-Mg三角平衡圖解

2) 多礦物平衡圖解法

Reed和Spycher[16]提出多礦物平衡圖解法以判斷地熱系統(tǒng)中熱液與礦物之間總體的化學平衡狀態(tài)。其原理是將水中多種礦物的溶解狀態(tài)作為溫度的函數(shù)，若一組礦物在某一特定溫度下同時接近平衡，則可判斷熱水與這組礦物達到了平衡，平衡時溫度即為深部熱儲溫度[17]。

根據(jù)地熱水化學分析資料，利用PHREEQC軟件計算了硬石膏、天青石、玉髓、石英和海泡石5種礦物在溫度0～200 ℃的飽和指數(shù)SI，SI=0說明礦物處于溶解平衡狀態(tài)，SI<0礦物處于未飽和狀態(tài)，SI>0礦物處于過飽和狀態(tài)[18]，并以溫度為橫坐標，飽和指數(shù)SI為縱坐標繪制了礦物-熱液平衡狀態(tài)的SI-T曲線圖(圖4)。從圖4可以看出，地熱水中硬石膏、天青石、玉髓、石英和海泡石5種礦物顯示較好的收斂性，收斂范圍在110～130 ℃。其中硬石膏、天青石和海泡石3種礦物的趨勢線在SI=0附近相交，交點處溫度為124 ℃，同時在該溫度下，玉髓、石英礦物也近似飽和，因此交點處溫度124 ℃可作為該樣品的熱交換平衡溫度。

圖4 地熱水SI-T曲線圖

3) 地球化學溫標法

根據(jù)地熱水的水化學特征及地熱地質(zhì)條件，按照不同地熱溫標的適用條件，選取Na-K溫標、K-Mg溫標、玉髓溫標和無蒸汽損失的石英溫標公式(表4)分別計算地熱井的熱儲溫度，計算結(jié)果見表5。

表4 地球化學溫標公式選取表

表5 松柏地熱井熱儲溫度

計算結(jié)果顯示TNa-K>T石英>T玉髓>TK-Mg，陽離子溫標中Na-K溫標比K-Mg溫標計算的結(jié)果高很多，這是因為Na-K溫標對溫度變化的反應相對緩慢，一般適用于循環(huán)時間比較長，且高于180 ℃的高溫地熱系統(tǒng)，在熱水溫度較低，或熱水受到淺層冷水混合時(部分平衡水或未成熟水)，計算結(jié)果偏差較大；另外從圖4礦物溶解曲線中，也可以看出熱儲溫度在110～130 ℃，所以Na-K溫標計算結(jié)果偏大。

K-Mg溫標相對于溫度的變化響應迅速，受到冷水混合后K-Mg平衡被打破可迅速發(fā)生再平衡，因此使得計算結(jié)果偏向淺層熱交換溫度，計算結(jié)果偏低，所以TK-Mg可作為本次熱儲溫度的下限值。

SiO2地熱溫標中T石英大于T玉髓。研究表明，當溫度小于110 ℃時，溶液中的二氧化硅含量由玉髓控制；溫度為110～180 ℃時，溶液中的石英和玉髓都可以達到平衡；當溫度大于180 ℃時，溶液中的二氧化硅含量由石英控制[19]。根據(jù)上文所述，熱儲溫度應該大于TK-Mg的116.35 ℃，說明石英和玉髓都可以和溶液達到平衡，但從圖4來看，玉髓飽和度趨勢線相較于石英更接近平衡線，說明玉髓比石英溫標更可靠。

綜合分析認為，該區(qū)地熱水為部分平衡水，受到了淺部冷水混合的影響，因此K-Mg溫標和玉髓溫標計算的熱儲溫度值偏??；多礦物平衡圖解法中多種礦物在124 ℃同時近似飽和，該溫度可靠性更高，因此確定熱儲溫度為124 ℃。

4 同位素特征

4.1 地熱水補給

地熱水中穩(wěn)定同位素δD和δ18O的組成通常用于確定地熱水的成因[20]。根據(jù)魯東地區(qū)的雨水線方程δD=7.5δ18O+5.4，與全國的雨水線方程δD=7.8δ18O+8.2，繪制了δD-δ18O關(guān)系圖(圖5)。通過地熱水中δD和δ18O測試數(shù)據(jù)(δD=-69‰，δ18O=-9.5‰)可知，測點位于全國降水線及魯東地區(qū)雨水線附近，氧同位素基本未發(fā)生漂移，說明大氣降水為地熱水的補給來源，即地熱水主要由大氣降水入滲地下后經(jīng)深循環(huán)加熱形成。

圖5 地熱水δD-δ18O關(guān)系圖

4.2 地熱水補給范圍

大氣降水的氫、氧同位素具有高度效應，即δ18O或δD值隨著高程的增加而降低，因此可以利用該效應計算地熱水補給區(qū)的高程，進而結(jié)合地熱地質(zhì)條件推斷地熱水大致的補給區(qū)范圍，見計算公式(2)。另外，由于δD在水巖作用過程中比較穩(wěn)定，且對區(qū)域海拔高度變化的反應更為靈敏[20]，因此選擇δD值計算地下水的補給高程。

(2)

式中：H—同位素入滲高程(補給區(qū)高程)，m；h—取樣點高程，m；δG—水樣中的δD值，‰；δP—取樣點附近大氣降水的δD值，‰；K—同位素高度梯度，n‰/100 m，即相對高度每變化100 m時δD值的變化量。

地熱水的δD值為-69‰，取樣點海拔標高為167 m，取研究區(qū)北部青島市嶗山區(qū)大氣降水的δD=-63‰作為參考計算值，δD高度梯度每100 m為-2.5‰～2.0‰[21]。

經(jīng)計算，地熱水的補給高程為407～467 m，根據(jù)區(qū)域地形地貌及水文地質(zhì)條件判斷，補給區(qū)范圍為南部五蓮山、九仙山一帶。

4.3 熱儲循環(huán)深度估算

根據(jù)同位素測試結(jié)果可知，該地熱水補給來源為大氣降水，大氣降水沿裂隙或破碎帶下滲進行深循環(huán)，在循環(huán)過程中受高溫圍巖加熱使得溫度升高，地熱水的溫度隨入滲循環(huán)深度的增大而增加，因此利用式(3)計算地熱水的循環(huán)深度。

(3)

式中：H—地熱水循環(huán)深度，m；T1—熱儲溫度，℃，取多礦物平衡圖解法確定的溫度124 ℃；T0—恒溫帶溫度，℃；tg—地溫梯度，℃/100 m；h0—恒溫帶深度，m。

根據(jù)井溫測量結(jié)果(圖6)，恒溫帶底板埋深40.50 m，恒溫帶溫度14.80 ℃，孔深1 570 m的溫度為87.13 ℃。經(jīng)計算，地溫梯度為4.73 ℃/100 m。

圖6 松柏地熱井鉆孔柱狀圖及測溫曲線圖

將上述參數(shù)代入式(3)，計算得出研究區(qū)地熱水循環(huán)深度約為2 349 m。

5 地熱成因分析

該區(qū)地熱水屬斷裂控制的中低溫深循環(huán)對流系統(tǒng)，熱儲類型屬花崗巖類帶狀熱儲。區(qū)域地下水總體由南向北徑流，補給區(qū)為南部的五蓮山、九仙山一帶，地下水的補給來源為大氣降水。大氣降水通過巖石風化裂隙及構(gòu)造破碎帶構(gòu)成的裂隙網(wǎng)絡，沿地形坡度由南向北徑流，在徑流過程中不斷有水流沿構(gòu)造破碎帶、裂隙垂直下滲向深部運移，形成區(qū)域流動系統(tǒng)。在深循環(huán)過程中，流體不斷與高溫圍巖進行熱交換，從而形成地熱水，地熱水徑流至松柏一帶，受松柏-小王疃斷裂阻擋逐漸滯留、富集。尤其是在松柏-小王疃斷裂、香店-松柏斷裂和松柏-叩官斷裂3條斷裂交匯部位，次級斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎強烈，形成了良好的導水通道及儲水空間，更有利于地熱水的富集，形成地熱資源。另外，松柏-小王疃斷裂為控熱斷裂，正常大地熱流增溫的地熱水，在流至該斷裂后，地下水與導熱斷裂發(fā)生水熱對流，形成溫度更高的地熱水。

6 結(jié)論

1) 松柏地熱井水溫為75 ℃，為熱水型低溫地熱資源，水化學類型屬SO4·C1-Na，微咸水，地熱水富含多種對人體有益的微量元素，其中F和H2SiO3含量均達到命名礦水濃度，具有較高的理療價值。

2) 根據(jù)拉伸指數(shù)判斷，地熱水碳酸鈣不結(jié)垢，具有強腐蝕性；根據(jù)腐蝕系數(shù)Kk評價，地熱水為半腐蝕性水。

3) 松柏地熱井熱儲溫度為124 ℃，熱循環(huán)深度2 349 m。通過同位素分析認為，松柏地熱井地下水補給來源主要為大氣降水，補給高程為407～467 m，補給區(qū)范圍為東南五蓮山、九仙山一帶。

4) 研究區(qū)地熱水屬斷裂控制的中低溫深循環(huán)對流系統(tǒng)，熱儲類型屬花崗巖類帶狀熱儲。大氣降水沿基巖裂隙和構(gòu)造破碎帶下滲形成深部地熱水，徑流至松柏地區(qū)在斷裂交匯處富集，形成地熱資源。