牛兆軒， 牛雪， 張成龍， 陳東方， 鄧志輝

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

0 引言

地?zé)嶂竵?lái)自地球深部的可再生資源，全球地?zé)豳Y源的總量約14.5×1025J，到21世紀(jì)末地?zé)崮艿睦昧靠赡軙?huì)占世界能源總量的30%～80%[1-3]。地?zé)崮芫哂泄┠艹掷m(xù)穩(wěn)定、循環(huán)利用高效、可再生等特點(diǎn)，可減少溫室氣體排放，有助于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[4-7]。因地制宜地開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮?，可以為能源替代和?shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供新方法、新思路[8～9]。因此，開(kāi)展區(qū)域性地?zé)豳Y源成因模式的研究具有一定的理論意義和實(shí)踐意義。

唐山地區(qū)位于環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)圈，經(jīng)濟(jì)與交通發(fā)達(dá)，但環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，迫切需要開(kāi)發(fā)清潔型的新能源。多年來(lái)的勘查工作發(fā)現(xiàn)唐山市南部沿海地區(qū)地?zé)豳Y源豐富[10-12]，地下熱水的開(kāi)發(fā)利用得到了初步發(fā)展，但利用形式單一，多為冬季養(yǎng)蝦等用途，且利用率不高。前人對(duì)渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡—柳贊—馬頭營(yíng)地?zé)崽锏难芯砍醪教矫黟^陶組蘊(yùn)含的地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，且在深部賦存了豐富的干熱巖資源； 馬頭營(yíng)地區(qū)干熱巖資源總計(jì)5.00×1019J，形成了深淺搭配，以養(yǎng)殖、供暖為主，試驗(yàn)性發(fā)電為輔的綜合地?zé)衢_(kāi)發(fā)模式[13-17]，但針對(duì)地下熱水的水化學(xué)特征及成因模式的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)分析唐山市濱海地區(qū)地下熱水的水文地球化學(xué)特征，使用化學(xué)溫度計(jì)方法估算其熱儲(chǔ)溫度和循環(huán)深度，初步探討了研究區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式，以期為未來(lái)該區(qū)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省東北部，屬于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中心地帶，是東北與華北兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)的結(jié)合部。屬暖溫帶濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫12.5 ℃，年降水量500～750 mm，蒸發(fā)量1 500～1 800 mm[18]（圖1）。

太古宇與震旦系主要出露于唐山地區(qū)的北部山區(qū); 寒武系與奧陶系分布于山區(qū)邊緣; 石炭系與二疊系在山區(qū)邊緣有少量出露，多數(shù)隱伏于南部平原區(qū); 侏羅系后城組少量分布于研究區(qū)北部; 新近系主要下伏于平原區(qū)的第四系，為內(nèi)陸河湖相碎屑巖類，各類砂巖與泥巖互層，最厚處約2 000 m; 第四系廣泛分布，為南部平原區(qū)的主體，最厚處約600 m，新近系和第四系厚度均呈現(xiàn)由北向南逐漸增加的趨勢(shì)（圖2）。

唐山市地?zé)豳Y源豐富，地下熱水可開(kāi)采資源量大，主要的熱儲(chǔ)層為新近系明化鎮(zhèn)組與館陶組，新近系廣泛分布于窩洛沽—灤縣斷裂以南，屬于河流相沉積，巖性從下至上表現(xiàn)出巖石粒度由粗（館陶組）變細(xì)（明化鎮(zhèn)組下段）再變粗（明化鎮(zhèn)組上段）的規(guī)律。該熱儲(chǔ)層特點(diǎn)為水量大、水溫較高、面積大，地下熱水資源具有極為廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景[10]。

圖1 唐山市平原區(qū)地質(zhì)地貌Fig.1 Geological and geomorphological of the plain area in Tangshan City

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面Fig.2 Hydrogeological profile of the study areu

2 樣品采集與測(cè)試

為了解研究區(qū)地下熱水的水化學(xué)特征，本研究選取5個(gè)唐山市沿海養(yǎng)殖自打地?zé)嵘罹畼悠罚x取1個(gè)曹妃甸區(qū)柳贊鎮(zhèn)附近地溫異常區(qū)的淺層地?zé)峋畼悠罚▓D3）。在取樣前，取樣瓶均用預(yù)取水樣清洗3次以上，現(xiàn)場(chǎng)使用0.22 μm的過(guò)濾頭對(duì)H、O同位素樣品進(jìn)行過(guò)濾處理后，采集并密封保存。

圖3 取樣點(diǎn)位置Fig.3 Location of sampling points

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 水文地球化學(xué)特征

地球化學(xué)測(cè)試結(jié)果如表1所示。5個(gè)沿海地?zé)峋畼拥乃疁貫?5～86 ℃，屬于中低溫地下熱水; pH值為8.77～9.15; 電導(dǎo)率為1 547～5 022 μS/cm，溶解性固體總量（total dissolved solids,TDS）值為960.37～1 643.79 mg/L，屬于高礦化度弱堿性硬水，水溫異常的水樣DR-1由柳贊鎮(zhèn)附近取得。

表1 研究區(qū)地下熱水水化學(xué)參數(shù)

圖4 研究區(qū)樣品Piper圖解Fig.4 Piper diagram of samples in the study area

3.2 δD-δ18O關(guān)系

δD-δ18O關(guān)系的特征可以用來(lái)識(shí)別地下熱水的補(bǔ)給來(lái)源和補(bǔ)給特征[21]。唐山市南部平原區(qū)第四系地下水的δD-δ18O關(guān)系如圖5所示[20]，除深度較淺、溫度較低的DR-1外，樣品均發(fā)生顯著的δ18O正偏，但總體依然落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，表明研究區(qū)地下熱水來(lái)自所在區(qū)域大氣降水補(bǔ)給。

圖5 研究區(qū)地下水的δD-δ18O關(guān)系Fig.5 δD-δ18O relationship diagram of geothermal water in the study area

大氣降水中的δD和δ18O值與區(qū)域多年平均溫度呈線性關(guān)系的現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)[19]。我國(guó)東部地區(qū)大氣降水的δD和δ18O值與當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁豑（℃）之間關(guān)系的公式為

δD=2.8T-94，

（1）

δ18O=0.35T-13。

（2）

地下水H、O同位素的特征包含多種補(bǔ)給特征信息，可以通過(guò)各類水體信息推測(cè)研究區(qū)的補(bǔ)給溫度，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境演化規(guī)律，大體確定各類水體的補(bǔ)給時(shí)間段。依據(jù)樣品的δD和δ18O值，結(jié)合式（1）和式（2）得出水體的補(bǔ)給溫度，結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)地下熱水的補(bǔ)給溫度

樣品δ18O正偏的現(xiàn)象說(shuō)明地下熱水的O同位素與圍巖發(fā)生了同位素交換，而地下熱水的δD與淺層低溫地下水相當(dāng)，表明地下熱水主要來(lái)源于大氣降水[16]，因此選取更為穩(wěn)定的氫同位素計(jì)算出的補(bǔ)給溫度，即沿海地下熱水補(bǔ)給溫度約7 ℃。

3.3 水-巖平衡狀態(tài)判別

Na-K-Mg三角圖有助于確定水體是否與周圍巖石達(dá)到均衡，并證明是否存在混合作用[22]。將地?zé)崴殖赏耆胶馑?、部分平衡水或混合水、成熟水，為確定水-巖平衡狀態(tài)提供了便利工具。

將樣品的Na+、K+和Mg2+含量投影到Na-K-Mg三角圖中（圖6）。所有樣品均落于部分平衡水或混合水區(qū)域，且沿海地?zé)峋畼咏咏耆胶馑畢^(qū)域，說(shuō)明研究區(qū)地?zé)崴乃畮r相互作用較活躍，地?zé)崴?jīng)歷了長(zhǎng)期的水巖相互作用，并與熱儲(chǔ)圍巖達(dá)到了水巖平衡狀態(tài)，但地?zé)崴谙虻乇砼判沟倪^(guò)程中受到少量淺層地下水的混合作用，其中混合作用最強(qiáng)的為柳贊鎮(zhèn)附近的異常地?zé)峋畼悠贰?/p>

圖6 研究區(qū)樣品Na-K-Mg三角圖Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of samples in the study area

3.4 熱儲(chǔ)溫度

地?zé)釡貥?biāo)是在地?zé)崃黧w礦物質(zhì)化學(xué)平衡的狀態(tài)下，依據(jù)熱水化學(xué)性質(zhì)與熱儲(chǔ)溫度的相關(guān)性確定熱儲(chǔ)溫度，測(cè)試地?zé)崴蠳a+、K+及SiO2等的濃度，利用SiO2溫標(biāo)與陽(yáng)離子溫標(biāo)等手段綜合評(píng)價(jià)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)溫度（表3）[23-24]。

SiO2地?zé)釡貥?biāo)是依據(jù)地?zé)崃黧w中的SiO2含量與熱儲(chǔ)溫度及壓力的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。SiO2一般不受其它離子及揮發(fā)物質(zhì)散失的影響，且不隨熱流因傳導(dǎo)損失冷卻而迅速沉淀，因此地?zé)崃黧w中的SiO2含量是地下熱儲(chǔ)在地表顯示的重要證據(jù)。SiO2地?zé)釡貥?biāo)適宜的熱水溫度范圍為0～250 ℃，不適用于已經(jīng)受稀釋的熱水或pH值小于7的酸性水。

常用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)包括Na-K、K-Mg和Na-K-Ca溫標(biāo)。此外，根據(jù)水化學(xué)組分和地質(zhì)條件可選用Na-Li溫度計(jì)、Na-Ca溫度計(jì)和K-Ca溫度計(jì)等。陽(yáng)離子溫度計(jì)均需要在礦物與地?zé)崴_(dá)到化學(xué)平衡的條件下使用，因此運(yùn)用這些溫標(biāo)之前，首先要假定作為溫標(biāo)的某種溶質(zhì)在深部熱儲(chǔ)中達(dá)到了平衡狀態(tài)。研究區(qū)除個(gè)別水樣為平衡水外，主要為部分平衡水，但均靠近平衡水范圍，表明水樣中淺層冷水混入量較少，可以使用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法，但需對(duì)不同陽(yáng)離子溫標(biāo)進(jìn)行分析，選取受冷水混入影響較小的溫標(biāo)。研究區(qū)水樣熱儲(chǔ)溫度見(jiàn)表4。

表3 常用溫度計(jì)公式

表4 地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算結(jié)果

綜合分析上述各地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算得到的熱儲(chǔ)溫度，玉髓溫標(biāo)所計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度普遍低于石英溫標(biāo)，個(gè)別水樣點(diǎn)使用玉髓溫標(biāo)所計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度甚至低于井口出水溫度，表明玉髓溫標(biāo)失效，該地?zé)嵯到y(tǒng)中石英的平衡控制著SiO2的濃度。

由于多數(shù)水樣存在少量淺層冷水混合作用，因此Na-K溫標(biāo)和K-Mg溫標(biāo)計(jì)算的溫度會(huì)偏低，而Na-K溫標(biāo)受冷水混合作用后再平衡影響的時(shí)間較長(zhǎng)，可以最大程度地保留受冷水混合時(shí)的離子信息，因此該溫標(biāo)估算的溫度可以代表地?zé)崃黧w和冷水混合時(shí)的瞬間溫度，但K-Mg溫標(biāo)受到的影響較為嚴(yán)重，計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度偏低（表4），不適用于該地?zé)嵯到y(tǒng)。

Na-K-Ca溫標(biāo)是對(duì)Na-K溫標(biāo)估算的熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行修正后建立的方法，適用于中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)[30]，一般認(rèn)為若地?zé)崴笑眩∕g2+）>1 mg/L，則此溫標(biāo)存在誤差[31]。除水樣DR-1的ρ（Mg2+）=4.61 mg/L，可以認(rèn)為該溫標(biāo)計(jì)算得到其他樣品的熱儲(chǔ)溫度較為可靠。

黏土礦物對(duì)Li+的吸附或解吸影響會(huì)改變地?zé)崃黧w中的Li+含量，且Na-Li溫標(biāo)主要用于碳酸鹽巖地區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)中熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算，因此該溫標(biāo)不適用于研究區(qū)。

綜上所述，本文選取石英溫標(biāo)、Na-K溫標(biāo)和Na-K-Ca溫標(biāo)部分可靠的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，計(jì)算其算術(shù)平均值作為本次所選地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度（表5）。

表5 研究區(qū)地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度Tab.5 Thermal storage temperature of geothermal water in the study area

3.5 循環(huán)深度及熱儲(chǔ)成因模式

地下熱水溫度與地下水的循環(huán)深度之間呈線性關(guān)系，通常情況下地下熱水循環(huán)深度越深，地下熱水的溫度越高，地下水的循環(huán)深度的計(jì)算公式為

H=（t-t0）/Δt+h。

（3）

式中:H為循環(huán)深度，m;t為計(jì)算熱儲(chǔ)溫度，℃;t0為研究區(qū)恒溫帶溫度，取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁丶? ℃,即14.5 ℃; Δt為地溫梯度，℃/100 m，根據(jù)已有鉆井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)平均地溫梯度為3.27 ℃/100 m[12，31-32];h為恒溫帶深度，取20 m。

綜上所述，研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度可分為60～70 ℃和90～100 ℃兩個(gè)區(qū)間，分別代表不同的地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)，計(jì)算得到循環(huán)深度為1 500～1 800 m和2 400～2 700 m。

研究區(qū)基巖埋深約1 700～2 000 m，因此，研究區(qū)熱儲(chǔ)系統(tǒng)可分為以新近系為熱儲(chǔ)層的低溫地?zé)嵯到y(tǒng)和以基巖為熱儲(chǔ)層的中溫地?zé)嵯到y(tǒng)，唐山市濱海地區(qū)地?zé)崽飳僦械蜏貍鲗?dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)，形成以館陶組為主要熱儲(chǔ)層，深部燕山期高溫花崗巖（干熱巖）提供持續(xù)熱源的地?zé)嵯到y(tǒng)（圖7）。此地?zé)嵯到y(tǒng)因存在深部高溫穩(wěn)定熱源，地?zé)崮芊€(wěn)定，但因地下水循環(huán)深度較深，且遠(yuǎn)離山前補(bǔ)給區(qū)，水交替循環(huán)緩慢。根據(jù)其水化學(xué)類型從山前HCO3-Ca型經(jīng)過(guò)水化學(xué)演化逐漸演變?yōu)镠CO3-Na型、TDS含量較高的特點(diǎn)，可判斷如果長(zhǎng)期大量開(kāi)采且不進(jìn)行回灌補(bǔ)給，可能導(dǎo)致該地?zé)崽锏馁Y源枯竭，且大量開(kāi)采深層承壓含水層地下水會(huì)導(dǎo)致地面沉降。

圖7 研究區(qū)水熱型地?zé)岢梢蚰Ｊ紽ig.7 Hydrothermal geothermal genetic model in the study area

4 結(jié)論與建議

（1）唐山市濱海地區(qū)地下熱水出露溫度為 26～86 ℃，屬中低溫地下熱水。熱水TDS為482～1 644 mg/L，pH值為8.25～9.15，為高礦化度弱堿性熱水，水化學(xué)類型為HCO3-Na型。

（2）研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度可分為60～70 ℃和90～100 ℃兩個(gè)區(qū)間，分別代表不同的地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)，計(jì)算得到的循環(huán)深度為1 500～1 800 m 和2 400～ 2 700 m。唐山市濱海地區(qū)地?zé)崽飳僦械蜏貍鲗?dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)，形成以館陶組為主要熱儲(chǔ)層，深部燕山期高溫花崗巖（干熱巖）提供持續(xù)熱源的地?zé)嵯到y(tǒng)。

（3）研究區(qū)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)具有持續(xù)穩(wěn)定的高溫?zé)嵩?，但其具有循環(huán)深度大、遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)等特點(diǎn)，水交替循環(huán)緩慢，因此當(dāng)?shù)貞?yīng)建立完善的地?zé)崮荛_(kāi)采管理體系，在高效開(kāi)采清潔地?zé)豳Y源的同時(shí)避免造成地?zé)嵛菜绊懎h(huán)境、資源枯竭及地面沉降等生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題。