牛兆軒， 牛雪， 張成龍， 陳東方， 鄧志輝
（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051）
地熱指來自地球深部的可再生資源，全球地熱資源的總量約14.5×1025J，到21世紀末地熱能的利用量可能會占世界能源總量的30%～80%[1-3]。地熱能具有供能持續穩定、循環利用高效、可再生等特點，可減少溫室氣體排放，有助于實現碳中和目標[4-7]。因地制宜地開發利用地熱能，可以為能源替代和實現碳中和目標提供新方法、新思路[8～9]。因此，開展區域性地熱資源成因模式的研究具有一定的理論意義和實踐意義。
唐山地區位于環渤海灣經濟圈，經濟與交通發達，但環境污染問題日益嚴重，迫切需要開發清潔型的新能源。多年來的勘查工作發現唐山市南部沿海地區地熱資源豐富[10-12]，地下熱水的開發利用得到了初步發展，但利用形式單一，多為冬季養蝦等用途，且利用率不高。前人對渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡—柳贊—馬頭營地熱田的研究初步探明館陶組蘊含的地熱資源量為13.79×1018J，且在深部賦存了豐富的干熱巖資源；
馬頭營地區干熱巖資源總計5.00×1019J，形成了深淺搭配，以養殖、供暖為主，試驗性發電為輔的綜合地熱開發模式[13-17]，但針對地下熱水的水化學特征及成因模式的研究相對較少。本文通過分析唐山市濱海地區地下熱水的水文地球化學特征，使用化學溫度計方法估算其熱儲溫度和循環深度，初步探討了研究區地熱系統的成因模式，以期為未來該區地熱資源的開發利用提供依據。
研究區位于河北省東北部，屬于環渤海經濟圈中心地帶，是東北與華北兩大經濟區的結合部。屬暖溫帶濕潤—半濕潤大陸季風性氣候區，年平均氣溫12.5 ℃，年降水量500～750 mm，蒸發量1 500～1 800 mm[18]（圖1）。
太古宇與震旦系主要出露于唐山地區的北部山區; 寒武系與奧陶系分布于山區邊緣; 石炭系與二疊系在山區邊緣有少量出露，多數隱伏于南部平原區; 侏羅系后城組少量分布于研究區北部; 新近系主要下伏于平原區的第四系，為內陸河湖相碎屑巖類，各類砂巖與泥巖互層，最厚處約2 000 m; 第四系廣泛分布，為南部平原區的主體，最厚處約600 m，新近系和第四系厚度均呈現由北向南逐漸增加的趨勢（圖2）。
唐山市地熱資源豐富，地下熱水可開采資源量大，主要的熱儲層為新近系明化鎮組與館陶組，新近系廣泛分布于窩洛沽—灤縣斷裂以南，屬于河流相沉積，巖性從下至上表現出巖石粒度由粗（館陶組）變細（明化鎮組下段）再變粗（明化鎮組上段）的規律。該熱儲層特點為水量大、水溫較高、面積大，地下熱水資源具有極為廣闊的開發利用前景[10]。
圖1 唐山市平原區地質地貌Fig.1 Geological and geomorphological of the plain area in Tangshan City
圖2 研究區水文地質剖面Fig.2 Hydrogeological profile of the study areu
為了解研究區地下熱水的水化學特征，本研究選取5個唐山市沿海養殖自打地熱深井水樣品，選取1個曹妃甸區柳贊鎮附近地溫異常區的淺層地熱井水樣品（圖3）。在取樣前，取樣瓶均用預取水樣清洗3次以上，現場使用0.22 μm的過濾頭對H、O同位素樣品進行過濾處理后，采集并密封保存。
圖3 取樣點位置Fig.3 Location of sampling points
3.1 水文地球化學特征
地球化學測試結果如表1所示。5個沿海地熱井水樣的水溫為45～86 ℃，屬于中低溫地下熱水; pH值為8.77～9.15; 電導率為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由柳贊鎮附近取得。
表1 研究區地下熱水水化學參數
圖4 研究區樣品Piper圖解Fig.4 Piper diagram of samples in the study area
3.2 δD-δ18O關系
δD-δ18O關系的特征可以用來識別地下熱水的補給來源和補給特征[21]。唐山市南部平原區第四系地下水的δD-δ18O關系如圖5所示[20]，除深度較淺、溫度較低的DR-1外，樣品均發生顯著的δ18O正偏，但總體依然落在當地大氣降水線附近，表明研究區地下熱水來自所在區域大氣降水補給。
圖5 研究區地下水的δD-δ18O關系Fig.5 δD-δ18O relationship diagram of geothermal water in the study area
大氣降水中的δD和δ18O值與區域多年平均溫度呈線性關系的現象稱為溫度效應[19]。我國東部地區大氣降水的δD和δ18O值與當地年平均氣溫T（℃）之間關系的公式為
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給特征信息，可以通過各類水體信息推測研究區的補給溫度，并結合區域地質環境演化規律，大體確定各類水體的補給時間段。依據樣品的δD和δ18O值，結合式（1）和式（2）得出水體的補給溫度，結果如表2所示。
表2 研究區地下熱水的補給溫度
樣品δ18O正偏的現象說明地下熱水的O同位素與圍巖發生了同位素交換，而地下熱水的δD與淺層低溫地下水相當，表明地下熱水主要來源于大氣降水[16]，因此選取更為穩定的氫同位素計算出的補給溫度，即沿海地下熱水補給溫度約7 ℃。
3.3 水-巖平衡狀態判別
Na-K-Mg三角圖有助于確定水體是否與周圍巖石達到均衡，并證明是否存在混合作用[22]。將地熱水分成完全平衡水、部分平衡水或混合水、成熟水，為確定水-巖平衡狀態提供了便利工具。
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域，且沿海地熱井水樣接近完全平衡水區域，說明研究區地熱水的水巖相互作用較活躍，地熱水經歷了長期的水巖相互作用，并與熱儲圍巖達到了水巖平衡狀態，但地熱水在向地表排泄的過程中受到少量淺層地下水的混合作用，其中混合作用最強的為柳贊鎮附近的異常地熱井水樣品。
圖6 研究區樣品Na-K-Mg三角圖Fig.6 Na-K-Mg triangle diagram of samples in the study area
3.4 熱儲溫度
地熱溫標是在地熱流體礦物質化學平衡的狀態下，依據熱水化學性質與熱儲溫度的相關性確定熱儲溫度，測試地熱水中Na+、K+及SiO2等的濃度，利用SiO2溫標與陽離子溫標等手段綜合評價地熱系統的熱儲溫度（表3）[23-24]。
SiO2地熱溫標是依據地熱流體中的SiO2含量與熱儲溫度及壓力的關系進行計算。SiO2一般不受其它離子及揮發物質散失的影響，且不隨熱流因傳導損失冷卻而迅速沉淀，因此地熱流體中的SiO2含量是地下熱儲在地表顯示的重要證據。SiO2地熱溫標適宜的熱水溫度范圍為0～250 ℃，不適用于已經受稀釋的熱水或pH值小于7的酸性水。
常用陽離子地熱溫標包括Na-K、K-Mg和Na-K-Ca溫標。此外，根據水化學組分和地質條件可選用Na-Li溫度計、Na-Ca溫度計和K-Ca溫度計等。陽離子溫度計均需要在礦物與地熱水達到化學平衡的條件下使用，因此運用這些溫標之前，首先要假定作為溫標的某種溶質在深部熱儲中達到了平衡狀態。研究區除個別水樣為平衡水外，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，可以使用陽離子地熱溫標法，但需對不同陽離子溫標進行分析，選取受冷水混入影響較小的溫標。研究區水樣熱儲溫度見表4。
表3 常用溫度計公式
表4 地熱溫標計算結果
綜合分析上述各地熱溫標計算得到的熱儲溫度，玉髓溫標所計算的熱儲溫度普遍低于石英溫標，個別水樣點使用玉髓溫標所計算的熱儲溫度甚至低于井口出水溫度，表明玉髓溫標失效，該地熱系統中石英的平衡控制著SiO2的濃度。
由于多數水樣存在少量淺層冷水混合作用，因此Na-K溫標和K-Mg溫標計算的溫度會偏低，而Na-K溫標受冷水混合作用后再平衡影響的時間較長，可以最大程度地保留受冷水混合時的離子信息，因此該溫標估算的溫度可以代表地熱流體和冷水混合時的瞬間溫度，但K-Mg溫標受到的影響較為嚴重，計算出的熱儲溫度偏低（表4），不適用于該地熱系統。
Na-K-Ca溫標是對Na-K溫標估算的熱儲溫度進行修正后建立的方法，適用于中低溫地熱系統[30]，一般認為若地熱水中ρ（Mg2+）>1 mg/L，則此溫標存在誤差[31]。除水樣DR-1的ρ（Mg2+）=4.61 mg/L，可以認為該溫標計算得到其他樣品的熱儲溫度較為可靠。
黏土礦物對Li+的吸附或解吸影響會改變地熱流體中的Li+含量，且Na-Li溫標主要用于碳酸鹽巖地區地熱系統中熱儲溫度的計算，因此該溫標不適用于研究區。
綜上所述，本文選取石英溫標、Na-K溫標和Na-K-Ca溫標部分可靠的計算結果進行綜合分析，計算其算術平均值作為本次所選地熱水的熱儲溫度（表5）。
表5 研究區地熱水熱儲溫度Tab.5 Thermal storage temperature of geothermal water in the study area
3.5 循環深度及熱儲成因模式
地下熱水溫度與地下水的循環深度之間呈線性關系，通常情況下地下熱水循環深度越深，地下熱水的溫度越高，地下水的循環深度的計算公式為
H=（t-t0）/Δt+h。
（3）
式中:H為循環深度，m;t為計算熱儲溫度，℃;t0為研究區恒溫帶溫度，取當地平均氣溫加2 ℃,即14.5 ℃; Δt為地溫梯度，℃/100 m，根據已有鉆井實測數據，研究區平均地溫梯度為3.27 ℃/100 m[12，31-32];h為恒溫帶深度，取20 m。
綜上所述，研究區熱儲溫度可分為60～70 ℃和90～100 ℃兩個區間，分別代表不同的地熱水循環系統，計算得到循環深度為1 500～1 800 m和2 400～2 700 m。
研究區基巖埋深約1 700～2 000 m，因此，研究區熱儲系統可分為以新近系為熱儲層的低溫地熱系統和以基巖為熱儲層的中溫地熱系統，唐山市濱海地區地熱田屬中低溫傳導型地熱系統，形成以館陶組為主要熱儲層，深部燕山期高溫花崗巖（干熱巖）提供持續熱源的地熱系統（圖7）。此地熱系統因存在深部高溫穩定熱源，地熱能穩定，但因地下水循環深度較深，且遠離山前補給區，水交替循環緩慢。根據其水化學類型從山前HCO3-Ca型經過水化學演化逐漸演變為HCO3-Na型、TDS含量較高的特點，可判斷如果長期大量開采且不進行回灌補給，可能導致該地熱田的資源枯竭，且大量開采深層承壓含水層地下水會導致地面沉降。
圖7 研究區水熱型地熱成因模式Fig.7 Hydrothermal geothermal genetic model in the study area
（1）唐山市濱海地區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，水化學類型為HCO3-Na型。
（2）研究區熱儲溫度可分為60～70 ℃和90～100 ℃兩個區間，分別代表不同的地熱水循環系統，計算得到的循環深度為1 500～1 800 m 和2 400～ 2 700 m。唐山市濱海地區地熱田屬中低溫傳導型地熱系統，形成以館陶組為主要熱儲層，深部燕山期高溫花崗巖（干熱巖）提供持續熱源的地熱系統。
（3）研究區水熱型地熱系統具有持續穩定的高溫熱源，但其具有循環深度大、遠離補給區等特點，水交替循環緩慢，因此當地應建立完善的地熱能開采管理體系，在高效開采清潔地熱資源的同時避免造成地熱尾水影響環境、資源枯竭及地面沉降等生態環境的問題。
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