詹亚辉 王现国 钱建立 高晓 黄学谦

摘要：豫北内黄凸起地热田热储资源较为丰富，区内热储层有新近系明化镇组热储层、新近系馆陶组热储层及寒武系、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙热储层。应用同位素水文地球化学方法，结合区域地质构造条件，对地热田成因机制进行了系统研究，结果表明：研究区地温场主要受地壳深部结构、地质构造以及地层岩性结构控制，同时受边界断裂导热以及地下水活动等因素影响；该地热田地热水温度偏低，最高约为58℃，属于低温地热系统，区内地热流体的氢氧同位素投影基本落在当地雨水线上，表明地热流体来源于大气降水；地热水的阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-和S042-为主，地热水为Cl-Na、SO4-Na、SO4+Cl-Na型水；研究区地热水来源于西部山区的大气降水，地热水的形成年龄为1.6万～3.2万a。

关键词：地热田；同位素；热储层；水化学特征；豫北内黄凸起

中图分类号：P314.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.017

与传统能源相比地热能是一种清洁的可再生能源，地下热水作为地热能的主要载体，其开发与利用力度逐步加大[1]。要实现地下热水的可持续开发利用，必须查明地热资源的成因机制。目前国内对于地热资源的成因机制研究方法已较为成熟[2]，同位素水文地球化学方法应用较多[3]。豫北内黄凸起地热田开发利用地热水开始于20世纪80年代，先后开凿深千米左右的地热井40余眼，多数地热井温度为42～56℃，地热水广泛应用于医疗、洗浴、游泳等方面，部分用于矿泉水开发及供暖，其热储资源较为丰富[4]。河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院、第二地质矿产调查院曾对豫北内黄凸起地热田进行了地热资源调查与评价，对豫北内黄凸起地热田地质条件和地热流体赋存环境有了整体认识。在前人研究的基础上，结合豫北内黄凸起地热田地质构造背景，笔者通过分析地热水的水化学和同位素特征，提出豫北内黄凸起地热田的成因机制，以期为可持续开发利用豫北地区地热田提供指导。

1 研究区概况

1.1 地质构造特征

研究区属华北地层大区，华北平原地层分区豫北小区，地层具有明显变质岩基底和沉积岩盖层，为典型的台型沉积。地表广为第四系覆盖，其余地层为隐伏地层或零星出露。地层自下而上分布有太古界、元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、白垩系、古近系、新近系、第四系等。

研究区边缘为断裂所围限，汤东断裂、长垣大断裂、焦作一商丘深断裂共同控制着地层分布。研究区内断裂不发育，多为近北东向小断裂，主要代表为北部近东西向安阳断裂及北东向南乐断裂。研究区地温场主要受地壳深部结构、地质构造和地层岩性结构控制，同时受边界断裂导热和地下水活動等因素影响。

1.2 热储层特征

豫北内黄凸起地热田位于河南省黄河以北平原区，华北盆地边缘，分布有低温地热流体，巨厚的新生界沉积及其覆盖下的下古生界奥陶系、寒武系形成良好的地下水热储层。地形西高东低，西部北高南低，东部南高北低，地面标高为40～250m。热储以层状热储为主，根据所属地层时代及储水介质特征，可分为新近系碎屑岩孔隙热储层、古近系碎屑岩孔隙裂隙热储层和寒武系、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙热储层。第四系埋深浅、水温低，形成热储盖层。

新近系碎屑岩孔隙热储层根据其含水介质岩性、厚度及地层时代划分为新近系明化镇组、新近系馆陶组[5]。新近系明化镇组在浚县火龙岗一带直接出露地表，其余地区顶板埋深0～350m，底板埋深258～1730m，含水介质岩性主要为粉砂岩、细砂岩及中细砂岩，局部地区分布砾岩或夹砾粗砂岩，砂岩层数较多，有17～81层，单层厚度1.5～37.0m，总厚度205.9～381.5m，热储厚度占地层厚度的25%～55%，热储层孔隙度为30%～40%，单孔涌水量为720～1440m3/d，地热水水温为25～52℃。新近系馆陶组顶板埋深1000～1400m，向东南方向逐渐加深；底板埋深1000～2200m，由隆起区向长垣县恼里一带逐渐加深。含水介质岩性主要为细砂岩，底部为含砾砂岩与砂砾岩。含水介质有18～25层，单层厚度1.2～13.1m，总厚度124.3～155.1m，热储层占地层总厚度的32.4%～67.2%，涌水量一般为840～2600m3/d，水温为46～50℃。古近系碎屑岩孔隙裂隙热储层顶板埋深800～2414m，岩性以厚层中砂岩和中细砂岩为主，热储层累计厚度260m左右，含水层渗透性较好，单井开采能力为50～60m3/h，热储温度最高为58℃。寒武系、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙热储层顶板埋深781～2170m，最大揭露厚度597m，未见底，热储层岩性以灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩为主，受构造控制，其裂隙、溶隙、溶洞发育程度不同，富水性不均，在构造带附近，裂隙、溶隙发育，富水性较好。

1.3 大地热流分布特征

根据收集到的研究区及其周边大地热流值可以看出：大地热流值最低为40.0mW/m2，最高为79.5mW/m2，平均为59.771 mW/M2[6]，与华北盆地大地热流值（58.6mW/m2）相当，但低于我国大陆整体的平均热流值（约63mW/m2）。华北盆地内部凸起区热流值高于断陷区：内黄县城大地热流值为64.19mW/m2，高于地处汤阴断陷的安阳—汤阴一带的热流值，构造发育部位热流值相对较高。

2 地热成因机制研究

2.1 取样与测试

对研究区地热井、常温水井及地表水、大气降水分别进行采样，主要采样点分布见图1。用于D（氘）、18O和T（氘）分析的水样经0.45μm的微孔滤膜过滤后直接装人50mL聚乙烯瓶中；用于13C和14C分析的水样经过处理和萃取后装入聚乙烯瓶中；用于87Sr/86Sr分析的水样经0.45μm的微孔滤膜过滤后直接装入50mL聚乙烯瓶中，并向水样中加人优级纯硝酸至其pH值小于2，然后密封待测。δD和δ18O采用MAT-253稳定同位素比质谱仪测定，δ13C将样品转化成CO2采用MAT-253稳定同位素比质谱仪测定，T和14C采用Quantulus 1220液闪谱仪测定，87Sr/86S的分析采用MAT-261热电离固体质谱计测定。

2.2 水化学特征

采集水样的地热钻孔深度为1200～1800m，水温为40～55℃，取水层主要为新近系。研究区地热水样品的pH值为7.51～8.41，呈微碱性；大气降水和地表水的pH值约为8.00；常温地下水（浅层地下水）的pH值为7.64～8.10。地热水、常温地下水、大气降水、地表水的pH值没有明显差异。地热水的总溶解固体（TDS）含量一般比浅层地下水的大，地热水TDS含量最大为8166.29mg/L，大部分大于1500mg/L，为微咸水；浅层地下水TDS含量最大为2200.99mg/L，但大部分小于1000mg/L，为淡水。将采集水样按其主要组分K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-的毫克当量百分比投影到Piper三线图（见图2）上，对其水化学类型进行分析。

从水化学类型来看：地热水的阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-和SO42-为主，地热水为Cl-Na、SO4-Na、SO4+Cl-Na型水；常温地下水的阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+为主，阴离子以Cl-和HCO3-为主，常温地下水为HCO3-Na、HCO3-Ca+Mg、HCO3+Cl-Na型水；地表水和大气降水为HCO3-Na、HCO3+Cl-Na型水。

地热水含有特征元素（见表1），可溶性SiO2含量尤其高，最高为50.780mg/L，另外B含量最高为1.38mg/L，Sr含量最高为13.78mg/L，Li含量最高为0.77mg/L，这些特征元素的含量明显高于一般常温地下水和地表水的。

对地热水H、O、C、S、Sr的稳定同位素组成进行分析，同时对放射性同位素T和14C进行测定，见表2。地热水的δ34S值较大，最大为2.73%，平均为2.218%，而地表水的δ34S值为1.03%，大气降水的δ34S值为0.55%，说明地热水的硫来源不同于地表水和大气降水的，含水层中硫酸盐矿物溶解于地热水中；地热水的87Sr/86Sr值不同于大气降水的，说明水-岩相关作用过程中热储层矿物的Sr元素溶解进入地热水中；地热水的δ13C值明显大于大气降水的，说明水-岩相关作用过程中矿物的C元素溶解进入地热水中。

地热水的δD和δ18O值都明显小于地表水和大气降水的δD和δ18O值，说明地热水的来源不同于当地地表水和大气降水[7]的。

地热水的氘含量明显很低，而地表水和大气降水的氘含量为10TU左右，可见地热水与地表水和大气降水有区别。地热水一般为20世纪50年代核爆前补给的大气降水[8]。

地热水14C表观年龄为1.6万～3.2万a，且地热水形成时间越早，表观年龄越大，其中新近系明化镇组上部温水为1.6万a，新近系明化镇组下部及馆陶组为2.3万～3.0万a，奥陶系地热水为3.2万a。总体上地热水比浅层常温地下水、大气降水的表观年龄大，表明是经历了一定径流时间的地下水，循环更新时间比较缓慢。

2.3 氢氧同位素示踪地热水来源

从地表水的氢氧同位素组成来看，基本上都落在当地雨水线上（见图3），当地地表水和大气降水氢氧同位素组成值稍大于地热水的，显示出大气降水来源特征。地热水集中在当地雨水线左下方，表明地热水的来源可能比较单一，而且地热水补给来源的位置高程可能较高。从区域水文地质条件看，西部山区降水入渗补给是地下水的主要来源，可以推测地热水主要

2.4 水热系统的热交换温度

对比K-Mg温标和SiO2温标温度评估结果，K-Mg温标T（K-Mg）和SiO2温标T（SiO2）与水样点T3和T4平均值[（T3+T4）/2]比较接近，和实测温度（水温）差距不大，具有较高的可信度，见图4。采用两种温标的平均值作为区域水热系统的热交换温度更加接近实际。针对内黄地区新近系地层中的水热系统，热交换温度为51.0～68.7℃，平均值为57.7℃。

2.5 水热系统中的水岩相互作用

将研究区所采集地下热水中Na+、K+、Mg+含量投影到三角图中（见图5，其中TK-Mg、TK-Na分别为K-Mg温标、K-Na温标），由Na-K-Mg三角图可以看出，研究区所有地热水采样点均靠近右下角顶点处Mg端元，反映出水-岩平衡的温度较低，地热水中钠、钾矿物均未达到饱和状态。也可以说明，经深循环的高温地热水在浅层与冷水混合，原本达到溶解平衡的热水受到冷水的稀释变成钠、钾矿物不饱和水。地热水点聚集在Mg端元，说明地热水到达浅层与冷水混合后，Mg达到了再平衡，进一步说明采用K-Mg温标计算的温度比较合理。

研究区地热水主要矿物饱和指数Si见表3，溶液中溶解SiO2没有达到饱和状态，玉髓和石英的饱和指数为-0.5～-0.11。玉髓大致处于饱和状态，代表着深部地热流体与浅层冷水的混合温度。石英的饱和指数更接近于0，说明石英接近化学平衡，地热水中原始二氧化硅含量在循环中没有达到再平衡，原因可能是地热水在深大断裂中流动的速度较快，在通过冰冷的基岩时热量几乎没有散失。

钠长石、石膏、天青石等SI<-0.5，处于未饱和状态；绿泥石、白云石、云母等矿物SI>0.5，处于过饱和状态。长石类矿物、硫酸盐矿物和铝硅酸盐类矿物都未达到饱和状态，说明热水在与浅层冷水发生混合后，这类矿物在水中没有达到饱和。因此，可以判断研究区新近系地热水存在与浅层常温地下水混合的问题。

3 结语

豫北内黄凸起地热田地温场主要受地壳深部结构、地质构造以及地层岩性结构控制，同时受边界断裂导热和地下水活动等因素影响。豫北内黄凸起地热田地质构造复杂，处于多条活动断裂的交汇地带，断裂形成的破碎带为区域内地热水提供了良好的运移通道，且上覆较厚第四系松散堆积物盖层，从而造成地热异常。研究区地热水来源于西部山区的大气降水，地热水年龄为1.6万～3.2万a；地热流体的升流通道及热水上涌過程中可能存在地热水与上部浅层地下水的混合作用。区域内地热水可再生能力有限，而且热水井密度较大，相互之间干扰较为严重，应该合理分配各热水井的开采时间和开采量。

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