济阳坳陷地热水水化学特征研究

2018-06-20，，

地下水 2018年3期

，，

(1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015；2.山东科技大学，山东青岛 266590)

地热资源作为一种可再生的洁净能源，对促进“十二五”发展规划提出的节能减排和绿色环保具有重要意义。山东省靠近太平洋西岸的高热流值区域，地热资源十分丰富，目前在全省的17个市均发现地热资源，并开始不同程度地开发利用，获得了巨大的经济和社会效益。济阳坳陷地处山东半岛渤海湾盆地，是地热资源条件较好的地区，为本地热量需求企业——胜利油田开发利用地热资源提供了先天优势。但目前对济阳坳陷地热资源的开发潜力研究较少，为此，本文在分析济阳坳陷地热地质条件的基础上，结合采集的地热水水质数据，对济阳坳陷地热水的水化学特征进行了分析，为济阳坳陷地热资源的合理开发利用提供科学依据。

1 地热水赋存环境及热储特征

1.1 地质构造特征

济阳坳陷位于渤海湾盆地西南部，东邻郯庐断裂，南邻鲁西隆起，西北邻埕宁隆起，分布面积为25 510 km2，大地构造上属于渤海湾盆地的1个次级构造单元[1]，是在华北地台基础上，由侏罗纪—孔店期负反转盆地、中始新世—渐新世右旋扭张盆地和中新世以来的主动裂谷盆地3个原型盆地叠加而成的复合盆地[2]。济阳坳陷内部由青城凸起、滨县凸起、陈家庄凸起、义和庄凸起、无棣凸起和东营凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷、车镇凹陷构造单元组成(图1)，这些凸起和凹陷呈现北东—南西延伸的长条状构造特征，4个凹陷均表现出北断南超的半地堑盆地结构[3]。济阳坳陷内断层发育，一级断层有14条、二级断层有46条、三级断层有137条，四级断层多达1 400条，五级断层达数千条；四、五级断层为低序级断层，其主方向性不突出，三级及以上断层具有很强的方向性，以NE / NEE向和近NW向为主[4-7]。

图1 济阳坳陷区域构造及采样点位置

1.2 热储特征

济阳坳陷地表被第四系所覆盖，出露地层和地热勘查孔(井)所揭露地层由老到新依次为太古界泰山群变质岩，古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系，中生界侏罗系、白垩系，新生界古近系、新近系和第四系(图2)。

图2 德州-东营地热地质剖面简图 (据刘善军，1997年[8])

除第四系外，上述地层中的含水层在适宜的地质构造条件下都可以作为热储层，但在现有经济技术条件下，热储层自上而下主要为新近系馆陶组含水砂岩及砂砾岩、古近系东营组含水细砂岩及砂砾岩、奥陶系—寒武系灰岩。热储盖层主要由第四系的土黄色粉砂土、砂质粘土和粘土及新近系明化镇组的棕黄色、浅棕色粘土岩、粉砂岩和砂砾岩组成，第四系和新近系明化镇组地层总厚度大于700 m。第四系中的粘土层及明化镇组中的粘土岩密度小，热导率低，热阻大，粘土或粘土岩单层厚度大，一般为4～20 m，是良好的天然隔水层，使热能得以保存和储集。本区地热系统主要为深部热流传导型；热源为区域大地热流，较均匀的向上传导，在适宜部位形成热异常；济阳坳陷地热区莫霍面隆起，地壳厚度小，大地热流值低，热储类型为盆地增温-水热型热储(图3)。

1.3 大地热流值特征

龚育龄等(2003)[10]依据13口井的系统测温数据、700余口井的试油测温数据以及47块岩样的热导率测试结果，给出了济阳坳陷区及外围的13个大地热流实测据和101个大地热流估算值。结果表明：济阳坳陷区具有较高的大地热流背景，现今地表热流平均值为65.8±5.4 mW/m2，变化范围在52.9～81.5 mW/m2之间；沾化凹陷平均为67.4±5.3 mW/m2，高于该坳陷区平均值，东营凹陷为66.0±6.1 mW/m2[11]、车镇凹陷为65.1±3.7 mW/m2，与该区平均值较为接近，惠民凹陷为63.6±5.0 mW/m2，低于该区平均值。实际上，是由新生代岩石圈拉张过程控制着坳陷区基底埋深和盆内凸起或凹陷分布的。火山岩分布也与其相关。坳陷区热流的横向变化特征与基底埋深相关，基底埋深浅的凸起区和新生代火山岩分布区热流高，而基底埋深大的凹陷区热流相对低。所以，济阳坳陷区大地热流分布特征是新生代构造—热事件决定的。在济阳凹陷最小值为1.15 HFU，最大值为1.96 HFU(1HFU=41.8 mW/m2)。

图3 济阳坳陷热储概念模型图 (据《山东地矿》，2006年略改[9])

2 地热水的水化学特征

根据目前区内开发利用现状及现有水质分析资料，分别对新近系馆陶组、古近系东营组、寒武奥陶系热储的主要离子及微量元素进行水化特征分析：

2.1 新近系馆陶组地热水水化学特征

本次采样新近系馆陶组地热水样主要分布在惠民凹陷地区，在东营凹陷有少量分布，依据水质分析资料，区内地热水水化学特征如下：

(1)地下热水类型为Cl-Na型，阳离子主要以Na+为主，含量3 093～4 561 mg/L；阴离子主要以Cl-为主，含量4 686～7 992 mg/L；TDS含量8.29～13.34 g/L，属盐水；pH值为7.1～7.78，属弱碱性水；水温45℃～65℃。由于馆陶组热储层层位分布稳定，地下水化学类型单一，在水平方向上主要化学元素含量变化不大，其水化学特征见表1。

(2)地下热水的微量组分主要为Li、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(见表2)，在惠民凹陷区：锂含量为0.32～0.81 mg/L，钡含量为0.44～11.67 mg/L，铍含量为0.06～0.24 mg/L，锶含量为14.22～33.88 mg/L，锰含量为0.19～0.85 mg/L，钛含量为0.07～0.24 mg/L，氟含量为2.1～2.9 mg/L；在东营凹陷区：锂含量为1.21～3.86 mg/L，钡含量为0.37～129.44 mg/L，铍含量为0.06～0.18 mg/L，锶含量为0.47～135.63 mg/L，锰含量为0.07～0.21 mg/L，钛含量为0.06～0.39 mg/L，氟含量为1.04～3.5 mg/L。

表1 馆陶组地下热水水化学分析结果 mg/L

表2 馆陶组地下热水微量元素 mg/L

2.2 古近系东营组地热水水化学特征

本次采样古近系东营组地热水样主要分布在东营凹陷地区，依据水质分析资料，区内地热水水化学特征如下：

(1)地下热水类型为Cl-Na型，阳离子主要以Na+为主，含量5 876～7 407 mg/L；阴离子主要以Cl-为主，含量10 228～13 050 mg/L；TDS含量17.06～21.57 g/L，属盐水；pH值位7.0～7.26，属弱碱性水；水温50℃～70℃，其水化学特征见表3。

(2)地下热水的微量组分主要为Li、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(见表4)，在惠民凹陷区：锂含量为1.52～2.59 mg/L，钡含量为14.35～57.98 mg/L，铍含量为0.07～0.22 mg/L，锶含量为38.65～103.32 mg/L，锰含量为0.03～1.54 mg/L，钛含量为0.14～0.5 mg/L。

2.3 寒武奥陶系热储地热水水化学特征

本次采样寒武奥陶系热储地热水样主要分布在东营凹陷地区，依据水质分析资料，区内地热水水化学特征如下：

(1)地下热水类型为Cl-Na型，阳离子主要以Na+为主，含量3 757～4 514 mg/L；阴离子主要以Cl-为主，含量6 858～8 313 mg/L；TDS含量11.76～13.49 g/L，属盐水；pH值位6.9～7.66，属弱碱性水；水温49.5℃～98℃，其水化学特征见表5。

表3 东营组地下热水水化学分析结果 mg/L

表4 东营组地下热水微量元素含量 mg/L

(2)地下热水的微量组分主要为Li、Ba、Be、Sr、Mn、Ti(见表6)，在惠民凹陷区：锂含量为3.45～3.86 mg/L，钡含量为45.6～119.46 mg/L，铍含量为0.14～0.19 mg/L，锶含量为94.83～140.09 mg/L，锰含量为0.06～0.23 mg/L，钛含量为0.2～0.3 mg/L，氟含量为2.9～4.2 mg/L。

图4 济阳坳陷地热水水化学Piper三线图表5 寒武奥陶系热储地下热水水化学分析结果 mg/L

表6 寒武奥陶系热储地下热水微量元素含量 mg/L

2.4 地热水水化学特征综合分析

对新近系馆陶组、古近系东营组、寒武奥陶系热储的地热水水化特征进行综合对比后发现：(1)济阳坳陷地热水类型为Cl-Na型，属弱碱性、盐水(图4)；(2)经相关分析后发现该地热水中CO2和H2S的含量很低，不会对大气造成污染[12]。其他有害成分含量均未超出最高允许排放浓度的要求，不会对环境产生不良影响，依据国家标准《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010),各热储层中氟、锂和锶含量达到命名矿水浓度，可命名为氟·锂·锶型医疗热矿水，东营组和寒武奥陶系全部取样点及部分馆陶组取样点中钡含量达到命名矿水浓度，并且含有铁、锰、钛、铍等有益元素和放射性元素,具有较高的医疗保健价值[13]；(3)同一热储层地热水水化学性质基本相同，同一地区地热水水化性质基本相同，但新近系馆陶组中各离子含量自西向东逐渐增加，说明区域对济阳坳陷地热水水化性质影响显著；(4)上下相连热储层各水化性质存在明显差异，具体表现为由馆陶组向东营组递增，寒武奥陶系热储各水化性质介于其之间，说明埋深对济阳坳陷地热水水化性质无影响。

3 地热水的同位素特征

通过对济阳坳陷中的新近系馆陶组、古近系东营组、寒武奥陶系热储进行了地热水氢氧同位素取样测试，将其测试数据投点值δD—δ18O关系图上(如图5)，由δD—δ18O关系图上可以看出所有点均落在Craig全球降水线、当地雨水线和黄河水线下方附近。新近系馆陶组地下热水的δD值为67.6‰～75‰，δ18O值为7.72‰～9.68‰，δD、δ18O平均值(分别为：69.38‰、8.37‰)；古近系东营组地下热水的δD值为62.9‰～64.4‰，δ18O值为7.09‰～7.7‰，δD、δ18O平均值(分别为：63.85‰、7.46‰)；寒武奥陶系热储地下热水的δD值为66.8‰～68.7‰，δ18O值为7.7‰～8.17‰，δD、δ18O平均值(分别为：67.84‰、7.8‰)；综合分析后可以看出：三组热储层的δD、δ18O平均值均远小于黄河水和现在大气降水的δD、δ18O值(分别为42‰、6.4‰)[14]。说明地下热水不是直接来源于当地大气降水的就近入渗补给，而是经过较长距离的径流，发生了明显的氧漂移，由地质历史时期大气降水(或黄河水)补给，且各热储层组的δD、δ18O值存在明显差异，推测各热储层组水力联系不明显；根据济阳坳陷深层地下水年龄与第四系全新世地层开始沉积的地质年代大致对应，为末次冰期所补给的水[14-15]，综合推测新近系馆陶组、古近系东营组、寒武奥陶系热储中的地热水为各自相对应地质年代的古大气降水，经过漫长的地质时期封存于热储层组中形成的，且循环时间长，循环速度慢。

4 结语

通过对济阳凹陷区地热水的水化学特征和同位素特征进行分析，可得出如下结论：

(1)济阳坳陷地热系统主要为深部热流传导型，热源为区域大地热流，区内大地热流分布特征由新生代构造—热事件决定的，大地热流值低，热储类型为盆地增温-水热型热储。

(2)济阳坳陷具有勘探和开发意义的热储层组为新近系馆陶组热储、古近系东营组热储和下古生界寒武—奥陶系碳酸盐岩热储三个主要热储层组；且其热水层组水化学类型均为Cl-Na型，属弱碱性、盐水。

(3)济阳坳陷地下热水中含有丰富的微量元素，氟、锂和锶含量达到命名矿水浓度，具有一定的医疗和保健作用，可以作为医疗热矿水利用。

(4)济阳坳陷同一热储层组中各水化性质基本相同，同一热储层水平方向上的水力联系密切，表现在新近系馆陶组中各离子含量自西向东逐渐增加；各热储层组上下层之间水化性质存在差异性，无明显相关性；

(5)济阳坳陷地下热水水化学特征是在地下水长期径流及深循环中各种水化学作用的结果，具有大陆溶滤水的特征。对地热水的稳定同位素δD、δ18O进行测定与分析，结果表明济阳坳陷中各热储层组的δD、δ18O值存在明显差异；其补给来源不是当地当代的大气降水就近入渗补给，而是不同的热储层组各自所相对应的地质年代中的古大气降水，经过漫长的地质时期封存于其热储层组中形成的，且循环时间长，循环速度慢。

[1]黄超.济阳坳陷断层聚集带划分及断块油藏分布规律[J].特种油气藏.2013.20(6)：59-62.

[2]宗国洪,肖焕钦，李常宝，等.济阳坳陷构造演化及其大地构造意义[J].高校地质学报.1999.5(3):275-282.

[3]王世虎，夏斌，陈根文，等.济阳坳陷构造特征及形成机制讨论[J].大地构造与成矿学.2004.28(4):428-433.

[4]李宏义，姜振学，董月霞，等.断层封闭能力的有限性研究及模拟实验[J].石油实验地质.2010.32(6):583-587.

[5]衣学磊，侯贵廷.济阳坳陷中新生代断裂活动强度研究[J].北京大学学报:自然科学版.2002.38(4):504-509.

[6]蔡佑星.济阳坳陷断裂发育特征及其对油气成藏的控制作用[J].天然气地球科学.2008.19(1):56-61.

[7]郑德顺，吴智平，李伟，等.济阳坳陷中新生代盆地转型期断层特征及其对盆地的控制作用[J].地质学报.2005.79(3):386-394.

[8]刘善军．山东地下热水资源的形成与开发前景[J].济南：山东地质.1997.113(2):48-53.

[9]孔庆友，张天祯，于学峰，等.山东矿床[M].济南:山东科学技术出版社.2006.

[10]龚育龄，王良书.济阳坳陷地温场分布特征[J].地球物理学报.2003.6(5):38-42.

[11]熊振，王良书，等.东营凹陷现代热流场特征及地热异常成因[J].石油勘探与开发.1999.26(4):53-58.

[12]高宗军，曹红，王敏，等.地热水资源开发与环境保护[J]．地下水.2009.31(1):78-83.