郭新亮,邢继飞

(山东地矿新能源有限公司，山东 济南 250014)

济南北部地区为济南发展北跨战略的区域，划为济南新旧动能转换区的引爆区，该区域发展地热资源作为新能源的利用必不可少。济南北部地区地热水的大量开发，人工开采排泄作为地热水最主要排泄方式[1]，造成水力坡度增大从而加速济南南部地下水的补给径流速度，无疑会削弱泉水的流量。根据济南地下水、泉水、北部地区地热流体的动态特征，分析济南北部地热开发对济南泉水的影响程度，是合理开发利用济南北部地热资源工作中意义重大而深远的一项工作。

1 区域地质条件

济南北部地区在地质构造上位于鲁西隆起北部古潜隆地带，其地质构造在总体上是一个以新生代和古生代地层为主体的北倾单斜构造。单斜构造中有多条横截全区的大断裂，也有数条走向不同切割深浅不一的小型断裂，多条断裂切割将单斜构造分割为多个不同规模的断块。北有近东西走向的齐广断裂、西-西北部有北北东向展布的聊考断裂，东部分布走向北西-南东的明水断裂，区内还分布多条不同走向的中、小型断裂。第四系广布地表，其下分布主要有古生界寒武系九龙群、奥陶系马家沟组、石炭系-二叠系、侏罗系-白垩系、新近系等地层如图1所示。

工作区内大的岩浆岩侵入体是济南岩体，该岩体主要侵入奥陶纪地层，局部侵入石炭-二叠纪地层。该岩体空间形态为东薄西厚的契状体，据钻孔资料，岩体由北向南呈仰角侵入，南部呈缓倾斜状超覆于奥陶系之上，由北向南变薄。岩体的北部与灰岩接触呈向北平缓倾斜，向深部延伸，中心在新徐庄桃园一带，侵入岩与围岩界限清楚，岩体边部发育平行于接触面的流动构造。岩性由橄榄辉长岩到辉石二长岩，岩石化学成分SiO2为49.07%～66.68%。

2 区域地热地质条件

2.1 地热储存条件

济北地区位于鲁西隆起地热区(Ⅱ)鲁西南潜隆起及鲁中南隆起北缘地热亚区(Ⅱ2)，奥陶系灰岩地层为主要热储层。其地热资源的形成是来自地壳深处的热能在通过岩层、断裂或火成岩与围岩的接触带等上升过程中将来自南部深层径流补给的地下冷水加热后又沿断层等上涌至浅部灰岩岩溶裂隙中，受上覆较厚上古生界石炭-二叠系地层、中生代地层及新生代地层的阻隔而形成热异常。局部因岩浆岩体的侵入阻滞了南(东)部山区冷水的大量直接径流补给，冷水沿岩体与灰岩接触带进行深循环，相对提高了北部地区热储的温度[2]。奥陶系灰岩热储地热资源有岩溶裂隙型热储、孔隙裂隙型热储和裂隙型热储等多个热储层，其中岩溶裂隙型热储是本区主要热储层，也是本次研究的对象。

区内岩溶发育规律主要受两大因素的控制。一是由于地层岩性差异造成的层间岩溶发育带，在这些部位由于地下水相对受阻在层间活动强烈而使岩溶发育成层状，如奥陶系-寒武系凤山组系列灰岩与白云岩中，不同岩性界面之间岩溶易发育。二是岩溶发育受构造断裂，区内断裂相互切割将济南北部地区地层分割成多个区块如图2所示，特别是张性或张扭性断裂的控制，成垂直带状发育，与层间岩溶发育构成岩溶发育网络，地下水在这些岩溶网络中活动，这些岩溶网络就成为地下热水赋存的空间。区内奥陶系灰岩顶板埋深一般500～2000m，地热流体水位埋深小(多为自流)，出水量大，温度较高；奥陶系石灰岩热储分布范围广，热储厚度一般800m左右，且分布较稳定。由南向北奥陶系灰岩热储埋深总体逐渐增大，横向上变化相对较小。

图1 济南北部区域地质图

图2 辉长岩体北侧地热地质略图

2.2 济南泉水、北部地热水成因分析

济南泉水主要来源于市区南部大气降水，降雨渗入地下顺单斜层岩北流，至老城区北部火成岩阻挡带形成承压水涌出地表，形成泉水。大气降水在南部山区入渗补给进入含水层后，沿地势、地层倾向向北部径流，在济南市区遇济南岩体径流受阻后，向深部循环，进入济南北部地热田，在大地热流作用下，形成地热水。奥陶系灰岩热储上覆厚度很大的第四系、新近系及石炭-二叠系地层，作为热储盖层，起到了良好的保温效果[3- 6]。同时，工作区济南岩体的存在对北部地热的形成具有重要的作用。

(1)阻挡了南部大量冷水向北径流，对北部地热水水温的保持起到了很重要的作用。

(2)迫使南部一部分岩溶水地下深处径流，起到增加水温的作用。

(3)由于岩体向上侵入，使上部地层抬升，热储埋藏变浅，形成浅部地热异常，更适合开采。在岩浆侵入后冷凝过程中，产生一系列围岩裂隙，同时在压应力作用下使含水层裂隙发育，有利于热水的对流、传导和储存。

(4)岩浆侵入体带来大量可溶性物质组分，使地热水获得特殊的微量元素，对形成医疗热矿水具有重要意义。

3 地热水与岩溶冷水相关性研究

3.1 抽水试验与取样点选取布置

本次抽水孔的布设原则选择远离含水层的透水、隔水边界，布置在含水层的导水及储水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方，综合考虑各因素以及研究区的水文地质、地热地质条件，共布设地热井抽水孔齐热1、国科1、北林1、CK- 1、GH1 5眼，自动监测冷水井电台西、电报1、巷1、青1、JK1、DW1及趵突泉7个，人工监测孔桑西、匡1、B1及JR1。群孔抽水试验期间同时进行水样的采集和分析，以了解抽水时的地下水水化学特征，采集地热水全分析样品5件，对比群孔抽水前，分析地热水水质变化特征。

3.2 水位动态特征分析

将抽水试验期间地热水以及南部岩溶冷水统测水位绘制成波面图，其中地热水水位已换算成17℃温度条件下水位，以与冷水水位对比(温度校正后水位)。如图3—6所示。可以看到抽水试验前后以及抽水试验期间，岩溶水径流方向始终保持由南向北，南部岩溶冷水水位基本保持稳定，并未受到地热抽水的影响。抽水试验开始后，地热水水位迅速下降，但在抽水期间保持稳定。抽水结束后，地热水水位能够迅速恢复。通过分析各抽水孔的s-t曲线得出因受区域地下水位总体呈下降趋势影响，冷水鱼地热水的水位动态难以发现其相互之间具有明显的规律性影响。

图3 抽水前水位波面图

图4 抽水240h水位波面图

图5 抽水360h水位波面图

图6 抽水结束时刻水位波面图

3.3 水化学及同位素、年龄特征分析

济南北部地热水从西部灰岩条带(CK1-0)-北郊林场地区(北林1、齐热1)—桃园地区(桃1、桃2)—鸭旺口地区(YK1、YK2)水化学特征呈规律性变化[7- 10]：自西向东，阴离子逐渐以SO4离子为主逐渐过渡为以Cl-为主，阳离子逐渐以Ca2+为主逐步过渡到以Na+为主，矿化度由1.4g/L逐步增加到7.2g/L(表1济南北部地区地热水常规离子一览表)，说明自西向东，地热水“变质程度”逐渐增大，地热水的赋存环境由径流条件相对较好的开放环境过渡到径流滞缓的相对封闭环境。

表1 济南北部地区部分地热水井常规离子一览表

将济南北部地热水以及部分南部岩溶水样点列在Schoeller图中,如图9所示，交错连成线，可以看出同一区域内地下水各水化学组分含量基本相近。地热水与南部岩溶冷水曲线形状基本相似，只在垂向上有移动，表明工作区地下热水与冷水具有同一补给源，只是经历了的水岩作用强弱以及充分程度不同。

图7 钢热1地热井2004、2013年水化学组分变化

图8 齐热1地热井2004、2013年水化学组分变化

图9 2013年地热水-冷水Schoeller图

工作区地热水及南部部分岩溶冷水氘氧稳定同位素组成如图10所示。可以看出丰、枯水期，地热水氘氧稳定同位素变化较小，说明其补给条件较差，水质稳定。地热水、岩溶冷水均沿大气降水线展布，说明二者均来自大气降水补给，但地热水的氘氧同位素值明显比岩溶冷水以及大气降水值偏负，说明地热水来自比现代更寒冷气候条件下的补给。工作区地热水年龄为13.4～26.6千年，表明地热水来自于末次冰期的补给，更加印证了氘氧稳定同位素的分析。

图10 地热水及部分岩溶冷水氘氧稳定同位素组成

4 结语

(1)济南北部地热水的水位动态与南部冷水动态较为一致，动态相对稳定，具有同源补给的特征，说明二者存在一定的水力联系，但受地质条件限制，联系不是十分密切。年内枯、丰水期水质变化很小，但矿化度、总硬度、Na+、Cl-等离子近10年来有变小的趋势，说明长期开采地热水可能导致冷水混入，使地热水水质淡化，因此长期开采地热水可能加强地热水与南部岩溶冷水的水力联系。

(2)北部地热田与济南泉群之间存巨厚的辉长岩体，因而抽水降落漏斗的扩展主要是沿灰岩条带分布方向扩展。在现状开采条件下1500～2000m3/d，开发地热资源不会对市区泉水造成影响。

(3)济南北部地区地热资源开采量若再增大，则应进一步做监测研究工作，为济南北部地区地热资源开采和保泉工作提供更加可靠的依据。