冀西北奚家堡地热田成因分析

2021-11-26刘月东

西部资源 2021年1期

刘月东

摘要：地热是重要的资源。通过对地热田成因的分析，將有助于提高地热的利用效果。文中，主要对冀西北奚家堡地热田成因进行了分析，为进一步开发冀西北奚家堡地热田提供借鉴。

关键词：地热田；地热资源；成因

冀西北涿怀盆地奚家堡地热田位于官厅水库西侧，永定河北岸，为兼具有带状热储和层状热储特征的复杂结构双层山间盆地型低温水热型地热田，经多期次勘查，至今未找到热源和热水通道，本文从区域地质构造、水化学分析、同位素分析和物探推断等方面分析地热田成因。

1.地热田概况

奚家堡地热田位于河北省怀来县狼山—土木一带，面积8.47km2，潜水水温高于区域地下水平均温度15℃区域总面积25.87km2，为双层结构山间盆地型地热田，浅部松散孔隙型热储面积8.47km2，埋深45m～185m，深部基岩裂隙型热储面积0.31km2，埋深185m～3000m，热田开采浅部热储地热水，中心最高温度71℃，从中心向四同周呈近似环状温度逐渐降低，热水区（>60℃）面积1.06km2；温热水区（40℃～ 60℃）面积3.63km2；温水区（25℃～40℃）面积3.78km2，地热田外围热异常区（15℃～25℃）km2。

地热田主要开采地热水用于特种酿酒葡萄种植，2009年～2019年开采量在133.25万m3～152.36万m3之间，平均每年142.18万m3，地热田产能6.32MW，热异常区总产能8.39MW，折算71℃深部热水涌水量，热田范围每年88.97万m3，热异常范围每年117.82万m3。

2.区域地质构造成因分析

据已有资料显示，怀来县区域内地温异常区（≥25℃）主要出现在桑园—狼山隐伏大断裂与北北东向断裂交汇部位的西北部山前地带，大气降水是地下热水的主要补给来源，大气降水经过曲折的途径向地壳深部进行循环的过程中，由于受到燕山期花岗岩的岩浆残余热、地热增温热的影响，使其加热提高了地下水的温度，运动过程中，溶解了更多的岩矿成分，在该水向地势较低的东南方向运移时，遇到桑园—狼山隐伏大断裂的阻挡，在断裂北侧岩石破碎、地应力相对减少的构造复合部位上升，在深大断裂及多组断裂交汇部位涌出，在第四系和新近系松散地层底部开始向上和向四周逐渐扩散，并与赋存在松散地层中的冷地下水依次混合、降温，并总体受区域冷地下水流场的影响，地松散地层中形成近形椭圆环状的地热水分布形态，比较典型的为奚家堡地热田，见图1。

3.水化学组分成因分析

从热田的水化学特征来看，热田内水质类型以SO4-Na型为主，并富含氟（F-）和可溶性硅酸盐（H2SiO3）。SO42-离子的出现是深部H2S溶解水所形成，F-的出现是岩浆或热液对热水影响所致，可溶性偏硅酸一般认为与岩浆中迁移的SiO2有关，以上均说明地下热水形成与深部的岩浆源所造成的热液活动有关。分析资料显示，地热水富含偏硅酸和氟，矿化度较高，说明地热水在深部高温高压环境下溶解了大量岩土体成分。

在热田范围内，普遍存在有地下热水的沉积和蚀变作用，主要有绢云母化、碳酸盐化、高龄土化、褐铁矿化，另有少量的绿帘石化、滑石（叶腊石化）、硅化，并有水白云母及沸石类矿物出现，曾经出现过硼酸盐类矿物和黑辰砂沉淀。有的呈细脉、网脉状充填于岩石的裂隙中，有的重结晶析出形成新生沉淀物，有的以皮壳状包围沉淀物中的砾石及基岩断裂带中的断层角砾而出现，这些蚀变作用及新生成的矿物组合，一般认为是中低温热液作用下形成，说明热田与深部岩体或火山活动残余热有关。

4.同位素化学分析与补给高度计算

热水的主要补给来源是大气降水，推测是西北部广大山区的地下水，热田内含水层组逸出气体以氮（N2）为主，其体积占97%～99%，沿有少量的氧（O2）其体积占1%～3%，说明地下热水与大气降水有着密切的关系。从收集前人地热水同位素及放射性元素特征分析，δD、δ18O同位素测定，δD在-91.9‰～-83.1‰之间，δ18O在-12.9‰～-11.8‰之间，与雨水基本一致。说明区内地下热水源于大气降水，见表1。地热水的补给高程也可以通过同位素计算取得，根据以前资料，热田的补给高度在900m～1700m，与热田西北部山区及东南部山区高度基本相符，推测地热水补给来源中盆地西北和东南的山区，沿深大断裂循环至地壳深处，在热田部位上涌形成浅部地热异常区。水化学动态长期观测稳定，说明补给源较远，反映了大气降水补给的特征。

根据以上公式计算，热田地热流体循环深度达6000m以上。

6.氢氧同位素分析

参照以前研究成果，对比大气降水、常温地下水和地热水中氢氧同位素对比分析，地热水氢氧同位素组成基本一致，说明地热水补给来源来自大气降水。收集资料显示，氚同位素分析，热田地热水为冷热混合水，热水的年代较久远，说明地下热水上涌至松散地层过程中，混合了一定量的低温地下水，同时热量损失、温度降低。

7.地热温标分析

地热温标计算可以代表深部热储的温度，奚家堡钾含量热田3mg/L～5mg/L，钠离子含量150mg/L～200mg/L之间；镁离子含量差异较大，在0.5mg/L～2.4mg/L之间。

地热温标计算主要用于高温地热田热储温度计算，符合条件的中低温地热田也可以用来计算热储温度，地热温标计算结果显示，SiO2温标计算热储温度在64℃～107℃之间；K-Mg温标在63℃～132℃之间；K-Na温标奚家堡热田在98℃～151℃之间。

不同样品出现较大计算差异，主要因素是所取样品中混入不同比例的常温地下水，同时考虑到不同的热田或不同取样部位，下部上涌地热水可能存在不同的通道，具有差异性来源。或者在深部热水上涌过程中，混入了不同的低温热水所致。水在离开热储之后，在流向地表的过程中，是否出现再平衡取决于相似的因素：流速、上升通道所经围岩的类型和反应性、热储的初始温度、可能产生的各种反应的热动力学特点等。以不同的速率上升的水中，可以产生不同的反应。因此，对不同的化学地热温标而言，表现的最后平衡温度可能是不同的。如果热水的矿化度大大高于混入的冷水，且冷水数量不大时，冷水对Na-K地热温标的影响可以忽略。但是，如混入冷水的钙含量超过热水钙含量的20%～30%时，混合的影响就应予以考虑。当Na-K地热温标用于含镁离子较高的热水时，也会算出异常高的结果。

8.地层与构造分析

熱田的北部和东部存在着巨厚的中生界侏罗系上统张家口组（J3z）熔结凝灰岩，此火山岩是中生代晚期褶皱硬化基底上伴随着强烈的断裂活动而生成的，火山岩构成了盆地的基底，与热水的形成存在一定的关系。

本区发育的各组断裂构造，部分深大断裂切割深度大，深切上地幔，长度延伸远，具多期活动特征，形成走向平等的一组断裂破碎带，是沟通上地幔和各岩体的良好通道，岩浆余热通过水的载体，沿断裂破碎带上涌，并沿与之相连的各组断裂扩散，在相对封闭的区域内，形成热水异常区。新生界地层主要有新近系上新统和第四系更新统、全新新组成，从水文地质特征可以看出，新近系上新统下部砂砾石碎屑岩和第四系更新统下部砂砾石碎屑层，是本区热储层，第四系上部松散地层包气带本区热储盖层。

9.物探推断成因

本次物探工作结合收集资料综合分析，推测在奚家堡地热田下部500m以下，热田中心部位一带，存在岩浆侵入体，呈上小下大近圆柱状，见图2，大致推断了岩层界限，东部花岗岩侵入体规模相比西部较大，与地表圈出的等温线分布大致相合，由此推断奚家堡地热田地热来源应与花岗岩侵入体有关。