山东省平阴县中土楼地区地热矿水成因分析

卢兆群

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013)

地热资源是一种集“热、矿、水”为一体的绿色资源，除用于发电、取暖外，地热矿泉独特的保健理疗价值越来越受人们青睐[1-2]。实现地热资源的可持续开发利用是当今中国也是世界地热产业所面临的最为关键的问题，查明地热资源的成因机制是实现地热资源可持续开发利用的关键[3]。近年来，国内外对于地热资源的勘查和开发利用投入逐年加大，对于地热资源的形成研究正成为一个新的热点。20世纪70年代，地矿部门在平阴县大孙庄地区进行铁矿普查时意外发现了氡温泉，氡温泉水中因含有多种较高浓度且对人体有益的微量元素组分，具有特殊的医疗价值，是一种特色地热温泉[4]。2018年，在大孙庄氡温泉东南约6.3 km的中土楼地区新发现了一处地热矿水资源，其水化学特征与大孙庄氡温泉水具有一定的相似特征，但也存在一些明显的区别。前人对于大孙庄氡温泉水的成因机制已进行过相关的研究[5-9]，但对于此处新发现的地热矿水资源的成因尚缺乏研究。本文将通过地质构造特征、水化学特征、同位素组成特征等方面对中土楼地区地热矿水的成因进行分析，为该地区相同类型地热资源的勘查和开发工作提供参考依据。

1 区域地质概况

1.1 自然地理概况

平阴县位于山东省的中西部，地处泰山山脉西延余脉与鲁西平原的过渡地带，地势南高北低，地貌类型以丘陵和山前冲洪积平原为主。该地区属暖温带大陆性半湿润季风气候，四季分明，多年平均气温14.2 ℃，多年平均降水量602 mm，主要集中在汛期。

1.2 地层和构造

区内地层以新太古代泰山岩群变质岩系为基底，上覆古生代的寒武-奥陶纪灰岩、白云岩夹泥岩、页岩以及新生代第四系松散沉积物。地层呈单斜构造，寒武—奥陶纪地层走向北东，倾向北西，倾角一般5 °～8 °。区内地层较稳定，地质构造规模及发育程度也相对较弱。

根据区域地质资料及物探解译成果，区内发育有数条北西-北北西向断裂构造(图1)，均为高角度正断层，倾向北东，倾角一般75 °～85 °，断裂均切入泰山岩群基底。区内北西和北北西向断裂大多以张性或张扭性为主[10]。

图1 研究区地热温泉井位置分布图

1.3 水文地质概况

根据区域水文地质特点，依据区内出露含水层的水理性质及水力特征，区内地下水主要分为：第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水。其中，碳酸盐岩类裂隙岩溶水为区内工农业用水主要开采对象，含水岩组主要由寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩组成，富水性较强-强，水质较好，矿化度小于1 g/L，水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型为主；区内泰山岩群变质岩无地表出露，据区内已有的深部钻孔资料，岩性以混合花岗岩类为主，大孙庄及中土楼地区的地热温泉矿水均属于该类型地下水，其主要赋存于深部断裂构造破碎带及古风化裂隙中，富水性不均匀，pH值7.5左右，矿化度6 g/L左右，水化学类型均为Cl·SO4-Na·Ca型。

2 地热地质概况

2.1 地热井概况

中土楼地热井位于平阴县城西部的中土楼村西南，为中土楼村根据以往物探成果资料自行组织施工，成井于2018年9月，井深1 800 m，井口直径273 mm，据抽水试验资料，涌水量为465.6 m3/d(降深250.73 m)，出水水温42 ℃。

2.2 地热水赋存条件

中土楼地热井施工时缺乏详细的钻孔编录资料，根据区域地质结合综合测井资料，该井上部盖层厚度约600 m，为第四系松散层及寒武-奥陶纪灰岩、白云岩夹泥岩、页岩地层；600～1 800 m为新太古代泰山岩群变质岩，岩性以混合花岗岩类为主，为热储层。

该井位于断裂F4-1附近，据物探解译资料，该断裂走向北西，倾向北东，倾角约85 °，为高角度正断层，断裂发育深度超过1 500 m，断裂破碎影响带宽度约100 m。该井取水层段为1 200～1 800 m，根据测井解释资料，该井在800～1 800 m深度内发育有多段地层破碎含水段，应为断裂F4-1破碎影响带，因此地热水主要赋存于深部基底断裂构造破碎带及古风化裂隙中。

2.3 热储类型

中土楼地区地热矿水水温42 ℃，其赋存主要受北西向深部基底断裂构造控制，含水层岩性以混合花岗岩类为主，属于中低温带状基岩裂隙型地热资源。

3 地热矿水成因探讨

3.1 补给来源

氢、氧稳定同位素已广泛应用于识别地下热水的补给来源和循环途径[11]。Craig通过研究北美大陆大气降水，首先提出了大气降水δD和δ18O 值之间有明显的线性关系：δD=8δ18O+10，这个方程称为全球大气降水线[12]。在不同地区大气降水线略有差异，本文选取柳鉴荣等建立的中国东部季风区局地大气降水线方程δD=7.46δ18O+0.90[13]，将中土楼地热矿水及附近常温地下水氢氧同位素组成绘制在大气降水线图中，可以看出各类型地下水样品氢氧同位素组成较接近，样品点均位于当地降水线附近(表1、图2)，未发生明显的氧漂移现象，说明各样品补给来源均为大气降水；但地热矿水样品的氢氧同位素值明显低于2个常温地下水样品，说明该地热矿水不是来源于当地大气降水的就近补给[14]，应是经历了较长时间和途径的径流过程，并且地热矿水深部热储温度不高，属于中低温地下热水。

表1 研究区各类型地下水氢氧同位素组成

图2 研究区各类型地下水样δD与δ18O关系

3.2 补给高程

大气降水的δD和δ18O值具有随地形高程升高而降低的高程效应[15]，据此可以确定地热流体的同位素入渗高程(即补给区高程)，进而判别地热水的补给位置。由于地热水在深部热储高温的作用下经常会出现δ18O漂移现象，所以通常利用大气降水同位素的δD值高程效应计算补给区高程更准确[16]。故中土楼地热矿水补给区高程可利用下列公式进行计算：

H=h+(D-Dr)/gradD

(1)

式中：H为地热矿水补给区高程/m；h为地热矿水采样点高程/m，为61 m；D为地热矿水的δD值/‰；Dr为地热矿水取样点附近大气降水δD值/‰，本文取区内松散岩类孔隙水δD值(-67 ‰)代替；gradD为大气降水δD值高程梯度/(‰/100 m)，本文取-3‰/100 m。

根据公式(1)计算得到中土楼地热矿水补给区高程为+274 m。根据地热地质条件，研究区地热水的赋存和运移主要受北西向隐伏基底断裂构造和古风化裂隙控制，地热水主要向北西方向径流，位于研究区东南方向的肥城云蒙山一带，寒武系灰岩与泰山岩群变质岩均大面积出露，标高在+200 ～+370 m左右，该区域距离中土楼地热井约40 km，推断研究区地热水补给来源于该区域的可能性较大。

3.3 盖层

通过前文分析可知，区域内地层分布较稳定，上部古生代寒武-奥陶纪灰岩、白云岩夹泥岩、页岩地层及新生代第四系松散沉积物，密度相对较小，导热性能较差，厚度约600 m，是天然的良好热储保温层。

3.4 热源

根据中土楼地热井井温测量资料(图3)，推算其地温梯度为2.01 ℃/100 m，属于正常地温梯度范围，无异常；另外，根据周边部分浅井测温资料，推算浅部地温梯度(100 m以浅)在1.57～2.99 ℃/100 m之间，也无明显异常；可见，该区域无明显的地温异常。另外，中土楼地热井出水温度与井内测量温度较接近，因此，中土楼地热矿水应是地下水在深部径流循环过程中经地温缓慢加热形成的，热源应主要来源于大地热流及围岩中放射性元素蜕变产生的热量。

图3 中土楼地热井测温曲线

3.5 储水空间

中土楼地热矿水的储水空间为断裂F4-1，据物探解译资料，断裂F4-1走向北西(约320 °)，倾向北东，倾角约85°，为高角度正断层，断裂发育深度超过1 500 m，断裂破碎影响带宽度约100 m。根据资料分析，该断裂发育规模较大，应为区域性断裂构造，为地热矿水的主要导水通道及储水空间。

3.6 矿物元素来源

本次研究采集了中土楼地热矿水样品1件，并利用以往工作中取得的周边岩溶水、孔隙潜水水质分析结果2份，主要化学成分含量见表2。结果表明，地热矿水与常温地下水的主要化学成分组成存在明显的区别，地热矿水pH值7.37，总硬度1 610.65 mg/L，TDS含量6 656.00 mg/L，水化学类型为Cl·SO4-Na·Ca型(舒卡列夫分类)；常温地下水pH值7.49～7.52，总硬度345.69～459.16 mg/L，TDS含量441.25～601.80 mg/L，水化学类型均为HCO3-Ca·Mg型(舒卡列夫分类)；地热矿水中微量元素组分含量明显高于常温地下水，锶、氟、锂、偏硅酸及偏硼酸等微量元素组分含量达到了理疗热矿水水质标准中的矿水浓度-命名矿水浓度。上述水化学组分的明显差异充分表明中土楼地热矿水与上部冷水之间有良好的隔水层。地热矿水氯溴系数(Cl-/Br-)为870，大于300，表现为含盐地层溶滤水的特征[17]，说明其运移时间较长，与围岩之间的水-岩作用较充分。根据资料，泰山岩群变质岩地层中部分化学成分及微量元素含量明显高于酸性火成岩的平均含量[18]，这为地热矿水中富含的各种微量元素提供了必要的物质来源。地热矿水在长时间的地下径流过程中，通过水-岩作用更多的溶解了围岩中的各种矿物元素，从而形成了富含多种微量元素的特色地热矿水。

表2 研究区各类型地下水主要化学成分组成

3.7 形成模式

综合区域地形地貌特征、地质条件、构造特征及地温场特征，结合区内大孙庄氡温泉水形成条件，推测中土楼地热矿水的形成模式为：在研究区东南方向约40 km处的肥城云蒙山一带寒武纪灰岩与泰山岩群变质岩大面积出露区域，大气降水为补给来源，沿风化裂隙、构造裂隙入渗，逐渐向深部运移，一些发育规模较大的深部基底断裂构造破碎带构成了主要的蓄水、导水通道，在径流过程中通过大地热流及围岩中放射性元素蜕变产生的热源缓慢加热，经水-岩作用溶滤围岩中的各种矿物元素，形成了富含多种微量元素的地热矿水，上部约600 m厚的寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩及第四系松散层构成了良好的保温、隔水盖层，在位于地势低缓的径流排泄区域，通过人工钻探揭穿盖层后，而形成地热矿水井。

4 结语

平阴县中土楼地热矿水是一种富含多种微量元素的特色地热资源，主要赋存于北西向深部基底断裂构造破碎带及古风化裂隙中，属于中低温带状基岩裂隙型地热资源。区内基本具备地热形成的“源、通、储、盖”四方面条件：大气降水为补给来源，大地热流及放射性元素蜕变产生的热量为热源；发育规模较大的深部基底断裂构造破碎带及古风化裂隙既是地热矿水的主要导水通道，也是其储水空间，厚度巨大的碳酸盐岩夹碎屑岩类地层构成了良好的保温、隔水盖层。地热矿水中富含的多种微量元素主要来自于泰山岩群变质岩中矿物元素的水-岩溶解作用。