鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理.pdf

鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理江露露1,2，隋海波1,2，康凤新1,2,3,4，李常锁1,2，魏善明1,2，于令芹1,2，李越1,2（1.山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队,山东济南250014；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心,山东济南250014；3.山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛266590；4.山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心,山东德州253072）HCO3摘要：通过研究鲁中隆起北缘岩溶热储地热水水化学特征，分析岩溶热储地热水的形成机理。以鲁中隆起北缘地热区内 32 个地热井为研究对象，采用 Piper 图解、Schoeller 图解、离子组分比率特征、同位素特征、NaKMg 平衡图解、矿物饱和指数计算与评价等方法，研究地热水的补给来源、水岩作用过程、运移途径、循环演化特征和形成机理。结果表明：在岩溶地下水向地热田径流方向上，岩溶地下水的水化学类型与地热水的明显不同，岩溶水的 TDS 含量呈增加趋势，而含量百分比呈现降低趋势；同一地热田区段的地热水水化学成分相似、水化学类型相同。研究区地下热水中微量组分 F、Li、Sr、偏硅酸等含量表现出增加的趋势。通过使用玉髓地热温标计算的地热区岩溶热储温度为 3970，地热水的循环深度为 8561877m，结合测温曲线特征分析，确定研究区地热系统为对流传导型。水文地球化学演化、离子组分比率、同位素等多种分析方法，揭示出岩溶热储地热水的补给来源为地热区南部泰山北麓山区晚更新世寒冷气候条件下古大气降水的入渗；大气降水入渗补给岩溶含水层后，经地下水深循环径流运移，在大地热流、地下水运移传导对流加热作用下形成地热水。关键词：岩溶热储；地热水；同位素特征；地热温标；成因机理中图分类号：P641.134；P314.1文献标识码：A文章编号:10014810（2023）05100522开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言地热资源作为一种可循环利用的绿色清洁能源，具有分布广、储量大、低碳等特点，被各国列为重点研究开发的新能源之一12。地热资源的大规模开发利用有助于解决北方地区冬季供暖、雾霾等问题，被视为能够替代传统化石能源的重要清洁能源之一3。因此加快开发利用地热资源不仅对优化能源结构、改善环境等方面具有重要意义，而且对新型城镇化建设和新兴产业的发展均具有显著的带动效应，助力生态文明建设2。山东省鲁中隆起北缘、临清坳陷区、济阳坳陷区及鲁西南潜隆起区发育着巨厚的寒武系奥陶系碳酸盐岩地层，分布面积达 4.33 万 km2，具备形成大型岩溶热储地热田的地热地质条件4。受中生代以来环太平洋板块构造活动的影响，鲁中隆起北缘广泛发育有 NW、NE 向的断裂构造，这些不同时代、不同性质的构造组合为鲁中隆起北缘基金项目：国家自然科学基金项目(42072331；U1906209)第一作者简介：江露露（1988），女，高级工程师，硕士，主要从事地热地质及水工环地质研究。E-mail：。通信作者：隋海波（1979），男，高级工程师，博士，主要从事地热地质及水工环地质研究。E-mail：。收稿日期：20230420第42卷第5期中国岩溶Vol.42No.52023年10月CARSOLOGICASINICAOct.2023江露露，隋海波，康凤新，等.鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理J.中国岩溶，2023，42（5）：1005-1026,1036.DOI：10.11932/karst20230514地热区中低温对流传导型岩溶热储地热系统的形成提供了前提条件57。地热水的水化学组分及其同位素含量变化可以推演地热水水文地球化学特征的变化轨迹8，分析地热水及地热系统的形成演化机理，有助于识别地热水来源、水岩作用过程及地热水径流循环特征5,810。黄琴辉等11通过对滇西陇川盆地地热水水文地球化学特征研究，推算出地热水循环深度、补给来源及形成机理。毛翔等12、余杰等13、常海宾等14分别对临近雄安新区的高阳地热田、巴东县盐场河地热田、湖南省地热水水化学特征进行分析，计算出地热水的循环深度，厘清了各研究区地热水的补给来源及地热田成因机制。庞忠和等15在华北牛驼镇凸起上确定了首个大型岩溶热储，并且提出了二元聚热模式。康凤新等16对济南北岩溶热储地热水水化学特征及同位素进行研究，阐述了岩溶热储地热水循环演化机制，构建了岩溶热储地热田成矿模式，提出了济南北山前岩溶热储四元聚热机制。鲁中隆起北缘地热区地热资源类型属沉积盆地型，以寒武系奥陶系岩溶热储为主，具有良好的开发利用前景。综合考虑断裂构造控制作用、三级和四级构造单元、行政区划、地层界线、地质不整合界线、热储岩性、厚度、埋深、岩溶裂隙发育程度、地温场特征、富水性、补给条件、热储 25 等温线及成井深度 3000m 控制线等因素，将研究区内地热田划分为聊东地热田、济北地热田、章丘地热田、淄博地热田。前人针对鲁中隆起北缘地热区开展过许多研究工作，多集中于地热地质特征及地热水补给来源等方面，认为岩溶热储地热水的来源主要为南部山区大气降水入渗后经过浅、中、深循环进行补给，并受控于断裂、岩浆活动等5,16-17，指导了山东省地热资源的开发利用。但对研究区地热水水文地球化学特征及形成演化研究较少，对地热流体的赋存环境、运移规律及成因机理还缺乏统一认识，限制了对地热资源更合理有效的开发利用。本文在对区域地热地质条件系统研究的基础上，综合运用 Piper 图解、Schoeller 图解、离子组分比率特征、NaKMg 平衡图解、矿物饱和指数法、同位素特征等方法18，对地热水的水文地球化学特征、水岩作用过程和循环演化特征进行探讨18，并对地热水补给高程、地热水循环深度进行了计算，以期为进一步合理有效的开发利用地热资源提供科学的参考依据。1地质背景鲁中隆起北缘地热区地处山东省中部，位于泰山山脉与鲁西北平原之间。研究区平面上呈弧面向北的扇形，地层总体为向北缓倾的单斜构造。研究区西起聊城兰考断裂，东到益都（淄河）断裂，南自寒武系奥陶系碳酸盐岩出露区，北以齐河广饶断裂为界。研究区主要分布新太古代泰山岩群、古生界（寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系）、中生界（三叠系、侏罗系和白垩系）和新生界（新近系、第四系）地层（图 1），基底为新太古代泰山岩群，古生界发育，以褶皱紧密的线性构造为其特征，线性构造以断裂为主，发育 NW 或 NNW 向断裂和 NE 向断裂。研究区控制性断裂构造主要有齐河广饶断裂、聊城兰考断裂、庙廊焦斌断裂、卧牛山断裂、文祖断裂、禹王山断裂、王母山断裂和张店断裂，构成了研究区地热资源分布格局的框架，也为热储的发育和空间分布创造了积极有利的条件。研究区主要含水层（热储层）为寒武系奥陶系碳酸盐岩含水层，其中位于上中游岩溶水子系统的灰岩出露区域接受大气降水直接或间接补给，一部分呈小面积富集和集中排泄的特点，一部分继续向深部径流补给下游地热田灰岩热储分布区，形成地热水的富集区16。2数据采集与处理本次采集鲁中隆起北缘地热区地热水样 32 组、补给区岩溶地下冷水 15 组，采样点位置见图 1、表 1。采用 Piper 图解、Schoeller 图解、离子组分比率特征、同位素特征、NaKMg 平衡图解、矿物相平衡计算等方法18，对比分析岩溶地下冷水和地热水的水化学性质，揭示地热水的补给来源、水岩作用过程和循环演化特征和形成机理1819。水质全分析主要在山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队实验室和国土资源部济南矿产资源监督检测中心完成，D、18O 同位素分析由中国地质科学院水文地质环境地质研究所实验室完成，14C 同位素分析分别由中国地质科学院水文地质环境地质研究所实验室、国土资源部地下水矿1006中国岩溶2023年0510 km新太古代泰山岩群地质界线济南辉长岩体地温 25 线角度不整合界线平行不整合界线浅部地热水径流方向中深部地热水径流方向深部地热水径流方向地热田范围透水断层闪长岩石炭二叠系二叠侏罗系古近系白垩系奥陶系寒武系岩脉阻水断层大气降水地热井位置及编号地下水井位置及编号补给区岩溶地下水径流行政界线岩体侵入界线图1鲁中隆起北缘区域地质构造略图Fig.1GeologicalmapofthetectonicstructuresatthenorthernedgeoftheLuzhongUplift第42卷第5期江露露等：鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理1007表 1研究区岩溶热储地下热水、岩溶地下冷水样品信息Table1Sampleinformationofkarstgeothermalwaterandundergroundcoldwaterinthestudyarea水样类型地热田样品序号采样位置井深/m热储顶板埋深/m 取样时间岩溶地下热水聊东地热田BY1聊城地震水化站2337.72826.002017.01BY2聊城单官屯海润温泉1035.00897.002006.06.04BY3聊城昌华温泉酒店1378.53845.002015.08.29济北地热田南部边界BY4齐河东盟国际生态城1907.25746.002017.06.28BY5齐河李家岸653.41246.552022.03.05近济南岩体北缘地热异常区BY6齐河油房赵村643.64194.002013.04.08西段BY7齐河古城苑2210.001500.002022.03.05BY8济南桑梓店村419.10210.472013.10.12BY9济南北郊林场904.95770.102022.03.09BY10济南大马庄1312.341078.002013.11.29BY11齐河省地热基地1601.571306.532022.03.05BY12齐河开发区国科温泉1734.191444.002004.06.14BY13济南天桥祝家村1532.06960.002021.01.04中段BY14济阳高官屯村1800.561152.002013.01.10东段桃园坝子BY15济南坝子村576.90293.002022.03.05BY16济南桃园村782.77413.002022.03.05BY17济南荷花温泉806.30404.902022.03.05东段BY18济阳韩家村1401.621065.002020.12.16BY19济南大李家村1601.00976.002022.03.14BY20济南马家村1123.55649.002017.06.28BY21济南济钢温泉706.00616.202016.10.26BY22济南鸭旺口村777.13672.702013.01.11BY23济南鸭旺口村792.78537.202004.08.24BY24济南温泉小区1802.00600.002022.03.05章丘地热田BY25济南章丘区枣园镇史家428.77378.312009.12.06BY26济南章丘宁家埠镇小桑1511.10950.002017.10.17淄博地热田BY27淄博桓台盛圆国际酒店1703.601398.002018.12BY28淄博张店焦化煤气公司1500.071178.002012.05.24BY29淄博张店黄金国际小区2003.681333.372009.08.17BY30淄博张店黄金国际小区1800.181335.002008.08.11BY31淄博张店黄金国际小区1804.001323.562010.06.07BY32张店地矿家园-1801.701363.002014.05.29岩溶地下冷水L1洪范池2020.09.21L2平阴杨河村2017.09L3归德沙河辛村2020.09.22L4大涧沟2014.11.09L5趵突泉2022.06.07L6黑虎泉2022.06.07L7边庄2020.09.22L8刘智远东北2018.10.05L9滩头2017.09L10白泉2022.06.08L11百脉泉2019.03.28L12章丘蒲黄2020.04.03L13孝直北十里铺村2017.09L14淄博淄川邹家村2018.12L15淄博淄川转道村2018.121008中国岩溶2023年泉水及环境监测中心完成。其中 BY1BY32 水样类型为地热水，L1L15 水样类型为岩溶地下冷水。3结果3.1热储特征研究区地热系统在成因类型上属于中低温对流传导型地热系统16，热流聚集以传导型为主，在局部地带受断裂活动的影响而形成传导对流的亚类16。在地层展布的水平方向和沉积的垂直方向上，研究区的地温梯度存在较大的差异。地温梯度在垂向上的变化会受到地层岩性、构造位置、地下水侧向径流及导热构造的影响19。地热井岩溶热储层的地温梯度值低于盖层的地温梯度值，岩溶热储层最底部的地温梯度值要低于岩溶热储层上部的地温梯度值（斜率发生变化），出现这种现象一是由于沉积作用形成的下部地层的密度和热导率大于上部地层的密度和热导率；二是由于深部地下水径流导热引起，即岩溶热储层下部地下水由于断裂的导通，上下部压力差明显，引起岩层内地下水向上流动，将深部热传递至渗透性差的上部，从而加热上部岩层，产生了上部比下部对流层较高的地温梯度（图 2）；部分地热井如 BY8、BY15 地温曲线显示有“尖角”突变，则反映了有温度较高的裂隙水流入的情况。研究区多数地热井地温梯度均接近华北地区正常大地热流增温的地温梯度，即接近 3/100m，热源表现为正常的大地热流传导，部分井则表现出传导对流型。研究区热储层为奥陶系岩溶热储，热储盖层受断裂构造发育程度影响明显，热储顶板埋深 1941500m，奥陶系总厚度约 800m，岩溶发育垂向变化明显，岩溶裂隙发育段集中在热储层顶板以下 300m左右。3.2地热水化学特征鲁中隆起北缘寒武系奥陶系岩溶热储地热水的 TDS 在 6557277.04mgL1之间，水化学类型为SO4Cl-NaCa 型、SO4Cl-CaNa 型、SO4HCO3-Ca 型、HCO3SO4-Ca 型、ClSO4-NaCa 型等。而岩溶补给区地下水的 TDS 在 419895mgL1，水化学类型为HCO3SO4-Ca 型和 HCO3-Ca 型（表 2）。南部山区地下水对地热水在补给、径流、排泄的长期演化过程中，在深循环过程中经深部大地热流传导加热或是HCO3岩浆岩体加热后，不断对围岩进行溶滤，使阴、阳离子含量总和增加。距补给区从近到远，地热水的TDS 逐步高于南部冷水，含量明显低于南部岩溶地下水（图 3）。研究区地下热水和冷水之间微量元素富集的总体差异显示出，热水从围岩中溶滤微量元素的能力更强。研究区地下热水中 F、Li、Sr、偏硅酸等微量组分含量表现出增加的趋势，主要由于地热水深循环过程中，地热水温度升高，溶滤作用增强，围岩中的微量元素溶解于地热水中，是地下热水循环交替及有利的地球化学环境条件共同作用的结果。4讨论4.1水文地球化学演化特征分析研究区地热井位置、热储层的分布、地热水和岩溶地下水（泉水）的水化学性质及类型，将水质样品分为 8 大组（A 组H 组），其中 H 组（L1L15）为鲁中山前地带岩溶地下水、泉水水样，其它为地热水水样。A 组（BY7BY13）均位于济北地热田西段，井口温度 3357，TDS 介于 2271.003357.00mgL1，水 化 学 类 型为 SO4Cl-CaNa、SO4HCO3-CaNa、HCO3SO4-Ca；B 组（BY14）处于济北地热田中段，井口温度 56，TDS 为 3537.56mgL1，水化学类型为 SO4-CaNa；C 组（BY1BY3、BY18BY26）处于聊东地热田、济北地热田东段及章丘地热田，井口温度 3952，TDS 介于 4830.007277.04mgL1，地热水水化学类型为 SO4Cl-NaCa 和 ClSO4-NaCa；D 组（BY27BY32）处于淄博地热田，井口温度 3660，TDS 介于 3421.495166.86mgL1，水化学类型均为 SO4Cl-NaCa；E 组（BY15BY17）位于济北地热田东段桃园坝子一带，该地热井靠近补给区，位于济南岩体北侧地热异常区，井口水温 33.038，TDS 含量为 1318.002449.00mgL1，水化学类型均为 SO4Cl-CaNa，由于该地热井靠近地热田补给区，其地下水径流循环较快，反映存在地下冷水侧向径流影响的地温场；F 组（BY6）处于济南岩体北缘灰岩地热异常区，井口温度 38，TDS 为 1418.53mgL1，水化学类型为 HCO3SO4-Ca；G 组（BY4、BY5）均靠近地热田南部边界，井口温度 3441，TDS 介于655881.5mgL1，该组水化学类型分别为 SO4HCO3-第42卷第5期江露露等：鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理1009Ca、HCO3SO4-Ca，本组靠近地热田南部边界，径流循环路径较短，水岩作用程度相对较低，水化学特征接近于 H 组的地下水；H 组（L1L15）分布在平阴县洪范池、孝直长清区归德镇济南市区趵突泉、黑虎泉济南市历城区白泉章丘区百脉泉、垛庄淄博市淄川区一带，为鲁中山前地带岩溶地下水、泉水，TDS 介于 419.00895.00mgL1，水化学类型为 HCO3SO4-Ca、HCO3-Ca。从表 1、图 4 可知，在地下水径流方向上，岩溶地下水与地热水的水化学类型截然不同。岩溶地下水SO24HCO3（泉水）矿化度低，水化学类型以HCO3-Ca、HCO3SO4-Ca为主，而地热水水化学类型由HCO3SO4SO4HCO3ClSO4SO4Cl 的顺序转换，TDS 也依次不断增大，、Ca2+、Na+、Cl含量不断增大，含量百分比呈降低趋势。这说明补给区岩溶地下水向地热田径流过程中，由地下水浅、中循环逐渐过渡到深循环，经过大地热流加温，地热水温度升高，溶解了围岩中大量矿物，导致地热水的水化学类型发生变化。同一地热田，随着热储埋深的增加，温度会增高，TDS也会增加。温度/深度/m010203040506070809010004008001 2001 6002 0002 400BY1BY8BY9BY14BY15BY23BY27BY30地温梯度/100 m3/100 mG=2.43G=4.7566G=2.268877G=3.13G=1.15G=1.41G=2.78G=1.33G=6.49G=1.31G=3.66G=8.87 G=1.06G=4.17G=1.68盖层(Q+J)盖层(Q+N)盖层(Q+N)盖层(Q+N)盖层(Q+N)岩溶热储层岩溶热储层岩溶热储层岩溶热储层岩溶热储层岩溶热储层岩溶热储层(P+C)(P+C)(P+C)盖层(Q+N)盖层(Q+N)盖层(Q+N)(+P+C)(T+P+C)(J)全孔 G=2.5955全孔 G=3.8622全孔 G=4.7144全孔 G=2.3411全孔 G=2.63全孔 G=1.3133全孔 G=3.27图2研究区部分地热井测温曲线对比图Fig.2Comparisonoftemperaturemeasurementcurvesofseveralgeothermalwellsinthestudyarea1010中国岩溶2023年表 2研究区岩溶热储地下热水、岩溶地下冷水水质分析一览表/mgL1Table2Analysisofwaterqualityofkarstgeothermalwaterandundergroundcoldwaterinthestudyarea/mgL1地热田样品序号pH水温/Ca2+Mg2+Na+K+HCO3SO24ClFBrTDSLiSrSiO2偏硅酸水化学类型聊东地热田BY17.059.0735.47164.03760.00 54.00 176.96 1738.691598.80 3.122.705161.65 0.73 8.96 11.2514.63SO4Cl-NaCaBY26.862.0701.10154.00834.70 57.68 160.40 1680.201657.40 3.902.085292.70 0.94 15.14 31.9841.57SO4Cl-NaCaBY37.560.0719.29153.88775.00 53.50 164.82 1778.321574.40 3.402.605170.17 0.37 6.67 8.5011.05SO4Cl-NaCa济北地热田南部边界BY47.941.0128.6638.1644.99 6.57 292.12 311.4437.49 1.200.10881.50 0.01 7.51 20.3426.44SO4HCO3-CaBY57.434.0112.0031.9055.00 5.52 285.10 246.0035.70 0.780.10655.00/3.74 20.1026.13HCO3SO4-Ca近济南岩体北缘地热异常区BY67.738.0234.7162.5588.00 9.40 218.22 684.0497.41 1.600.251418.53/19.0424.75HCO3SO4-Ca西段BY77.246.0500.0086.3099.00 13.60 229.92 1290.00146.00 2.670.102271.00/6.27 17.0422.15HCO3SO4-CaBY87.833.0453.60106.80121.80 14.51 181.76 1430.19126.19 1.990.152364.81 0.19 9.74 17.7723.10SO4Cl-CaNaBY97.743.2590.00120.00187.00 20.10 211.53 1943.00240.00 2.670.403235.00/13.08 25.1332.67SO4Cl-CaNaBY107.143.0637.42141.78135.75 18.43 178.03 2094.49122.91 2.680.463279.99 0.23 11.72 21.2027.56SO4HCO3-CaMgBY117.357.0634.00125.00242.00 22.90 217.66 1807.00381.00 3.000.553357.00/13.10 31.5340.99SO4Cl-CaNaBY127.155.5640.86138.07140.50 19.08 174.10 2006.87136.36 2.890.123284.15 0.22 12.76 24.6532.04SO4HCO3-CaNaBY137.250.1635.00129.00156.00 21.62 163.05 1990.00183.00 2.62/3218.00 0.57 13.20 26.5634.53SO4Cl-CaNa中段BY147.456.0556.77121.89350.00 28.00 166.30 2006.20274.90 3.500.603537.56 1.08 8.78 24.9532.44SO4Cl-CaNa东段桃园坝子BY158.035.7235.0020.40175.00 14.30 257.51 476.00244.00 2.180.101318.00/4.23 20.4726.61SO4Cl-CaNaBY167.333.0282.0058.90229.00 17.60 263.65 661.00335.00 2.250.251739.18/4.96 20.5626.73SO4Cl-CaNaBY177.438.0382.0077.90307.00 22.60 239.12 1010.00505.00 2.300.452449.00/6.25 20.3626.47SO4Cl-CaNa东段BY187.849.0961.00141.001322.00 69.10 150.00 2146.002396.00 2.05/7135.37/22.8729.73ClSO4-NaCaBY196.945.0887.00141.001257.00 61.40 49.05 2297.002184.00 2.070.556862.00/17.05 2.072.69SO4Cl-NaCaBY207.445.0863.65138.811234.50 63.36 100.93 2242.002384.11 1.204.507057.77 0.01 7.51 20.3426.44ClSO4-NaCaBY217.343.0878.20129.101314.00 70.84 103.98 2309.402439.82 2.743.167277.04 2.04 16.13 24.9432.42ClSO4-NaCaBY227.441.0834.15140.181166.67 33.33 106.60 2261.541961.17 2.00/6475.06/17.9223.30SO4Cl-NaCaBY237.339.0863.05149.991400.00 70.00 110.65 2276.202369.24 3.003.887273.14 0.05 2.12 26.0033.80ClSO4-NaCaBY248.652.0670.00132.001244.00 68.40 42.92 1905.001914.00 1.970.655974.00/16.80 13.3917.41ClSO4-NaCa第42卷第5期江露露等：鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理1011续表 2地热田 样品序号pH水温/Ca2+Mg2+Na+K+HCO3SO24ClFBrTDSLiSrSiO2偏硅酸水化学类型章丘地热田BY257.641.0673.8295.83747.5167.28205.882320.04798.632.171.454830.001.48 13.09 23.7730.90SO4Cl-NaCaBY267.145.5852.83141.651054.0055.84191.712324.721809.722.413.106602.051.53 15.93 14.8219.26SO4Cl-NaCa淄博地热田BY277.536.0245.4337.21800.00/255.061684.02481.141.600.733421.491.55 10.09 29.6038.48SO4Cl-NaCaBY287.944.0622.5581.63812.5085.88309.232503.76695.423.50/5166.86/25.1832.73SO4Cl-NaCaBY296.853.0432.0661.25890.0062.50296.032003.81691.312.741.584469.321 9.75 26.4834.43SO4Cl-NaCaBY306.860.0586.0074.30935.00102.00362.002495.00800.001.121.005020.000.74 7.00 30.6239.80SO4Cl-NaCaBY317.655.0493.7958.70893.0080.75344.652163.27726.085.00/4628.711.48 5.96 30.0139.01SO4Cl-NaCaBY327.344.1383.1660.41775.0030.91199.441700.69635.891.500.753719.022.46 9.37 24.8632.32SO4Cl-NaCa岩溶地下冷水L17.8137.0015.6014.800.74249.53125.0031.800.330.10522.750.007 0.36 13.9118.08HCO3SO4-CaL27.2110.0013.3014.300.50279.0050.8022.600.380.10419.00/0.36 7.509.75HCO3-CaL37.7104.0017.1016.200.78273.8844.9043.400.440.10440.230.009 0.36 16.5821.55HCO3-CaL48.0102.5619.767.140.43273.1570.1627.030.40/422.830.007 0.38 14.8519.31HCO3-CaL57.6131.0021.2028.701.22292.00109.0059.800.230.1559.370.015 0.41 15.9520.74HCO3SO4-CaL67.7146.0023.9043.701.35326.00128.0077.600.230.1653.900.016 0.40 16.9121.98HCO3SO4-CaL78.1103.0022.8022.500.99228.4092.9051.100.26/459.670.012 0.45 13.6817.78HCO3-CaL87.6162.4032.2528.480.70356.99147.5260.890.300.37676.770.007 0.31 15.4920.14HCO3SO4-CaL97.2108.0026.8014.500.70281.0071.3046.600.39/498.00/0.64 13.3317.33HCO3-CaL107.9120.0024.6014.200.95307.0072.8037.600.32/472.680.016 0.46 15.0519.57HCO3-CaL117.5136.6726.6217.360.96326.61130.1626.590.15/560.00/12.0215.63HCO3SO4-CaL127.594.3023.0040.303.45284.2896.8029.000.23/478.00/11.6715.17HCO3-CaL137.2218.0037.0032.400.45388.00121.00112.000.32/895.00/0.74 15.6920.40HCO3SO4-CaL147.5171.0024.4028.301.10301.00187.0065.600.02/726.00/0.30 9.3112.10HCO3SO4-CaL157.7130.6524.8815.400.65299.8089.2645.970.21/546.40/13.1817.13HCO3-Ca1012中国岩溶2023年分析图 5 可知，同一地热田区段的地热水具有相似水化学成分和相同的水化学类型，个别组分存在微小差异，表明其具有相似的水化学赋存环境17；地热水所处水文环境越封闭，溶解的 Cl和 Na+就越多。如济北地热田东段地热水中 Cl和 Na+含量明显高于西段和中段。对比岩溶地下水、泉水和地热水，可看出其曲线形状不同，说明它们的水化学成分差异较大。主要原因在于补给区岩溶地下水向地热田运移过程中，温度逐渐增高，溶滤作用增强，地热水的水化学成分发生较大变化17。4.2离子组分比率特征通过分析变质系数（Na/Cl）确定地热水所处的水体环境（表 3）。若海水的 Na/Cl300 时，地下水属于海相沉积水20。鲁中隆起北缘各地热田碳酸盐岩热储内地热水的 Cl/Br 值介于 389.643970.91 之间，属海相沉积水。2424脱硫系数（100SO/Cl）可以作为地下水还原条件好坏的界线指标，即当 100SO/Cl1，表明地下水还原不彻底，可能受浅表层氧化作用的影响20。聊东地热田地热水脱硫系数为 37.4441.71。济北地热田西段段地热水脱硫系数为 175.15629.32，东段地热水脱硫系数为 33.0873.86，表明同一地热田内不同区段地热水的脱硫系数相差也较大，东段热储含水层水文地球化学环境比西段较封闭。章丘地热田地热水脱硫系数为 47.44107.28。淄博地热田地热水脱硫系数为 98.77132.96。研究区地热水的脱硫系数均远大于 1，说明地热水热储含水层封闭9 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000TDS 含量/mgL1HCO3 含量/%BY1BY2BY3BY4BY5BY6BY7BY8BY9BY10BY11BY12BY13BY14BY15BY16BY17BY18BY19BY20BY21BY22BY23BY24BY25BY26BY27BY28BY29BY30BY31BY32L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15地热水地下水地下水地热水济北地热田聊东地热田章丘地热田淄博地热田BY1BY2BY3BY4BY5BY6BY7BY8BY9BY10BY11BY12BY13BY14BY15BY16BY17BY18BY19BY20BY21BY22BY23BY24BY25BY26BY27BY28BY29BY30BY31BY32L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15地热水地下水地下水地热水济北地热田聊东地热田章丘地热田淄博地热田80706050403020100HCO3图3研究区地热水、岩溶地下水 TDS 含量、含量变化图HCO3Fig.3VariationsintheTDSandpercentagecompositionofthegeothermalwaterandkarstgroundwaterinthestudyarea第42卷第5期江露露等：鲁中隆起北缘地热区岩溶热储水化学特征及形成机理1013性较差，可能接受大气降水的补给。HCO3CO23盐化系数 C1/(+)一般用来表示地层水的浓缩程度。盐化系数值越大，地层水的TDS 含量相应增高，因此地层水的浓缩程度就相应越高20。聊东地热田地热水的盐化系数为 15.5517.78；济北地热田西段为 1.093.01，东段的桃园坝子一带为 1.633.63，东段为 27.4876.73，变化幅度较大，西段明显低于东段的，说明东段地热水的浓缩程度越高。章丘地热田地热水盐化系数为 6.6716.24。淄博地热田地热水盐化系数为 3.255.49。鲁中隆起北缘碳酸盐岩热储地热水的盐化系数为1.0976.73，结合各地热田地热水的 TDS 含量，进一步说明盐化系数与地热水 TDS 呈正相关关系，即地层水的盐化系数越大，其浓缩程度越高。不同区段导水性能的差异影响地热水成分的变化，如济北地热田东段导水性差，不利于径流循环，因此浓缩程度也大。24综 上，聊 东 地 热 田 地 热水 Na/Cl1，结合 TDS 含量，说明与还原环境水交替滞缓区（高 TDS，高变质）不同，反映了聊东地热田地下热水所处环境为较封闭的弱氧化还原环境水交替滞缓区；研究区各地热田同一区段地热水Cl/Br、脱硫系数、盐化系数相差不大，表明具有相似的水化学赋存环境；同一地热田不同区段 Cl/Br、脱硫系数相差较大，主要是由地下水含水系统、径流循环条件差异造成，如济北地热田的西段接受来自趵突泉泉域岩溶地下水的补给，而东段接受来自白泉泉域岩溶地下水的补给，其径流循环条件存在较大差异。通过对变质系数、Cl/Br、脱硫系数、盐化系数等特征分析，研究区碳酸盐岩热储含水层封闭性较差，地热水主要是由大气降水逐渐淋滤围岩形成的溶滤水。4.3同位素特征水的稳定同位素（D、18O）分析是识别地热水补给来源、推断循环特征及计算补给高程的有效方法2123。研究区地热水、岩溶地下水 D、18O 含量通过BY1BY2BY3BY4BY5BY6BY7BY8BY9BY10BY11BY12BY13BY14BY15BY16BY17BY18BY19BY20BY21BY22BY23BY24BY25BY26BY27BY28BY29BY30BY31BY32L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15地下水的正演化方向(自补给区向排泄区)地下水的负演化方向自排泄区向补给区，与浅部岩溶水混合淄博地热田济北地热田章丘地热田东段中段西段南部边界近济南岩体北缘地热异常区东段桃园坝子聊东地热田岩溶地下水冷水()Ca+MgNa+K20%40%60%80%20%40%60%80%SO4+ClHCO3+CO3Mg