山东省济阳北地热田水文地球化学特征及成因机理

李波; 刘治政; 张哲; 吴芳; 朱恒华; 王贵玲; 史勇; 刘华峰; 王心诚

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507624

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9776-9785 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507624

天文学、地球科学

山东省济阳北地热田水文地球化学特征及成因机理

李波 ¹^,² ,
刘治政 ³ ,
张哲 ⁴ ,
吴芳 ⁵ ,
朱恒华 ²^,⁶^,^* ,
王贵玲 ⁷ ,
史勇 ¹^,² ,
刘华峰 ³ ,
王心诚 ¹^,²

作者信息 +

Hydrogeochemical Characteristics and Genesis Mechanism of Jiyang North Geothermal Field in Shandong Province

LI Bo ¹^,² ,
LIU Zhi-zheng ³ ,
ZHANG Zhe ⁴ ,
WU Fang ⁵ ,
ZHU Heng-hua ²^,⁶^,^* ,
WANG Gui-ling ⁷ ,
SHI Yong ¹^,² ,
LIU Hua-feng ³ ,
WANG Xin-cheng ¹^,²

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摘要

济阳北地热田地处鲁西北坳陷地热区,赋存丰富的中低温地热资源,但研究程度较低。运用地热流体水文地球化学方法可分析区内地热水来源与演化过程,揭示地热系统成因机理。结果表明:区内地热流体水化学类型为Cl-Na型;主要离子来源为盐岩、碳酸盐岩的溶解作用,水岩作用未达到平衡状态;地热水来源于南部泰山山脉大气降水补给,补给高程为700~900 m;区内热储温度在72.50~89.80 ℃,深部热水温度在88.84~109.13 ℃,冷水混入比例为38.5%~48.7%;地热流体循环深度1 628~2 120 m。研究区为沉积盆地型传导-对流复合型地热系统,区内发育近南北、北东向断裂形成了局部地热水上升通道,地热水在深循环过程中与围岩矿物发生水岩作用,形成了以Na⁺、Cl^-为主的地热流体。

Abstract

The Jiyang North Geothermal Field is located in the geothermal area of the Northwest Depression of Shandong Province, hosting abundant low-to-medium temperature geothermal resources with relatively limited research. Hydrogeochemical analysis of geothermal fluids can reveal the source and evolution process of geothermal water, ang elucidate the genetic mechanism of the geothermal system. The results indicate:The chemical type of sandstone geothermal reservoir water in the area is Cl-Na type.Ions in geothermal water mainly originate from the dissolution of salt rocks and carbonate rocks, with water-rock interactions not reaching equilibrium.Geothermal water is recharged by atmospheric precipitation from the southern Taishan Mountain range, with a recharge elevation of 700~900 m.Reservoir temperatures range from 72.50~89.80 ℃, while deep geothermal water temperatures reach 88.84~109.13 ℃, with a cold-water mixing ratio of 38.5%~48.7%.Geothermal fluid circulation depth is 1 628~2 120 m.The study area exhibits a sedimentary basin-type conductive-convective composite geothermal system, where near NS-and NE-trending faults form local upward channels for geothermal water. During deep circulation, water-rock interactions with surrounding minerals generate Na⁺ and Cl^- dominated geothermal fluids.

Graphical abstract

关键词

济阳北地热田 / 水文地球化学 / 热储温度 / 地热成因

Key words

Jiyang North Geothermal Field / hydrogeochemistry / reservoir temperature / geothermal genesis

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李波, 刘治政, 张哲, 吴芳, 朱恒华, 王贵玲, 史勇, 刘华峰, 王心诚. 山东省济阳北地热田水文地球化学特征及成因机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 9776-9785 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507624

LI Bo, LIU Zhi-zheng, ZHANG Zhe, WU Fang, ZHU Heng-hua, WANG Gui-ling, SHI Yong, LIU Hua-feng, WANG Xin-cheng. Hydrogeochemical Characteristics and Genesis Mechanism of Jiyang North Geothermal Field in Shandong Province[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 9776-9785 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507624

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地热能作为新型能源具有清洁高效、稳定可靠和可再生等特点,在中国调整能源结构中具有重要战略意义^[1-3]。近年来,地热资源不断规模化开采,对地热来源研究显得愈加重要。

水文地球化学分析是研究地热流体组分和来源的一种重要技术方法。杨超等^[4]通过分析地热流体组分特征和同位素测年结果,提出了银川盆地地热水化学类型为Cl-Na和Cl·SO₄-Na型;补给来源主要为大气降水,地热水最老年龄为20 750年。彭清华等^[5]运用水化学分析对藏南茶卡-曲卓木温泉水岩反应过程和补给来源进行了研究,结果表明其水化学类型为Cl-Na型,大气降水补给高程在4 517~5 186 m。刘明亮等^[6]重点分析了雄安新区地热流体水化学特征及运移条件。实践证明,运用水文地球化学和同位素法研究地热流体成因被广大学者认同和采纳。

山东省地热资源丰富,康凤新等^[7]将山东省地热划分为鲁东隆起、沂沭断裂带、鲁西隆起和鲁西北凹陷四个地热区。鲁西北坳陷赋存有丰富的砂岩热储水热型地热资源,针对该区域地热条件、热储分布特征、资源潜力评价等方面各学者也开展了大量研究^[8-12]。康凤新等^[13]对华北盆地梁村古潜山聚热机制进行了研究,提出了四元聚热机理;李晓燕等^[14]利用钻井、测井等资料,明确了济阳坳陷灰岩热储分布特征,并用热储法评价了区域地热资源量;丁朋朋等^[15]对鲁西北平原砂岩热储的地热地质特征进行了研究,分析了地温场、水化学等特征,总结了成因模式。前人研究主要集中在鲁西北地区聚热机制、热储特征等整体性研究,缺乏对区内地热田地热资源研究。

济阳北地热田位于鲁西北坳陷区南部,地热田内现有地热井2眼,开发利用程度低。前人对砂岩热储型聚热机制研究较为普遍,但对区内地热流体水化学特征及演化研究处于空白。为此,依托山东省地热资源调查专项,依据本次实施地热井及已有地热井水化学资料,对研究区地热流体水化学特征、同位素特征及循环过程等方面进行分析研究,对研究区地热成因机制形成系统认识,可为济阳北地热田地热资源可持续开发利用提供科学技术指导。

1 研究区概况

1.1 自然地理条件

济阳北地热田位于济南市济阳区北部,主要包括济阳城区北部、新市镇、垛石镇及曲堤镇。极值坐标为116°52'48″E~117°22'48″E,36°57'00″N~37°12'00″N,面积686 km²。地形呈南高北低之势,海拔在16.6~20.2 m;地貌类型为倾斜平原地貌。气候属温带大陆性气候,多年平均降水量623 mm。

1.2 地热地质条件

研究区位于济阳坳陷西南部,南侧以齐河-广饶断裂为界,东侧以文祖断裂、东野郭寨-大湾断裂为界,西、北部以济阳与临邑、商河行政区界为界。区内以太古代变质岩为基底,上部发育古、中、新生代地层,地表被厚层第四系所覆盖。考虑地热资源条件与经济开发价值,热储类型以新近纪馆陶组和古近纪东营组热储为主。

区内第四系厚度200~300 m,新近纪馆陶组顶界埋深一般在700~1 200 m,底界埋深一般为750~1 640 m,东营组底板埋深1 200~2 000 mm。馆陶组在区内广泛分布,东营组在南部缺失,整体上由东南向西北埋深逐渐加深,地层厚度逐渐增大(图1)。

地温梯度的水平分布与基岩起伏呈正相关关系。区地温梯度自东南向西北递增,最低点位于济阳县城北附近,地温梯度3.0 ℃/100 m;最高点位于工作区西北,地温梯度3.7 ℃/100 m。

2 样品测试

对区内地热井取样5件,其中已有地热井水样编号DS01、JR025;施工地热井进行了分层产能试验,对不同热储层进行了分层取样,水样编号SJ-01-G(馆陶组)、SJ-01-D(东营组)和SJ-01-H(混合)。样品采集前,先抽取一定时间的地热水,并用地热水对水样瓶冲洗至少3次,保证取得的地热水能够准确反映真实状况。取样结束后立即编号并送往实验室进行相关检测。

样品测试分为水质全分析和氢氧同位素、碳十四同位素测试。水温采用煤油温度计在出水口测定井口出水温度。水质全分析由山东省地矿工程勘察院实验室进行检测,检测项目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-、CO₃^2-、Cl^-、SO₄^2-、溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)等。采用电感耦合等离子体质谱法测定流体中阳离子浓度,采用酸滴定法测定碱度,采用原子吸收分光光度法测定K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度,TDS通过计算求得。氢氧同位素和碳十四同位素由中国地质科学院水文地质环境地质研究所实验室进行检测,采用L2130i型同位素分析仪进行氢氧同位素测定,氚同位素仪器为超低本底液体闪烁谱仪。实测数据如表1所示。

3 地热水文化学特征

3.1 水化学特征

区内地热流体温度为52.5~68 ℃,与成井深度关系密切。pH为7.3~7.7,呈中性-弱碱性;TDS为5.59~20.55 g/L,整体差异较大,与热储层类型及埋深相关;偏硅酸浓度为33.72~51.10 mg/L,与所处热储岩性及构造环境有关。

从Piper图(图2)可以看出,区内地热流体水化学类型为Cl-Na型;阳离子以Na⁺为主,平均质量浓度为4 418.43 mg/L,其次为Ca²⁺、Mg²⁺;阴离子主要为Cl^-,平均质量浓度为7 632.67 mg/L,其次为HCO₃^-、SO₄^2-。

3.2 水化学演化分析

3.2.1 Gibbs模型分析

利用Gibbs图可以判别水体的化学形成机制,分析水样中各化学组分的控制因素,通常划分为蒸发浓缩、岩石风化和大气降水三类^[16]。若高质量比Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)或高质量比Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)并且高TDS,说明离子控制机制为蒸发-沉淀作用。如图3所示,水样均落在蒸发-沉淀区域,表明济阳北地热田地热水高TDS是经过蒸发-沉淀作用所形成。结合水样中高Na⁺、高Cl^-特征,进一步说明区内封闭的环境体系,地热流体主要由大气降水和历经蒸发作用后的原始沉积水混合而成。

3.2.2 离子比值分析

在深部循环过程中,地热流体与周边岩石中的矿物质会发生反应,造成不同化学组分存在差异;采用离子比值分析地热流体中离子来源,研究其演化过程^[17-18]。

离子的毫克当量比值γ(Na⁺)/γ(Cl^-)可以分析地热水中Na⁺、Cl^-主要来源,也可以表示地热水的封闭情况^[19]。如图4(a)所示,区内地热井水样多位于y=x线附近,表明区内地热水中Na⁺、Cl^-主要来源于盐岩的溶解作用。其中SJ-01(G、D、H)三个水样位于y=x线下方,说明地热水封闭性较好;DS01、JR025位于y=x线上方,表明地热水受到了上部渗漏水影响,封闭性较差。

γ(Ca²⁺+Mg²⁺)/γ(HCO₃^-+SO₄^2-)可以分析地热水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要来源^[20]。如图4(b)所示,区内SJ-01(G、D、H)三个水样落在y=x线上方,表明Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩和石膏溶解;DS01、JR025水样落在y=x线下方,表明除了来源于碳酸盐岩外,还受到其他地下水来源影响。

γ(Ca²⁺)/γ(Mg²⁺)可以判断地热水中Ca²⁺、Mg²⁺来源于碳酸盐岩还是硅酸盐^[21]。如图4(c)所示,区内馆陶组和东营组水样均位于y=x线上方,表明Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩溶解;DS01、JR025水样靠近y=x线,表明除碳酸盐岩溶解外,还受硅酸盐岩风化溶解影响。

3.2.3 氯碱指数分析

氯碱指数(CAI-1、CAI-2)是评价地下水阳离子交换作用的关键指标,可以反映地热水中阳离子交替吸附过程的方向和强度。其计算公式为

(1)$ \mathrm{CAI}-1=\mathrm{Cl}^{-}-\left(\mathrm{Na}^{+}+\mathrm{K}^{+}\right) / \mathrm{Cl}^{-}$

(2)$ \begin{aligned}\text { CAI-2 }= & {\left[\mathrm{Cl}^{-}-\left(\mathrm{Na}^{+}+\mathrm{K}^{+}\right)\right] / } \\& \left(\mathrm{HCO}_{3}^{-}+\mathrm{SO}_{4}^{2-}+\mathrm{CO}_{3}^{2-}+\mathrm{NO}_{3}^{-}\right)\end{aligned}$

当CAI>0,说明流体中Na⁺、K⁺与围岩中Ca²⁺、Mg²⁺发生了交换作用;若CAI<0,则说明离子交换方向相反^[22-23]。如图4(d)所示,区内SJ-01(G、D、H)三个水样为正值,说明地热水中Na⁺、K⁺与围岩中Ca²⁺、Mg²⁺发生了离子交换作用;DS01、JR025水样为负值,说明地热水中Ca²⁺、Mg²⁺与围岩中Na⁺、K⁺发生了离子交换作用。另外,东营组(SJ-01-D)水样绝对值较大,说明地热水中离子交换作用强烈。

3.3 氢氧同位素分析

3.3.1 地热水补给来源

通过分析氢氧同位素特征可以用来研究地热水在深循环过程中的补给来源、补给高程及水岩作用强度等信息^[24]。本次馆陶组(SJ-01-G)和东营组(SJ-01-D)同位素检测结果如图5所示,馆陶组(SJ-01-G)δD=-59,δ¹⁸O=-8.9‰;东营组(SJ-01-D)δD=-64,δ¹⁸O为-9.3‰。样品点分布在大气降水线附近,表明地热水的主要补给来源为大气降水。同时,馆陶组水样位置相对东营组水样位置更偏向右侧,说明在水岩作用过程中,热储层中的¹⁸O进入地热水中,造成¹⁸O更为富集。

利用氘的过程参数d分析水中¹⁸O与热储的交换程度,其表达式为d=δD-8δ¹⁸O。d越小,表明地热水在热储中赋存时间越长,水岩作用越强烈^[25]。馆陶组(SJ-01-G)d=12.2‰,东营组(SJ-01-D)d=10.4‰,说明东营组地热水径流速度相对较慢,滞留热储层时间更长。

3.3.2 地热水补给高程

一般采用大气降水中δ¹⁸O值或δD值来推算区域地热流体的补给高程值,进而结合区域地形地貌来确定补给区^[26]。采用补给高程值计算公式为

(3)$ H=\frac{\delta g-\delta p}{K}+h$

式(3)中:H为补给区高程值,m;δg为区内地热流体的δ¹⁸O值;δp为周边大气降水的δ¹⁸O值;K为周边大气降水的高程梯度,‰/100 m;h为地热流体取样的高程值,m。依据测试结果及资料,本次δp取平均值-6.9‰,K取-0.26‰/100 m。

根据式(3)计算得出,馆陶组(SJ-01-G)补给高程为750.96 m,东营组(SJ-01-D)补给高程为904.80 m。说明济阳北地热田地热水主要补给来源于700~900 m高程降水补给,推测为济南南部泰山山脉地区的降水补给,经过深循环后补给地热水。

3.4 碳十四年龄测定

为研究济阳北地热田地热水形成年龄,本次进行了氚同位素和¹⁴C同位素测定,结果如表2所示。

若氚含量小于0.8 TU,表明地热水年龄为亚现代水;0.8~4.0 TU为亚现代与近期补给的混合水,5.0~15.0 TU为现代水。¹⁴C的半衰期一般认为是5 760年,可以测得最大年龄为4 000~50 000年^[27-28]。

从表2可以看出,济阳北地热田中地热水氚含量较少,为亚现代水,是经过深部循环后在较为封闭的环境中形成。¹⁴C测年结果显示热水年龄在30 000~40 000年。

4 深部地热循环过程

4.1 水岩平衡状态

Na-K-Mg图解是一种用于评价水岩平衡状态的方法^[29]。如图6所示,图中水样点均处于未成熟水区域,说明区内地热水水岩作用未达到平衡状态,离子未达到饱和状态,推测与上部浅层冷水混合有关。若采用阳离子地温标计算热储温度,可能会出现较大误差。

4.2 热储温度计算

4.2.1 阳离子地温计

常用阳离子地温计方法有Na-K地温计、K-Mg地温计、Na-K-Ga地温计等^[30]。其计算方法都是经验性的近似方法,对未达到水岩平衡状态的地热水,误差相对较大。

(1)Na-K地温计。

(4)$ T_{\mathrm{Na}-\mathrm{K}}=\frac{1390}{1.75-\lg \left(\mathrm{K}^{+} / \mathrm{Na}^{+}\right)}-273.15$

(2)K-Mg地温计。

(5)$ T_{\mathrm{K}-\mathrm{Mg}}=\frac{4410}{14.0-\lg \left[\left(K^{+}\right)^{2} / \mathrm{Mg}^{2+}\right]}-273.15$

4.2.2 SiO₂地温计

SiO₂地温计指利用地热流体中二氧化硅饱和浓度计算出流体平衡带的温度。常用的是石英、玉髓和无定形二氧化硅。本次采样点温度均低于110 ℃,采用无蒸汽散失的石英和玉髓温标公式^[31]。

(1)石英(无蒸汽损失)地温计。

(6)$ T_{\mathrm{SiO}_{2}}=\frac{1390}{5.19-\operatorname{lgSiO}_{2}}-273.15$

(2)玉髓(无蒸汽损失)地温计。

(7)$ T_{\mathrm{SiO}_{2}}=\frac{1032}{4.69-\operatorname{lgSiO}}-273.15$

依据式(4)~式(7)对各取样点热储温度进行计算,结果如表3所示。不同方法计算结果有较大差异,Na-K地温计和K-Mg地温计受水岩状态未平衡影响,计算误差较大。玉髓地温计计算结果与出水温度相近,但热储温度偏低;推测地热流体在上升过程中与浅层冷水混合造成SiO₂含量降低。区内热储温度在72.50~89.80 ℃。

4.2.3 多矿物平衡法

多矿物平衡法是通过判别地热系统中热液与矿物之间的平衡关系从而计算深部热储温度^[32]。通过PHREEQC软件计算出不同温度下各矿物饱和指数(saturation index,SI),公式为

(8)$ \mathrm{SI}=\lg (Q / K)$

式(8)中:Q为离子活度积;K为特定温度下的反应平衡常数。当SI=0时,各矿物处于溶解平衡状态,依据计算结果绘制SI-T曲线关系图,各矿物曲线相交于SI=0点,即为深部热储温度。

对研究区5个取点样进行计算,结果如图7所示。水样中各矿物SI指数与温度曲线收敛性相对较好,热储温度为75.2~86.7 ℃。

4.2.4 混合比例法

区内水样都处于水岩未平衡状态,表明与浅层冷水发生了混合作用。采用硅-焓方程法可以估算冷水混入比例和深部热水温度^[4,30]。其方程为

(9)$ H_{\text {冷 }} X+H_{\text {热 }}(1-X)=H_{\text {温 }}$

(10)$ C_{\mathrm{SiO}_{2} \text { 冷 }} X+C_{\mathrm{SiO}_{2} \text { 热 }}(1-X)=C_{\mathrm{SiO}_{2} \text { 温 }}$

式中:X为冷热水混合比例;H_冷为地下冷水焓值;H_热为深部地热流体焓值;H_温为地热水焓值;C_SiO₂冷为地下冷水中SiO₂含量;C_SiO₂热为深部地热流体中SiO₂含量;C_SiO₂温为采集地热水中SiO₂含量。

通过对5个水样进行计算分析(图8),结果显示所有水样均混入不同比例的冷水,深部热水温度为88.84~109.13 ℃,冷水混入比例为38.5%~48.7%。因地热流体上升时发生部分热量流失,因此该方法计算的热储温度相较于地温标法要偏高一点。

4.2.5 热循环深度

研究区地热流体循环深度计算公式为

(11)$ H=\frac{t_{1}-t_{2}}{G}+h$

式(11)中:H为区内地热流体的循环深度,m;t₁为深部热储温度,℃;t₂为研究区恒温带平均温度,℃;G为研究区地温梯度,℃/100 m;h为研究区恒温带平均深度,m。

依据钻孔资料和当地气象资料,本次计算地温梯度取钻孔平均值3.52 ℃/100 m,恒温带温度参考当地气温取15.8 ℃,恒温带深度取18 m。根据计算结果可以看出,区内地热流体循环深度1 628~2 120 m。

5 聚热模式分析

研究区地处鲁西北地热区,传导为主要热传递方式,主要热源为上地幔传导热,主要热储层为新近系馆陶组和古近系东营组,基于此构建研究区热储概念模型(图9)。因区内碳酸盐岩热储埋藏较深,区内未有相关钻孔及数据资料,本次未作研究。

华北克拉通破坏造成区域地壳减薄,地幔沿薄弱处上涌后形成深部热源;南部泰山山脉地区大气降水补给地下水后由南向北径流,部分地下水沿深大断裂深循环赋存于砂岩热储和深部碳酸盐岩热储;在长期缓慢径流过程中,地下水吸收热量与围岩发生水岩相互作用,形成地热流体。区内上部覆盖厚层第四系和新近系明化镇组,导热性差,形成了良好盖层。受后期构造运动影响,在区内发育多条南北向、北东向断裂,形成了良好的热流上升通道,形成了研究区传导-对流复合型地热系统。

6 结论

(1)济阳北地热田砂岩热储水化学类型为Cl-Na型;地热水中Na⁺、Cl^-主要来源于盐岩的溶解作用,Ca²⁺、Mg²⁺含量主要受碳酸盐岩、硫酸盐岩和硅酸盐岩的共同影响。区内地热水水岩作用未达到平衡状态。

(2)依据氢氧同位素分析,大气降水为地热水主要补给来源,补给高程为700~900 m,经过深循环后补给地热水。碳十四测定结果显示,区内地热水为亚现代水,是经过深部循环后在较为封闭的环境中形成;¹⁴C测年结果显示热水年龄在30 000~40 000年。

(3)地温标计算区内热储温度在72.50~89.80 ℃。利用硅-焓方程法分析,深部热水温度在88.84~109.13 ℃,冷水混入比例为38.5%~48.7%。区内地热流体循环深度1 628~2 120 m。

(4)研究区内沉积盆地型传导-对流复合型地热系统。热水起源于南部泰山区域,经深循环后径流至凹陷区赋存于热储层中。区内发育近南北、北东向断裂形成了局部地热水上升通道。地热水在深循环过程中与围岩矿物发生水岩作用,形成了以Na⁺、Cl^-为主的地热流体。

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基金资助

国家自然科学基金(42272288)

国家自然科学基金(42572329)

山东省省级地质勘查项目(鲁勘字(2024)74号)

山东省地矿局科技攻关与引领示范项目(HJ202213)

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Received	Published	Revised
2025-11-03	2026-08-18	2026-02-08
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2026-09-04

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