引用本文
李振雄, 胡博文, 王振华, 郭鑫鑫, 庾乐彬, 张晓幸. 地质构造控制下地热流体水化学、同位素及循环特征——以蔚县盆地为例[J].中国地质调查, 2024,11(6): 64-75.
LI Zhenxiong, HU Bowen, WANG Zhenhua, GUO Xinxin, YU Lebin, ZHANG Xiaoxing. Hydrochemistry, isotope and circulation characteristics of geothermal fluids controlled by geological structure: A case study of Yuxian Basin[J].Geological Survey of China, 2024,11(6): 64-75.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.110
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地质构造控制下地热流体水化学、同位素及循环特征——以蔚县盆地为例
李振雄, 胡博文*, 王振华, 郭鑫鑫, 庾乐彬, 张晓幸
河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心(河北省矿山和地质灾害应急救援中心),河北 石家庄 050085
通信作者简介: 胡博文(1986—),男,高级工程师,主要从事水文地质、环境地质、地热地质等方面的工作。Email: hubowen0808@126.com。

第一作者简介: 李振雄(1992—),男,工程师,主要从事水文地质、环境地质、地热地质等方面的工作。Email: 815615950@qq.com。

收稿日期: 2024-01-08 修订日期: 2024-07-03
基金资助: 张家口市蔚县地热温泉资源详细调查项目资助
摘要

蔚县盆地地热资源丰富,地质构造繁杂,研究地质构造控制下的地热流体水化学、同位素及循环特征可进一步促进地热开发与利用,以及环首都县市地热温泉康养产业发展。通过结合地下水和大气降水,运用多元统计、相关性及特征系数分析,借助Piper三线图、Na-K-Mg三角图,对蔚县盆地地热流体进行研究。研究结果显示: ①地热流体中阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+为主,阴离子以HCO3-、SO42-为主; Ca2+、Mg2+、HCO3-主要源于碳酸盐岩类矿物的溶解; ②地热流体中存在阳离子交替吸附作用,作用方向为K+、Na+进入液相,Ca2+、Mg2+进入固相,Na+与Ca2+、Mg2+处于此消彼长、相互抑制的状态; ③热储地层封闭性较差,地热流体浓缩程度和变质程度较低,受渗入水及浅表层氧化作用影响显著; 地热流体补给来源主要为大气降水,径流路径较短,水循环较快; ④热储温度为37.32~57.36 ℃,蓟县系雾迷山组热储最大循环深度为1 715~2 640 m,蓟县系高于庄组热储最大循环深度为3 291~3 337 m,均值为3 314 m。研究结果揭示了地质构造作用下水岩相互作用,对研究该地区地热流体水化学演化及动态特征具有一定意义。

关键词: 蔚县盆地; 地热流体; 水文地球化学; 同位素地球化学; 循环特征
中图分类号:P641 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)06-0064-12
Hydrochemistry, isotope and circulation characteristics of geothermal fluids controlled by geological structure: A case study of Yuxian Basin
LI Zhenxiong, HU Bowen*, WANG Zhenhua, GUO Xinxin, YU Lebin, ZHANG Xiaoxing
Land Resources Exploration Center, Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development (Hebei Mining and Geological Disaster Emergency Rescue Center), Heibei Shijiazhuang 050085, China
Abstract

Yuxian Basin has rich geothermal resources and complex geological structures. The study on the hydrochemistry, isotope and circulation characteristics of geothermal fluids controlled by geological structures can further promote the development and utilization of geothermal resources and geothermal hot spring health care industry around the capital city. By combining groundwater and atmospheric precipitation, and using multivariate statistics, correlation and characteristic coefficient analysis, the authors studied the geothermal fluid in Yuxian Basin using Piper triplex diagram and Na-K-Mg triangle diagram. The results are as follows. ① The cations in geothermal fluid are mainly Na+, Ca2+ and Mg2+, and the anions are mainly HCO3- and SO42-. Ca2+, Mg2+ and HCO3- are mainly derived from the dissolution of carbonate minerals. ② A cation alternat adsorption occurred in geothermal fluid, with the action direction of K+, Na+ into the liquid phase, and Ca2+, Mg2+ into the solid phase. Na+ and Ca2+, Mg2+ are in a state of mutual inhibition. ③ The thermal reservoir formation is poorly sealed, the concentration degree and metamorphism degree of geothermal fluid are low, indicating a significant affection by infiltration water and shallow surface oxidation. The main source of geothermal fluid recharge is atmospheric precipitation, and the runoff path is short with fast water cycle. ④ The heat storage temperature was 37.32~57.36 ℃, the maximum circulating depth of heat storage in Wumishan Formation of Jixian System was 1 715~2 640 m, and the maximum circulating depth of the heat storage in Gaoyuzhuang Formation of Jixian System was 3 291~3 337 m, with the average value of 3 314 m. The interaction between groundwater and rock under geological structure was revealed, which could provide certain guidance in studying the hydrochemical evolution and dynamic characteristics of geothermal fluid in this area.

Keyword: Yuxian Basin; geothermal fluid; hydrogeochemistry; isotope geochemistry; cycle feature
0 引言

地热资源是一种集水、热、矿于一身的清洁可再生能源[1, 2]。全球地热资源总量约14.5× 1025 J。21世纪末, 地热能利用量占世界能源总量的30%-80%[3, 4, 5]。因地制宜开发利用地热资源可有效减少温室气体排放, 有助于实现碳中和目标, 为能源替代提供新途径[6]。地热资源特有的环保、高效能和大存储量优势引得国内外政府及企业机构争相开展地热资源勘查开发利用与研究, 而地热流体水文地球化学、同位素地球化学及循环特征研究, 可有效辨析地热流体水化学类型、水岩相互作用、补给来源及其形成与循环过程, 为合理开发利用地热资源提供科学依据[7]。

目前, 蔚县盆地地热资源研究主要集中于热储特征, 从地质构造、地层岩性、成热模式等方面进行分析, 未细化区分不同区域热储结构, 缺乏盆地整体水文地球化学、同位素地球化学及循环特征方面的研究。2004年, 李业震[8]主要对卜南堡地热井及其以北蔚县矿区地热系统进行了研究; 2016年, 王国晨等[9]重点对北洗冀地区热储特征进行了讨论; 2019年, 周江[10]对蔚县盆地地热成因进行了分析; 2019年和2020年, 郝星波[11]和李泓泉等[12]分别对蔚县盆地热储特征及勘查开发利用方向进行了探讨。本文在总结分析前人研究的基础上, 论述蔚县盆地地质构造与地热流体水文地球化学、同位素地球化学及循环特征的关系, 揭示地质构造作用下的水岩相互作用, 在研究蔚县盆地地热流体水化学演化及动态特征方面具有一定意义。

1 研究区概况

蔚县盆地位于河北省张家口市西南部(图1), 面积3 220 km2, 其东邻涿鹿县, 南接涞源县, 西倚

山西省广灵县, 北枕宣化区, 处于“ 一县连二省” (河北省、山西省), 三市(大同市、保定市、张家口市)的重要位置, 是西联东出、承北接南的重要枢纽。

蔚县属温带大陆性季风气候, 年平均气温6.5 ℃, 年平均降水量407.4 mm。地形地貌主要以堆积类型为主, 包括山前洪坡积裙亚类(Ⅲ 1)、山前坡洪积斜地亚类(Ⅲ 2)、山前冲洪积扇裙亚类(Ⅲ 3)、河流冲积带状平原亚类(Ⅲ 4)、侵蚀堆积黄土丘陵亚类(Ⅲ 5)、侵蚀堆积湖积台地亚类(Ⅲ 6)。

图1 蔚县盆地交通位置图(a)及地质略图(b)
1.地热水取水区; 2.地下水取水区; 3.雨水取水区; 4.第四系松散层; 5.新近系中新统汉诺坝组; 6.下白垩统张家口组; 7.上侏罗统后城组; 8.中侏罗统髫髻山组; 9.中侏罗统九龙山组; 10.中侏罗统下花园组上段; 11.中奥陶统马家沟组; 12.下奥陶统亮甲山组; 13.下奥陶统冶里组; 14.上寒武统; 15.中寒武统; 16.下寒武统; 17.蓟县系雾迷山组+铁岭组; 18.盆地范围; 19.推断与实测正断层; 20.推断与实测逆断层; 21.碱性岩; 22.喜山期辉绿岩; 23.长城系大红峪组+高于庄组; 24.燕山早期花岗岩Fig.1 Traffic location map and geological sketch of Yuxian Basin

蔚县盆地为中间低、南北高的典型盆地, 基岩地层埋深整体东浅西深, 北浅南深。地层岩性由老至新依次为新太古界桑干群、中元古界长城系和蓟县系、古生界寒武系和奥陶系、中生界侏罗系和白垩系、新生界古近系和第四系。断裂构造主要有蔚县延庆断裂、月山向斜断裂、壶流河断裂、松枝口— 右所堡断裂、大湾— 暖泉断裂、白草窑— 九宫口断裂。其中, 壶流河断裂为一新生界掩盖下的隐伏断裂, 北侧奥陶系灰岩岩溶水含水层与南侧新生界湖相黏土类隔水层对接, 构成了壶流河南北地下水隔水屏障, 即为EW向延伸的SN向阻水断裂。

蔚县盆地地热异常区主要位于暖泉、卜南堡、北洗冀、织锦疃、麦子疃等地区, 地热井出水温度为26~43 ℃, 出水流量为30~60 m3/h。蔚县盆地为新生代断陷盆地, 地热资源分布受地质构造影响较大, 埋藏深度和开采条件差异显著。盆地内兼有带状热储和层状热储。热源以幔源热为主, 岩浆侵入体余热及放射性热为补充热, 尤其是深部(上地壳上部)存在低速异常带, 使得热传导活动更为强烈。

本文以壶流河断裂、松枝口— 右所堡断裂为界, 将蔚县盆地划分为三个地热区。壶流河断裂以北, 松枝口— 右所堡断裂以西, 大湾— 暖泉断裂以东, 为单斜构造局部基岩隆起地热区; 壶流河断裂以南, 蔚县延庆断裂以北, 大湾— 暖泉断裂以东, 松枝口— 右所堡断裂以西, 为断陷盆地层状热储地热区; 松枝口— 右所堡断裂以东为基岩隆起地热区(构造抬升地热区)。松枝口— 右所堡断裂以东热储地层埋藏较浅, 织锦疃地热井, 井深500~510 m, 热储地层为蓟县系雾迷山组白云岩。松枝口— 右所堡断裂以西, 壶流河断裂以北, 热储地层埋深次之, 且由西向东逐渐变浅, 西部暖泉地热井, 井深2 693 m, 1 620 m揭露蓟县系雾迷山组白云岩地层, 中部卜南堡地热井, 井深1 167 m, 在1 042 m 揭露蓟县系雾迷山组白云岩地层, 东部北洗冀地热井, 井深200~800 m, 热储地层为蓟县系雾迷山组白云岩。松枝口— 右所堡断裂以西, 壶流河断裂以南, 热储地层埋藏较深, 麦子疃DR1井深2 953 m, 891~1 676 m为蓟县系雾迷山组白云岩地层, 麦子疃DR2井深2 942 m, 956~1 578 m为蓟县系雾迷山组白云岩地层, 麦子疃R1井深1 228 m, 694~1 228 m(未揭穿)为蓟县系雾迷山组白云岩地层。其中, 北洗冀地区和织锦疃地区与澡洗塘地热田相似, 均为基岩隆起区, 即“ 古潜山” 构造[13]。

2 样品采集与测试

本次采集与收集的地热流体样品均取自蓟县系, 采集地热水样全分析样品3件、放射性和稳定同位素样品4件, 收集地热水样全分析样品4件、放射性和稳定同位素样品3件, 收集地下水和雨水氢氧同位素样品7件。样品采集与测试时间为2023年3— 5月, 样品采集严格按照《NB/T 10716— 2021地热流体样品的采集与保存规范》[14]执行, 样品测试在中国地质科学院水文地质环境地质研究所进行, 样品采集点分布如图1所示。

地热水样全分析利用电感耦合等离子体发射光谱仪(Avio 550 Max)进行检测, D和18O利用水同位素分析仪(L2130i)进行检测, T和14C利用超低本底液体闪烁谱仪(Quantulus1220)进行检测, 34S利用气体同位素质谱仪(MAT253)进行检测。阴阳离子平衡误差小于3%, 测试环境22 ℃, 相对湿度31%。

3 方法与讨论
3.1 地热流体水化学特征

3.1.1 地热流体离子组分

蔚县盆地地热流体出水温度为26~43 ℃, 属低温热水; pH值为7.46~8.00, 呈弱碱性; 溶解性固溶体(total dissolved solids, TDS)为212.48~931.20 mg/L, 平均值为533.65 mg/L, 属淡水、微咸水(表1)。

表1 蔚县盆地地热流体主要指标测试结果 Tab.1 Test results of main indexes of geothermal fluids in Yuxian Basin

壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区地热流体阳离子以Ca2+、Mg2+为主, 阴离子以HCO3-、SO42-为主; 壶流河断裂以南断陷盆地层状热储地热区的地热流体阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+为主, 阴离子以HCO3-、SO42-为主; 松枝口— 右所堡断裂以东基岩隆起地热区的地热流体阳离子以Na+、Ca2+为主, 阴离子以HCO3-、SO42-为主。

根据图2可知, 蔚县盆地地热流体按水化学类型主要分为HCO3--Ca2+· Mg2+、HCO3-· SO42--Ca2+· Mg2+、HCO3-· SO42--Na+· Ca2+、HCO3--Na+· Ca2+· Mg2+、HCO3--Na+, 不同构造单元地热流体水化学类型不同。其中, 暖泉地热井和卜南堡地热井均位于壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区, 水化学类型相同, 均为HCO3--Ca2+· Mg2+。北洗冀地区虽区位与暖泉和卜南堡相同, 但其受基岩隆起和松枝口— 右所堡断裂的影响, 地热流体溶滤作用不同, 使得该地区地热流体水化学类型不同于暖泉和卜南堡地区, 为HCO3-· SO42--Ca2+· Mg2+。织锦疃地区与北洗冀地区均属于基岩隆起区, 但二者由松枝口— 右所堡断裂隔开, 加之为松枝口— 右所堡断裂以东构造抬升, 故水化学类型不同于北洗冀地区, 为HCO3-· SO42--Na+· Ca2+。麦子疃地区属于壶流河断裂以南断陷盆地层状热储地热区, 麦子疃R1地热井和麦子疃DR1地热井、麦子疃DR2地热井的开采层位不同, 麦子疃R1地热井开采层位为蓟县系雾迷山组, 水化学类型为HCO3-· SO42--Na+· Ca2+, 和织锦疃地热井水化学类型相同, 麦子疃DR1地热井和麦子疃DR2地热井开采层位为蓟县系高于庄组, 水化学类型分别为HCO3--Na+· Ca2+· Mg2+、HCO3--Na+。

图2 蔚县盆地地热流体Piper三线图Fig.2 Piper triplex diagram of geothermal fluid in Yuxian Basin

3.1.2 地热流体元素间相关性

本文利用SPSS软件对蔚县盆地地热流体中的pH值、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、溶解性总固体进行元素间皮尔逊(Pearson)相关性分析(表2), 并绘制(Ca2++Mg2+)与(K++Na+)阳离子相关关系图(图3)。

表2 蔚县盆地地热流体元素间相关性分析 Tab.2 Correlation analysis among geothermal fluid elements in Yuxian Basin

图3 蔚县盆地地热流体(Ca2++Mg2+)与(K++Na+)阳离子交替吸附作用Fig.3 Alternate adsorption of (Ca2++Mg2+) and (K++Na+) cations in geothermal fluid of Yuxian Basin

由表2可知, 蔚县盆地地热流体中pH与HCO3-呈极显著正相关性, Na+与Ca2+、Mg2+呈极显著负相关性, 与HCO3-呈极显著正相关性。一般地下水中, K+比Na+活跃, 阳离子交替吸附作用可使K+将部分Na+置换出来, 导致地下水中Na+含量较高, 通常K+含量为Na+含量的10%。该地区热储层岩性和地热流体取水层位为蓟县系雾迷山组白云岩和蓟县系高于庄组白云岩, 白云岩主要由白云石(CaMg(CO3)2)组成, 其受高温和水岩溶滤作用进入地热流体中, 可导致Ca2+、Mg2+含量较高。由图3可知, 地热流体中阳离子交替吸附作用方向为K+、Na+进入液相, Ca2+、Mg2+进入固相[15]。综上分析, 蔚县盆地地热流体中存在阳离子交替吸附作用, 其中K+含量低于Na+含量, Na+和Ca2+、Mg2+含量相对较高, 并处于一个此消彼长、相互抑制状态, 且随地热流体pH值增高, Na+含量增加, Ca2+、Mg2+含量降低。

F-与Ca2+呈极显著负相关性, 分析认为, 地热流体中F-含量受Ca2+含量影响较大。在HCO3-占优势的碱性环境中有利于含氟矿物中可交换的F-被水中的羟基置换而进入水环境[16], 即Ca2++HCO3-+OH-↔ CaCO3+H2O, CaF2↔ Ca2++2F-, 碱性条件有利于水体中的Ca2+以CaCO3的形式脱离溶液体系, 从而使得平衡向含氟矿物(萤石)溶解的方向进行, 导致F-浓度增加。

TDS与Mg2+呈极显著负相关性, 分析认为, 地热流体中TDS受Mg2+含量影响较大。

3.1.3 地热流体特征系数

地热流体特征系数可反映地层封闭程度、地热流体变质和浓缩程度, 用以分析地热流体的运移和赋存环境[17]。本次计算了蔚县盆地地热流体的特征系数, 如表3所示。

表3 蔚县盆地地热流体特征系数 Tab.3 Geothermal fluid characteristic coefficients in Yuxian Basin

(1)变质系数r(Na+)/r(Cl-)。变质系数r(Na+)/r(Cl-)可用来反映地热水变质程度和水化学环境, 系数越小, 地层封闭性越好, 地热水越浓缩, 变质程度越高, 越为还原水体环境; 系数越大, 反映为地热水受渗入水影响越大, 渗入水影响越强烈[18]。标准海水和海相沉积水系均值为0.85, 含岩盐地层溶滤水值为1[19]。蔚县盆地地热流体变质系数为2.01~12.89, 均值为 4.46。蔚县盆地主要断裂较多, 次级断裂发育。蔚县延庆断裂, 正断裂, 为多期活动区域性大断裂; 月山向斜断裂, 正断裂, 与蔚县延庆断裂一起控制了蔚县“ 块断” 的演化, 为阳原盆地与蔚县盆地地下水径流通道天然屏障; 壶流河断裂, 正断裂, 其周围次级断裂发育; 松枝口— 右所堡断裂, 正断裂, 断距较大, 为区域性大断裂; 大湾— 暖泉断裂, 曾具有平移和挤压双重性质, 南段活动增强, 一定程度上阻滞了断裂两侧地下水流通; 白草窑— 九宫口断裂, 为左行平移正断裂。综上, 盆地内断裂均为正断裂, 开放性大断裂, 次级断裂发育, 地热井均位于断裂交汇处或次级断裂延伸地带。分析认为, 蔚县盆地地层封闭性较差, 地热流体未浓缩, 变质程度较低, 受渗入水影响较大。

(2)脱硫系数(100× r(SO42-)/r(Cl-))。脱硫系数(100× r(SO42-)/r(Cl-))可用来指示地热流体氧化还原环境, 数值越小, 地层封闭性越好, 为还原环境[17]。脱硫系数(100× r(SO42-)/r(Cl-))=1可作为还原条件好坏的界线指标, 脱硫系数(100× r(SO42-)/r(Cl-))< 1, 表明地热流体处于封闭环境, 还原作用较好, 反之, 则表明还原作用较差, 可能受浅表层氧化作用影响[18]。蔚县盆地地热流体脱硫系数(100× r(SO42-)/r(Cl-))为70.14~175.00, 数值远大于1, 结合断裂分布特征, 地层开放性较好, 分析认为, 蔚县盆地地热流体还原作用较差, 受浅表层氧化作用影响较大。

(3)盐化系数(r(Cl-)/r(HCO3-)+r(CO32-))。盐化系数(r(Cl-)/r(HCO3-)+r(CO32-))可反映地热流体浓缩程度。盐化系数越大, 矿化度相应增大, 浓缩程度越高[18]。蔚县盆地地热流体盐化系数(r(Cl-)/r(HCO3-)+r(CO32-))为0.07~0.40, 表明蔚县盆地地热流体浓缩程度相差不大, 均较低。

(4)r(Ca2++Mg2+)/r(HCO3-)和r(Ca2++Mg2+)/r(HCO3-+SO42-)。r(Ca2++Mg2+)/r(HCO3-)和r(Ca2++Mg2+)/r(HCO3-+SO42-)可表明碳酸盐岩的溶解或沉淀[20, 21]。蔚县盆地地热水样主要位于2r(Ca2++Mg2+)=r(HCO3-)线附近(图4), 由于蔚县盆地蓟县系岩性主要为白云岩, 所以地热流体中的Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于碳酸盐岩类矿物的溶解。r(Ca2++Mg2+)较r(HCO3-+SO42-)偏低, 可能与地热流体中发生阳离子交替吸附作用有关, 使其中Ca2+和Mg2+交换至岩石导致含量相对减少[21]。

图4 蔚县盆地地热流体r(Ca2++Mg2+)与r(HCO3-)的关系Fig.4 Relationship between geothermal fluid r(Ca2++Mg2+) and r(HCO3-) in Yuxian Basin

3.2 地热流体同位素地球化学特征

3.2.1 氢氧同位素组成特征及意义

本次将地热水、地下水、雨水氢氧同位素数据绘制成δ D与δ 18O关系图(图5)。由图5可知, 地热水、地下水、雨水的δ D与δ 18O数据点均分布于中国大气降水线附近, 未发生明显氧飘移, 表明蔚县盆地地下热水和地下冷水的补给来源均为大气降水。蔚县盆地地热水为开放型地热水, 大气降水入渗后经深循环在大地热流加热作用下形成地热水, 属于正常地热增温型地热资源[24]。

图5 地热水氢氧同位素与大气降水关系[22, 23]Fig.5 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes of geothermal water and atmospheric precipitation[22, 23]

3.2.2 氢氧同位素与热储埋深和温度关系

根据样品测试结果, 分别绘制了δ D和δ 18O与热储埋深和温度关系图(图6, 图7)。由图6和图7可知, 蔚县盆地不同地热区地热流体δ D和δ 18O值变化较大, 蓟县系雾迷山组地热流体δ D和δ 18O含量随着深度的增加而增大, 而蓟县系高于庄组地热流体δ D和δ 18O含量与热储温度关系不显著。

图6 δ D与热储埋深(左)及温度(右)关系Fig.6 Relationship between δ D and heat storage depth (left) and temperature (right)

图7 δ 18O与热储埋深(左)及温度(右)关系Fig.7 Relationship between δ 18O and thermal reservoir depth (left) and temperature (right)

3.2.3 同位素3H、14C和34S特征分析

由表4可知, 蔚县盆地地热流体3H均< 1, 表明该地热, 充体主要为1952年以前补给的地下水[25]。蔚县盆地地热流体表观年龄为(16.81± 0.48)~(39.27± 3.24) ka, 属于典型盆地型地下水, 各地热区地热流体表观年龄相差较大。暖泉、麦子疃DR1、麦子疃DR2地热流体34S远大于卜南堡、北洗冀、织锦疃、麦子疃R1, 而暖泉、麦子疃DR1、麦子疃DR2的井深和取水层位也远大于卜南堡、北洗冀、织锦疃、麦子疃R1。分析认为, 外生条件下, 厌氧细菌还原硫酸盐产生的硫化氢富集32S, 而残留的硫酸盐聚集34S。内生条件下, 重同位素34S趋于聚集在高当量硫的化合物中[26]。故34S在较封闭的热储环境中富集, 与封闭环境中硫酸盐还原为硫化物的无机和有机过程中发生的硫同位素分馏作用, 地质环境越封闭, 水岩作用越强, 硫酸盐还原作用还原势越大, 越有利于地下热水中34S的富集[25]。暖泉、麦子疃DR1、麦子疃DR2的井深和取水层位大于卜南堡、北洗冀、织锦疃、麦子疃R1, 故井越深, 深层地热环境较浅层地质环境越封闭, 水岩作用越强, 硫酸盐还原作用还原势越大, 越有利于地下热水中34S的富集。

表4 3H、14C和34S同位素特征分析 Tab.4 Isotopic characteristic analysis of 3H, 14C and 34S
3.3 地热补给及循环特征

3.3.1 地热流体补给高程和补给区

高程效应即大气降水中δ D和δ 18O值随当地海拔高度增加而减少[27]。地热流体补给区海拔高程计算公式如下[28]

H=(S-P)/K+h。(1)

式中: H为地热流体补给区高程, m; S为水样的δ D值或δ 18O值, ‰ ; P为地区大气降水δ D值或δ 18O值, ‰ (蔚县大气降水取2021年9月雨水实测数据, δ D均值为-61.49‰ ; δ 18O均值为-8.59‰ ); K为同位素高程梯度, ‰ /100 m(δ 18O取-0.30‰ /100 m, δ D取-2.5‰ /100 m)[29]; h为采样点高程, m。

由表5可知, 蔚县盆地地热流体补给高程约1 844~2 422 m, 与蔚县南山高程1 700~2 100 m 和月山高程1 700~2 000 m相近[30]。蔚县盆地地势平缓, 海拨高差较小, 地热流体总体由南北向中部径流, 结合壶流河断裂阻水情况, 分析壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区补给区主要为蔚县西北方向阳原南山(月山)山区, 松枝口— 右所堡断裂以东基岩隆起地热区补给区主要为蔚县东北方向山区, 壶流河断裂以南断陷盆地层状热储地热区补给区主要为蔚县南部蔚县南山山区。此外, 山西广灵县地势较蔚县盆地地势高, 二者间为大湾— 暖泉断裂, 北侧断裂活动较南侧断裂弱, 其阻水性南侧强于北侧, 故分析受区域地形地貌影响, 壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区地热流体还部分来源于山西广灵县境内。

表5 蔚县盆地地热流体补给高程 Tab.5 Geothermal fluid recharge elevation in Yuxian Basin

3.3.2 热储温度和循环深度估算

(1)水岩相互作用。地热温标常用来估算深部地热流体热储温度, 但前提是地热流体中离子需达到平衡状态, 因此计算热储温度前应对地热流体水岩平衡状态进行判断[31]。本文利用Na-K-Mg三角图解判断水-岩平衡状态及是否有冷水混入, 将地热流体分为完全平衡、部分平衡和未成熟水3种类型[32]。由图8可知, 研究区地热流体均位于未成熟水区域, 表明热流体与围岩介质相互作用未达到平衡状况, 阳离子地热温标不适宜估算区内热储温度[33]。

图8 蔚县盆地地热流体Na-K-Mg三角图解Fig.8 Na-K-Mg triangle diagram of geothermal fluid in Yuxian Basin

(2)热储温度。因阳离子温标不适用于蔚县盆地热储温度的计算, 故采用SiO2地热温标计算热储温度。本次列举了以下6种SiO2地热温标计算公式(表6), 计算结果如表7所示。

表6 SiO2地热温标经验公式 Tab.6 Empirical formula of SiO2 geothermometer
表7 蔚县盆地热储SiO2地热温标计算结果 Tab.7 Calculation results of SiO2 geothermometer for thermal reservoir in Yuxian Basin

由表7可知, 蔚县盆地属低温地热系统, 适用无蒸汽损失计算公式, 但单独采用石英无蒸汽损失或玉髓无蒸汽损失均误差较大, 故选用1/2(石英无蒸汽损失+玉髓无蒸汽损失)地热温标计算热储温度, 其计算结果更接近实测井底温度, 符合实际情况, 但暖泉计算结果小于实测井口温度, 故暖泉以测井温度44.04 ℃[36]作为热储温度, 除测井实测温度作为热储温度外, 其余以1/2(石英无蒸汽损失+玉髓无蒸汽损失)地热温标计算结果作为热储温度。

(3)循环深度。地热流体最大循环深度计算公式[17]

H=(t-t0)/te-h　。(2)

式中: H为地热流体最大循环深度, m; t为热储温度, ℃; t0为恒温带温度, ℃, 恒温带温度取9.2 ℃[37]; te为地温梯度, ℃/100 m; h为恒温带深度, m, 恒温带深度取40 m[37]。

由表8可知, 蔚县盆地壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区西部蓟县系雾迷山组热储最大循环深度约1 715~2 640 m; 壶流河断裂以南断陷盆地层状热储地热区蓟县系雾迷山组热储最大循环深度约2 140 m, 高于庄组热储最大循环深度约3 291~3 337 m, 均值3 314 m, 与李泓泉等[12]计算的麦子疃附近地热流体最大循环深度3 500 m相近。

表8 蔚县盆地蓟县系热储最大循环深度估算 Tab.8 Estimation of the maximum circulating depth of Jixian thermal reservoir in Yuxian Basin
4 结论与讨论

(1)蔚县盆地地热流体属低温热水, 呈弱碱性, 为淡水、微咸水。地热流体中阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+为主, 阴离子以HCO3-、SO42-为主。其中, Ca2+、Mg2+、HCO3-主要源于碳酸盐岩类矿物的溶解。受地质构造影响, 各地热区地热流体水化学类型不同。

(2)蔚县盆地地热流体中存在阳离子交替吸附作用, 作用方向为K+、Na+进入液相, Ca2+、Mg2+进入固相, Na+与Ca2+、Mg2+处于此消彼长、相互抑制的状态。地热流体中F-含量受Ca2+含量影响较大, TDS受Mg2+含量影响较大。

(3)蔚县盆地地质构造复杂, 断裂繁多, 热储地层封闭性较差, 地热流体浓缩程度和变质程度较低, 受渗入水及浅表层氧化作用影响显著。地热流体为开放型热水, 补给来源主要为大气降水入渗径流补给, 径流路径较短, 水循环较快。壶流河断裂以北单斜构造局部基岩隆起地热区补给区主要为蔚县西北方向阳原南山(月山)山区和山西广灵县, 松枝口— 右所堡断裂以东基岩隆起地热区补给区主要为蔚县东北方向山区, 壶流河断裂以南断陷盆地层状热储地热区补给区主要为蔚县南部蔚县南山山区。

(4)蔚县盆地热储温度选用1/2(石英无蒸汽损失+玉髓无蒸汽损失)计算热储温度更为合适, 蓟县系热储温度为37.32~57.36 ℃, 蓟县系雾迷山组热储最大循环深度为1 715~2 640 m, 蓟县系高于庄组热储最大循环深度为3 291~3 337 m, 均值为3 314 m。

(5)蔚县盆地地热井数量较少, 地热流体水样数据量相对不足; 北洗冀、织锦疃地热井钻井资料缺失, 深层地热井蓟县系雾迷山组和高于庄组划分不清, 地层数据精度有待提高。建议在条件允许的情况下, 于北洗冀、织锦疃地区打凿地热井并进行地层编录与地热流体水样采集测试, 弥补部分小区域数据精度不足的情况。

致谢: 本文撰写期间, 得到众多专家指导, 感谢河北省地质矿产勘查开发局正高级工程师田文法、刘志刚的指导, 感谢中国地质科学院水文地质环境地质研究所研究员张千千的指导。

(责任编辑: 王晗)

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