胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析
史猛1),张杰1),殷焘1),杨宁1),江海洋2)
)山东省第三地质矿产勘查院,)山东省第一地质矿产勘查院,山东烟台,济南,1264000;2250013
内容提要:胶东半岛是中国东部沿海地区中低温对流型地热资源赋存最丰富的地区之一,通过地热流体水化
学特征分析可以了解其水化学及补径排特征、热储温度、地热流体循环深度及可更新能力等。本文通过胶东地区/、/第四系水体的常规水质分析、氘氧同位素、地热流体γ5处天然温泉地热流体及其附近基岩水体、aClSO1Nγγ4、得知胶东地区地热流体水化学类型主要以Cl比值及管道模型和断层带模型计算流体循环深度等方法,laClCγ-N-·C、/矿化度0HCNNNSaa型水、OOaSOCOa型水为主,.45~7.68L,H7.3~8.63。地热流体主要 gp3·4-4·H3-来源于大气降雨入渗补给,且与地热田周边的浅部地下水体无水力联系,均为深循环径流补给的地热流体,循环深度主要分布在1属中深循环地热流体。研究区地热流体均未达到水岩平衡状态,对于地热流体.5~10km之间,/、/其对应的地热流体循环深度相对较浅,表明地热流体水动力环境封闭NaClSOl比值普遍较大的地热田,Cγγγγ4/、/部分地热田γ性差,可更新能力强,地热流体处于不断的补给-径流-排泄的过程,aClSOl比值接近海水,NCγγγ4是由于地热流体循环深度深、时间长,地热流体进行了大量的脱碳酸作用。本文对胶东地区中低温对流型地热流体的水化学特征分析将有助于增强人们对该类型地热资源形成机理的认识。
关键词:胶东半岛;地热流体;水化学;水岩平衡
山东 胶东半岛地处华北平原东北部沿海地区,省东部,北临渤海、黄海与辽东半岛相对,土地总面
2
。受太平洋板块与欧亚板块碰撞的影积达3万km
地热流体水了西藏措美县古堆地热田的热储特征,
化学分析手段被广泛应用于地热地质调查之中。胶东地区以往也开展了大量地热流体水化学研究工作,但更多的是集中在对基础水化学特征的分析或,单个地热田的水化学特征分析(ZhaoHuietal. ),仍缺乏系统而深入的研究。2018
胶东地区以往已施工的人工地热深井有20余处,然而由于对其地热流体的赋存机理研究不透彻,在已施工的地热井中出现了大量失败的地热勘探井,给人们造成了巨大的经济损失。随着国家能源结构优化改革政策的实施,地热能在未来能源结构中的地位越来越重要,胶东半岛又是山东省新旧动能转换的试点区域,未来胶东地区的地热资源勘探工作会进一步扩大,本文对胶东地区中低温对流型地热流体的水化学特征分析将有助于增强人们对该类型地热资源形成机理的认识。
响,特别是中生代以来环太平洋板块构造活动的影响,研究区内广泛发育有NNE、NE、NW向的断裂构造,这些不同时代、不同期次且性质差异的构造行迹组合为胶东地区中低温对流型地热资源的形成提,,供了前提条件(JinBinfuetal.2000;ZhanTao gg )。通过地热流体水化学特征分析是初步认识2011地热资源最简单有效的方式,早在1982年,Zheng()等就利用氢氧同位素分析了西Shuhuietal.1982 藏地区地热流体可能的流动方向及补给来源等;Li()利用地热流体水化学和同位素分Huitietal.2007 析结果来探讨地热田的水文地球化学特征和热水的()起源及年龄;利用鲁北YanXunchanetal.2019 gg 平原馆陶组地热流体水化学特征分析地热流体的运()移方向;利用水化学特征分析LiuZhaoetal.2017
]]注:本文为山东省地质矿产勘查开发局资助项目(编号鲁地字[鲁地字[资助成果。2201485号、01723号)
;;黄敏。收稿日期:改回日期:责任编辑:0201220197301992----:工程师,从事地热地质方向研究工作,殷焘,男,工程作者简介:史猛,男,988年生,mail495746716@q.com。通讯作者:985年生,E11q
:师,从事水文地质及地热地质工作,ail397921601@q.com。Emq()::引用本文:史猛,张杰,殷焘,杨宁,江海洋.92019.胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析.地质学报,3s138~148,doi1
/10.19762.cnki.dizhixuebao.2019221.j,,Y,Y,ediumShiMenZhanJieinTaoanNinJianHaian.2019.Hdrochemistrcharacteristicanalsisoflow-m gggggygyyy
,():38~148.temeratureconvectiveeothermalresourcesinJiaodonPeninsula.ActaGeoloicaSinica93s11 pggg
增刊1史猛等:胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析913
1 地质背景
胶东地区隶属华北地层大区,鲁东地层分区,受区域地质构造作用的影响,研究区地层岩性在区域上除胶莱盆地以沉积型白垩系砂岩为主外,胶南-威
地热流体的补给入渗进入地下、深循环径流、地壳深部的水热对流及沿热储通道上涌等提供了基础的构造条件。
2 水化学取样与分析
本次胶东半岛中低温对流型地热流体水化学特征研究水质全分析共取样4其中天然温泉地热5件,流体取样1温泉出露区附近基岩水样1温5件,5件,泉出露区附近第四系水样1确保所取的基岩水5件,。)样与第四系水样不受地热流体的影响(表1
地热流体的水化学成分与其热储的埋藏条件、围岩岩性、补给条件、循环深度及水岩作用过程等均。热储岩性很大有密切的关系(JinBinfu,1999) g程度决定了地热流体的水化学成分,是水化学形成的物质基础,地热流体在形成和运移过程中不断与围岩发生水岩反应,溶解围岩的矿物质成分,通常地热流体循环越深,循环时间越久,水岩作用越充分,其矿物质含量就越高,水化学类型也就越复杂。
从表1可以看出,温泉水的矿化度范围在0.45/各个温泉之间矿化度差异大,属于.68L之间,~7g
微矿化水—中等矿化水,其中靠近海域分布的宝泉/汤、东温泉等矿化度大于3这是由于该部分地L,g
海隆起、胶北隆起则主要分布有太古代、元古代及中生代的侵入岩,而研究区的天然温泉则主要出露在以侵入岩为主的隆起区的轴部地区。研究区广泛出露热导率高的前寒武系基底岩石以及侵入岩体,缺失热导率低的沉积盖层,有利于温泉的形成和出露(,,XionLianinetal.1984;LiXuelunetal. ggpg
。)1997
,按“山东省构造单元划分方案”研究区主要位于华北板块所属胶辽隆起区的胶北隆起和胶来盆地及苏鲁造山带所属胶南-威海隆起区的威海隆起、胶南隆起,主要构造形迹有栖霞复背斜、乳山-威海复背斜、胶莱向斜。在漫长的地质发展史中,胶东地区遭受多期构造变形的改造,其变质基地发育有不同构造相的多期褶皱、韧性变形与剪切等,同时欧亚板块与太平洋板块的碰撞使得胶东地区构造形态更加的复杂多变,广泛发育有NNE向、NE向及NW向
。研究区广泛分布的断裂构造为)的断裂构造(图2
,)图1 华北地区区域构造单元分区图(据GonChenlinetal.2009 gg
,)Fi.1 ReionaltectonicmainNorthChina(modifiedfrom GonChenlinetal.2009 ggpgg
014
地 质 学 报
//:///www.tteoournals.cndzxbchindex.asxhpgjp
2019年
图2 胶东地区基岩地质与构造、温泉分布图
Fi.2 ThemashowineoloandtectonicofbedrockanddistributionofhotsrininJiaodonPeninsula gpgggypgg
热流体同时也接受部分海水补给的缘故;H值变p化在7整体显碱性;常量组分中阳离.3~8.63之间,
+2+-
,,子N主要阴离子为C含量最高,其次为Caal-2-
,其水化学类型主要为C其次为HCOOl-3与S4
、、aCla·Ca型水、HCOOaSONN-N3·S4-4·
)。图3HCNOa型水(3-1188
可以判断O数据点在δDO关系图上的位置,δ -δ
。,地下热水的来源(ZhanHoninetal.1991) ggpg
18
如果地热流体δD和δO数据点多落在大气降水线
的附近,则说明地下热水起源于大气降水,但是存在
81 一些地下水起源于大气降水但发生δD和δO数据
点偏离大气降水线的情况,这可能是因为发生了同)。位素交换作用或其他原因(陈宗宇等,2010
本次研究工作取样及收集的地热流体氘氧同位素分析结果见表2。
由图4可以看出,研究区温泉地热流体的δD
18 和δO数据点都落在全国大气降雨线及中国东部地区大气降雨线附近,未出现明显的氧漂移,这说明
胶东地热流体同时含有丰富的对人体有益的微/量元素和组分,其中F-含量1偏.52~10.95mL,g
2+
/硅酸含量7含量01~141mL,Ba.05~0.41g
+2+
//含量0含量0mL,Li.04~1.82mL,Sr.4~gg
/微量元素含量较高是胶东温泉地热流体32.5mL,g
的主要特征之一。
3 地热流体来源及形成
由于不同来源的水分由不同的氢氧同位素组成,因此可利用地下热水中氢氧同位素的组成来研究地热流体的来源。根据天然温泉水样品δD和
地热流体的地热水来源主要来自于大气降雨,而非地球内部的内生水或者古封存水等水体。
此外,根据表1分析数据结果绘制天然温泉与其周围基岩深井、第四系浅井的p图ier三线图(p)。由图5可见,地热流体中水化学类型明显不同5
增刊1史猛等:胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析/表1 胶东天然温泉、基岩井及第四系水井水质分析一览表(mL)g
114
,,,(/able1 GroundwatertemeratureH,andconcentrationsofmaorionsHiOrandTDSinJiaodonPeninsulamL)SST 23,ppjgg
取样点
宝泉汤宝泉汤宝泉汤温泉汤温泉汤温泉汤洪水岚汤洪水岚汤洪水岚汤七里汤七里汤七里汤呼雷汤呼雷汤呼雷汤汤村汤汤村汤汤村汤大英汤大英汤大英汤乳山小汤乳山小汤乳山小汤龙泉汤龙泉汤龙泉汤于家汤于家汤于家汤乳山兴村汤乳山兴村汤即墨东温汤即墨东温汤艾山汤艾山汤艾山汤温石汤温石汤温石汤招远东汤招远东汤招远东汤
2--+2+2+-取样井类型温度(iOH2SSHCBOOaLiSrTDS℃)pH NaalCMCF- 343g
温泉井867.63553.00439.201.462906.25355.1520.99.398.00.13.470.40555.74 7 1 4 2 8 0 1 2 5第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井基岩井温泉井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井温泉井第四系井基岩井
41 14 85 16 41 74 51 14 66 16 15 60 15 14 51 16 14 26 14 41 56 51 14 95 15 41 57 14 14 28 14 14 62 16 14 52 51 14 45 14 41 81 41 14
7.167.0722.100.8446.888.2336.70.331.30 7 1 4 1 9 3 0 4 17.327.7434.202.8026.25108.31351.2.225.80 0 6 1 4 1 4 0 0 000 0 0 0 000 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.02.5405.32 0 80.03.5276.62 0 7.02.2440.14<0 0 2.02.2374.67<0 0 20.02.5854.14 0 50.03.9019.74 0 30.16.6209.42 0 60.02.7113.58 0 5.02.5356.31<0 0 5.02.4169.68<0 0 30.02.3715.65 0 30.02.5949.85 0 30.30.91114.37 7 1.02.1486.65<0 0 1
21483.06 20.04.5795.28 1 5.02.3742.49<0 0 20.02.4547.42 0 40.01.2360.24 0 20
0.1449.02 1
7.4814.000.48.6586.07138.53214.79.8011.20.07.97.00113.86 3 5 4 3 3 1 0 0 2 17.233.066.612.061.775.349.96.282.10 2 3 1 4 4 6 0 2 7.499.712.343.077.340.1533.52.288.50 2 4 1 3 2 1 0 2 6.787.7400.707.747.3410.83153.84.415.00 2 1 2 3 1 0 3 36.979.795.510.539.875.1919.01.93.80 2 5 1 3 2 1 0 3 .7.5006.507.19.662.5305.79354.12614.40 2 1 3 5 1 7 4 .8.948.532.358.9626.585.4930.62441.20 6 7 1 1 6 1 0 3 .7.3084.005.46.356.9641.05296.062336.50.09.59.5081.79 1 2 2 5 1 5 1 0 0 1 6
.8.4670.802.43.356.2078.83197.389236.50.06.31.641.95 1 2 1 4 1 8 1 0 0 1 6
8.3662.104.33.5372.78357.678.05.8941.10<0.05.30.2085.25 2 3 0 1 5 5 1 0 2 96.763.314.206.8109.498.0850.93.540.20 7 6 2 1 7 1 0 3 6.706.135.573.196.960.305.47.219.40 3 5 1 5 4 7 0 3 37.069.511.811.005.448.0127.71.98.60 2 3 2 3 6 1 0 1 47.660.342.215.930.762.8936.42.44.10 3 6 1 6 5 1 0 3 87.58355.00695.90.83227.79299.734.3.521.30.12.532.5724.11 1 2 3 3 1 7 0 1 3 57.9793.40197.50.3510.11241.800.64.516.40.09.471.3739.74 3 0 8 4 2 7 0 0 1 17.4929.80144.50.0968.35181.358.37.964.90 2 4 4 7 1 4 7.164.061.61.531.610.159.34.303.70 2 2 4 2 2 4 0 4 .7.283.0402.000.2859.495.347.08218.90 7 1 2 2 4 8 0 4 57.5733.50244.30.74291.12198.982.2.908.80.11.53 1 6 2 1 5 7 0 1
6.660.289.922.122.780.309.03.197.90 2 2 1 2 4 2 0 2 26.524.801.903.901.0010.088.37.28.50 2 6 2 3 1 7 0 3 8.6331.501.60.214.506.6694.47.16.70.12.08.7044.419 1 1 1 4 8 1 8 7 0 0 1 46.726.009.502.729.609.182.56.29.700 2 2 1 2 4 7 0 208.048.203.300.346.305.761.27.2.50 1 2 1 1 2 2 8 0 47.031.406.906.854.407.9733.52.60.40 3 4 1 3 6 1 0 2 47.9662.50.60.046.1068.639.981.02.70 1 7 1 7 1 8 1 8 .7.9834.600.40.514.7024.13104.49685.60 1 1 2 6 1 9 4 17.4844.80470.004.011314.00620.645.5.843.10 5 2 5 3 1 27.193.306.801.307.508.379.98.43.60 2 5 8 2 7 9 8 0 58.5406.700.80.161.105.5830.62.50.40.01.28.479.48 1 1 1 4 6 1 8 9 0 0 0 3
0.01.3408.32 0 30.04.1040.19 1 50.03.5834.66 1 40.68.88056.78 9 30.02.5247.70 0 50.04.70006.05 0 10.02.5877.97 0 50.03.0091.73 1 70.03.7640.29 0 60.03.7060.07 0 70.03.5084.96 4 6
98.6363.10.80.268.2063.946.670.52.90.01.04.2023.38 1 5 0 7 1 6 1 8 0 0 1 5
乳山兴村汤第四系井
27.70943.00790.70.37413.70269.332.5.9107.10.41.822.00660.23 1 6 4 5 2 1 0 1 3 7即墨东温汤第四系井
.7.9904.401.50.810.1024.13298.97292.00.05.18.9046.65 2 1 0 7 1 9 9 0 0 0 6
6.838.2075.003.712.6024.83217.69.377.00 5 1 4 5 2 0 2 .7.081.209.108.131.9007.73179.96234.00 4 9 2 5 1 0 2 7.3942.300.40.772.3066.99571.81.8528.30.04.52.20149.56 3 4 3 9 2 5 1 0 0 3 16.894.2021.600.120.2007.73101.59.400.10 6 1 3 8 1 0 3 7.231.6003.800.970.202.6016.10311.20. 5 1 2 8 7 1 0 4 7.003.1034.603.656.4031.15206.08.173.20 5 1 3 9 1 0 2 27.418.2013.908.2932.10112.42354.1.702.50 0 6 1 3 1 2 .7.75052.00109.30.70701.50131.1513642.1416.50.29.419.30243.99 1 7 1 4 1 0 1 1 3国土资源部济南矿产资源监督检测中心。注:测试单位:
于地热田周边的第四系水体与基岩水体的水化
+
学类型,且地热流体阳离子以N而其周边为主,a
2+2+
、的第四系与基岩水体则以C地aMg离子为主;-
热流体中的阴离子中C离子含量明显较高与其周l
近第四系浅井与基岩深井中相同离子的含量,并且地热热水的矿化度明显高于第四系浅井与基岩深井的矿化度。以上特征综合表明地热流体的补给来源并不是温泉附近的第四系水或者基岩裂隙水的直接补给,天然温泉地热流体与温泉附近的区域地下水没有水力联系或者是水力联系很微弱(LuXuron g
边的水体。同时从表1可以看出,地热流体中的、、、偏硅酸等离子的含量也明显高于温泉附BaLiSr
214
地 质 学 报
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2019年
图3 胶东天然温泉水化学类型Pier图p
Fi.3 PierdiaramofhotsrinshdrochemicaltesinJiaodon gpgpgyypg
地热流体主要受断裂构造控制作用的影响,其循环深度很大程度上受控于可导水断裂切割的深度。
当前常用的计算地热流体循环深度的方法有地、同位素法(热温标法(戴振宇,017)LuoLuet2 ,)等。由于本次研究过程收集到了1al.2014965年山东省地矿局八〇一水文地质队的监测的地热田天,然状态下的自流量值(相当于背景流量值)因此本
81
图4 胶东地热田地热水中δDO关系图-δ 18i.4 istributionofeothermalDOdF δ-δ gg
(次计算方法采用W提出的anJianetal.1990) gyg
管道模型和断层带模型来计算地下水循环深度。
如图6,其中Tr为热储温度,Ts为地表出露热水温度,为温泉天然状态下M’T0为当地平均气温,、自流量值。其中Ts、M’T0为实测数据,Tr则需要结合水质资料进行计算。
其中热储温度Tr计算方法如下:
胶东地区濒临渤海、黄海,部分天然温泉中的地热流体高矿化度是由于海水的混入,海水的混入不
-+
,、仅带来了大量的C还带来了大量的N热laK+,+
、因此水中的NaK+等成分不易与围岩达到平衡,
waterinJiaodoneothermalfield gg
,),其补给是大气降雨通过地表裂隙入tal.2010e
渗进入地表后,地下水沿着构造裂隙运移至地球深部,在地壳深部合适的位置发生水热对流,加热后的地热流体沿着构造薄弱的位置沿着热储通道上升而形成温泉。
4 循环深度
地下水循环深度是指地表面到最深地下水的隔水层底板的垂直深度,地下水循环研究的重要内容之一,它反映了地下水系统资源更新速度,是探究地下水系统的补径排特征的重要参考依据。胶东地区
研究认为阳离子温标方法不适用于胶东地区地热系统。为了排除海水对温标计算的影响,本次研究认为SiO2更适宜胶东中低温对流型地热系统。其中,根据S的计iO℃)2温标计算热储温度T(
算公式如下:
增刊1史猛等:胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析314
图5 胶东天然温泉与周围基岩深井、第四系浅井pier图p
,QFi.5 Pierdiaramofhotsrinsandbedrockdeewellsuaternarshallow wellsinJiaodonPeninsula gpgpgpyg
18 、表2 胶东地区地热流体及地表水中同位素δOδD分析结果
81
Table2 ResultsofisotoeOandδDineothermalfluidsandroundwaterwatersinJiaodonPeninsulaδ pggg
取样地点威海宝泉汤威海温泉汤文登洪水岚汤文登七里汤文登呼雷汤文登大英汤文登汤村汤乳山小汤乳山兴村汤牟平龙泉汤牟平于家汤蓬莱温石汤栖霞艾山汤招远汤东泉即墨东温泉
水样类型18 ()O‰δD(‰)δ水样类型
18 ()O‰δD(‰)δ水样类型
18()‰δD(‰)δ-9.17-7.98-6.36-5.18-6.47-6.62-5.36-7.47-6.39-7.55-7.18-7.01-7.46
-67.4-52.63-47.7-38.9-48.3-51.2-42-49.2-46.7-54.3-53-53.1-55.4-31.9-53.4
基岩地下水
-6.58-8.89-8.57-5.93-7.31-7.49-8.37-7.4-7.42-7.58-7.98-7.9-8.97
-47.97-66.37-57.3-43.1-53.2-52.8-58.7-52.2-49.8-53.7-56.6-57.3-61.8-49.2-43.5
地热流体
-7.9-8.3-8.8-8.6-6.3-8.5-7.9-9.2-9.8-9.6-9.6-9.5-7.9
-60-59-63-62-46-61-57-67-72-70-69-67-58-63-65
地表第四系水
.56-2-7.5
.49-6-7.18
.9-8-9
龙泉汤、即墨东温泉、招远东汤的地热流体、地下水的氘氧同位素为实测数据,其他数据为收集的以往研究报告数据。(数据测注:其中宝泉汤、。试单位:中国地质科学院水文地质环境地质研究所)
1522S5.75-lg
/式中:单位为mS—水中SiOL。g2的浓度,
按S天然温泉热储温度范围在iO2温标计算法,
T(K)=
)表4及S们实测井水温度tiOs(2温标算得各温泉热
),储温度值t胶东地区地表3代入图6可以看出,r(热水的循环深度多在1部分温泉循.5~10km之间,
环深度大于1胶东天然温泉普遍循环深度深,0km,属于中深循环地热流体。
。)见表3106.32~136.60℃之间(
根据胶东气温年变化值,取t结合我3,0值为1
144
地 质 学 报
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2019年
图6 地下热水循环深度图解
Fig.6 Graph showing
the depth of geothermalfluid
circulation1—威海宝泉汤;2—威海温泉汤;3—文登洪水岚汤;4—文登七里
汤;5—文登呼雷汤;6—文登汤村汤;7—文登大英汤;8—乳山小汤;9—烟台龙泉汤;10—烟台于家汤;11—乳山兴村汤;12—即墨东温泉;13—栖霞艾山汤;14—蓬莱温石汤;15—招远东汤
1—Baoquan Tang;2—Wenquan Tang;3—Hongshuilan Tang;4—Qili Tang;5—Hulei Tang;6—Tangcun Tang;7—Daying Tang;8—Xiao Tang;9—Longquan Tang;10—Yujia Tang;11—XingcunTang;12—Dongwen Quan;13—Aishan Tang;14—Wenshi Tang;15—Dong
Tang表3 胶东天然温泉热储温度一览表Table 3 Reservoir temperature of hot spring
s inJiaodong
Peninsula温泉
SiO2热储温度SiO2热储温度
名称(mg/L)(℃)温泉名称
(mg/L)(℃)威海宝泉汤
67.69 115.16牟平龙泉汤59.00 1
09.34威海温泉汤
85.54 125.50牟平于家汤69.54 1
16.33文登洪水岚汤105.00 135.02乳山兴村汤63.77 112.61文登七里汤105.00 135.02即墨东温泉82.38 1
23.80文登呼雷汤108.54 136.60栖霞艾山汤70.77 117.09文登汤村汤54.85 106.32蓬莱温石汤98.69 132.09文登大英汤58.77 109.18招远东汤89.62 127.63乳山小汤
60.62 1
10.47 化学组分分析
.1 水岩作用Na-K-Mg三角图是用于区分地热水为完全平衡水、部分平衡水和未成熟水的一种图解方法,它能够区分地热水水样类型,评价热水-围岩之间的平衡状态和预算混合趋势(Wang
Hao et al.,2009;uliarka et al.,2016.)。本次研究运用该方法来评价胶东地热水的平衡状态。
其主要依据两个化学反应:
①NaAlSi3O8+K+=KAlSi3O8+N
a+
,②2.8KAlSi3O8+
1.6H2O+Mg2+
=0.8云母+0.2绿泥石+5.4SiO2+
2K+。当①和②反应达到完全平衡时,Na+
和K+保持稳定;当地热水升流至地表时,温度降低,平衡状态被打破,Na+
和K+处于非平衡状态;在达到新的平衡时,Na
+和K+处于部分平衡状态。
将研究区地热水的Na、K、Mg含量经线性转化
后投影到Na—K—Mg三线图中。
从图7可以看出,胶东地区地热水样大多位于“局部平衡”与“非平衡区”区,均未达到水岩平衡。对比胶东地区地热水样在Na—K—Mg三线图中的
位置发现,Cl-Na(Ca)型水分布比较分散,大部分位于局部平衡区,个别位于非平衡区;HCO3·SO4-Na型水或SO4·HCO3–N
a型水基本位于局部平衡与非平衡区分界线附近,偏向于非平衡区的较多。由此可见,胶东地区地热水与围岩矿物均未达到完全化学平衡,水岩相互作用程度低,这主要是由于胶东地区的地热田均属于开放式对流型地热田,地热水一直处于不断的补给-径流-排泄的过程中,水岩作用难以达到平衡,并且从图中可以看出水岩相互作用程度与地热水的水化学类型相关性不强。.2 离子比例系数分析
地热流体中各离子比例系数可以间接说明地热流体的成因类型。本次评价选择常规离子系数γNa/Cl、γSO4
/γCl以及通过比较地热水与海水离子系数的差异,对地热热水的成因进行分析(Wu Yanjun etl.,2018;Xing Liting
et al.,2015),各地热田地热流体中γNa/γCl、γSO4
/γCl离子比例系数见表5。图7 胶东地热田地热流体Na-K-Mg平衡图
Fig.7 Na-K-Mg
equilibrium diagram of geothermalfluid in Jiaodong
geothermal field5γa55
J增刊1史猛等:胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析与出露热水温度t表4 胶东天然温泉自流量M’s一览表
514
Table4 FlowratesndeothermalfluidwellheadtemeraturefhotsrininJiaodonPeninsulaM’ta sogppgg
温泉名称即墨东温泉
天然自流量值
出露温度
3/
(/)M’Ls.82 2.78 .62 2.7 .43 5.04 .836 1.79
)M’(md℃)ts(
温泉名称
天然自流量值出露温度
3/
(/)M’Ls11.5 0.56 2.5 11.0 2.0 0.68 6.50
)(M’md℃)ts(
241.92 240.20 224.64 233.28 293.76 435.46 590.11 154.66
62.081.052.054.059.359.05162
文登七里汤文登呼雷汤威海温泉汤威海宝泉汤文登洪水岚汤乳山小汤乳山兴村汤
993.60 48.38 216.00 950.40 172.80 24.19 561.60
65.060.146.549.073.056.030
招远东汤栖霞艾山汤蓬莱温石汤牟平于家汤牟平龙泉汤文登汤村汤文登大英汤
/、/表5 胶东各地热田地热水中γaClSOlNCγγγ4
离子比例系数表
//Table5 ScaleratioofγNaClandγSOlC γ γ4
ineothermalfluidinJiaodonPeninsula gg
水样
/Naγ/SOγ4矿化度水化学类型
威海宝泉汤威海温泉汤洪水岚汤文登七里汤文登呼雷汤文登汤村汤文登大英汤乳山小汤牟平龙泉汤牟平于家汤乳山兴村汤即墨东温泉栖霞艾山汤蓬莱温石汤
(/mL)ClClγgγ
0.824.090837.79 0 21.254.265363.86 0 1
Cla-NCla-N
OaNHCO3·S4-NCOaSO4·H3-laSO-N4·C·CClaa-N·CClaa-N
·CClaa-NOaNHCO3·S4-NOaHCO3·S4-laSO-N4·C·CClaa-NOaNHCO3·S4-NOaHCO3·S4-Cla-N
·SCOaNOCl4·H3-Cla-N
4.981.828 1 5.701.857 2 .339.5282 1 0.647.068 0 0.757.114 0 .669.4734 1
689.15425.24481.96684.32639.83862.03
.749.220373.860 0 6
4.004.178795.66 1 1.501.547551.253 1 20.679.045 0 5.720.136 2
562.41939.26
4.497.3070047.74 1 1
图8 胶东温泉地热流体水化学类型与
/NaClγγ-矿化度关系图
i8 RelationshibetweeneochemistrteandF g.pgyyp /NaClDSofhotsrinsinJiaodonPeninsulaγγ -Tpgg
招远东汤温泉0.953.057450.01 0 5
旧店地热田2.192.83391.13 0 6
海水
0.85
0.104800.00 3
/.2.2 γSOl5Cγ4
)/脱硫系数(指示地下水的氧化还原SOlCγγ4)/环境,通常认为脱硫系数(越小,反映地SOlCγγ4下水的封闭性越好,反之封闭性越差。
,/)通过脱硫系数γ水化图9SCOl可以发现(γ4
/、学类型为ClaCla·Ca型的地热水的γSO-N-N4
/5.2.1 γNaClγ
/)变质系数(可以反映地下水浓缩变质aClNγγ程度和热储层水文地球化学环境,通常认为变质系/)数(越小,地下水封闭越好、越浓缩,变质NaClγγ越深,反映为比较还原的水体环境。如变质系数(/)小于0则其地下水一般为沉积水,反NaCl.85,γγ
/映地下水处于比较停滞状态,而变质系数(Naγ)越大,表明地下水活动越强烈。Clγ
、从图8可以看出,水化学类型为ClaCla-N-N·C/a型的地热水的γNaCl值普遍接近或者小于γ
/海水的γ反映为地热水处于比较停NaCl值0.85,γ滞状态,其主要原因推测是因为海水的混合作用引/起的;其他地热田的γ远远大NaCl值普遍大于2,γ/于海水的γ反映为地热水对流型NaCl值0.85,γ强,地热水活动强烈,可更新能力更强。
/反映为CCl值普遍接近海水的γSOl值0.10,γγ4
地热水封闭性较好,推断其主要原因是因为地热水/与海水的混合作用引起的;其他地热田的γSOlCγ4/值普遍大于1远远大于海水的γ.00,NaCl值γ
反映为地热水水动力环境封闭性差,可更新能0.10,力更强。
、//)通过变质系数(脱硫系数(NaClSOγγγ4
)、可以发现,lClaCla·Ca型地热水水动力C-N-Nγ
环境封闭性好,地下水处于比较停滞状态,且其矿化、度普遍较高;HCOOaSOCOa型NN3·S4-4·H3-地热水的水动力环境封闭性差,地下水活动强烈,其矿化度相对较低。
614
地 质 学 报
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2019年
体的循环深度主要在1同时通过地.5~10km之间,/、/、/热流体的γNaClSOl比值发现,NaClCγγγγγ4
/SOCl比值普遍较大的地热田其对应的循环深γγ4
度相对较浅,多分布在6其水化学类型以km以下,、/而γHCSNNOOaSOCOa型为主,Na3·4-4·H3-、/ClSOl比值与海水近似的地热田其循环深Cγγγ4度多大于6甚至大于1其水化学类型以km,0km,、·CClaClaa型为主。胶东地区的地热流体均-N-N
为达到水岩平衡的状态,主要是由于胶东地热流体属于断裂构造控制类型的开放式对流型地热田,处于不断的补给-径流-排泄的过程中,地热流体不断的与围岩产生水岩反应但不易达到水岩平衡,在补
/图9 胶东温泉地热流体水化学类型与γOS4
Cl-矿化度关系图γ
给区地热流体以溶滤作用为主,水交替迅速,地热流体矿化度较低,随着地热流体不断地向地壳深部运移,地热流体不断地与围岩发生脱碳酸、阳离子交替吸附等作用,流体矿化度进一步的增高,水化学类型、以HC若此NNOOaSOCOa型为主;3·S4-4·H3-时地热流体进一步的向地壳深部运移进行更深的循环,则地热流体的组分进一步的脱碳酸作用,矿化度、增高,水化学类型转化为以ClaCla·Ca型为-N-N
)。主(图10
Fi.9 Relationshibetweeneochemistrteand gpgyyp /lDSofhotsrinsinJiaodonPeninsulaSOC γγ-Tpgg4
通过离子比例系数与地热流体循环深度对比发/、/现,NaClSOl比值越大表明地热流体活Cγγγγ4/、/动越强烈、可更新能力越强,同时γNaClSOγγ4/Cl比值越大的地热田的循环深度相对于γNaγ
、/侧ClSOCl比值小的地热田其循环深度较浅,γγγ4面说明循环深度越深,地热流体可更新能力越弱,反之则更强。
7 结论
()胶东地热流体均为断裂构造控制类型的中1
低温对流型地热资源,地热资源主要出露在胶北隆起区及胶南-威海隆起区,其水化学类型主要以Cl-、、aCla·Ca型水、HCOOaSONN-N3·S4-4·氘氧同位素分析结果显示地热HCNOa型水为主;3-流体来源于大气降雨,且地热流体与其周边的基岩
6 讨论
胶东地热流体与其通过水化学特征分析发现,
周边的地表水体无水力联系,主要来源于大气降雨的入渗补给,对于距离海域较近地热田,同时存在浅部海水补给;管道模型和断层带模型计算的地热流
图10 胶东地热流体补径排及深循环过程示意图
Fi.10 SchematicmaofeothermalfluidrelenishmentrowanddeecclerocessinJiaodonPeninsula gpgppypg
增刊1史猛等:胶东半岛中低温对流型地热资源水化学特征分析714
水体、第四系水体等均无水力联系,说明大气降雨入渗进入地表后沿地表裂隙进入地壳深部进行深循环径流,在合适的位置经水热对流加热后上涌而形成温泉。
(2
)通过管道模型和断层带模型计算的胶东地热流体循环深度主要分布在1.5~10km之间,属于中深循环的地热流体。
(3
)胶东地热流体均未达到水岩平衡的状态,地热流体处于不断的补给-径流-排泄的过程中;地热
流体γNa/γCl、γSO4
/γCl比值普遍较大的地热田其对应的循环深度相对较浅,说明该类地热田地热流体水动力环境封闭性差,地下水活动强烈,可更新能
力强;部分地热田的γNa/γCl、γSO4/γCl比值与海水接近,主要由于地热流体循环深度深、时间长,地下水活动相对较弱,地热流体进行了大量的脱碳酸作用,对于距离海域较近地热田,同时存在浅部海水补给的原因。
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Hdrochemistrcharacteristicanalsisoflow-mediumtemerature yyyp
convectiveeothermalresourcesinJiaodonPeninsula gg
1)1)1)2)*1)
,,SZYYANG JHIMenHANGJieIN TaoNinIANG Haian g,g,yg
)handono.xlorationnstituteeolond ineralesources,antai,handon64000;21SN3EIoGaMRYS g pgyg,f
)handono.xlorationnstituteeolond ineralesources,inan,500132SN1EIoGaMRJ2 g pgyf
orresondinuthor:oma397921601@c*Cq.qpg
bstractA
JiaodonPeninsulaisoneofthereionswiththemostabundantlow-mediumtemeratureconvective ggp eothermalresourcesintheeasterncoastalareasofChina.Thisaerdiscussedhdrochemicaland gppy
,,recharecharacteristicheatreserviortemeratureeothermalcirculationdethandrenewablecaacit gpgppyusinhdrochemistranalsisofeothermalfluidsinJiaodonPeninsula.Geothermalfluidsamlesfrom gyyyggp
,andnearbbedrocksaswellasQuaternarwatersstemswereanalzedusin15naturalhotsrin yyyygpg //routinewaterualitanddeuterium-xenisotoeanalsis.NaClandγSOlratiosofeothermaloC γγ γqyygpyg4
,,fluidalonwithielinemodelandfaultzonemodelindicatethateochemicaltesofeothermalfluids gppgypg ,inJiaodonPeninsulaaredominatedbClaorCla·CateandHCOOaSOCOaNN -N-Ngyyp3·S4-4·H3- ,/tewithsalinitof0.45~7.68LandH7.3..63.Theeothermalfluidismainlderivedfrom ~8 ypygpgy
,atmoshericrainfallandnoconnectionwiththeshallowroundwateraroundtheeothermalfield.The pggcirculationdethranesfrom1.5kmto10km,suestinthateothermalfluidbelonstodee -pggggggp irculatineothermalfluid.Theeothermalfluidsinthestudareahavenotreachedthewaterockcr -gggy
/,/euilibrium.ForeothermalfieldswitheothermalfluidswithhihratiosofNaClandγSOltheirC γγ γqggg4corresondineothermalcirculationdethisrelativelshallow,indicaitnthattheeothermalfluid pggpygg hdrodnamicenvironmenthasoorsealinerformanceandstronrenewabilitandeothermalfluidisin yypgpgyg
/thecontinuousrechareunoffischarerocess.SomeeothermalfieldswithratiosofγNaClandrd γ --ggpg
/SOlclosetoseawaterresultfromthedeeandloncirculationofeothermalfluidsandtheCγ γpgg4 decarbonationofeothermalfluids.Theanalsisofhdrochemistrcharacteristicsoflow-medium gyyy
’temeratureconvectiveeothermalfluidsintheJiaodonareawillheltoenhanceeolesunderstandin pggpppg oftheformationmechanismofthisteofeothermalresources. ypg
:;;;KewordsJiaodonPeninsulaeothermalfluidhdrochemistrwaterrockeuilibrium - ggyyqy
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