吉林省伊舒盆地南段地热流体水化学及同位素特征

李文俊，刘聪，张丽玲，朱彤，宋文玲

1.吉林省地质矿产勘查开发研究院，吉林 长春 130102；2.吉林省地质调查院，吉林 长春 130102

0 引言

随着我国经济的高速发展，能源供需关系日益紧张，地热资源作为一种清洁、可再生的资源受到广泛关注。吉林省伊舒断陷盆地是发育于郯庐断裂带东北段上的新生代盆地，地热资源较为丰富。为科学合理利用吉林省地热资源，应对其分布特征、成因环境、循环条件等进行综合分析，保障地热资源的可持续利用。本文基于吉林省伊舒断陷盆地(伊通段)地热资源普查和吉林省伊通满族自治县大孤山地热资源普查2个项目，应用Pipar图、Gibbs图、Na-K-Mg三角图、氢氧同位素关系图等方法对地热流体化学组分、成因、循环特征进行了初步分析。

1 研究区概况

吉林省伊舒断陷盆地是发育于郯庐断裂北延西支上的新生代盆地，位于长春市和吉林市之间，盆地平面呈北东向狭长分布，长140 km，宽12～20 km，面积约2 400 km2，盆地内充填有巨厚的新生界地层。盆地北西侧隔大黑山地垒与松辽盆地相邻，东南为广阔的那丹哈达岭山脉。盆地内地势相对平坦开阔，平地上散布着16座拔地而起的火山，火山喷发类型为喷发和裂隙—中心式溢流，在空间上主要沿盆地两侧深大断裂呈北东向线状展布，火山活动较为强烈。

研究区地处伊舒盆地南段，构造上属佳木斯—伊通地堑，二级构造单元为莫里青断陷。莫里青断陷可进一步划分为靠山凹陷、马鞍山断阶、大孤山断阶带、尖山构造带及小孤山斜坡(图1)。

图1 伊舒盆地南段构造单元划分及地热井分布图

受盆地东西两侧深大断裂和地层沉积环境等因素控制，区内地热资源较为丰富，研究区4眼地热井揭露地热流体主要赋存在古近系奢岭组和双阳组砂岩地层的孔隙、裂隙中，有效热储层埋深在1 303.5～2 012.1 m之间，单井最大涌水量可达902.88 m3/d，出水温度区间在47～53℃之间。属由构造控制的沉积盆地型地热资源。

2 水文地球化学特征分析

2.1 样品的采集与测试

本次研究所用的地热流体样品取自区内4眼地热井，各井取样时间均在抽水试验结束前2小时采集，并加入保护剂，取样流程严格按照取样标准进行采样。共采集地热流体样品4组，委托具有水质检测资质的单位进行分析测试，测试结果真实可靠。

2.2 水化学类型及矿化度分析

图2 地热流体pipar图

平面上，地热流体的矿化度由盆地东南尖山构造带向西北靠山凹陷逐渐增加，可见凹陷区地热流体循环相对缓慢，致使矿化度增加，由矿化度含量变化，可初步推断该区地热流体径流方向为东南向西北。此外，区内4眼地热井ZK2、ZK5、ZDR2、ZDR1的静水位标高分别205.88 m、179.85 m、223.30 m、235.40 m，地热井的静水位数据也佐证了地热流体由东南向西北径流。

表1 伊舒盆地(南段)地热流体主要离子浓度数据表

2.3 水化学成因类型分析

图3 研究区地热流体Gibbs投影图

2.4 水岩平衡分析

1988年Giggenbach提出了Na-K-Mg三角图解法，用来评价水岩平衡状态，其原理为Na+、K+的平衡调整极为缓慢，而K+、Mg2+含量即使在低温也调整得相当快[6]。在三角图中分为完成平衡、部分平衡和未成熟水三个区域。由绘制的Na-K-Mg三角图(图4)可以看出，地热流体样品均位于部分平衡区，基本接近平衡曲线，说明地热流体处于较为封闭的环境中，循环较慢，在热储层内化学反应未达到离子平衡，或者是在上升过程中发生了冷热水混合作用使得热水中离子组分的浓度降低[7]。本区地热流体投影点分布在三角图右侧完全平衡与部分平衡界线下部，水岩作用接近完全平衡，推测其原因为深部热储与浅部热储发生混合，温度出现变化(但变幅不大)，使原平衡被打破。

图4 地热流体Na-K-Mg三角图

3 同位素特征分析

地热流体的同位素分析是了解地热流体形成机制、补给、径流、排泄的有利手段，其中D、O同位素运用最为广泛。同位素的化学性质大部分不易被围岩吸收，比较稳定，但因地下水的混合作用、水—岩反应作用以及温度变化等因素导致的同位素变化容易被仪器检测到[9]，D、O元素本身就是水分子的组成部分，其变化规律可有效地再现地热流体的演化过程，同时δ18O在地热流体及岩石中存在不同程度的交换，亦可用来揭示水岩反应过程[10]；另外，大气降水中的δD和δ18O值会随着温度、纬度、高程、降雨量、季节等影响因素的变化而发生相应的改变，从而可以利用这些特征来判断地下热水起源，估算地热流体的补给区温度和补给高程[10]。因此，地热流体同位素分析，可以更准确地分析地热流体的起源、循环和年龄等[10]。

根据研究区地热流体样品δD、δ18O稳定性同位素和T放射性同位素的测试数据(表2)，可以发现研究区内大气降水和地热流体的δD、δ18O之间的数值差别较大，而浅层地下水、地表水的δD、δ18O值与地热流体的δD、δ18O值较为接近，表明研究区内地热流体与近距离的大气降水水力联系不密切，但与周围的浅层地下水和地表水通过断裂构造存在一定的水力联系。本次应用Aqua Chem软件绘制了研究区内大气降水、地表水、浅层地下水、地热流体的δD-δ18O关系图(图5)。并与松辽平原降水线δD=7.03，δ18O-4.38[8]、长白山区大气降水线δD=7.77，δ18O+9.11[8]以及中国大气降水线进行对比分析。

表2 地热流体同位素检测成果表

图5 研究区δD—δ18 O关系图

由图5可见，长白山区大气降水线与中国大气降水线基本一致，松辽平原大气降水线受气候因素影响位于二者之下。研究区内大气降水样品与中国大气降水线基本吻合，地表水、浅层地下水、地热流体样品均分布在降水线右侧，其中地热流体的δ18O值偏移较为明显，飘移值约2‰，说明该区地热流体不是来源于当地大气降水的就近补给[11]，而是经历了较长时间和距离的径流过程，从而与围岩反应交换时间相对较长；或与近代火山活动、岩浆型热源有关。

大陆地区大气降水δD和δ18O值具有随地形高程升高而降低的效应[13-14]，依据D、O同位素的高程效应可以确定地热流体的入渗高程(即补给区高程) ，进而推断地热流体的补给区位置。由于地热流体在深部热储高温作用下会出现δ18O 漂移现象，所以通常利用大气降水同位素δD值的高程效应计算补给区高程更准确[15]。研究区地热流体补给区高程计算公式为:

H=h+(D-Dr)/gradD

(1)

式中:H为地热水补给区高程，m；h为地热水采样点高程，m;D为地热水δD值，‰；Dr为地热水取样点附近大气降水δD值，‰，本文取研究区浅层地下水δD值-74‰代替；gradD为大气降水δD值高程梯度，‰/100 m，本文取-1.83‰/100 m。

由公式(1)计算得出地热流体补给区高程为1 004.85 m。

由吉林省地势图可知，研究区东部老爷岭山脉与哈达岭山脉连线附近的地表高程与计算结果相近；老爷岭山脉与哈达岭山脉连线为伊舒盆地与辉桦盆地、敦化盆地的分水岭，大气降水沿分水岭分别向东西两侧补给。根据研究区地热地质条件分析，老爷岭山脉与哈达岭山脉连线地处伊舒断裂与敦密断裂之间，两处断裂带均为郯庐断裂的组成部分，两分支在深部也存在一定的热源和水源通道，大气降水沿构造裂隙渗入，并通过长时间的运移补给地热流体。因此，推测研究区内地热流体最近的大气降水补给区位于盆地东部老爷岭山脉和哈达岭山脉一带。

4 结论

(1)研究区属由深大断裂构造控制的沉积盆地型低温地热资源，热储层主要分布在古近系奢岭组和双阳组的砂岩地层中，有效热储层埋深在1 303.5～2 012.1 m之间。区内地热流体与围岩的化学反应环境以碱性环境为主，地热流体呈弱碱性，水化学类型为重碳酸钠型水；地热流体矿化度较高，多在958～4 173.44 mg/L之间，在平面上自东南至西北矿化度逐渐增加，根据矿化度含量变化特征和地热井静水位推断地热流体径流方向为自东南向西北。

(3)研究区地热流体水岩反应处于部分平衡状态，靠近完全平衡界线。推测其原因主要为深部热储与浅部热储发生混合，由于有效热储埋深在1 303.5 m～2 012.1 m，受垂向地层深度影响，各热储层温度不同，射孔后地热流体发生混合，温度出现变化，致使原平衡被打破。

(4)依据同位素关系曲线图，研究区地热流体与附近的地表水和浅层地下水与具有一定的水力联系，但与近距离的大气降水水力联系不密切。地热流体存在比较明显的δ18O 富集现象，其封闭的热储环境及较长的地热流体滞留时间是其δ18O 富集的主控因素，其次为火山活动影响。

(5)根据研究区地热流体的δD值，计算地热流体补给区高程为1 004.85 m，并初步推断大气降水补给区位于盆地东部老爷岭山脉和哈达岭山脉一带。

(6)本次通过地热流体水文地球化学、同位素分析研究，揭示了地热流体的水岩反应过程，追溯了地热流体的形成机制、运移特征以及循环规律。也为今后地热资源矿业权合理设置和科学开发提供了参考和建议。