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摘要：地热流体的化学特征是地热资源开发的前提条件之一，本文以许家湖地区地热流体为例，分析了该区地热流体的化学特征，为地热资源的开发利用提供了依据。
关键词：地热流体；化学特征
中图分类号：F124文献标识码： A
Xu Jia Hu geothermal fluid chemical characteristics
in Shandong County of Yishui Province
GAO Qing, PENG Wen-quan, WANG Feng, SUN Peng
(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)
Abstract: Chemical characteristics of geothermal fluid is one of the prerequisite for the development of geothermal resources, In this paper, Xu Jia Hu area of geothermal fluid as an example, Analysis of the chemical characteristics of geothermal fluid in this area, It provides the basis for the development and utilization of geothermal resource.
Key words: geothermal fluid；Chemical characteristics
1地熱田概况
许家湖地热田位于山东省沂水县境内，面积为18.29km2，目前共有3口地热井，即DR1、DR2和DR3。其中DR1终孔深度1404.89m； DR2终孔深度1131m； DR3终孔深度1260.88m。
2地热流体化学特征
2.1地热流体化学组份特征
地下水中常量成分，如Ca+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-是地下水中分布最广、含量最高的八种离子，简称“八大离子”，这些离子在很大程度上决定了地下水的物理性质和化学特征。这些离子的相对含量和绝对含量随着水文地质条件或其它外界环境的变化而变化，从而使地下水形成各种不同的水质特点。工作区DR1、DR2、DR3井地热流体主要离子含量组分见图1。
图1 DR1、DR2、DR3地热流体主要离子的饼图
DR1井地热流体的水化学组分以Na+ 、Cl-、SO42-为主，热储含水层的岩性为中生界白垩系田家楼组和寺前村组的砂砾岩、细砂岩；DR2、DR3井地热流体的水化学组份以Na+、Ca2+ 、SO42-为主，热储含水层的岩性为古生界寒武系长清群朱砂洞组和李官组的灰岩、石英砂岩。可见，地热流体的水化学组份受地层岩性等条件的制约。
2.1.1主要阳离子
DR1井的地热流体以Na+为主，含量159.5 mg/L，约占阳离子毫克当量百分数的95%；DR2 和DR3井的地热流体以Na+、Ca2+为主，含量分别185.1～596.5 mg/L和在276.4～425.8 mg/L，约占阳离子毫克当量百分数的75%以上。
2.1.2主要阴离子
DR1井的地热流体以Cl-、SO42-为主，含量分别为117.6 mg/L、108.0 mg/L，约占阴离子毫克当量百分数的43%和29%；DR2 和DR3井的地热流体以SO42-为主，含量分别2272mg/L和1054 mg/L，约占阴离子毫克当量百分数的84%和78%以上。
2.1.3水化学类型
据国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心水质检测报告：DR1地热流体化学类型为Cl·SO4-Na型，DR2地热流体化学类型为SO4-Na·Ca型，DR3地热流体化学类型为SO4-Ca·Na型；DR1地热流体的pH值为9.48，属弱碱性水；DR2 、DR3地热流体的 pH值分别为7.34、7.26，属中性水；DR1地热水的矿化度为0.4951g/L，为淡水，DR2地热水的矿化度为3.784 g/L，为咸水，DR3地热水的矿化度为1.938 g/L，为微咸水；DR1地热水的总硬度为13.08mg/L，属极软水，DR2 、DR3地热水的总硬度值分别为1416mg/L、975.1 mg/L，属极硬水。水质分析详见表1。
表1DR1、DR2、DR3孔水质分析一览表
2.1.4微量组分
微量组分多以络和物、复阴离子和单一离子等形式存在，他们不决定地热流体的化学类型，但却赋予地热流体一些特殊的性质和功能。常见的微量元素有F-、Li、Sr、Br、HBO2及H2SiO3等。其中DR1、DR2、DR3井含微量元素见表2。
表2 DR1、DR2、DR3井微量元素一览表
从表2中，可以看出，DR1孔地热流体中的锂、锶、偏硅酸，DR2及DR3孔地热流体中锂、锶、溶解性总固体的含量达到《饮用天然矿泉水》(GB8537-2008)的界限指标，但含氟较高；DR2和DR3井的地热流体中锶含量较高，原因是DR2和DR3地热流体属于碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水，当碳酸盐遇到含侵蚀性CO2时，便形成碳氢锶，而碳氢锶易溶于水，使水中锶离子含量增高。
2.1.5离子比值
在地下水化学中，许多化学组分之间在彼此的含量上存在着某种相关关系，依据某些元素含量之间的这种固定关系，可对地下水的成因和所处环境作出分析和判断，这种方法被称之为元素比例系数法。一般采用rNa/rCl系数，正常海水rNa/rCl约为0.85。如果海相沉积水在地质历史过程中，海相沉积水的Na+与地层中的交换性钙离子产生阳离子交换，则Na+含量下降，rNa/rCl小于0.85，即沉积水的rNa/rCl通常低于0.85。如果地下水主要是含盐岩地层溶滤而成，则rNa/rCl大于0.85。经计算，DR1、DR2、DR3井的rNa/rCl的系数均大于0.85 (见表3)，说明了地热流体均具有溶滤水的特征，即地热流体的最终来源为大气降水。
表3 DR1、DR2、DR3井rNa/rCl系数一览表
2.2同位素
应用同位素研究地下水补给是以水中同位素组成随空间和时间的变化为基础的。一是因为同位素组成在从热源向采样点运移途中不受物理化学过程的影响，基本保持不变，适于作标记或示踪剂；二是因为它们对于温度的变化、水～岩相互作用、蒸汽散发、不同来源水的混合稀释作用十分敏感。因此可以利用稳定性同位素的标记特性和放射性同位素的计时特性对地热流体的起源、补给条件进行分析。
2.2.1稳定同位素
依据全球雨水线δD=8δO18+10和山东枣庄羊庄盆地雨水线δD=10.43δO18+24.84，结合DR1、DR2、DR3地热流体中稳定同位素浓度都处于山东枣庄羊庄盆地雨水线和全球雨水线附近(见图2)，说明工作区地热田地热流体的补给来源主要是由大气降水补给的。
图2DR1、DR2、DR3δD、δO18值与标准雨水线对比图
2.2.2放射性同位素
地下水氚的含量一般情况下仅受衰变规律的影响，而不发生与岩石介质的交换，因此所有现代循环水都受到了氚的标记。因此可以利用氚计算地下水的年龄、确定含水层的补给源和速度。一般采用经验法估算地下水的年龄，通常是根据地下水是否受到了核爆的标记，将地下水形成时间分为核试验前与核试验后两个阶段。由于天然情况下大气降水的氚浓度为10TU，1953年以前降雨入渗形成的地下水到取样时间，按照衰变原理其氚浓度则应小于0.7TU。因此若样品的氚浓度小于此值，则其年龄一般认为早于1953年；若地下水氚的浓度大于0.7TU，则认为其年龄于1953年以后，即为核爆试验之后形成的。对此类地下水进一步划分如下：
0.7～4TU——1953年以前的补给水与近代补给水的混合；
5～15TU——现代水（小于5～10a）；
15～30TU——小部分水为20世纪60～70年代补给的；
>30TU——相当一部分为20世纪60～70年代补给的；
>50TU——主要在20世纪60～70年代补给的。
根据DR1和 DR3井地热流体氚的含量分别为3.1±1.5 TU、2.1±1.2 TU，说明其地热流体是1953年以前的补给水与近代补给水的混合。
2.2.3放射性元素
DR1、DR2和DR3地热流体放射性元素含量见表4，仅有DR3井地热流体中的总α高于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2005）中的规定值；DR2、DR3井的放射性元素含量总体上比DR1井的含量高，说明在热储岩性、循环深度及其形成环境有所不同
表4放射性元素含量一览表
3结论
通过以上对许家湖地热田地热流体化学特征的分析，从另个侧面加深对该地热田的认识，同时对地热资源的开发利用提供了依据。
参考文献
[1] 于湲；北京城区地热田地下热水的水化学及同位素研究[D]；中国地质大学（北京），2006年
[2]钱会，马致远；水文地球化学[M]；北京地质出版社， 2005年。
关键词：地热流体；化学特征
中图分类号：F124文献标识码： A
Xu Jia Hu geothermal fluid chemical characteristics
in Shandong County of Yishui Province
GAO Qing, PENG Wen-quan, WANG Feng, SUN Peng
(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)
Abstract: Chemical characteristics of geothermal fluid is one of the prerequisite for the development of geothermal resources, In this paper, Xu Jia Hu area of geothermal fluid as an example, Analysis of the chemical characteristics of geothermal fluid in this area, It provides the basis for the development and utilization of geothermal resource.
Key words: geothermal fluid；Chemical characteristics
1地熱田概况
许家湖地热田位于山东省沂水县境内，面积为18.29km2，目前共有3口地热井，即DR1、DR2和DR3。其中DR1终孔深度1404.89m； DR2终孔深度1131m； DR3终孔深度1260.88m。
2地热流体化学特征
2.1地热流体化学组份特征
地下水中常量成分，如Ca+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-是地下水中分布最广、含量最高的八种离子，简称“八大离子”，这些离子在很大程度上决定了地下水的物理性质和化学特征。这些离子的相对含量和绝对含量随着水文地质条件或其它外界环境的变化而变化，从而使地下水形成各种不同的水质特点。工作区DR1、DR2、DR3井地热流体主要离子含量组分见图1。
图1 DR1、DR2、DR3地热流体主要离子的饼图
DR1井地热流体的水化学组分以Na+ 、Cl-、SO42-为主，热储含水层的岩性为中生界白垩系田家楼组和寺前村组的砂砾岩、细砂岩；DR2、DR3井地热流体的水化学组份以Na+、Ca2+ 、SO42-为主，热储含水层的岩性为古生界寒武系长清群朱砂洞组和李官组的灰岩、石英砂岩。可见，地热流体的水化学组份受地层岩性等条件的制约。
2.1.1主要阳离子
DR1井的地热流体以Na+为主，含量159.5 mg/L，约占阳离子毫克当量百分数的95%；DR2 和DR3井的地热流体以Na+、Ca2+为主，含量分别185.1～596.5 mg/L和在276.4～425.8 mg/L，约占阳离子毫克当量百分数的75%以上。
2.1.2主要阴离子
DR1井的地热流体以Cl-、SO42-为主，含量分别为117.6 mg/L、108.0 mg/L，约占阴离子毫克当量百分数的43%和29%；DR2 和DR3井的地热流体以SO42-为主，含量分别2272mg/L和1054 mg/L，约占阴离子毫克当量百分数的84%和78%以上。
2.1.3水化学类型
据国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心水质检测报告：DR1地热流体化学类型为Cl·SO4-Na型，DR2地热流体化学类型为SO4-Na·Ca型，DR3地热流体化学类型为SO4-Ca·Na型；DR1地热流体的pH值为9.48，属弱碱性水；DR2 、DR3地热流体的 pH值分别为7.34、7.26，属中性水；DR1地热水的矿化度为0.4951g/L，为淡水，DR2地热水的矿化度为3.784 g/L，为咸水，DR3地热水的矿化度为1.938 g/L，为微咸水；DR1地热水的总硬度为13.08mg/L，属极软水，DR2 、DR3地热水的总硬度值分别为1416mg/L、975.1 mg/L，属极硬水。水质分析详见表1。
表1DR1、DR2、DR3孔水质分析一览表
2.1.4微量组分
微量组分多以络和物、复阴离子和单一离子等形式存在，他们不决定地热流体的化学类型，但却赋予地热流体一些特殊的性质和功能。常见的微量元素有F-、Li、Sr、Br、HBO2及H2SiO3等。其中DR1、DR2、DR3井含微量元素见表2。
表2 DR1、DR2、DR3井微量元素一览表
从表2中，可以看出，DR1孔地热流体中的锂、锶、偏硅酸，DR2及DR3孔地热流体中锂、锶、溶解性总固体的含量达到《饮用天然矿泉水》(GB8537-2008)的界限指标，但含氟较高；DR2和DR3井的地热流体中锶含量较高，原因是DR2和DR3地热流体属于碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水，当碳酸盐遇到含侵蚀性CO2时，便形成碳氢锶，而碳氢锶易溶于水，使水中锶离子含量增高。
2.1.5离子比值
在地下水化学中，许多化学组分之间在彼此的含量上存在着某种相关关系，依据某些元素含量之间的这种固定关系，可对地下水的成因和所处环境作出分析和判断，这种方法被称之为元素比例系数法。一般采用rNa/rCl系数，正常海水rNa/rCl约为0.85。如果海相沉积水在地质历史过程中，海相沉积水的Na+与地层中的交换性钙离子产生阳离子交换，则Na+含量下降，rNa/rCl小于0.85，即沉积水的rNa/rCl通常低于0.85。如果地下水主要是含盐岩地层溶滤而成，则rNa/rCl大于0.85。经计算，DR1、DR2、DR3井的rNa/rCl的系数均大于0.85 (见表3)，说明了地热流体均具有溶滤水的特征，即地热流体的最终来源为大气降水。
表3 DR1、DR2、DR3井rNa/rCl系数一览表
2.2同位素
应用同位素研究地下水补给是以水中同位素组成随空间和时间的变化为基础的。一是因为同位素组成在从热源向采样点运移途中不受物理化学过程的影响，基本保持不变，适于作标记或示踪剂；二是因为它们对于温度的变化、水～岩相互作用、蒸汽散发、不同来源水的混合稀释作用十分敏感。因此可以利用稳定性同位素的标记特性和放射性同位素的计时特性对地热流体的起源、补给条件进行分析。
2.2.1稳定同位素
依据全球雨水线δD=8δO18+10和山东枣庄羊庄盆地雨水线δD=10.43δO18+24.84，结合DR1、DR2、DR3地热流体中稳定同位素浓度都处于山东枣庄羊庄盆地雨水线和全球雨水线附近(见图2)，说明工作区地热田地热流体的补给来源主要是由大气降水补给的。
图2DR1、DR2、DR3δD、δO18值与标准雨水线对比图
2.2.2放射性同位素
地下水氚的含量一般情况下仅受衰变规律的影响，而不发生与岩石介质的交换，因此所有现代循环水都受到了氚的标记。因此可以利用氚计算地下水的年龄、确定含水层的补给源和速度。一般采用经验法估算地下水的年龄，通常是根据地下水是否受到了核爆的标记，将地下水形成时间分为核试验前与核试验后两个阶段。由于天然情况下大气降水的氚浓度为10TU，1953年以前降雨入渗形成的地下水到取样时间，按照衰变原理其氚浓度则应小于0.7TU。因此若样品的氚浓度小于此值，则其年龄一般认为早于1953年；若地下水氚的浓度大于0.7TU，则认为其年龄于1953年以后，即为核爆试验之后形成的。对此类地下水进一步划分如下：
0.7～4TU——1953年以前的补给水与近代补给水的混合；
5～15TU——现代水（小于5～10a）；
15～30TU——小部分水为20世纪60～70年代补给的；
>30TU——相当一部分为20世纪60～70年代补给的；
>50TU——主要在20世纪60～70年代补给的。
根据DR1和 DR3井地热流体氚的含量分别为3.1±1.5 TU、2.1±1.2 TU，说明其地热流体是1953年以前的补给水与近代补给水的混合。
2.2.3放射性元素
DR1、DR2和DR3地热流体放射性元素含量见表4，仅有DR3井地热流体中的总α高于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2005）中的规定值；DR2、DR3井的放射性元素含量总体上比DR1井的含量高，说明在热储岩性、循环深度及其形成环境有所不同
表4放射性元素含量一览表
3结论
通过以上对许家湖地热田地热流体化学特征的分析，从另个侧面加深对该地热田的认识，同时对地热资源的开发利用提供了依据。
参考文献
[1] 于湲；北京城区地热田地下热水的水化学及同位素研究[D]；中国地质大学（北京），2006年
[2]钱会，马致远；水文地球化学[M]；北京地质出版社， 2005年。