松辽盆地林甸地热田热储水化学特征及水岩相互作用机制研究

《Water》：Hydrogeochemistry of Thermal Water from Lindian Geothermal Field, Songliao Basin, NE China: Implications for Water–Rock Interactions

本文系统分析了松辽盆地林甸地热田热储水的地球化学特征，揭示了其大气降水起源及“氧漂移”现象。研究明确了热储水化学类型沿水流路径由HCO3·Cl–Na向Cl–Na的演化规律，并指出岩盐、硅酸盐及碳酸盐的溶滤是控制热储水化学组分的主要过程。该研究为地热田开发初期的水化学基线及长期水质演化预测提供了科学依据。

　　

研究背景与意义

随着全球对低碳能源需求的日益增长，地热资源的开发利用受到广泛关注。中低温地热资源可直接用于建筑供暖、工业农业加热、水产养殖及医疗洗浴等领域，具有广阔的应用前景。松辽盆地北部的林甸地热田是该盆地内唯一进行大规模开发的地热田，开发历史近30年，目前共有27口生产井在运行，主要用于供暖及生活用水（含洗浴），年开采量达1.518 × 10⁶m³/a。然而，由于长期超采，已形成热储水降落漏斗，部分热井（如Jl2、LR10、LR11、LR12、LR16、LR41、LSR1）的水化学组分（如Na⁺、Cl^?、HCO₃^?、SO₄^2?、可溶性SiO₂及TDS）发生了显著变化，这可能影响其作为洗浴用水（年开采量约19.4万m³/a）的主要用途之一。因此，明确地热田开发初期的水化学基线及关键的水岩相互作用过程，对于预测未来水化学演化、制定差异化可持续发展策略至关重要。

研究区概况

林甸地热田位于松辽盆地北部沉降中心北缘，地处北温带大陆性季风气候区，年均气温3.6℃，年均降水量480mm，年均潜在蒸发量1537mm。构造上，研究区位于松辽盆地一级构造单元北部沉降带与中央坳陷带的交汇部位，区内二级构造单元自西向东依次为乌裕尔凹陷（WY）、克山-依龙背斜（KY）和黑鱼泡凹陷（HY），三者被林甸断裂（F1）、东林甸断裂（F2）和黑鱼泡凹陷西界断裂（F3）三条北北东向断裂所分割。其中，F2和F3为幔源断裂，F1为壳源断裂。黑鱼泡凹陷（HY）形成于古近纪，沉积地层相对完整，埋藏深度大，是松辽盆地北部最深的坳陷之一，也是地下水自东、西、北三个方向汇流的关键区域。

研究区地层自下而上依次为石炭-二叠系基底、侏罗系、白垩系、古近系和第四系。白垩系是松辽盆地的沉积鼎盛期，也是研究区的主要热储层，包括登娄库组（K₁d）、泉头组（K₁q）、青山口组（K₂qn）、姚家组（K₂y）、嫩江组（K₂n）、四方台组（K₂s）和明水组（K₂m）。其中，泉头组三、四段（K₁q³⁺⁴）、青山口组二、三段（K₂qn²⁺³）和姚家组二、三段（K₂y²⁺³）构成了该区的主要热储层。热储层岩性以砂岩、粉砂岩与泥岩互层为特征，埋深主要为700-2000m，储层温度介于47.4-89℃之间，平均为63.5℃。储层砂岩薄片数据显示，砂岩主要由石英（26-41%）和长石（35-44%）组成，其中长石以正长石为主，次要组分为岩屑（12-28%），胶结物含量较高（5-18%），主要为泥质胶结物，少量为钙质胶结物。

材料与方法

本研究利用林甸地热田勘探初期（2002-2012年）的水化学数据，共采集了16个热储水样品（井深1900-3000m）和3个浅层地下水样品。分析项目包括pH、总溶解固体（TDS）、SiO₂、主要离子、微量组分（F、Br、I）及水同位素（δ¹⁸O、δD）。现场测量使用便携式多参数分析仪（HI98129），离子分析使用离子色谱仪（Metrohm 881），SiO₂采用硅钼蓝比色法测定，水同位素分析采用同位素质谱仪（Mat253）完成。

结果与讨论

热储水化学特征

热储水总体呈碱性，pH值范围为7.6-9.2，TDS含量较高，介于1872.0-9782.8mg/L之间。阳离子以Na⁺为主，占阳离子毫克当量浓度的97.9%，阴离子以Cl^?和HCO₃^?为主，其丰度顺序为Cl^?> HCO₃^?> CO₃^2?> SO₄^2?。凹陷区（HY和WY）的离子浓度高于背斜区（KY），表明地下水自背斜区向凹陷区流动，凹陷区处于水流路径末端，水流滞缓，水岩作用时间延长，导致离子浓度升高。

皮珀图（Piper diagram）显示，热储水水化学类型可分为HCO₃·Cl–Na、Cl·HCO₃–Na、Cl–Na和HCO₃–Na四种类型。不同构造单元的水化学类型存在显著差异：背斜区（KY）以HCO₃·Cl–Na型为主，乌裕尔凹陷（WY）以Cl–Na和Cl·HCO₃–Na型为主，黑鱼泡凹陷（HY）则以Cl–Na型为主。这种水化学类型的演化反映了沿水流路径水岩作用强度的增加。

热储水起源

热储水的δD和δ¹⁸O值均落在全球大气降水线（GMWL）附近，且略向右偏移，表明热储水起源于大气降水。从背斜区向两侧凹陷区（即从上游到下游），热储水的δD基本不变，而δ¹⁸O发生富集，即出现了“氧漂移”现象，且黑鱼泡凹陷（HY）的富集程度高于乌裕尔凹陷（WY）。这是由于HY区地下水流动更缓慢，水岩同位素交换时间更长，且储层温度更高，导致氧同位素交换速率增加，氧漂移更强烈。但由于交换主要发生在水与硅酸盐矿物之间，且地热储层温度属于低温范围，因此氧漂移的强度相对较小。

热储水化学成因

溶滤作用

Cl^?与TDS的比值随Cl^?浓度和储层温度的升高而增加，表明沿水流路径发生了溶滤作用，且溶滤效应随温度升高而增强。皮尔逊相关性分析显示，主要阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）与Cl^?之间存在显著的正相关关系（相关系数>0.9），表明这些离子主要通过相似的水文地球化学过程（即溶滤作用）获得。

离子比值分析进一步揭示了水文地球化学环境的变化。变质系数（rNa⁺/rCl^?）在HY区接近1，表明该区主要发生岩盐的溶滤；脱硫系数（100 × rSO₄^2?/rCl^?）远小于1，表明热储水处于强还原环境，且沿水流方向还原性增强；盐化系数（rCl^?/(rHCO₃^?+ rCO₃^2?)）在HY区远高于其他区域，表明该区处于水流路径末端，滞留时间最长；rCl^?/rCa²⁺比值在WY区普遍较大，表明该区地下水流动缓慢。

矿物稳定图显示，热储水样品落在钠长石、高岭石和微斜长石的稳定域内，表明热储水与这些矿物达到了平衡状态，其Na⁺、K⁺浓度主要受钠长石和微斜长石溶解的控制。

阳离子交换

通过氯碱指数（CAI1和CAI2）及（Ca + Mg）–（SO₄+ HCO₃）与（Na + K）–Cl的关系图分析，发现部分热储水样品（如JL2、LR9、LR10、LR11、LR17、LR41、LR46、LSR1）发生了阳离子交换。但大多数样品，特别是HY区的样品，位于交汇线附近，表明该区热储水已基本达到或超过饱和状态，阳离子交换吸附已基本完成，其对水化学的贡献相对较小。

水岩相互作用平衡

吉根巴赫（Giggenbach）Na–K–Mg三元图显示，所有热储水样品均落在完全平衡线附近，表明热储水与Na、K、Ca、Mg铝硅酸盐（如钠长石、钾长石、钾云母、镁绿泥石和石英）达到了平衡状态。而浅层地下水样品则位于未成熟水区，表明其处于水岩相互作用的初级阶段。这证实了地热储层环境相对封闭，热储水与围岩已发生了长时间的相互作用。

主成分分析（PCA）

主成分分析提取了三个主成分，累计方差贡献率为84.818%。第一主成分（F1）方差贡献率为57.213%，代表岩盐、硅酸盐及碳酸盐的溶滤作用，是控制热储水化学组分的主要过程。第二主成分（F2）代表有机质降解对HCO₃^?的贡献。第三主成分（F3）代表脱硫作用及自生矿物（如硬石膏、重晶石）沉淀对SO₄^2?浓度的控制。

结论

本研究系统阐明了林甸地热田热储水的水文地球化学特征及控制机制，主要结论如下：

1. 1.
   热储水起源：热储水起源于大气降水，并发生了“氧漂移”现象，表明其在低中温储层条件下经历了长时间的水岩相互作用。黑鱼泡凹陷（HY）由于温度更高、水流更缓，同位素交换更为强烈。
2. 2.
   水化学特征：热储水呈碱性，TDS含量高，主要离子为Na⁺、Cl^?和HCO₃^?。沿水流路径，水化学类型由HCO₃·Cl–Na（KY）向Cl·HCO₃–Na和Cl–Na（WY）及Cl–Na（HY）演化，反映了水岩作用强度的增加。
3. 3.
   主导过程：溶滤作用是控制热储水化学的主要过程。岩盐、硅酸盐（钠长石、微斜长石等）和碳酸盐的溶滤对主要离子贡献显著。
4. 4.
   储层环境：地热储层处于相对封闭的强还原环境。沿水流路径，脱硫系数减小，盐化系数增大。热储水与Na、K、Ca、Mg铝硅酸盐达到了水岩平衡，而浅层地下水则处于相互作用的初级阶段。
5. 5.
   控制因素：主成分分析识别出三个关键控制因素，依次为矿物溶滤、有机质降解和硫酸盐还原/矿物沉淀，而阳离子交换对水化学的贡献较小。

本研究建立的地热田开发初期的水文地球化学基线，为评估超采引起的热储水水质长期变化提供了科学参考。同时，水岩相互作用过程的空间变异性凸显了在不同构造单元实施差异化管理策略的必要性，以确保林甸地热田资源的可持续利用。