冀东平原馆陶组地热流体水化学成分和H-O同位素组成特征及其地质意义

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.056

现代地质 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (02): 429-439.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.056

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冀东平原馆陶组地热流体水化学成分和H-O同位素组成特征及其地质意义

徐一鸣¹^,²(), 李傲宇³, 程立群¹^,²(), 杜立新⁴, 张艳帅⁵, 郝文辉¹, 刘亮¹

1.河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队,河北秦皇岛 066000
2.河北宝地建设工程有限公司,河北秦皇岛 066000
3.中国地质矿业有限公司,北京 100029
4.河北省地质矿产勘查开发局第七地质大队,河北雄安 071700
5.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083

出版日期:2025-04-10 发布日期:2025-05-08
通信作者: 程立群,男,工程硕士,高级工程师,1981年出生,矿产地质专业,主要从事地热、矿产地质等方面的研究工作。Email: qhdchengliqun@163.com。
作者简介:徐一鸣,男,硕士,高级工程师,1991年出生,水文工程地质专业,主要从事地热地质、矿泉水等方面的研究工作。Email: Xeamoon@163.com。
基金资助:
河北省自然资源厅项目“冀东平原区地热资源勘查”(2017020)

Hydrochemistry and H-O Isotopic Constraints of Geothermal Fluids in the Guantao Formation in the Eastern Hebei Plain: Implications for Geothermal Reservoir Dynamics

XU Yiming¹^,²(), LI Aoyu³, CHENG Liqun¹^,²(), DU Lixin⁴, ZHANG Yanshuai⁵, HAO Wenhui¹, LIU Liang¹

1. The Eighth Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration,Qinhuangdao,Hebei 066000,China
2. Hebei Baodi Construction Engineering Corporation,Ltd,Qinhuangdao,Hebei 066000,China
3. China National Geological & Mining Corporation,Beijing 100029,China
4. The Seventh Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration,Xiong’an,Hebei 071700,China
5. School of Water Resources and Environment,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China

Published:2025-04-10 Online:2025-05-08

摘要/Abstract

摘要： 冀东平原新近系馆陶组热储为碎屑岩类孔隙型层状热储,地热地质条件优越。为了科学保护、合理利用该地热资源,本文对冀东平原不同地质构造单元所采集的16个馆陶组地热水样开展了化学成分和H-O同位素组成分析。结果显示,冀东平原馆陶组地热水pH值范围7.78~8.62、矿化度722.3~2619 mg/L、水化学类型主要有HCO₃·SO₄-Na、HCO₃·Cl-Na、SO₄·Cl-Na型;热水中F^-、SiO₂、溶解性总固体、锶、锌、溴、碘、铁、锰、偏硼酸等含量较高,但与西藏羊八井和搭格架相比,地热水中一些与岩浆热液活动相关的元素(如F、B、As、Li等)含量要低得多。H-O同位素特征显示,地热水中δD值为-71‰~-73‰,δ¹⁸O值为-7.6‰~-9.8‰,地热水补给高程800~1300 m,总体径流方向由西北向东南,地热水与上覆浅部地层水联系不密切,主要受侧向同层径流补给及古生界奥陶系热流体的顶托补给,为深层承压水,属深循环加热成因的地下热水。燕山地区山地大气降水在重力的作用下沿断裂构造向下运移,并向东南径流,地下水被来自地壳深部的热不断加温,水-岩反应逐渐剧烈,溶滤作用,导致热水中矿物质含量显著增加。随着循环深度和距离的增加,地热水赋存环境越来越封闭,水体更新速率逐渐降低,地热水发生脱硫酸作用,同时与下伏深部热储地热流体发生混合作用,主要离子也随之发生了变化。本研究为理解馆陶组地热水的形成与演化过程提供了科学依据。

关键词: 水化学特征, 同位素特征, 地热水, 馆陶组, 冀东平原

Abstract:

The Neogene Guantao Formation geothermal reservoir in the Eastern Hebei Plain represents a clastic porous layered heat reservoir characterized by superior geothermal geological conditions. To facilitate the scientific conservation and rational utilization of these geothermal resources, this study presents comprehensive analysis of the chemical and H-O isotopic compositions of 16 geothermal water samples collected from various geological units within the Eastern Hebei Plain. Experimental results reveal that the primary hydrochemical types of the Guantao Formation geothermal water are HCO₃· SO₄-Na, HCO₃·Cl-Na, SO₄·Cl-Na, with pH values ranging from 7.78 to 8.62 and salinity levels between 722.3 and 2619 mg/L. The geothermal water exhibits elevated concentrations of F^-, SiO₂, TDS, Sr, Zn, Br, I, Fe, Mn, and HBO₂. However, concentrations of certain elements associated with magmatic hydrothermal activities (such as F, B, As, Li, etc.) are significantly lower compared to those found in Yangbajing and Dagejia in Tibet. H-O isotopic analysis indicates δD values ranging from -71‰ to -73‰ and δ¹⁸O values from -7.6‰ to -9.8‰, suggesting a recharge elevation of 800 to 1300 meters. The geothermal water primarily flows from northwest to southeast, with minimal interaction with overlying shallow strata water. It is predominantly recharged by lateral flow within the same layer and the upward migration of Ordovician hot fluids from the Paleozoic erathem, classifying it as deep-circulation heated groundwater. Atmospheric precipitation from the Yanshan area percolates downward along fault structures under gravitational force, flowing southeastward. As the groundwater is progressively heated by deep crustal thermal sources, water-rock interactions intensify, leading to a significant increase in mineral content. With increasing circulation depth and distance, the geothermal water environment becomes more confined, resulting in a gradual reduction in water renewal rates. Desulfation processes occur within the geothermal water, which also mixes with underlying deep geothermal fluids, altering the primary ion composition. This study provides a scientific foundation for understanding the formation and evolution of geothermal water in the Guantao Formation.

Key words: hydro-geochemical characteristics, isotopic characteristics, geothermal, Guantao formation, eastern Hebei Plain

中图分类号:

P641.3

徐一鸣, 李傲宇, 程立群, 杜立新, 张艳帅, 郝文辉, 刘亮. 冀东平原馆陶组地热流体水化学成分和H-O同位素组成特征及其地质意义[J]. 现代地质, 2025, 39(02): 429-439.

XU Yiming, LI Aoyu, CHENG Liqun, DU Lixin, ZHANG Yanshuai, HAO Wenhui, LIU Liang. Hydrochemistry and H-O Isotopic Constraints of Geothermal Fluids in the Guantao Formation in the Eastern Hebei Plain: Implications for Geothermal Reservoir Dynamics[J]. Geoscience, 2025, 39(02): 429-439.

图/表 12

图1 研究区基岩地质及构造纲要图 (a)研究区交通位置图;(b)地层岩性柱状图;(c)地热地质简图 1.Ⅱ级构造单元分界线;2. Ⅳ级构造单元分界线;3. 大地构造单元名称及代号;4. 主干断层;5. 馆陶组缺失线(齿向馆陶组缺失区);6. 地热井编号及井深;7. 馆陶组底界埋深等值线;8. 石炭系—二叠系地层;9. 古生界沉积地层;10. 太古界变质岩系

Fig.1 Schematic diagram of bedrock geology and structure in the study area

表1 研究区地热水主要化学组成

Table 1 Main chemical compositions of geothermal water in the study area

构造单元	编号	T (℃)	主要离子浓度/(mg/L)							矿化度 (mg/L)	pH	水化学类型
构造单元	编号	T (℃)	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	矿化度 (mg/L)	pH	水化学类型
北塘断凹	R21	54	1.31	206.0	7.00	0.14	44.56	147.50	277.30	722.3	8.39	HCO₃·SO₄-Na
北塘断凹	R22	42	1.48	257.1	8.48	0.23	65.10	181.90	317.20	873.5	8.50	HCO₃·SO₄-Na
柏各庄断凸	R5	54	3.72	332.8	33.62	1.74	149.90	438.20	192.80	1197	8.02	SO₄·Cl-Na
	R8	50	5.59	423.8	53.50	3.00	288.90	508.00	166.10	1500	7.83	SO₄·Cl-Na
	R17	53	2.59	302.9	26.56	0.67	54.90	415.60	236.40	1082	8.34	SO₄·HCO₃-Na
	R19	57	2.59	348.8	16.09	0.60	116.10	352.60	287.40	1175	8.35	SO₄·HCO₃-Na
南堡断凹	R1	56	7.05	592.5	52.70	2.06	481.40	605.10	209.10	2026	7.78	SO₄·Cl-Na
	R211	69	2.48	309.7	4.60	0.31	146.80	16.89	533.70	1089	8.52	HCO₃·Cl-Na
	R214	76	2.18	290.5	5.15	0.20	53.84	150.00	485.20	1055	8.62	HCO₃-Na
马头营台凸	R205	70	2.57	253.3	24.57	4.76	244.60	15.08	349.00	932.9	7.91	Cl·HCO₃-Na
	R206	55	3.57	523.9	6.79	0.45	475.10	4.23	653.10	1737	8.12	Cl·HCO₃-Na
	R207	60	4.33	762.3	9.78	1.67	773.80	9.49	704.20	2337	8.41	Cl·HCO₃-Na
	R208	60	3.11	473.0	5.34	0.46	393.90	4.38	565.90	1535	8.55	Cl·HCO₃-Na
	R210	77	6.90	748.4	4.70	0.36	307.90	3.44	1480.00	2619	8.16	HCO₃·Cl-Na
	R263	73	4.61	631.0	4.09	0.84	395.90	36.44	1015.00	2166	8.38	HCO₃·Cl-Na
	R272	78	3.46	618.4	3.41	0.92	392.20	3.17	922.60	2011	8.10	HCO₃·Cl-Na
基岩热储	R215	93	118.10	277.2	131.20	13.80	148.90	827.40	55.98	1597	7.48	SO₄-Na·Ca

表1 研究区地热水主要化学组成

Table 1 Main chemical compositions of geothermal water in the study area

构造单元	编号	T (℃)	主要离子浓度/(mg/L)							矿化度 (mg/L)	pH	水化学类型
构造单元	编号	T (℃)	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	矿化度 (mg/L)	pH	水化学类型
北塘断凹	R21	54	1.31	206.0	7.00	0.14	44.56	147.50	277.30	722.3	8.39	HCO₃·SO₄-Na
北塘断凹	R22	42	1.48	257.1	8.48	0.23	65.10	181.90	317.20	873.5	8.50	HCO₃·SO₄-Na
柏各庄断凸	R5	54	3.72	332.8	33.62	1.74	149.90	438.20	192.80	1197	8.02	SO₄·Cl-Na
	R8	50	5.59	423.8	53.50	3.00	288.90	508.00	166.10	1500	7.83	SO₄·Cl-Na
	R17	53	2.59	302.9	26.56	0.67	54.90	415.60	236.40	1082	8.34	SO₄·HCO₃-Na
	R19	57	2.59	348.8	16.09	0.60	116.10	352.60	287.40	1175	8.35	SO₄·HCO₃-Na
南堡断凹	R1	56	7.05	592.5	52.70	2.06	481.40	605.10	209.10	2026	7.78	SO₄·Cl-Na
	R211	69	2.48	309.7	4.60	0.31	146.80	16.89	533.70	1089	8.52	HCO₃·Cl-Na
	R214	76	2.18	290.5	5.15	0.20	53.84	150.00	485.20	1055	8.62	HCO₃-Na
马头营台凸	R205	70	2.57	253.3	24.57	4.76	244.60	15.08	349.00	932.9	7.91	Cl·HCO₃-Na
	R206	55	3.57	523.9	6.79	0.45	475.10	4.23	653.10	1737	8.12	Cl·HCO₃-Na
	R207	60	4.33	762.3	9.78	1.67	773.80	9.49	704.20	2337	8.41	Cl·HCO₃-Na
	R208	60	3.11	473.0	5.34	0.46	393.90	4.38	565.90	1535	8.55	Cl·HCO₃-Na
	R210	77	6.90	748.4	4.70	0.36	307.90	3.44	1480.00	2619	8.16	HCO₃·Cl-Na
	R263	73	4.61	631.0	4.09	0.84	395.90	36.44	1015.00	2166	8.38	HCO₃·Cl-Na
	R272	78	3.46	618.4	3.41	0.92	392.20	3.17	922.60	2011	8.10	HCO₃·Cl-Na
基岩热储	R215	93	118.10	277.2	131.20	13.80	148.90	827.40	55.98	1597	7.48	SO₄-Na·Ca

图2 冀东平原地热水Piper三线图

Fig. 2 Piper trigraph of geothermal water in the eastern Hebei Plain

表2 冀东平原馆陶组地热水特殊组分含量

Table 2 Content of special components of geothermal water in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

构造单元	井号	含量:(mg/L)
构造单元	井号	Sr	Fe	Mn	Li	Zn	As	F^-	SiO₂	碘化物	溴化物	偏硼酸
北塘断凹	R21	0.134	0.049	0.012	0.019	2.230	-	0.82	30.20	-	0.10	0.65
北塘断凹	R22	0.158	0.030	0.018	0.022	0.008	-	0.95	27.21	0.03	0.10	1.58
柏各庄断凸	R5	0.834	0.156	0.073	0.052	1.745	-	1.57	30.52	-	0.30	8.46
	R8	1.390	0.463	0.166	0.096	0.555	-	3.13	31.76	0.03	0.84	15.28
	R17	0.510	0.075	0.063	0.021	0.004	-	0.75	32.77	-	0.10	0.34
	R19	0.326	0.084	0.028	0.057	0.003	-	1.52	34.83	0.03	0.10	6.09
南堡断凹	R1	1.956	0.404	0.122	0.205	0.036	-	4.04	39.12	0.04	1.26	30.20
	R211	0.117	0.095	0.014	0.054	0.043	-	5.20	41.41	0.04	0.35	8.88
	R214	0.146	0.059	0.012	0.024	0.005	-	4.36	40.75	-	0.10	4.79
马头营台凸	R205	0.396	0.141	0.107	0.025	0.392	-	2.35	29.95	0.24	0.65	5.92
	R206	0.231	0.254	0.018	0.036	0.027	-	5.03	39.95	0.40	1.20	22.91
	R207	0.390	0.097	0.020	0.043	0.154	-	3.90	35.97	0.15	0.93	10.58
	R208	0.210	0.097	0.022	0.021	1.460	-	7.55	35.81	0.17	0.85	22.94
	R210	0.218	0.083	0.012	0.059	0.024	-	5.87	46.82	0.15	0.53	13.22
	R263	0.209	0.225	0.014	0.033	0.043	-	7.24	43.21	0.16	0.77	14.58
	R272	0.133	0.111	0.014	0.038	0.910	-	8.25	39.72	0.21	0.96	17.15
基岩热储	R215	9.508	0.527	0.043	1.900	0.008	-	5.26	7.77	0.04	0.23	13.24

图3 冀东平原馆陶组地热水F-、SiO2与温度关系图

Fig.3 Diagram of F- SiO2 vs. temperature of geothermal water in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

图4 冀东馆陶组、雄安新区、西藏羊八井和搭格架地热水化学组分柱状图

Fig. 4 Histogram of chemical composition of geothermal water from Guantao Formation in the eastern Hebei, Xiongan New Area Yangbajing and Dagegjia in Tibet

表3 冀东地区馆陶组地热水补给高程

Table 3 Recharge elevation of geothermal water in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

构造单元	编号	井口高程(m)	δD(‰)	δ¹⁸O(‰)	δD计算高程(m)	δ¹⁸O计算高程(m)	平均值(m)
北塘断凹	R21	1.65	-73	-9.7	1448	1088	1268
北塘断凹	R22	1.45	-73	-9.7	1448	1088	1268
柏各庄断凸	R5	2.81	-73	-9.5	1450	1023	1236
	R8	3.00	-73	-9.2	1450	923	1187
	R17	1.52	-73	-9.8	1448	1122	1285
	R19	3.79	-73	-9.5	1451	1024	1237
南堡断凹	R1	4.63	-73	-8.6	1451	725	1088
	R211	1.12	-73	-9.2	1448	921	1185
	R214	2.67	-73	-9.7	1449	1089	1269
马头营台凸	R205	5.62	-71	-7.6	1372	392	882
	R206	3.90	-71	-8.1	1371	557	964
	R207	3.81	-72	-9.1	1411	890	1150
	R208	3.61	-72	-8.7	1410	757	1084
	R210	1.96	-72	-9	1409	855	1132
	R263	2.34	-72	-8.9	1409	822	1116
	R272	1.74	-72	-8.6	1409	722	1065
基岩热储	R215	2.10	-74	-9.3	1488	952	1220

图5 馆陶组地热水δD-δ18O关系图

Fig.5 Diagram of δD-δ18O of geothermal water in GuantaoFormation

图6 冀东馆陶组地热水δD与热储埋深、温度关系图 (a)馆陶组地热水δD与热储埋深关系图;(b)馆陶组地热水δD与热储温度关系图

Fig. 6 Diagram of δD vs. well depth and temperature of geothermal water in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

图7 冀东馆陶组地热水δ18O与热储埋深、温度关系图 (a)馆陶组地热水δ18O与热储埋深关系图;(b)馆陶组地热水δ18O与热储温度关系图

Fig.7 Diagram of δ18O vs. well depth and temperature of geothermal water in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

表4 冀东地区馆陶组特征系数计算结果

Table 4 Calculation results of characteristic coefficients in Guantao Formation of eastern Hebei Plain

构造单元	编号	变质系数	脱硫系数	盐化系数	ω(Cl)/ ω(Br)
构造单元	编号	(γNa/ γCl)	(γSO₄/ γCl)	(γC1/ (γHCO₃+ γCO₃))	ω(Cl)/ ω(Br)
北塘断凹	R21	4.62	3.31	0.16		446
北塘断凹	R22	3.95	2.79	0.20		651
柏各庄断凸	R5	2.22	2.92	0.78		500
	R8	1.47	1.76	1.74		344
	R17	5.52	7.57	0.23		549
	R19	3.00	3.04	0.40		1161
南堡断凹	R1	1.23	1.26	2.30		382
	R211	2.11	0.12	0.27		419
	R214	5.40	2.79	0.11		538
马头营台凸	R205	1.04	0.06	0.70		376
	R206	1.10	0.01	0.73		396
	R207	0.99	0.01	1.07		832
	R208	1.20	0.01	0.67		463
	R210	2.43	0.01	0.21		581
	R263	1.59	0.09	0.39		514
	R272	1.58	0.01	0.43		409

图8 冀东平原地下热水成因示意图 1. 第四系;2.新近系明化镇组;3.新近系馆陶组;4.古新系;5.石炭系—二叠系地层;6.古生界沉积地层;7.太古界变质岩;8. 断层

Fig.8 Schematic diagram of the genesis of geothermal water in the east Hebei Plain

参考文献 28

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Hydrochemistry and H-O Isotopic Constraints of Geothermal Fluids in the Guantao Formation in the Eastern Hebei Plain: Implications for Geothermal Reservoir Dynamics

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