山西省對流型地下熱水的特征研究

張 榮

(山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001)

山西省對流型地下熱水的特征研究

張 榮

(山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001)

山西省地?zé)豳Y源豐富，根據(jù)地下熱水埋藏及補(bǔ)給運(yùn)移條件和熱量傳遞方式，將山西地下熱水分為對流型熱水循環(huán)系統(tǒng)和傳導(dǎo)型深埋熱水系統(tǒng)兩大類。對流型地下熱水的成因受基底隆起和深切大斷裂控制明顯，其分布和出露與當(dāng)?shù)氐膹埿詳嗔褞е苯酉嚓P(guān)。埋藏深度淺，地溫梯度高，便于揭露，開采成本低。大氣降水補(bǔ)給與地下熱源對流循環(huán)，熱水礦化度較低，對人體有益的礦物質(zhì)和放射性元素含量高。受地質(zhì)構(gòu)造控制呈現(xiàn)帶狀或串珠裝分布的特征明顯，熱水分布范圍小而不均，勘測定位難度大，盲目開發(fā)容易造成損失。通過分析研究對流型熱水的構(gòu)造成因及分布特征，有助于此類型熱水的開發(fā)利用。

地下熱水；對流型；構(gòu)造控制；成因；分布

現(xiàn)階段的地?zé)衢_發(fā)實質(zhì)上就是開發(fā)利用具有一定物理性和特殊化學(xué)組成的地下熱水和蒸汽。地球內(nèi)部的熱能，來源于放射性物質(zhì)的衰變。只有具備有利的地質(zhì)構(gòu)造，才會使地下熱水處于目前鉆探技術(shù)能夠達(dá)到的深度，開發(fā)利用時經(jīng)濟(jì)合理。地?zé)崽飿?gòu)造的要素，要具備熱儲層、深部熱源、覆蓋層和熱水汽等流體通道四個條件。

山西省地?zé)豳Y源較豐富[1]，北起陽高盆地，南到運(yùn)城盆地，西自呂梁山，東至太行山區(qū)均有分布，涉及到省內(nèi)8個市的24個縣(市)、區(qū)。但分布密度很不均勻，總體呈現(xiàn)南部較密集、北部較稀疏，盆地及邊山多、山地少的特征。地下熱水作為地?zé)崮荛_發(fā)的最基本方式，也是一種寶貴的水利資源和礦產(chǎn)資源。山西省水文水資源勘測局在已有地下熱水研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，對全省地?zé)崴F(xiàn)狀及實際開采利用情況進(jìn)行了全面調(diào)查，并于2010年完成了《山西省地下熱水調(diào)查報告》[1]。(本文熱水井統(tǒng)計數(shù)據(jù)全部來源于此報告)

地下熱水首先是具有特殊開發(fā)利用價值的寶貴的水資源。地礦部門按照地?zé)豳Y源形成的地質(zhì)作用和賦存條件，將山西省地?zé)豳Y源分為新生代沉積斷陷盆地型和褶皺隆起斷裂型兩個大類。2010年我們完成的這份調(diào)查報告，根據(jù)地下熱水埋藏及補(bǔ)給運(yùn)移條件和熱量傳遞方式，將山西地下熱水分為對流型熱水循環(huán)系統(tǒng)和傳導(dǎo)型深埋熱水系統(tǒng)兩大類。其中，對流型地下熱水明顯具有受基底隆起及地質(zhì)構(gòu)造控制、接受大氣降水補(bǔ)給和與熱源循環(huán)對流等特點，分布范圍和水質(zhì)均明顯不同于依靠地層異常增溫的傳導(dǎo)型深埋地?zé)崴?/p>

1 深度特征

傳導(dǎo)型深埋熱水分布于沉積盆地及河谷地帶的基底隆起帶，需要有深厚的覆蓋層作為保溫層，通過地層異常增溫使地下水增溫，因此可開采深度普遍較深。對流型熱水受張性斷裂及基底隆起控制，出露于構(gòu)造斷塊或直接出露于變質(zhì)巖中，深循環(huán)熱水與地層原有含水混合，出露或埋藏于松散層、基巖或變質(zhì)巖含水層中，深度明顯較淺。

表1所列舉的是山西省不同地區(qū)典型熱水井的鉆孔深度和出水溫度及所屬類型。北部的大同市、忻州市、陽泉盂縣全部，以及太原市、臨汾市、運(yùn)城市部分地區(qū)的地下熱水為對流型，深度普遍較淺，絕大部分不超過300 m。太原及山西南部的臨汾以及運(yùn)城地區(qū)，兩種類型熱水在同一地區(qū)的埋深也有較大差異。如臨汾洪洞縣最深的傳導(dǎo)型深埋熱水井深達(dá)2 650 m,而臨汾曲沃縣的灰?guī)r斷塊對流循環(huán)型熱水井深只有120米。太原相鄰的兩個熱水井，即使是埋藏較深的對流型熱水井深度為603 m，深埋型卻深達(dá)2 000 m以上。

表1 山西省不同地區(qū)典型熱水井類型統(tǒng)計表

2 構(gòu)造成因及分布特征

國內(nèi)許多地?zé)釁^(qū)的下部地殼研究表明：一些地?zé)釁^(qū)下部地殼中的高導(dǎo)半熔融體，是地下熱異常的主要熱源。如果沒有深大斷裂切割下地殼，聯(lián)通水循環(huán)通道，即使存在基底隆起，熱源也只會通過變薄的地殼將熱能傳導(dǎo)到含水層中，在有足夠厚的覆蓋層成為保溫層的地區(qū)形成傳導(dǎo)型深埋熱水。如果斷裂構(gòu)造切割聯(lián)通了地殼以下熱源和上部富水地層，高達(dá)幾千度的高溫會將地下水加熱成熱水及蒸汽上涌循環(huán)回地球表層，形成對流循環(huán)型地下熱水。這個過程中地下水起到了非常關(guān)鍵的作用。如果地層無水或水量很少，例如沒有補(bǔ)給水源的變質(zhì)巖基巖山區(qū)，即使地下有巖漿侵入體或其他深部熱源，也只能形成熱干型地?zé)崽锒鵁o法開發(fā)利用。

對流型熱水主要分布在構(gòu)造隆起地區(qū)，受斷裂構(gòu)造控制，在張性斷裂帶附近發(fā)育并出露。大氣降水和河水通過地層下滲補(bǔ)給到地下熱源，加熱后經(jīng)深循環(huán)上涌形成地?zé)崴?。大都分布于巖溶斷塊、沉積盆地及河谷地帶松散層或直接出路于火山變質(zhì)巖中。

2.1 斷塊控制的巖溶裂隙地?zé)崴?/p>

該類型的典型代表為曲沃縣西海東海溫泉。

據(jù)曲沃縣區(qū)域地質(zhì)報告[2]，塔兒山—九原山隆起是從塔兒山經(jīng)過汾陽嶺至九原山形成一個走向北750東的完整的隆起帶。由于新華夏北北東向構(gòu)造的破壞，使西段汾陽嶺、九原山相對往南錯動，形成今日不連續(xù)的地貌特征。隆起帶出露奧陶系中統(tǒng)巖層，產(chǎn)狀平緩，隆起帶兩側(cè)有隱伏斷裂存在，斷層走向基本與隆起平行。

圖1中秦崗隆起是塔兒山—九原山隆起的一部分。該隆起及兩側(cè)的斷裂構(gòu)造直接控制著西海東海溫泉的出露和分布。澮河河水沿斷裂帶下滲后加熱上涌形成了該對流型熱礦泉。其中自然出露點有一處，人工揭露自流井5處，流量0.116 m3/s。

圖1 曲沃東海溫泉構(gòu)造示意圖[2]

2.2 變質(zhì)巖中直接出露或淺埋的裂隙型地?zé)崴?/p>

典型代表為陽泉盂縣寺平安溫泉區(qū)。該泉群所處構(gòu)造單元屬于五臺山隆起帶南端，太行山斷裂隆起中段西側(cè)。位于滹沱河谷三組斷裂帶的交匯處，出露于太古界龍華河群燈花組底部的呂梁期偉晶巖脈之中，分布面積0.27 km2。構(gòu)造控水極為明顯，南北向壓性逆斷層為阻水構(gòu)造，而北北東向、北北西向及近東西向三組斷裂帶則為主要的導(dǎo)水構(gòu)造。該熱礦泉群也是由于大氣降水和滹沱河水沿構(gòu)造帶下滲到1 800 m以下的地殼深部熱源，加熱后的水汽遇到阻水?dāng)鄬雍笊嫌窟M(jìn)入變質(zhì)巖裂隙中形成的對流型地下熱水，大氣降水和河水為其主要補(bǔ)給水源，屬全排型溫泉[3]。圖2的溫泉區(qū)水循環(huán)示意圖直觀地說明了地下熱水的產(chǎn)生過程。

2.3 沿基底斷裂構(gòu)造線帶狀分布的沉積盆地及河谷地帶孔隙地下熱水

該類型地下熱水主要分布在山西省內(nèi)斷陷盆地邊緣地段，如大同、忻州等地。典型的如忻州市著名的奇村溫泉。該熱水的補(bǔ)給來源為奇村西部的云中山大斷裂，降雨入滲后的地下水經(jīng)過大斷裂的深部大循環(huán)，徑流到奇村工人療養(yǎng)院的虎碑山一帶沿著張性斷裂上涌生成熱水進(jìn)入松散含水層，成為孔隙地下熱水，經(jīng)過人工開采加以利用。

2.4 對流型地下熱水的分布特征

山西已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地?zé)崽铩厝偷責(zé)峋姆植?，主要決定于各地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件。南部地區(qū)多于中、北部地區(qū)、盆地平川區(qū)多于山區(qū)，人工揭露的多于天然出露的，中低溫的多于高溫的。

全省對流型地下熱水出露處幾乎都有不同規(guī)模的斷裂構(gòu)造存在。盆地中部和邊緣斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，為地?zé)崴h(huán)提供了良好的熱源和通道。因此地下熱水的分布普遍位于斷塊隆起區(qū)，山西大多數(shù)熱水點沿構(gòu)造線成帶狀或串珠狀排列。

圖2 盂縣梁家寨鄉(xiāng)溫泉區(qū)水循環(huán)示意圖[3]

3 物理化學(xué)特征

3.1 溫度特征

目前為止，山西還沒有發(fā)現(xiàn)由于近代火山或巖漿活動形成的中、高溫地?zé)豳Y源，也極少開發(fā)靠地層正常增溫的大深度熱水。山西現(xiàn)階段開發(fā)的地下熱水均表現(xiàn)為地層異常增溫型和熱水熱氣對流循環(huán)型。

山西地層在常溫帶(一般為15～20 m)以下的正常地溫梯度為1.2～1.8 ℃/100m。傳導(dǎo)深埋型熱水的地溫梯度一般為3.5 ℃/100m，部分高者可達(dá)7 ℃/100m。而循環(huán)性熱水的溫度在出露或在100～200 m深度內(nèi)就可達(dá)到40℃以上，有的地區(qū)，如大同陽高熱水井水溫104℃，如果以15 m的以下作為常溫計算地溫梯度接近50～80 ℃/100m，明顯高于埋藏型地?zé)?。詳見?中典型地?zé)峋疃群蜏囟攘斜怼?/p>

值得注意的是，對流循環(huán)型熱水受到張性斷裂構(gòu)造帶控制，地溫異常影響范圍有限。無論是縱向(深部地層)或橫向(水平距離)，遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的低溫梯度衰減很快，逐漸趨于正常。

表2 同一村莊不同深度的地溫梯度差異

從表2可以看出，同一村莊的三個熱水井，在550 m以前的地溫梯度接近7℃/100m。但在550 m以后直至780 m，水溫增加很少，地溫梯度又回歸到正常值。野外溫度調(diào)查也顯示，遠(yuǎn)離熱水田的區(qū)域地層的地溫梯度會很快回到正常值。

3.2 大氣降水補(bǔ)給特征

對流型地下熱水中，氣體成分以N2為主，占熱水中氣體總量的69.84%～86.30%。同時Ar/N2比值為4.37～5.1，與大氣平衡的水溶液中的Ar/N2比值接近，說明地下熱水的形成是大氣降水起源的。

3.3 水化學(xué)特征

3.3.1 礦化度

對流型地下熱水礦化度的高低主要取決于水循環(huán)深度和冷水混合的多少。一般來說，隨著水溫增高，礦化度有增大的趨勢，但由于受淺層冷水的混合而導(dǎo)致礦化度降低。如萬榮縣三文鄉(xiāng)生芄村西300 m熱水井的水溫為25℃，礦化度為0.72 g/L；夏縣南山底熱水井的水溫在43℃～48℃之間，礦化度為1.85～2.17 g/L，一般在0.5～2 g/L之間。硬度一般為3.56～5.34 mmol/L，低者只有0.75 mmol/L。pH值一般為7～8，個別達(dá)8.8，屬于偏堿性水[1]。

3.3.2 其他元素

對流型地下熱水的水化學(xué)類型，以Cl-、SO42-型水為主。熱水中Na2+、K+和Cl-的含量隨著循環(huán)途徑的增長而增高，Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-的含量有逐漸減少的趨勢。許多對流型熱水中，含有鋰、鍶、溴、碘、鋅、硒等微量元素和碳酸氣等，已分別達(dá)到我國飲用天然礦泉水國家標(biāo)準(zhǔn)，有的不只單項達(dá)標(biāo)，而是多項達(dá)標(biāo)，對人體具有良好的醫(yī)療保健作用[1]。尤其是出露于偉晶巖的寺平安熱礦泉，屬于中等放射性水，含氡量211～349 埃曼/L，屬于氡水和硅酸水的復(fù)合性醫(yī)療礦泉水[3]，既可以飲用也可浸浴治療，為北方優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療礦泉。

4 結(jié)語

對流型熱水主要分布在構(gòu)造隆起地區(qū)，受斷裂構(gòu)造控制明顯。大氣降水和河水通過深切斷裂帶下滲補(bǔ)給到地下熱源，加熱后的水和汽經(jīng)深循環(huán)上涌形成地?zé)崴?，在張性斷裂帶附近發(fā)育或出露。大都分布于巖溶斷塊、沉積盆地及河谷地帶松散層或直接出路于火山變質(zhì)巖中。深度淺，易于開采。由于有地下熱源的循環(huán)補(bǔ)給，對流型地下熱水為可再生資源，水中有益于人體的礦物及放射性元素含量高，開發(fā)利用前景好。

[1]山西省水文水資源勘測局.山西省地下熱水調(diào)查報告[R].太原.2010.

[2]山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.曲沃縣區(qū)域地質(zhì)勘察報告[R].2003.

[3]山西省陽泉市水資源管理委員會.山西省盂縣寺平安地區(qū)熱礦水勘察報告[R].陽泉.1986.

Research of convective type geothermal water characteristic in Shanxi Province

ZHANG Rong

(Shanxi hydrographic and water resources survey bureau,Taiyuan 030001，China)

Shanxi Province is rich in geothermal resources . Geothermal resources in Shanxi can be divided into onvective type geothermal water circulation system and the transmitting buried geothermal water system according to the buried mode of geothermal water , replenishment migration conditions and the way of heat transfer. The formation of convective type geothermal water is obviously controlled by basement uplift and deep faults.Its distribution and exposuredirectly related to the local extensional fault zone. Shallow depth, high geothermal gradient, easy to expose lesds to low mining cost. Atmospheric precipitation supplies circulates with underground heat source. Hot water salinity is low. The content of minerals beneficial to the human body and radioactive elements is high. Present zonal or beaded controlled by geological structure characteristics of distribution, small and uneven hot water distribution range, difficult exploration orientation, blind development likely to cause damage. It contributes to the development and utilization of this type of geothermal water through the analysis and study about the structure of the air convection geothermal water causes and distribution characteristics.

geothermal water；convective type；tectonic control；factor；distribution

2016-10-31

張榮(1968-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，高級工程師，主要從事地下水勘測及開發(fā)利用工作。

P314.1

A

1004-1184(2017)01-0021-03