南陽市碳酸鹽巖地熱流體同位素特征分析

龔曉凌，葛 雁

（河南省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質環(huán)境調查院，河南 鄭州 450003）

同位素具有化學穩(wěn)定性高、不易被巖土吸附、不易生成沉淀化合物、檢測靈敏度高的特性。尤其氫氧同位素，它們本身就是水分子的組成部分，其組份的變化真正反映水的演化環(huán)境，是理想的示蹤劑。因此，同位素在近年來越來越多用于地下水的來源研究。

南陽市在控熱構造的作用下有豐富的地熱資源儲備，為系統(tǒng)研究南陽市地熱流體的徑流特征、熱儲溫度等特征，采用穩(wěn)定同位素（D、18O）的組成變化判別地熱流體的來源及補給源，采用化學溫標計算循環(huán)深度，判斷熱儲溫度，藉此對南陽市地熱重點開采層位流體資源進行綜合研究。

1 地質背景概述

1.1 區(qū)域地質背景

南陽市位于河南省深大斷裂構造集中發(fā)育地區(qū)，斷裂主要展布方位為西北、西向，見圖1。根據(jù)南陽市地熱開發(fā)現(xiàn)狀，主要開采層位為古元古界秦嶺巖群（Pt1Q）雁嶺溝巖組碳酸鹽巖類熱儲，其呈西北—東南向夾持于朱夏斷裂與商丹斷裂之間，東界大致為南陽- 方城斷裂，平面形態(tài)上呈現(xiàn)北部開放東南收縮的簸箕狀，埋深受控熱斷裂及其次生支脈的控制，埋深從山前的數(shù)十米向南部緩傾，在斷裂影響帶附近陡傾，到南陽市區(qū)南部達到1400 m左右[1]。

圖1 南陽市地熱地質圖

1.2 古元古界碳酸鹽巖熱儲巖性特征

雁嶺溝組大理巖出露于南陽盆地以西及桐柏縣北部，以碳酸鹽夾鈣泥質碎屑巖沉積為主，巖性主要為各種大理巖夾少量斜長角閃巖及長英質片麻巖等。含鈣質巖石（大理巖、變粒巖等）的原巖為白云巖、泥灰?guī)r和鈣質砂巖。根據(jù)西峽縣米坪子溝—千腳溝、內鄉(xiāng)縣蚌峪溝—西陽山溝實測剖面數(shù)據(jù)③雁嶺溝巖組大理巖占比在為86.47%～89.98%。下伏地層為秦嶺巖群郭莊巖組，兩者之間整合接觸。雁嶺溝巖組大理巖多發(fā)育兩到三組張裂隙，部分地段可見溶蝕現(xiàn)象。張裂隙貫通良好，充填物多為泥質，偶見硅質，裂隙寬度1 cm～25 cm 不等，具備較好的地下水儲存、運移條件，地下水回灌條件較好，具有作為良好供暖載體的條件[2]。

1.3 古元古界碳酸鹽巖熱儲分布特征

南陽市已有鉆孔沒有揭穿該層，最大揭露厚度345 m（體育中心地熱井），見表1。

表1 南陽市地熱井基本情況表

其厚度由西部山區(qū)向東部盆地漸薄，熱儲結構見圖2。

圖2 熱儲結構圖

2 地熱流體同位素特征

2.1 取樣分析情況

2016 年4 月在工作區(qū)進行了水樣采集，其同位素分析由中國科學院地理科學與資源研究所承擔。該研究所是中國最早的國家重點實驗室之一，致力于地球信息系統(tǒng)科學的基礎理論和方法研究。

2.2 同位素測試結果

南陽市及周邊不同熱儲層地熱流體的氫氧同位素測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 南陽及周邊地區(qū)地熱水同位素測試數(shù)據(jù)一覽表

2.3 地熱流體來源分析

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制穩(wěn)定同位素散點圖，見圖3。

圖3 南陽及周邊地區(qū)地熱流體穩(wěn)定同位素散點圖

由圖3 知：①所有的溫泉、地熱井均位于大氣降水線下，說明補給來源均為大氣降水；②魯山五大溫泉表現(xiàn)出從上游到下游，逐漸偏離降水線，顯示其補給來源距離逐漸增大；③大理巖地熱水偏離降水線，分析認為是因為含氧巖石與熱水發(fā)生同位素交換反應，使地下水中的δ18O 增高所產生的氧漂移；④氘過量參數(shù)d 值越小說明地下水滯留時間越長，地下水封存條件好，還原作用、生物化學作用慢，地下水溫度高；同一地區(qū)，d 值小意味著地下水的補給量大；源于大氣降水的同一含水層中，從補給區(qū)到排泄區(qū)，d 值逐漸降低。即南陽市碳酸鹽巖地熱流體源自大氣降水，形成于封閉的高溫高壓環(huán)境[3]。

2.4 地熱流體補給高程分析

據(jù)式（1）計算地熱水補給高程：

式中：H 為補給高程；δS 為取樣點的地下水δ18O 值；δP 為取樣點附近的大氣降水的δ18O 值；K 為同位素高程梯度，南陽地區(qū)取0.225；H0為采樣點高程。

計算結果：古近系砂巖地熱流體的補給區(qū)高程為1013 m～1131 m 左右，雁嶺溝巖組大理巖地熱流體的補給區(qū)高程為1438 m～1547 m 左右，溫泉的補給區(qū)高程為3220 m～3618 m左右，顯示出補給來源及運移距離的差異。

據(jù)補給高程并結合水文地質條件和當?shù)氐乩項l件判斷知，南陽地區(qū)古近系和元古界大理巖熱儲地熱流體補給區(qū)為西部及北部的山區(qū)。

3 地熱流體循環(huán)深度確定

根據(jù)地下水水化學分析指標，進行地球化學溫標計算，據(jù)此推算深部熱儲的溫度及地下水循環(huán)深度。

3.1 地熱溫標計算

根據(jù)南陽市地熱水多屬于中低溫熱水的實際情況，分別采用Giggenbach1988 年建立的K-Mg 溫標及SiO2溫標進行地熱水溫標計算，計算結果見表3。

表3 地熱水化學溫標計算一覽表

從表3 知，研究區(qū)古元古界大理巖深部熱儲溫度應在63.42 ℃～79.09 ℃。估算溫度高于井底溫度的地段，繼續(xù)向深部鉆進有可能達到估算溫度，且估算溫度接近熱源溫度。

3.2 循環(huán)深度計算

據(jù)下式進行循環(huán)深度計算：

式中：D 為循環(huán)深度；tR為熱儲溫度，采用SiO2溫標溫度；t0為恒溫帶溫度；g 為地溫梯度。

據(jù)此計算各井地熱流體循環(huán)深度，見表4。

表4 地熱水循環(huán)深度計算一覽表

由表4 知，化學溫標計算結果與地溫梯度推算的相應深度處的溫度相比偏高，原因如下：①可能與大理巖的地溫梯度取值偏低有關，因本區(qū)僅有2 孔有大理巖垂向測溫數(shù)據(jù)，取二者均值并借鑒相關巖性經驗數(shù)值；②利用化學溫標推算的是熱儲溫度，地熱井水溫多為混合開采的水溫，一般會低于井底溫度。

4 結論

（1）南陽市碳酸鹽巖地熱流體的補給來源為西部、北部山區(qū)大氣降水。

（2）補給區(qū)高程為1438 m～1547 m。

（3）南陽市碳酸鹽巖地熱流體的循環(huán)深度為1500 m～2500 m。

（4）碳酸鹽巖的熱儲溫度為63.42 ℃～79.09 ℃。