恩施盆地北部小龍?zhí)兜責崽锼瘜W特征及成因研究

袁 飛， 楊波涌， 付 強， 李明龍， 李澤威， 萬 凱

(湖北省地質局 第二地質大隊，湖北 恩施 445000)

開發(fā)利用地熱水不僅能改善城鎮(zhèn)及周邊地區(qū)生活條件和旅游環(huán)境，還能在實現(xiàn)碳達峰、碳中和過程中發(fā)揮積極作用，帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。當前國內(nèi)外對地熱水的研究主要集中在探討地熱水水化學特征、補給來源及補給高程、熱儲溫度及循環(huán)深度等方面，為地熱水的勘探與開發(fā)利用提供了科學依據(jù)[1-2]。恩施盆地小龍?zhí)兜貐^(qū)富含較豐富的地熱水，但對本區(qū)域的研究趨于空白。目前在小龍?zhí)兜貐^(qū)實施了一口中深鉆(孔深約1 860 m)，獲得熱水溫度為44.2℃，豐水期流量為800.0 m3/d，枯水期流量為630.0 m3/d。本次研究是在小龍?zhí)兜責崽锼牡刭|、地熱地質調(diào)查和地熱鉆探的基礎上，結合水化學分析和同位素分析成果，探討該地熱田地熱水水化學特征及其成因機制，旨在為恩施盆地地熱水的進一步勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

1.1 水文地質背景

研究區(qū)所在恩施盆地為一近南北向延伸的條帶狀盆地(圖1)，盆地西側為低中山區(qū)，海拔高程一般在1 000～1 500 m；盆地內(nèi)海拔高程一般在430～500 m；盆地東側為低山區(qū)，海拔高程一般在600～800 m。

盆地內(nèi)出露地層主要為寒武系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)婁山關組—三疊系中統(tǒng)巴東組、白堊系上統(tǒng)跑馬崗組及第四系地層。褶皺構造從西向東依次為黃巖路向斜、白果壩背斜、黃金洞向斜、高橋壩向斜、慶陽壩背斜、茅田白楊向斜。斷裂構造主要以北東—北北東向斷裂為主，恩施大斷裂為區(qū)內(nèi)主要斷裂。小龍?zhí)兜責崽锛刺幱诎坠麎伪承北睎|段傾沒端。

根據(jù)地層分布、巖性組合特征及地下水賦存狀況，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為第四系松散土體孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水以及碳酸鹽巖類巖溶裂隙水等三大類型。第四系松散土體孔隙水主要賦存于清江Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地，清江支流開闊地帶(段)亦有零星分布，主要接受大氣降水補給，顯示就近補給就近排泄特征；碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于盆地內(nèi)白堊系上統(tǒng)跑馬崗組紅砂巖淺層風化裂隙之中，水量較為有限，對區(qū)域地下水環(huán)境條件的影響有限；研究區(qū)二疊系、三疊系及奧陶系—寒武系碳酸鹽巖類巖溶裂隙水均主要接受大氣降水補給。根據(jù)1∶2.5萬地質—水文地質綜合調(diào)查結果，結合1∶20萬恩施幅區(qū)域水文地質圖分析，恩施盆地地下水總體為四周向盆地中心匯聚的趨勢。研究區(qū)內(nèi)對地下熱水資源做出主要貢獻的是盆地北西部奧陶系—寒武系碳酸鹽巖類巖溶裂隙溶洞含水層。

1.2 地熱地質特征

研究區(qū)內(nèi)熱儲構造主體為白果壩背斜北東段傾沒端，根據(jù)地質結構空間關系分析，研究區(qū)及周邊出露最老的地層為寒武系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)婁山關組灰—淺灰色厚層塊狀白云巖、泥質白云巖。導水性較好的奧陶系—寒武系碳酸鹽巖與透水性、導熱性差的白堊系跑馬崗組紅砂巖、志留系碎屑巖(與跑馬崗組不整合接觸)及寒武系下統(tǒng)天河板組、石牌組砂巖構成了封閉完整的熱儲單元，具有一定的儲熱、蓄水條件。區(qū)內(nèi)恩施大斷裂是區(qū)域性北東向活動大斷裂，是控制地熱流體聚集和運移的主要因素。

(1) 熱儲層特征。根據(jù)已有區(qū)域綜合地質調(diào)查及物探、淺鉆資料，恩施盆地底部熱儲屬碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲，兼具層狀和帶狀熱儲特征，熱儲含水層屬奧陶系—寒武系碳酸鹽巖，巖性主要為厚層狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、白云質灰?guī)r及白云巖、灰質白云巖，巖溶強烈發(fā)育，暗河流量為4 116.07 L/s，泉水流量為2.49～12.20 L/s，富水性強。

(2) 熱儲蓋層。熱儲蓋層在地熱系統(tǒng)中主要起隔熱保溫作用，恩施盆地地熱水的蓋層為白堊系上統(tǒng)跑馬崗組磚紅色砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖層。

(3) 通道。研究區(qū)構造屬背斜傾沒端，北接恩施盆地東側茅田—白楊向斜的分支黃巖路向斜，背斜近核部地層產(chǎn)狀較陡，形成大量的張性裂隙。經(jīng)過地下水長期的差異性溶蝕作用，形成了大量的溶洞及裂隙，為地下熱水提供了良好的賦存空間和運移通道。

(4) 熱源。研究區(qū)范圍不存在巖漿侵入等附加熱源，根據(jù)盆地地殼熱結構的研究，恩施盆地底部可能存在溫度很高的低速高導層，依靠熱傳導向熱儲層供熱，巖溶水不斷吸收圍巖中的熱量增溫形成地熱水。推測熱源主要為大地熱流。

根據(jù)以上地熱地質條件分析，本文認為小龍?zhí)兜責崽餆醿ιw層為白堊系上統(tǒng)跑馬崗組磚紅色砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖層，具有良好的保溫隔熱作用；熱儲含水層為奧陶系下統(tǒng)紅花園組—寒武系上統(tǒng)婁山關組灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖巖組，巖溶發(fā)育，為地下水良好的儲存運移空間；恩施深大斷裂帶為區(qū)內(nèi)良好的導水通道；確定研究區(qū)為層狀含水層與帶狀斷裂構造組合形成的復合型低溫地熱田[2-4]。綜合分析研究區(qū)地熱水成因模式見圖2所示。

圖2 地熱資源成因三維概念模式圖Fig.2 Three-dimensional conceptual model of geothermal resources genesis

2 樣品采集與測試方法

在水文地質、地熱地質綜合調(diào)查基礎上，本次研究共采集了15組水樣，用于水質、氫氧同位素、硫同位素分析測試(表1)，采樣點位見圖1，水樣類型包括地熱水(溫泉、鉆孔熱水)、冷泉、河水等。水質分析在湖北省地質局第二地質大隊實驗室完成，測試儀器為GGX-600型原子吸收分光光度計，檢測結果相對誤差<2.5%；氫氧同位素、硫同位素分析在國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心(中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所)實驗測試中心完成，其中氘、氧同位素測試采用L2130i型波長掃描光腔衰蕩光譜儀，氚同位素測試采用Quantulus1220型超低本底液體閃爍譜儀，硫同位素測試采用MAT253型穩(wěn)定同位素比值質譜儀，上述同位素檢測結果相對誤差均<1‰。

表1 水樣類型及分析測試項目統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of water sample types and analysis test items

3 結果分析與討論

3.1 水文地球化學特征

圖3 研究區(qū)各水樣Piper三線圖投圖結果Fig.3 Results of Piper trilinear map of different water samples in the study area

3.1.1主量元素特征

(1) 基本特征。如表2所示，水樣pH值范圍為6.87～8.37，平均為7.51。其中熱水樣(包括溫泉和鉆孔熱水)pH值范圍為7.22～8.37，平均為7.80，偏弱堿性，分析認為研究區(qū)地下熱水的偏弱堿性與補給水及地下熱水的熱儲層巖性有關[8-9]。

表2 各水樣化學成分分析結果表Table 2 Results table of chemical composition analysis of water samples

3.1.2微量元素特征

由于地下熱水流經(jīng)圍巖流程上的水巖相互作用、溶濾作用等因素，相對于地表冷水，地下熱水中常含有較高濃度B、F、I、Br、Sr、Fe等微量元素，也正因如此，地熱水常具有一定的理療價值[13-14]。如表3所示，地熱水(包含水樣S02、ZK1-1、ZK1-2、ZK1-3)中B、Sr、Fe含量分布范圍為0.46～1.39、8.95～17.56、0.04～0.98 mg/L，整體上遠高于冷泉和河水中的含量(B含量為0～0.02 mg/L,Sr含量為0.11～0.72 mg/L，F(xiàn)e含量為0～0.07 mg/L)。

表3 各水樣微量元素分析結果表Table 3 Results table of trace elements analysis in water samples

3.2 穩(wěn)定同位素特征

3.2.1氫氧穩(wěn)定同位素特征

對研究區(qū)內(nèi)的溫泉、鉆孔熱水及河水的氫氧同位素值進行統(tǒng)計分析，如表4所示。地熱水(包括溫泉和鉆孔熱水)中δD值的分布范圍為-66.86‰～-56‰，平均值-64.00‰；δ18O值的分布范圍為-9.93‰～-8.40‰；地表水樣SY01的δD含量為-57.00‰，δ18O含量為-8.50‰。鉆孔熱水屬深部地下水，其δD值和δ18O值均遠低于地表出露的溫泉和河水。

表4 溫泉、鉆孔熱水、河水樣品氫氧同位素分析結果表Table 4 Results table of hydrogen and oxygen isotope analysis of hot spring,borehole hot water and river water samples

3.2.2硫同位素特征

表5 溫泉、河水、鉆孔熱水樣中硫、氧同位素分析結果表Table 5 Results table of sulfur and oxygen isotope analysis of hot spring water,river water and borehole hot water samples

圖4顯示了地下熱水中δ34S和δ18O的關系，從圖4可以看出，采集的幾組水樣中的硫酸鹽均來自于陸地蒸發(fā)巖[14-16]，溫泉和鉆孔熱水的δ34S值遠高于地表水。分析認為，δ34S趨向在較封閉的熱儲環(huán)境中富集，這與封閉環(huán)境中硫酸鹽還原為硫化物的無機和有機過程中發(fā)生的硫同位素分餾作用有關，地質環(huán)境越封閉，水巖作用越強，硫酸鹽還原作用越強，越有利于地下熱水中δ34S的富集[15-17]。

圖4 各時期的陸地巖石圈、大氣、海水硫氧同位素組成關系圖Fig.4 Relationship map of sulfur and oxygen isotopic composition diagram of terrestrial lithosphere,atmosphere and seawater in different periods

3.3 熱儲溫度和循環(huán)深度

3.3.1熱儲溫度估算

根據(jù)研究區(qū)地熱水化學成分和溫度特征，可以判斷該區(qū)地熱水屬于未成熟水和低溫熱水。由于地熱水中的可溶性SiO2主要由熱水溶解圍巖中的石英等硅質礦物所致，且地熱水到達地面時無蒸氣損失，故采用無蒸氣損失SiO2地熱溫標法計算地熱水形成時的溫度[18-19]，即熱儲溫度。選用以下公式(適用溫度為0～250℃)計算:

(1)

式中：T為熱儲溫度,℃；S為熱水中溶解的SiO2含量,mg/L。

估算結果如表6所示，熱儲溫度在55.74～91.46℃。其中利用鉆孔ZK1中的深層熱水樣數(shù)據(jù)估算的熱儲溫度與測井測溫成果較吻合。

表6 熱儲溫度及循環(huán)深度估算結果一覽表Table 6 List of estimation results of thermal storage temperature and cycle depth

3.3.2循環(huán)深度估算

(1) 地溫梯度估算。依據(jù)下述公式(2)估算研究區(qū)地溫梯度為22.1℃/ km。

g=(t0-t)/(h0-h)

(2)

式中：g為地溫梯度，℃/km;t0為孔底溫度，℃;t為當?shù)啬昶骄鶜鉁?，?h0為孔底深度，km;h為恒溫帶深度，km。其中t0取恩熱一井1 860m處測得的孔底溫度56.7℃，t取當?shù)仄骄鶜鉁?6.3℃，h0取1.86 km，h取0.03 km。

(2) 循環(huán)深度估算。地熱水循環(huán)深度計算公式如下[19-20]：

D=(tR-t)/g+h

(3)

式中：D為地熱水循環(huán)深度，km；tR為熱儲溫度，℃；t為當?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；g為地溫梯度，℃/km；h為恒溫帶深度，km。其中tR取表6熱儲溫度數(shù)據(jù)，t取16.3℃，h取0.03 km，g取22.1℃/km，將h、t、g、tR值代入上式計算，即可求出地熱水的循環(huán)深度。

熱水循環(huán)深度估算結果如表6所示，熱水循環(huán)深

度為1.80～3.40 km。循環(huán)深度估算結果與井深結構高度吻合，在地熱背景條件一致的情況下，地下水循環(huán)深度越大，地熱水的溫度越高。

3.4 補給高程及補給區(qū)

3.4.1補給來源

Craig(1961)首先提出了大氣降水δD和δ18O值之間存在如下的線性關系：δD=8δ18O+10，即全球大氣降水線[19]。根據(jù)表4的測試數(shù)據(jù)建立δD-δ18O圖，如圖5所示，河水、溫泉和鉆孔熱水樣均落在全球大氣降水線附近，表明河水、溫泉、鉆孔熱水的補給來源均為當?shù)卮髿饨邓?/p>

圖5 河水、溫泉、鉆孔熱水樣品δD-δ18O圖解Fig.5 δD-δ18O diagram of river water,thermal water,drilling hot water samples

3.4.2補給高程

根據(jù)大氣降水δ18O的高程效應，可以推測地熱水的補給高程[20-22]，其計算公式為：

(4)

式中：H2為同位素補給高程，m；δG為鉆孔ZK1水樣的δ18O值，‰；δP為取樣點附近大氣降水的δ18O值，‰；K為大氣降水δ18O值的高度梯度，‰/100 m；H1為取樣點高程，m。

在計算過程中，δG取中深鉆ZK1的熱水樣δ18O值，即δG=-9.74‰～-9.93‰；δP取地表河水樣品的δ18O值，即δP=-8.50‰；K選用鄂西地區(qū)大氣降水穩(wěn)定的δ18O高度梯度值，即K=-0.22‰/100 m；H1取值情況見表7所示，根據(jù)公式(4)計算得出本區(qū)地熱水的補給高程為1 022.64～1 109.00 m。依據(jù)研究區(qū)高程范圍可確定補給區(qū)主要為白果壩背斜核部奧陶系—寒武系碳酸鹽巖地層區(qū)，該區(qū)為低中山區(qū)，海拔高程在1 000～1 500 m。

表7 地熱水補給高程計算成果表Table 7 Calculation results table of the recharge elevation of the geothermal water

4 結論

(1) 氫氧同位素特征分析表明，研究區(qū)內(nèi)地熱水主要接受大氣降水補給。

(3) 研究區(qū)地熱水屬于未成熟熱水和低溫熱水，選取適宜的石英溫標估算熱儲溫度為55.74～91.46℃，熱水循環(huán)深度為1.80～3.40 km。

(4) 根據(jù)大氣降水δ18O的高程效應估算地熱水的補給高程為1 022.64～1 109.00 m，依據(jù)研究區(qū)高程范圍可確定地下熱水補給區(qū)主要為白果壩背斜核部奧陶系—寒武系碳酸鹽巖地層出露區(qū)。