貴州印江縣紫薇地區(qū)地熱資源特征及成因

張學東 萬 將 侯江萍

（1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊；2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局六總隊）

地熱水既是水資源，又是能源，在當今社會被廣泛用于發(fā)電、取暖、淋浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游及醫(yī)療保健等領(lǐng)域［1-2］。隨著國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，對其需求與日俱增。貴州地熱水熱儲層位較多、巖性以碳酸鹽巖為主、資源比較豐富、分布較廣［3］。對貴州省內(nèi)典型地熱區(qū)地熱水類型、水化學特征、熱儲條件和成因進行分析，對于充分利用和發(fā)揮優(yōu)勢資源，推動地方經(jīng)濟和多元化發(fā)展，具有十分重要的意義。

本研究在從事貴州印江縣紫薇地區(qū)地熱水勘查過程中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)地熱異常明顯，具有良好的潛力。紫薇地區(qū)地熱水的發(fā)現(xiàn)，打破了印江縣無地熱水的記錄，也是印江縣地熱找水的成果范例和指向。因此，本研究通過對該區(qū)地熱水的地質(zhì)巖性特征、水化學離子特征、熱儲條件及地熱成因進行詳細分析，為印江縣及周邊地區(qū)后續(xù)的地熱資源勘查、開發(fā)利用提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

該區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚子陸塊江南復(fù)合造山帶黔南坳陷區(qū)銅仁復(fù)式褶皺變形區(qū)。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷多次區(qū)域性構(gòu)造運動，尤其以武陵運動、燕山運動、喜馬拉雅運動影響最為明顯［4］，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂極為發(fā)育，形成了NNE 向和NE 向展布的褶皺和斷裂（圖1）。 區(qū)域地層由老到新為南華系（Pt32）、震旦系（Pt33）、寒武系（?）、奧陶系（O）、志留系（S）和第四系（Q）。在巖性特征上，南華系（Pt32）主要包括冰漬礫巖、砂巖和粉砂質(zhì)黏土巖，震旦系（Pt33）主要為白云巖，寒武系（?）主要為白云巖、灰?guī)r及兩者之間的過渡類型巖石，奧陶系（O）主要為碳酸鹽巖和黑色頁巖，志留系（S）主要為灰色粉砂質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖，夾鈣質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)灰?guī)r以及第四系（Q）黃褐色殘坡積物及沖積物。區(qū)域上未見有巖漿巖體出露。

2 地熱區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要包括寒武系（?）、奧陶系（O）、志留系（S）和第四系（Q）。寒武系主要為一套海相碳酸鹽巖組合，包括清虛洞組（?2q）灰—淺灰色，薄—中厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r，高臺組（?3g）灰—淺灰色，薄層白云巖和泥質(zhì)白云巖，婁山關(guān)組（?3-4l）灰色，中厚—厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。奧陶系主要為一套海相碳酸鹽巖夾細碎屑組合，包括桐梓組（O1t）淺灰色，薄至中厚層狀灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r，紅花園組（O1h）灰?guī)r，湄潭組（O1-2m）灰黑色薄層頁巖、十字鋪組（O2-3s）和寶塔組（O3b）灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r，五峰組（O3w）黑色薄層頁巖，蘭多維列統(tǒng)—奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組（O3S1l）主要為灰綠色薄層粉砂質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖，以及第四系（Q）黃褐色殘坡積物及沖積物。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要表現(xiàn)為褶皺和斷層構(gòu)造。該區(qū)位于大蕘寨開闊向斜東翼、梵凈山穹窿西翼，為NE 向木黃—馬場走滑斷裂束的次級斷裂通過區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力集中分布。其中，梵凈山穹窿由張家堰背斜、牛風色倒轉(zhuǎn)背斜、黑灣河倒轉(zhuǎn)背斜所構(gòu)成褶皺帶［5］，呈NE—SW 向展布，其核部及四周出露的地層為均為青白口系地層，地層巖性為淺變質(zhì)冰漬礫巖。該穹狀背斜未受到斷層破壞［5］，完整性較好；大蕘寨開闊向斜位于該區(qū)西側(cè)，呈NNE 向展布，其軸部出露的地層為二疊系（P）—三疊系（T）地層。兩翼出露的地層主要為志留系地層，褶皺對地下深部的熱水資源有良好的保溫作用。此外，木黃—馬場走滑斷裂束的次級斷裂（尖山斷層）在區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為一NE 向展布的拉張性斷層，出露于研究區(qū)南東側(cè)，斷層傾向NW，傾角70°，斷層破碎帶寬3～5 m。斷層上盤地層傾向NNW、傾角15°～20°，出露地層為志留系蘭多維列統(tǒng)—奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組（O3S1l）；斷層下盤傾向NNW、傾角15°～25°，出露地層為奧陶系下統(tǒng)紅花園（O1h）和桐梓組（O1t）。尖山斷層對區(qū)內(nèi)地熱水勘查有影響，是該區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)水、導(dǎo)熱斷層。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)巖性，地質(zhì)構(gòu)造情況及地下水賦存、運移條件，研究區(qū)地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖類裂隙水和松散巖類孔隙水為主。碳酸鹽巖巖溶水的主要含水巖組為奧陶系下統(tǒng)紅花園組（O1h）、桐梓組（O1t）的灰?guī)r白云巖及寒武系芙蓉統(tǒng)—第三統(tǒng)婁山關(guān)組（?3-4l）、寒武系第三統(tǒng)高臺組（?3g）、第二統(tǒng)清虛洞組（?2q），厚度共約1 495.88 m（據(jù)鉆孔資料），該區(qū)地熱含水層屬于第二儲集單元［9］，含水性強?；鶐r裂隙水的主要含水巖組為志留系蘭多維列統(tǒng)—奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組（O3S1l）、韓家店組（S1h），上奧陶系統(tǒng)五峰組（O3w）、寶塔組（O3b）、中—上統(tǒng)十字鋪組（O2-3sh）、中—下奧陶統(tǒng)湄潭組（O1-2m）的頁巖、碳質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r等，含水性較弱，為相對隔水層，厚度共計690 m（據(jù)鉆孔資料）。松散巖類孔隙水為第四系松散的砂土、泥、碎石、黏土等，鉆孔揭露厚度為15 m，一般厚度為5～20 m，為孔隙水，透水性好，富水性弱。

3 地熱流體化學特征

3.1 地熱流體特征

研究區(qū)內(nèi)地熱水補給主要來源為大氣降水，大氣降水至地表，通過巖層中裂隙、溶隙、溶孔或樞紐斷層、NNE 向木黃—馬場斷裂束熱儲系統(tǒng)等通道不斷接受大氣降水的滲入補給地下水。此外，碳酸鹽巖地層中發(fā)育的暗河、溶洞和溶蝕裂隙、孔洞等也為地下熱水和熱能的儲存、富集、交換提供了空間條件。

地熱流體運移、賦存于地下深部熱儲圍巖的裂隙和孔隙中，由于長期受深部地球化學地質(zhì)環(huán)境背景及水巖作用的影響和控制，形成了特殊的水質(zhì)類型、化學組分特征。地熱水在地殼巖體中的循環(huán)是一個非常復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)。區(qū)域內(nèi)的大氣降水、地表溪溝水及淺層地下水沿斷裂帶和巖體中的空隙（裂隙、溶洞、溶隙、巖溶管道等）通道下滲向地下運移，在下滲運移過程中不斷獲取地下熱能使得水溫不斷升高，同時又溶解、溶濾圍巖中的礦物成分，在重力作用下受控于斷裂做深部循環(huán)。區(qū)內(nèi)地熱流體的地球化學特征、離子特征與圍巖和構(gòu)造關(guān)系密切。

3.2 地熱流體化學組分及動態(tài)變化

研究區(qū)內(nèi)地熱水的pH 值為7.25～7.39，符合生活飲用水標準；溶解性總固體含量為2 929.00～3 164.20 mg/L，為微咸水；總硬度為2 192.41～2 270.50 mg/L，為極硬水；Na+離子含量為1.85～8.80 mg/L，K+離子含量為12.80～13.79 mg/L，Ca2+離子含量為605.82～637.00 mg/L，Mg2+離子含量為164.50～175.00 mg/L，F(xiàn)e2++Fe3+離子含量為0.74～1.52 mg/L，Al3+離子含量0～0.02 mg/L，NH4+離子含量0.08～0.40 mg / L，HCO3-離子含量為150.22～213.17 mg/L，CO32-離子含量為0 mg/L，SO42-離子含量為2 000.00～2 127.00 mg/L，Cl-離子含量為1.45～2.80 mg/L，F(xiàn)-離子含量為2.45～3.50 mg/L，NO3-離子含量為0.01～1.43 mg/L。對人體理療有益的主要成分偏硅酸（H2SiO3）為26.00～40.09 mg/L，達到醫(yī)療價值濃度［6］，鍶含量為6.36～14.2 mg/L，F(xiàn)-離子含量為2.45～3.50 mg/L，達到醫(yī)療價值濃度［6］。水溫49 ℃達到理療天然礦泉水命名標準；偏硅酸、鋰、鍶、溶解性總固體含量達到飲用天然礦泉水濃度標準［7-8］，水質(zhì)類型為SO42-—Ca2+、Mg2+型水。據(jù)此可知，區(qū)內(nèi)地熱水是很好的理療熱礦水及專用礦泉水，但不能直接飲用［9］。

通過對區(qū)內(nèi)地熱井3 次水質(zhì)檢測結(jié)果中主要的理化指標（水溫、pH 值、礦化度等）、指標元素和組分（偏硅酸、鍶、鋰及氟）含量等進行對比，發(fā)現(xiàn)地熱井中各對比指標的動態(tài)變幅為0.019～1.232 倍，總體上地熱井的各項指標和各離子的化學濃度相差不大，表明該區(qū)內(nèi)化學組分比較穩(wěn)定。

4 熱儲條件及地熱水成分

4.1 熱儲層及蓋層條件

區(qū)內(nèi)熱儲構(gòu)造為梵凈山穹窿西翼，地熱井（鉆孔ZK1）顯示揭露的熱儲含水層埋深705～2 200.88 m，厚度為1495.88 m；阻水隔熱保溫蓋層由志留系下統(tǒng)—奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組（O3S1l）至奧陶系中—下統(tǒng)湄潭組（O1-2m）的頁巖、碳質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r組成，埋深為15～705 m，厚度為690 m。

4.2 通道條件

區(qū)內(nèi)木黃—馬場走滑斷裂束破碎規(guī)模大、延伸較深，根據(jù)可控源聲頻大地電磁法勘探工作成果，該斷層延伸大于2 000 m，該斷裂對熱源的傳導(dǎo)和水源的集中匯流起著控制和影響作用。鉆孔揭露該斷裂束深度為1 574.8～1 619.9 m，破碎帶垂厚45.10 m，物探測井顯示該段井溫為49.93～50.57 ℃，聲波時差和地層孔隙度明顯增大，電阻率明顯降低，含水特征明顯［9］。

4.3 熱源條件

根據(jù)已有的水化學分析資料，與巖漿侵入活動、火山作用有關(guān)的地下水類型為HCO3—Cl—Na 和SO4—Cl—Na型水［10-11］。研究區(qū)內(nèi)各地質(zhì)時期未發(fā)現(xiàn)巖漿侵入，同時本區(qū)地熱水水質(zhì)類型為SO4—Ca—Mg型，表明其來源主要為深部奧陶系下統(tǒng)紅花園組（O1h）、桐梓組（O1t）、寒武系芙蓉統(tǒng)—第三統(tǒng)婁山關(guān)組（∈3-4l）的白云巖，且熱儲含水層中含有石膏夾層，在溫度、壓力、鹽度的長期作用下，碳酸鹽巖和硫酸鹽礦物充分溶解，使得SO42-濃度升高［10，12］。

區(qū)內(nèi)地熱水熱源、水源獲取，應(yīng)該是由NE 向挽近期深大斷裂與深部熱流貫通并向上傳導(dǎo)，同時地下水又以構(gòu)造帶、裂隙帶為通道下滲，經(jīng)過不斷下滲后的地下水通過從圍巖中不斷獲取地熱加溫后成為熱源載體。因此，本研究認為本區(qū)熱源來自貫通深部熱源的深大斷裂的熱對流，地熱水資源的補給以大氣降水入滲補給為主［13］。

4.4 地層地球物理特征

區(qū)內(nèi)地層出露巖性主要有第四系覆蓋層、灰?guī)r及白云巖、粉砂巖和頁巖。根據(jù)區(qū)內(nèi)電阻率曲線和鄰近區(qū)域的電性特征分析可知，較完整的灰?guī)r和白云巖的電阻率大于5 000 Ω·m，粉砂巖電阻率變化量小于4 000 Ω·m，斷層破碎帶由于斷層含水、巖石破碎、電阻率整體相對較低，視電阻率一般小于3 000 Ω·m，第四系覆蓋層、頁巖、地下水電阻率為（1～1×102）Ω·m。

4.5 鉆孔熱儲溫度

該井的穩(wěn)定靜止水位高出井口1.5 m，為自流井，根據(jù)測溫結(jié)果，780～2 200 m，井溫穩(wěn)定增加，平均地熱增溫率為2.53 ℃/100 m，全井最高溫度出現(xiàn)在2 200 m處，井溫為60.03 ℃。根據(jù)貴州省地熱增溫等值線圖分析，本區(qū)的地熱增溫率為2.5～3.0 ℃/100 m，與實際情況基本一致。

5 成因模式

在地熱成因上，由于區(qū)內(nèi)層狀地熱水主要賦存于奧陶系下統(tǒng)紅花園組、桐梓組、寒武系芙蓉統(tǒng)—第三統(tǒng)婁山關(guān)組、第三統(tǒng)高臺組、第二統(tǒng)清虛洞組中，地熱水資源的補給來源為大氣降水，接受大氣降水補給的方式有2 種：一種為奧陶系下統(tǒng)紅花園組、桐梓組、寒武系芙蓉統(tǒng)—第三統(tǒng)婁山關(guān)組、第三統(tǒng)高臺組、第二統(tǒng)清虛洞組出露地表直接接受大氣降水補給時；第二種是相對隔水的志留系下統(tǒng)—奧陶系上統(tǒng)龍馬溪組至奧陶系中統(tǒng)—湄潭組的碎屑巖與挽近期的深大斷裂木黃—馬場走滑斷裂束交匯地帶，大氣降水沿斷層裂隙下滲，并受地下水流向控制，由北東向南西運移，運移過程中，引起地熱流體的對流和熱能交換，同時沿壓力降低的方向（斷裂構(gòu)造）做壓力釋放運動，從而形成地熱流體（圖2）。

6 結(jié) 論

（1）區(qū)內(nèi)挽近期的地質(zhì)構(gòu)造為地熱資源產(chǎn)生提供了條件，巖性組合地質(zhì)特征受構(gòu)造運動影響形成的NE 向木黃—馬場走滑斷裂束，為地熱水形成提供了“儲—蓋—通—源”的有利條件。

（2）地熱水的水化學類型為SO4—Ca—Mg 型水，含高鍶、氟、偏硅酸、鋰、溶解性總固體，弱堿性水，偏硅酸、鋰、鍶，達到醫(yī)療價值濃度，鍶含量、F-離子含量達到命名濃度，水溫達到理療和天然礦泉水命名標準。

（3）區(qū)內(nèi)熱源主要受木黃—馬場走滑斷裂束影響和控制，該斷裂束起到連通地下深部熱源、儲水、導(dǎo)水作用，為層狀+帶狀熱儲中低溫熱儲，具有深循環(huán)的特點。