貴州印江天堂哨地熱水特征及成因淺析?

吳丹

中化地質礦山總局貴州地質勘查院，貴州 貴陽550002

天堂哨地熱井（ZK1）位于貴州梵凈山地區印江縣城北東約30km 的天堂鎮，于2022 年施工完成，井深1218m，井底溫度55.4℃，井口溫度52.3℃。附近出露溫泉1 處，距離該井約100m，位于紅山村的河谷邊上，溫度27℃。

貴州梵凈山地區除天堂哨地熱井和溫泉外，區域還有鵝嶺、羅場、新寨、紫薇等地熱井。近年來，許多地質工作者查明了貴州省地熱資源類型，對沉積盆地型、隆起山地型兩種地熱資源的分布特征與賦存規律進行了較為深入的研究，為貴州省地熱資源開發利用奠定了基礎[1]。在梵凈山地區，基本建立了熱儲概念模型，確定了地熱的“儲、蓋、通、源”四要素，總體認為，梵凈山地區地熱資源的賦存主要受地層和斷裂構造控制，地熱成因屬斷裂對流型，以降雨為主要來源的地熱水在挽近期斷裂和巖溶裂隙等通道的作用下經循環加熱和升溫，最終形成了研究區內豐富的地熱水資源[2-4]。

本文在系統分析地熱地質條件、水化學場特征、溫度場特征的基礎上，進一步分析和總結地熱水的地質成因，以期為下一步勘查開發規劃提供參考。

1 水文地質條件

1.1 地層

研究區在大地構造單元上屬上揚子陸塊（Ⅳ-4）黔北隆起區（Ⅳ-4-1）遵義臺地區（Ⅳ-4-1-3）之鳳岡南北向構造變形區[5]。區域出露新元古界前寒武系（An?）、下古生界寒武系（?）、奧陶系（O）、志留系（S）、上古生界二疊系（P）、中生界三疊系（T）以及新生界第四系（Q），缺失泥盆系、石炭系和部分二疊系（圖1）。距離研究區約30km 的梵凈山地區，零星有煌斑巖、輝綠巖、輝長輝綠巖、輝石橄欖巖、花崗偉晶巖、白云母花崗巖、細碧巖、石英角斑巖等巖漿巖體產出，其中，煌斑巖侵位于寒武系碳酸鹽巖中，形成時代在早古生代晚期（400～500Ma），其余產出于前寒武系中，形成于新元古代的武陵構造-巖漿旋回（814～856Ma）[6]。

圖1 區域水文地質圖Fig.1 Regional hydrogeological map

天堂哨地熱井中的鉆遇地層主要有寒武系清虛洞組（?2q）、高臺組（?3g）、平井組（?3p）、毛田組（?4O1m）、奧陶系桐梓組（O1t）、紅花園組（O1h）、大灣組（O1-2d）、十字鋪組（O2-3s）、寶塔組（O3b）、志留系龍馬溪組（O3S1l）及小河壩組（S1x）。

1.2 構造

區域發育多個主次分明的褶皺和斷層，是早期燕山運動在區內發生強烈褶皺的結果。主要褶皺有沙子場-譙家鋪復式褶皺，次級褶皺主要有山頭蓋（天堂哨）背斜、郎溪向斜。區域性大斷裂主要有楊家壩（板溪）斷層（F1）、印江斷層（F2）等，斷層走向以北東向、北北東向為主，規模較大。

物探結果顯示，楊家壩斷層至少具有兩期次活動：第一期次表現為壓扭性，導致斷層北西側為高阻區，視電阻率普遍高于1000Ω·m，南東側為低阻區，視電阻率普遍低于500Ω·m，為斷層作用的結果；第二期次表現為張扭性，造成斷層兩側地層缺失（圖2），其中，鉆孔揭露地層中缺失后壩組（?4h）。斷層破碎帶附近（-228～-258m 標高）滲透率高，為26.03～174mD，達到一類裂縫和二類裂縫的標準，孔隙度發育較好，具有較強的滲流能力。因此，楊家壩斷層屬于導水斷層。

圖2 水文地質和地熱地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological and Geothermal geological section

1.3 地下水類型

研究區地下水類型主要有碳酸鹽巖巖溶裂隙水、碎屑巖裂隙水和第四系松散巖類孔隙水三種類型，以巖溶裂隙水為主，總體流向自南西向北東徑流。區內主要含水巖組為上震旦統燈影組、中-上寒武統清虛洞組-婁山關組、下奧陶統桐梓組-紅花園組、中-上二疊統棲霞組-吳家坪組、中-下三疊統大冶組-嘉陵江組的碳酸鹽巖，相對隔水巖組主要有中-下寒武統牛蹄塘組-杷榔組、中-上奧陶統大灣組-寶塔組、志留系龍馬溪組-韓家店組的碎屑巖。其中，厚度大于700m 的中-上奧陶統+志留系的碎屑巖將中-上寒武統+下奧陶統的含水巖組與中-上二疊統+下三疊統的含水巖組相隔（表1）。

表1 研究區地熱水儲蓋層水文地質特征Table 1 Hydrogeological characteristics of reservoir and caprock of geothermal water in the study area

2 地熱地質條件

2.1 熱儲構造

天堂哨地熱井（ZK1）處于天堂哨-刀把鄉復合熱儲單元內（圖3）[1]，區內所處的地殼淺部不存在年輕巖漿巖體和放射性等特殊熱源，地熱源主要是在正常的區域地溫梯度背景下，由北北東向的沙子場-譙家鋪復式褶皺將深處的熱量收集和儲存起來形成的。因此，沙子場-譙家鋪復式褶皺是區域上的主要儲熱構造，地熱井（溫泉）主要分布于該褶皺的次級背斜核部與楊家壩斷層耦合部位，如：鵝嶺地熱井[2]、紅山村溫泉。

圖3 熱儲單元分區及地溫梯度等值線圖Fig.3 Contour map of thermal reservoir unit zoning and geothermal gradient

2.2 熱儲單元

根據周邊地熱井（溫泉）的出露條件和鉆探成果分析：ZK1 井的熱儲層為中寒武統清虛洞組-下奧陶統紅花園組灰巖、白云巖（表1），是區域第二熱儲層[1]，一般厚1100～1200m，埋深在425～1218m，水溫38.0～55.4℃；隔熱蓋層為中-下奧陶統大灣組-上志留統韓家店組的頁巖、泥巖和砂巖，總厚度大于700m。

2.3 導熱通道

鉆探地溫測井數據顯示，楊家壩斷層破碎帶附近（-228～-258m 標高）井溫出現較高異常值，每10m 井溫變化值達到0.33～0.36℃，明顯高出全孔平均值（0.22℃/10m），表明楊家壩斷層具有導熱的特征。

3 水化學特征

本次共采集1 件地熱水樣，送往貴州省地質礦產中心實驗室（國土資源部貴陽礦產資源監督檢測中心）進行水質分析。Ca、Na、K、Mg、Te、Sr、SiO2等采用電感耦合等離子發射光譜儀（Agilent 5110/S-381）測試；Li、Al、Zn、ba、硼酸鹽等采用電感耦合等離子體質譜儀（ICAP RQ/S-475）測試；偏硅酸、硫化物、亞硝酸鹽（以NO2-計）采用紫外分光光度計（SP-1920/S-493）測試；總硬度、總酸度、總堿度、游離CO2、耗氧量（以O2計）等采用滴定管測試。水質分析結果見表2。

表2 地熱水化學成分Table 2 Hydrochemical components of geothermal water

水質分析結果顯示：熱水中陽離子以Ca2+為主，其次為Mg2+、K+，陰離子以SO42－為主，其次 為 HCO3-，水 化 學 類 型 為 SO42-·HCO3--Ca2+·Mg2+型水型；熱水pH 值7.40，為中性水；Sr2+含量13.5mg/L，達到命名礦水濃度標準；F－含量1.14mg/L；偏硅酸含量69.4mg/L，達到醫療價值熱水濃度；溶解性總固體1310mg/L，屬鹽類礦泉水；總硬度1036.85mg/L（以CaCO3計），為極硬水。這些特征與同處楊家壩斷層上的鵝嶺地熱井的水化學特征[2]基本一致。

地熱水中高含量的Ca2+、Mg2+、HCO3-反映溫泉熱流體的來源主要與中寒武統清虛洞組-下奧陶統紅花園組灰巖、白云巖有關；高含量的K+、Na+，反映出地熱流體相當部分來自奧陶系-志留系中含鉀頁巖；地熱水中高含量的偏硅酸、Si、F及較高的放射性，反映出熱流體成分與強烈硅化蝕變的斷裂帶有關[7]；高含量的SO42-、低含量的硫化物則反映出溫泉流體來自一個相對開放的氧化環境。區域地質調查結果顯示，清虛洞組-下奧陶統紅花園組灰巖、白云巖中存在多層非正常沉積的滑塌塊集巖、溶塌角礫巖等碳酸鹽碎屑巖，系膏鹽礦物溶解流失造成重力垮塌所致[5-6]，因此，高含量的SO42-、Sr、F 可能來自地熱水對膏鹽礦物的溶解[8-10]。

4 溫度場特征

4.1 熱儲溫度

地球化學溫標被廣泛運用于地熱水熱儲溫度的估算，其基本前提是作為地熱溫標的某種溶質或氣體和熱儲中礦物達到了平衡狀態。因此，在選用任何一種化學溫標估算地熱水熱儲溫度時，必須研究熱水和礦物的平衡狀態以檢驗地熱溫標方法的可靠性[7,10-14]。目前，常用來評價地熱系統中溶液-礦物平衡狀態的方法是Giggenbach 于1988 年提出Na-K-Mg 三角圖解法[15-16]，圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3 個區域。

根據圖4，ZK1 地熱水處于未成熟水區域?？紤]到陽離子溫標適用于熱儲層在120～275℃時或酸性溫泉中，對于中性或偏堿性的地熱水不適合[16]，故采用SiO2地熱溫標法計算熱儲溫度。

圖4 地熱水Na-K-Mg 三角圖Fig.4 Na-K-Mg triangular plot of geothermal water

通過SiO2溶解度曲線[17]，可判斷地熱水中何種礦物控制了地熱水SiO2的含量。在二氧化硅溶解度曲線（圖5）上，ZK1 地熱水樣數據落在α 石英和玉髓溶解曲線之間，更靠近α 石英溶解曲線，但考慮到有淺層地下水混合導致SiO2溶解度的降低，選用玉髓的溶解度溫標公式[17]來估算熱儲溫度。

圖5 地熱水SiO2 溶解度-溫度關系[17]Fig.5 Relationship plot between SiO2 solubility and temperature of geothermal water

式中：Tc-熱儲溫度，℃；c(SiO2)-地熱水中二氧化硅的含量，mg/L。

計算出地熱水的熱儲溫度為75.5℃?？紤]到可能有淺層地下水的混合，地熱水熱儲溫度可能會更高，熱儲溫度應大于75.5℃。

4.2 循環深度

根據地熱井測井獲取的井溫參數對詳查區進行平均地熱增溫率的計算，計算公式如下：

式中：H-循環深度，m；T0-恒溫帶溫度（取印江年平均溫度16.8℃）；K-地溫梯度，根據區域地溫梯度等值線（圖3），取2.8℃/100m；H0-恒溫帶厚度，取30m。

計算出該地熱水的循環深度為2120m 左右，與郎溪區域性向斜帶上第二熱儲層的埋藏深度基本一致。

5 成因

區內淺部不存在年輕巖漿巖體和放射性等特殊熱源，該地熱水是在區域正常地溫梯度背景下，大氣降水由中-上寒武統和下奧陶統出露區入滲發生深循環，并在與圍巖相互作用中溶慮、溶解了巖石和氣體中的化學組分，沙子場-譙家鋪復式褶皺將2120m 深度內的熱量儲集起來，次級褶皺山頭蓋（天堂哨）背斜在楊家壩斷層和上寒武統及下奧陶統上覆碎屑巖隔水保溫蓋層的聯合作用下，使上寒武統和下奧陶統出現異常地溫梯度，從而在上寒武統和下奧陶統灰巖、白云巖中形成具有開發價值的深儲地熱水。

6 結語

（1）天堂哨地熱井ZK1 地熱水為一天然優質含偏硅酸、鍶、氟等的型水，具有一定的醫療價值但不適宜飲用，水化學特征反映出溫泉熱流體來源于富含Ca、Mg、K、Na 的巖石地層及相對開放的氧化環境。

（2）利用Na-K-Mg 三角圖解判斷，ZK1 地熱水屬未成熟水，采用SiO2地熱溫標法估算出溫泉熱儲溫度為75.5℃，熱流體循環深度超過2120m。

（3）ZK1 地熱水循環于山頭蓋（天堂哨）背斜核部，深埋藏于地下的中-上寒武統和下奧陶統灰巖、白云巖中，熱流體從南西向北東徑流。