浅谈贵州省地下热水资源类型及特征

邵林,李军

(贵州省地矿局第二工程勘察院,遵义 563000)

浅谈贵州省地下热水资源类型及特征

邵林,李军

(贵州省地矿局第二工程勘察院,遵义 563000)

为合理开发、利用和保护地下热水资源,本文分析贵州地下热水资源的形成条件、分布、热储类型、热储结构类型和热储构造类型。在此基础上介绍贵州典型地热区,并对其地下热水资源分区。

地下热水资源;类型;分区;贵州省

1 引言

地下热水资源是矿产资源的一种。矿产资源是人类构建物质文明的基本条件,是一个国家、一个地区经济社会活动的重要物质基础。因此,地下热水资源也同其他矿产资源一样,对人类社会进步有着重要的意义。地下热水资源又不同于其他矿产资源,它具有能源矿产的属性,但其热能以水为载体,使它同时具有水资源的属性,它具有清洁、可再生的优点,而且含有多种有益于人体的微量元素。这些特征使地下热水资源受到社会的广泛青睐。尤其是随着我国经济社会的快速发展,对能源的需求急剧增长,对生态环境的影响也日趋严重。在这种形势下,作为可再生能源之一的地下热水资源的开发利用具有重要的意义,完全符合党中央提出的以人为本、全面、协调、可持续发展的科学发展观和构建社会主义和谐社会的根本决策要求。

2 贵州省地下热水资源概况

2.1 概况

贵州省地下热水资源主要分布于兴义-都匀-剑河一线以北、毕节-兴义以东和剑河-石阡-印江以西的广大地区,尤以黔北、黔东北、黔中和黔西南分布广泛。全省现已发现温泉91处,具有地热地质资料的勘查和开发利用钻孔48个。贵州省地下热水资源属于低温地热资源[4],其中大部分为温水(占56.0%,水温25℃≤t<40℃),尚有24.2%水温在21℃～25℃,仅为地热异常显示,适合开发利用的温热水(40℃≤t<60℃)仅占19.8%;根据对22个具有水温、涌水量和孔深完整资料的钻孔统计,属于温热水(40℃≤t<60℃)的钻孔占 72.7%,另有27.3%已属于热水。因此,贵州省地下热水资源具有分布广、分布不均、温度低等特点(表1、表2及图1)。

表1 贵州省温泉水温、流量特征统计表(来源于参考文献[1])Table 1 Temperature and flow characteristics of hotsp rings in Guizhou

表2 贵州省地下热水钻孔特征数据统计表(来源于参考文献[1])Table 2 Characteristics data of underground thermal water drilling in Guizhou

图1 贵州省地下热水资源分布图(来源于参考文献[1])Fig.1 Geothermal distribution in Guizhou

2.2 地下热水资源热储类型

不同的地质构造条件下储集层和保温盖层的组合体中地下热水的赋存和运移状态差异较大。现根据控制地下热水运移和赋存的构造特征,将贵州省热储类型划分为以下3类。

2.2.1 层状热储

热储单元具有层状或似层状结构,地下热水储集在层状的含水层中。贵州从震旦系到三叠系碳酸盐岩岩溶含水岩层具有厚度稳定、岩溶发育、渗透性好和热导率高的特征,当其下伏和上覆具良好的隔热保温盖层时,即可构成层状热储。该类热矿水储集构造在贵州分布较广,以黔中、黔北、黔东北地区核部出露老地层的背斜为代表,热储中地下热水资源较丰富、含水较均匀,水温、水量与热储含水强度和埋藏深度相关。由于贵州省沉积相变和地质构造复杂、层状热储层埋藏深,该类热储勘探难度大,一般孔深在2 000 m左右甚至大于2 000 m,且勘探失败率较高,如水城法那、瓮安老坟嘴等地。

2.2.2 带状热储

挽近期活动断裂带具有规模较大、岩石破碎、导水性强的特点,往往是地下热水富集的部位,在平面上呈带状分布。该类热矿水由于在上升途中浅部冷水混入少、热量散失少,泉水温度一般较高。这类温泉由于导热导水断裂延伸远,其补给范围广、径流远,流量一般较大。由于多沿导热断裂带有地热异常显示(如有温泉或温泉群出露,息烽温泉、黔东南板溪群浅变质岩分布区的温泉均属此类),查清断裂构造条件下,勘探难度小,成井率高,成井水温高,涌水量大。如石阡吴家湾、思南英武溪等地沿导热断裂施工的钻孔。

2.2.3 混合型热储

混合型热储是层状和带状热储共同存在的一种热储形式,是贵州省最主要、最常见的类型。在层状热储的基础上,由于断裂构造的发育,使得地下热水沿断裂带相对富集,从而在地下热水储集构造总体均匀的基础上出现局部不均匀的特征。贵州省内绝大部分温泉均为在该类热储构造中沿断裂带出露地表而成。混合型热储地下热水在沿断裂上升过程中,与浅部冷水汇入的几率和混入量均大,因而出露的温泉水温通常较低。采用人工深井揭露热储层,并对地表浅部冷水止水后,深井水温一般都能高于温泉温度10℃以上。如贵阳新添寨地区,小河口以东片区地表寒武系娄山关群地层中常见温泉温度21℃～25℃;市南供电所深井、温泉花园等热水井开采第一热储单元,揭露灯影组后井水温达48℃～56℃;小河口以西地区,新1井、新2井及新3井开采第二热储单元,钻井穿过志留系和奥陶系盖层800 m,揭露寒武系娄山关群储热含水层后,井口水温59℃～60℃。

3 地下热水资源的形成条件

地下热水资源的形成必须具备“储、盖、通、源”4个条件,必须具备一定的阻水隔热保温层(盖层)和储水储热层(热储层)。其次,深埋地下未出露的地层中赋存的地下水资源,在较封闭的还原环境中,地下水经过氧化还原作用、离子吸附作用、离子交换作用等综合因素的影响,加之挽近期构造运动的强烈作用,能量转换致使深部地下水水温增高,形成热储层。

大气降水沿断裂带向地下深部的入渗过程中与来自地幔的热源汇合温度升高,并在与围岩相互作用中溶滤、溶解了岩石和气体中的化学组份而成为有开发价值的地热流体。高温的地热流体具有较小的比重,在地压作用下向地壳相对“薄弱”的地带运移和集中(这些“薄弱”地带包括老地层背斜核部、断裂带等),并在一些断裂带、地表沟谷地带呈泉出露成为温泉。由于在向地表浅部的运移过程中受到地表浅部冷水混合的程度不同,不同温泉的温度、化学成分含量也不相同。

储——地下热水储集的空间。贵州省为岩溶区,碳酸盐岩中原生和次生洞、隙为地下热矿水的储集和运移提供了空间。

盖——封闭地下热水及其储集层的盖层。贵州省在地史时期多次地壳运动中形成了碳酸盐岩与碎屑岩互层的沉积旋回,碎屑岩以其弱透水性和导热性能,成为碳酸盐岩热储层的良好“被盖”。

通——指地下热水流体运移的通道。由构造断裂、岩层层面、岩溶通道等组成。

源——包括形成地下热水流体的水源和热源。水是地热的载体,贵州省地下热水的水源主要来源于大气降水,热源则主要来自于地幔的热传导。

因此,贵州省地下热水的形成,经历了一个较长的历史时期,其补给和运移是在一个较大的地质空间中完成的,不受当地局部构造条件控制。

贵州省地下热水资源主要赋存在沉积地层中,属沉积地层类型,出露的地层从老至新由前寒武系的灯影组至中生界的三叠系中统。

4 热储结构类型及特征

根据贵州省不同地质年代地层岩性及组合特征,划分贵州境内沉积地层型地热资源热储单元为5 类(表 3 ):

第一热储单元:出露于上震旦统灯影组碳酸盐岩热矿水中,零星分布于大方、金沙、习水、仁怀、清镇、息烽、开阳、瓮安、福泉以北及黔东北、黔东南地区,沉积厚度由北西至南东逐渐变薄,组成一个完整的热储单元。储热层为震旦系上统灯影组白云岩。盖层包括下寒武统牛蹄塘组炭质页岩、硅质岩夹透镜状磷块岩,明心寺组页岩、砂质页岩和金顶山组薄层砂岩、粉砂质页岩。

第二热储单元:出露在下寒武统清虚洞组至下奥陶统红花园组碳酸盐岩热矿水中,分布于黔中、黔北、铜仁-镇远-都匀一线、玉屏-丹寨-三都一线白云岩含水层中。储热层为红花园组-清虚洞组,以白云岩为主。盖层为下二叠统底部至湄潭、大湾组,以碎屑岩为主。

表3 贵州省热储结构一览表Table 3 Geothermal reservoir structures in Guizhou

第三热储单元:出露在上泥盆统望城坡组至下二叠统茅口组碳酸盐岩热矿水中,零星分布于贵州南部。盖层为石炭系祥摆组、旧司组石英砂岩、页岩、泥晶灰岩、钙质泥岩。储热层为望城坡组-汤粑沟组,灰岩、白云岩层。

第四热储单元:出露于下石炭统至下二叠统碳酸盐岩热矿水中,分布于贵州北部、中部、东部台地边缘沉积区,盖层为洒志组-梁山组,储热层为上司-马平组。

第五热储单元:出露于下二叠统碳酸盐岩热矿水中,盖层为飞仙关组-峨眉山玄武岩,储热层为茅口组-栖霞组。

5 热储构造类型及特征

从贵州省地下热水资源地热形成的构造条件看,地热异常点主要分布于区域性大断裂束、褶皱束带及短轴状背斜倾伏端,北东向多期复活断裂与燕山期形成的不同方向的构造带(区)复活部位常见热矿泉出露。在这些部位,往往经过多次构造运动,应力经过多次重新分布,改变了含水介质条件及热传导条件,从而在一定条件下形成地下热水资源,多具有补给范围广、运移途径长、历经时间久的特点(图 1)。

5.1 区域性断裂

5.1.1 松桃-榕江断裂

在贵州境内总体走向呈北北东向延伸,是扬子准地台与华南褶皱带的分界线。断裂带两侧地层的岩相、厚度变化较大,特别是震旦系、寒武系、奥陶系的沉积相均受其控制。沿断裂带,经镇远、雷山至丛江,地表出露超基性岩体,尤其在镇远附近有金刚石的橄榄金云火山岩体,其物质来源应为上地幔,说明断裂已切穿硅镁层,导致上地幔中的超基性岩浆沿断裂上升。地表可见该断裂经长期活动形成的断裂带连续分布,沿断裂带有热矿泉分布。

5.1.2 赫章-滥坝-盘县断裂

贵州省境内由赫章至滥坝呈北西向展布,再由滥坝折向南西,由盘县至云南的罗平,境内长度250 km。在北西段分布有垭都-水城北西向断裂,北西段分布盘县断裂。沿此重力异常带有大面积分布的玄武岩和同源浅成侵入岩辉绿岩出露。沿此地带的盘县、普安、晴隆等地有地震活动,并伴生有地下热水出露。

5.1.3 滥坝-贵阳-三穗断裂

是与前述两条深断裂成直角相交的东西向深断裂,横亘贵州中部,西起水城滥坝经贵阳至三穗等地,表现为一系列重力异常等值线向东凸出的同形扭曲。此带以北为区域性北东-北东东向重力低值异常带展布区,以南为区域性盾形高值异常区。

5.2 区域性多期复活断裂

贵州处于欧亚板块中,但在相邻板块作用下,自元古宇至中生界发生过不同方向、不同程度的聚合与裂陷作用,它对地下热水的生成、地貌发育、热矿泉的出露等具有深刻的控制意义,特别是喜山期继承性活动的北东向和东西向等断裂构造尤为明显。

根据贵州区域地质调查分析研究,遍布贵州的北东东向的断裂构造,具有切穿性强连续性好、水热活动明显的特征,它是贵州最主要的导热、导水构造。现分述如下:

5.2.1 北东向多期复活断裂

遍布全省,尤以遵义-贵阳一线之北东最发育。主要表现为大型压扭性左旋平移走滑断裂束,包括一条主断裂和若干支断裂配套成群出现,形成束状分布。从区域角度分析,断裂带总体上呈南东向北西推覆,组成一系列叠瓦式推覆体。如松桃-碧痕营断裂带、思南-白马洞断裂带等,沿断裂带均有热矿泉出露。

5.2.2 东西向多期复活断裂

主要分布于三穗-镇远-施秉和大方马场一带。

(1)镇远断裂带

有两条平行延展的东西向断层,东西延展长约100 km,两断裂间距小于5 km,断面倾向南的高角度正断层,错断了北北东向的一组褶皱,东西两端与北北东向断层反接复合,切割下江群至三叠系地层,断距约200～1 000 m,破碎带发育,常见多组擦痕、揉皱、糜砾岩和构造透镜体。并且该断裂具有挽近期活动的特点,表现为张性或张扭性,沿断裂带有低温矿泉出露。

(2)大方马场断裂

走向近东西向,长约80 km,东段断面倾向北,西段倾向南,倾角60°～80°,切割寒武系至侏罗系地层,破碎带宽2～20 m,为一压扭性断裂。沿断裂带谷地,断崖发育,滑坡、崩塌等地质现象明显。在断裂西端董地附近,第四系泥砾层中见有走向北北东、倾向南东东、倾角85°的张扭性断层,反映该断裂近期可能存在左旋张扭性活动。

此外,在息烽、修文间亦发育东西向和北北东向的构造形迹展布,与北东向多期复活断裂斜切复合,控制这些区域地热的成因。

5.2.3 挽近期北东、东西向多期复活构造

贵州省中低温热矿泉的形成与断裂构造密切相关,由于每一次断裂或构造体系形成的地质历史,切穿深度、活动性质和强度不同,对地热场的影响也各异。从热矿泉的出露规律分析,北东向多期复活断裂与燕山期形成的北北东向、北西向等构造带(区)复合部位,常见热矿泉出露,这一特征在贵州北部和中西部表现最为明显,如石阡温泉、息烽温泉等。

热矿泉出露的构造特点显示:燕山期形成的褶皱多发育于浅部,不深切地壳,本身不可能构成导热构造,但由于碳酸盐岩和碎屑岩层交替组合,对地下热水的赋存和运移有明显的控制作用。主要表现为碳酸盐岩层构成赋存和运移的空间,起到导水作用;而碎屑岩层由于导水性差,隔热性能强,起到阻水保温的作用。另一方面,从构造形态与地热对流场的关系看,岩层的热导率具有各向异性的特点,平行层理方向的热导率一般大于垂直层理方向的热导率,当岩层发生褶皱倾角增大时,侧向热导率的影响增强,致使热流向隆起部位偏转。因此,在正向的背斜、穹窿等隆起构造中形成良好的储热构造。

挽近期北东向多期复活构造,往往形成左旋走滑断裂束,由东南向北西推覆,使北东段汇聚隆起,南西段离散沉降,同时导致岩层挤压,使北东向褶皱束呈“S”型弯曲,并在断裂带附近发生膝状折曲,并且切断北北东、北东、北西、南北和东西向断裂,形成相互交织的菱形网络地块。北东向大型走滑断裂束本身发育规模远没有深切至地幔,但它与松桃-榕江断裂、赫章-滥坝-盘县断裂、滥坝-贵阳-三穗断裂斜切复活,是地下热能输向地壳表层和大气降水渗入地下、进行对流循环的通道,从而形成上升为主的地热场。

板溪群浅变质岩分布区的温泉均属此类,查清断裂构造条件下,勘探难度小,成井率高,成井水温高,涌水量大,如石阡吴家湾、思南英武溪等地沿导热断裂施工的钻孔。

6 典型地热区概况

6.1 贵阳新添寨地热

乌当区新添寨地热研究程度较高,地热深井施工数量占全省的深井总量近40%。该区主要受区域性松桃-碧痕营走滑断裂束(乌当断层)和乌当短轴背斜控制,乌当断层长50 km以上,断裂深度大,地层断距约2 700～3 000 m,断层带岩石破碎,宽度大,导水导热性能好,是区内主要导热、导水构造。该断层切穿乌当背斜娄山关群、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系等地层,乌当背斜北翼被破坏,南翼保存完整。地热异常点均沿主干断裂或次级断裂分布,温泉出露多,在乌当背斜南翼西侧施工的 ZK4、ZK16钻孔揭示情况分析,当揭穿第二储热单元的上覆盖层(湄潭组页岩)至储热层内均见热水喷出,说明乌当背斜南翼与乌当断层构成良好的地热储热构造。乌当小河口以东第二热储单元已被破坏,第一热储单元保存完好;乌当小河口以西第二热储单元埋藏较浅,开采施工容易。

6.2 石阡-印江间地热

区内出露温泉13处,多为泉群,沿袍木寨背斜轴部的石阡断层及松桃-碧痕营断裂分布。地热资源主要赋存于第二储热单元,地热来自于上地幔,热流沿断裂上升,传送至浅部构造。在梵净山西坡接受大气降水补给,并进行对流循环,再沿导水断裂补给袍木寨背斜和石阡断裂联合蓄水构造——碧痕营断裂蓄水构造,向区内最低基准面排泄。温泉水温22 ℃～56 ℃,流量 2.96～15.4 l/s。

6.3 仁怀、金沙、遵义间地热

位于毕节北东向构造变形区的西缘,属四川盆地边缘褶皱带,储热构造为第一储热单元,地热主要分布在仁怀背斜、桐梓背斜和安底背斜,北东向正安-桐梓断裂、遵义枫香坝断裂及北北东向安底断裂破坏了上述背斜构造,组成主要导热、导水断裂。Z10(安底一号井)、Z9(仁怀中二井)揭示热水为承压高产热水。温泉水温28℃～36℃,安底井口水温48℃。

6.4 息烽、开阳、修文清镇间地热

区内出露温泉6处,地层主要为板溪群清水江组、震旦系和寒武系,分布于兴隆场-铁厂复背斜,导热、导水断裂有思南-白马洞断裂、谷堡-炮打岩断裂、木黄-马场断裂等深大多期活动断裂。储热构造为第一储热单元和第二储热单元。区内分布有著名的息烽温泉等,水温54℃～55℃。

6.5 剑河地热

位于剑河温泉乡,位处崇梭溪背斜,北东向革东断裂控制震旦系和中下寒武系的相变,为多期活动断裂,储热构造为第一储热单元和第二储热单元,剑河温泉主要受革东断裂控制。

6.6 贵定金竹坝地热

位于贵定县城以南17 km,区内出露温泉3处,分布于贵定复向斜的次级麻窝田背斜上,断裂有东西向的大开田断裂、黄丝断裂和南北向贵定断裂均为多期活动断裂,麻窝田背斜、大关背斜与贵定断层和横张裂隙系统构成主要蓄水构造。储热构造为第二储热单元和第三储热单元。温泉水温24℃。

7 地下热水资源分区

根据贵州地下热水资源分布、区域构造、热储单元组合的不同分为7个区。

Ⅰ区(赤水-习水区):构造上位处四川台拗的南缘,以下三叠统永宁镇组和下二叠统栖霞组、茅口组为热储层,以第五热储单元为主。

Ⅱ区(遵义-毕节区):构造上位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区及凤岗北北东向构造变形区,存在3个热储单元,即第一热储单元、第二热储单元和第三热储单元。

Ⅲ区(贵阳-安顺区):构造上位处黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区、贵定南北向构造变形区,存在3个热储单元,即第一热储单元、第二热储单元和第三热储单元。

Ⅳ区(六盘水市区):构造上位于威宁北西向构造区,以第三热储单元和第四热储单元为主。

Ⅴ区(紫云-兴义区):构造上位处普安旋扭构造变形区、望谟北西向构造变形区,以第四热储单元和第五热储单元为特征。

Ⅵ区(铜仁-岑巩区):位于华南褶皱带,以第一热储单元和第二热储单元为主。

Ⅶ区(剑河-都匀区):位处扬子准地台黔南台陷与华南褶皱带交合地带,以第二热储单元和第三热储单元为主。

此外,黔东南的天柱-榕江地区,位处华南褶皱带,地热异常显示差,为地热贫乏区。

8 结语

贵州省地下热水资源具有分布广、分布不均、温度低等特点,根据控制地下热水运移和赋存的构造特征,将贵州省热储类型划分为层状热储、带状热储和混合型热储3种类型。贵州省地下热水资源主要赋存在沉积地层中,属沉积地层类型,出露地层从老至新由前寒武系的灯影组至中生界的三叠系中统,其形成经历了一个较长的历史时期,其补给和运移是在一个较大的地质空间中完成的,不受当地局部构造条件控制,多具补给范围广、运移途径长、历经时间久等特点。因此,只有在充分掌握全省地下热水资源类型、分布规律及特征的基础上,才能更为合理地开发、利用和保护全省地下热水资源;才能为打造“高原温泉度假基地”,打造温泉旅游度假产品,树立贵州温泉旅游品牌形象提供科学依据。

[1] 贵州省国土资源厅.贵州省地下热水资源调查评价与勘查规划[R].2010.

[2] 韩至钧,金占省,等.贵州省水文地质志[M].地震出版社,1996.

[3] DZ40-85.地热资源评价方法[M].地质出版社,1985.

[4] 地热资源地质勘查规范(GB11615-2010)[S].地质出版社,2010.

TYPESAND CHARACTERISTICSOF THERMAL WATER RESOURCES IN GUIZHOU

Shao Lin,Li Jun
(The Second Engineering Investigation Institute,Guizhou Provincial Bureau of Geology and M ineral Exp lo ration and Development,Zunyi,Guizhou 563000,China)

To rationally develop,utilize and p ro tect geo thermal resources,this article analyzes the fo rmation conditions,distribution,storage types,structure types and tectonic types of the geothermal reservoirs in Guizhou.It further describes the typical geothermal areas and divides the geothermal resources into subzones.

geothermal resources;types;zoning;Guizhou

P641

A

1006-4362(2011)02-0092-07

2011-02-22 改回日期: 2011-04-07

邵林(1968- ),男,高级工程师,1990年毕业于成都地质学院水工系,长期从事地质灾害调查与评价工作。