安徽昭关温泉形成条件及地热水化学特征分析

2017-12-20，，，，

地下水 2017年5期

关键词：北西水化学白云岩

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(安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001)

安徽昭关温泉形成条件及地热水化学特征分析

陈学锋，丁海亮，李莉莉，汤皓，付文博

(安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001)

昭关温泉位于安徽省含山县昭关镇，温泉的温度适宜，流量大。采用多种技术手段对昭关温泉出露区进行勘查，结合地层构造、地球物理、地球化学、地层温度以及水文地质等方面对地热形成条件及形成规律进行研究可知，推覆构造和断裂构造对地热具有控制作用，岩层受断裂构造作用，裂隙发育、破碎，隐伏溶洞、溶蚀裂隙及溶孔发育强烈，形成了水力联系的良好通道，这些均是形成昭关温泉的重要地质基础。温泉由早期大气降水补给，在埋藏于千米之下的热储中汇集、升温，在水头压力作用下顺断裂出露地表，形成41℃的地热水，水化学类型主要为SO4-Ca·Mg型。分析结果为在类似地区寻找地热提供参考，促进地热勘查工作。

昭关温泉；地热水；形成条件；化学特征分析

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。加快开发利用地热能不仅对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义[1]。我国利用地热已有二千多年的历史，开发利用方式有发电、供暖、医疗、洗浴、养殖等，随着国家大力提倡因地制宜地开发和推广使用地热能，各地掀起寻找地热的高潮，但寻找地热的高风险在一定程度上阻碍了地热的发展。

昭关温泉位于安徽省含山县昭关镇，距含山县城以北约10 km，春秋时“伍子胥过昭关，一夜愁白了头”这一传奇历史故事就发生此地。温泉出露区地面标高约15 m，地形东南高西北低，东南部为丘陵，南部、西部为浅丘状平原，东北部为波状平原，附近最高山为标高256.6 m的双尖山，位于东偏北约5 km处。温泉的温度适宜，流量大，目前主要用于养殖热带鱼，结合人文景观、自然资源，对温泉进行综合开发利用的潜力巨大。本文利用勘查资料，从地层、构造、地球物理、地球化学、地层温度、水文地质等方面，对昭关温泉的成因进行深入分析，总结地热形成的一般规律，为在类似地区寻找地热提供参考依据。

1 区域地质条件

1.1 区域地质构造

昭关温泉处于扬子准地台下扬子台坳的北部，属沿江拱断褶带巢湖穹断褶束(图1)。北东向为其主体构造格架，并且发育推覆构造；北西向构造较为发育。推覆构造由两个北东向展布的弧形挤压断褶带(石杨—龙王尖断褶带和天鼓山—昭关断褶带)组成。

温泉出露于石杨-龙王尖复背斜的南端部分，为其倾没端，发育有以震旦系～奥陶系所组成的大型倒转褶皱及一系列叠瓦状逆冲断层，总体走向北东，发育北东向推覆断层和断层及北西向断层。

1.2 地层岩性

昭关温泉出露区位于扬子地层区下扬子地层分区巢湖地层小区[2]，地热所涉及地层岩性如下：

震旦系灯影组主要分布在勘查区东北角一带，呈北东向展布，厚度超过164 m，为浅灰或灰白色中厚层白云岩、微晶白云岩[3]。

图1 区域地质构造与地热关系图

寒武系地层分布在勘查区东北部山区，呈北东向展布。幕府山组厚47 m，厚层状，主要为灰至深灰色鲕状白云岩、灰黄色含泥质白云岩。炮台山组厚31 m，为灰色白云岩、微晶白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩。观音台组厚188 m，为灰至浅灰色中薄至中厚层白云岩、微晶白云岩。

志留系地层主要分布在勘查区东南、西部一带。高家边组厚度大于310 m，为灰黑、灰黄、黄绿色页岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、石英砂岩。坟头组厚337 m，岩性为灰黄、灰绿、黄绿色泥岩、粉砂岩、细砂岩、长石石英砂岩、泥岩。

白垩系浦口组于勘查区西南部的沿山前或山间坳陷分布，厚度大于58 m，中～厚层状，岩性主要为紫红色灰质砾岩，上细下粗。

第四系地层分布于勘查区北部及南部山间，厚度一般10～20 m，山前及山间较薄。下蜀组分布于山前及山间，厚度2～13 m，岩性为浅棕黄色、浅棕褐色粉质粘土，山前地带夹棱角状碎石。芜湖组沿昭关水库上、下游沟谷两侧发育，厚度5～13 m，局部揭露最大厚度为21.75 m，岩性为灰、灰黑色粉质粘土。

2 水文地质特征

出露区的地下水类型有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类裂隙水三类。

松散岩类孔隙水主要分布在西北部和东南部。含水层由全新统芜湖组和上更新统下蜀组组成，厚0.5～20 m。多为潜水，山间及山前为半承压水。水化学类型主要为HCO3·Cl-Ca·Mg，溶解性总固体<1.0 g/L。富水性较差～极差。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水多以裸露形式展现，近山前局部隐伏于松散层下，主要分布于背、向斜核部。隐伏型裂隙岩溶水的水化学类型多为HCO3-Ca、地热水为SO4-Ca·Mg型，溶解性总固体0.5～1.0 g/L，地热水2.0 g/L左右，单井涌水量一般>500 m3/d，富水程度为中等～丰富。裸露型的富水程度为贫乏～中等。

碎屑岩类裂隙水分布于低山丘陵区中部。水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Ca·Na型，溶解性总固体1.0 g/L左右，单井涌水量一般为10～100 m3/d，白垩系上统单井涌水量<10 m3/d，富水程度为贫乏～极贫乏。构造裂隙发育部位的地下水水化学类型为HCO3-Ca型，单井涌水量为181.4 m3/d，富水性中等。

震旦系上统～奥陶系下统以白云岩为主，在断层带两侧的白云岩，岩层上部电阻率高，岩石较完整，裂隙及岩溶发育微弱，单井流量100～500 m3/d，泉流量10 L/s，富水程度为贫乏～中等。第四系较薄，一般厚0～20 m，山麓及低洼处较厚，沿断层破碎带分布较厚，主要为粘性土，夹薄层砂透镜体，第四系的含水性和渗透性较差，单井涌水量一般<10 m3/d，富水程度极贫乏。

3 水化学特征

地热流体化学成分与周边地下水有着显著的区别，溶解性总固体比冷地下水高3～5倍，标量元素含量很高(如SO42-、可溶性SiO2、F-、放射性Rn等)。前已述及，冷地下水水化学类型为HCO3·Cl-Ca·Na、HCO3-Ca·Na型，少数为SO4·HCO3-Ca·Mg型，溶解性总固体小于1.0 g/L；地热流体化学类型均为SO4-Ca·Mg型，以硫酸盐为主(SO42-含量为668.90～1 582.00 mg/L)，溶解性总固体较高(1.8～2.56 g/L)。地热流体显著特点是总硬度、溶解性总固体较大，而总碱度较小，属微咸水。

4 地球物理特征

地热的形成要具备有利的地层岩性、地质构造环境及较为独立完整的地下水循环系统。其所形成的地球物理场也具有特殊性。

地层、构造的判别主要根据电阻率的空间分布及其数值大小和形态变化等特征，如电阻率等值线的密集带(梯级带)、低阻带及等值线的扭曲、不连续等。一般情况下，电阻率等值线的密集带(梯级带)往往是线性构造的反映或不同电性的分界线。电阻率的野外数据采集采用加拿大凤凰公司生产的V8电法勘探仪器，数据处理使用的是该公司的专业软件。

图2上可见3125点附近倾向北西的电阻率梯级带为F1断层的反映，3325点附近倾向南东的低阻带为F2断层的反映，4725点附近倾向北西的低阻带为F4断层的反映，4225点附近近直立的电阻率梯级带为F3断层的反映，4775点附近向北西陡倾的相对低阻是F5断层的反映。

图2 CSAMT电阻率及其解译成果剖面图

图3 3 m浅层地温等值线平面图

在1025点～3125点之间上部低阻体与白垩系砂岩、粉砂岩、第四系粘土相对应，其下部的高阻体为志留纪～三叠纪地层的反映；3125点～4225点之间的高阻体为寒武、奥陶纪灰岩的反映，其下部-800～1 500 m之间的低阻体可能为热储，顶部低阻体为第四系松散层，厚0～20 m；4225点～4725点之间为锲形低阻体主要为志留系的反映；4625点～5825点之间上部主要是二叠系、三叠系的反映；5825点～6075点之间上部主要是寒武系、奥陶系的反映，其下部为震旦纪地层的反映。

浅层地温在钻孔中测量，钻孔采用口径为45 mm的PVC管进行护壁，孔底的PVC管头用60目滤网包好，测量时采用WMY-01型电子温度传感器，读数精度为0.1℃，分别在1、3、5、7、9 m的深度进行往返观测。

浅层地温异常呈北北东向分布于查庄～花庄一带(图3)，宽约250 m，长约800 m，该异常由二个次级异常组成。花庄异常：位于花庄西，近园型，直径约180 m，地温最大值为23℃；渔场异常：位于鱼塘的东南部，长约500 m，呈北北东向展布，地温最大值为26℃，在鱼塘的东南角局部异常呈北西向展布，其外围地温等值线分别向北西、南东凸出，显示出在北东向异常上叠加了北西向异常。

地温异常一般为地下热水沿断裂出露地表或渗透到地下浅部所致。在鱼塘的东南角局部异常呈北西向展布，推测与北西向断裂有关，由于该处为断裂的交汇处，岩石破碎，导水性好，因此该处的地温异常最大(图4)。

图4 浅层地温剖面图

图5 地热流体δD和δ18O偏差值与全国及全球现代大气降水线的关系图

5 形成条件分析

地热的形成要从断裂构造、地层岩性、地下水循环因素及物探异常等方面进行分析推断。

昭关温泉与汤泉、香泉、半汤温泉均位于同一构造带上，均出露于构造交汇处。CSAMT电阻率高阻体往往是灰岩的反映，低阻体为第四系或断裂破碎带的反映，其解译成果与勘查区构造相吻合，浅层地温等值线分别向北西、南东凸出，进一步验证了北北东向和北西构造在此交汇，充分说明了温泉的形成与断裂构造存在着紧密的联系。

地热井非稳定流降压试验[4]期间，各地热井的水位变化保持同步，下伏震旦系上统～奥陶系下统裂隙岩溶冷水和第四系松散岩类孔隙冷水的水位、水温、水质基本无变化，说明天然状态下冷水系统与地热水系统的水力联系差。

温泉水中的同位素是地球化学综合反映的重要指标，是地热成因分析的重要依据。对地热流体、地表水和雨水分别采取了样品测定氢氧稳定同位素和14C。地热流体中δD和δ18O的值稍微偏离全球大气降水线(图5)，多在全国大气降水线附近，反映出地热流体主要来源于大气降水。地热流体中3H和14C的测试结果又表明它的形成历史较为久远。同时温泉与冷水的水化学成份也存在较大差异，都说明地热水与冷水来自完全不同水力系统。

综合以上几个方面的成果，昭关温泉应来源于早期的大气降水，在断裂构造的沟通作用下，沿构造破碎带逐步循环到地壳深部[5]，在运移过程中吸收围岩的热量，与其发生化学反应，并在昭关断裂深部交汇处汇集储存，形成中低温地热水。在水头压力作用下，热储中的热水沿由断裂形成的通道上升到地表，形成昭关温泉(图6)。