贵州石阡中坝ZK2号地热井热矿水成因分析

穆照猛,吴 岚

（1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义563000；2.贵州浅层地温能开发有限公司，贵州贵阳550000）

1 概述

1.1 概况

中坝ZK2号地热井位于贵州省铜仁市石阡县中坝镇江坡，中坝镇是石阡县建设的温泉旅游小镇，距离石阡县城约8km，交通便利，区位优越。该地热井开孔地层为志留系中至上统韩家店群（S2-3Hn），终孔地层为前震旦系板溪群（PtBnb），井深2060.37m，井口水温46.5℃，实抽最大涌水量1081.81m3/d，热储含水层为奥陶系下统红花园组至寒武系中统高台组（O1h-∈2g）白云岩、灰岩。通过对地热井热矿水进行水质检测，地热流体适宜作为理疗热矿水，其中矿化度664.31mg/L、温度46.5℃两项指标均达到《天然矿泉水资源地质勘查规范》（GB/T 13727-2016）理疗天然矿泉水水质指标标准，可命名为淡水、温矿水。因此，对中坝ZK2号地热井热矿水成因进行分析，有助于研究该区地热资源赋存规律，推进该区地热资源开发利用，助推中坝温泉小镇绿色建设。

1.2 自然地理

1.2.1 地形地貌

研究区地处湘西丘陵向云贵高原过渡的梯级大斜坡地带，区内地势总体南西部高，北东部低。海拔最高处为南西的凤凰山，标高1627m，最低处为北东龙地坝，标高494m，相对高差1133m。地貌类型主要为侵蚀低山地貌、溶蚀地貌及河流侵蚀地貌，受河流的切割、侵蚀、堆积作用，河谷两岸形成Ⅰ-Ⅱ级河谷阶地，阶地较平坦，主要堆积物为亚粘土、砂、砂石层及含砾亚粘土。

1.2.2 气象水文

研究区属中亚热带湿润季风气候区，温暖湿润，雨量丰沛，气候宜人。年平均气温16.8℃，七月最热，平均温度27.7℃，元月最冷，平均温度5.1℃；年平均日照1232.9h，无 霜 期290～303d；年 平 均 降 雨 量1156.60mm，枯季为11月至次年3月，丰季为4～7月，平季为8～10月。

研究区河流属长江流域乌江水系，区内主要河流为玉虹河，该河由西向东贯穿中坝镇，河道较平缓，平均坡降5‰～6‰，河流于双溪附近转北，最终汇入石阡河，石阡河最终汇入乌江。

2 区域地质概况

2.1 地层岩性

研究区域出露地层由老到新从元古界至第四系，除缺失泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系、第三系外，均有出露。出露地层由老到新有：前震旦系板溪群（PtBnb），震旦系下统南沱组（Zan）、上统灯影组（Zbdn），寒武系下统牛蹄塘组（∈1n）、下统明心寺组（∈1m）、下统金顶山组（∈1j）、下统清虚洞组（∈1q）、中统高台组（∈2g）、中上统娄山关群（∈2-3Ls），奥陶系下统桐梓组（O1t）、下统红花园组（O1h）、下统湄潭组（O1m）、中统十字铺组（O2sh）、中统宝塔组（O2b）、上统临湘组（O3l）、上统五峰组（O3w），志留系下统龙马溪群（S1Ln）、中统石牛栏组（S2sh）、中上统韩家店群（S2-3Hn），二叠系中统梁山组（P2l）、中统栖霞组（P2q）、中统茅口组（P2m），各地层岩性特征详见表1。

表1 研究区地层简表

2.2 地质构造

研究区构造单元属扬子准地台黔北台隆遵义断拱凤冈北北东向构造变形区，由一系列北东向、北北东向褶皱、断裂组成，地质条件复杂。主要褶皱构造有佛顶山背斜，主要断裂构造有北东向红石枢纽断裂、郭粟枢纽断裂及次级张性断裂，北北东向的石阡枢纽断裂以及次级张性断裂，见图1。

2.2.1 褶皱构造

佛顶山背斜：该背斜轴向呈北东向，两翼地层倾角7°～55°，轴部地层为巨厚的板溪群变质岩，南东翼受石阡枢纽断裂截切后在江河以南地区寒武系下统地层与板溪群直接接触，北西翼受红石枢纽断层截切，在平望以南，寒武系下、中统地层与板溪群直接接触。北东端在中坝以南受红石枢纽断裂与石阡枢纽断裂的破坏，轴迹不明显，北西翼地层保存相对较为完整。在中坝一带区域，志留系与寒武系下统直接接触。

2.2.2 断裂构造

红石枢纽断裂（F1）：走向北东，是区域上规模最大、影响最大的压扭性断裂，区域上在红石至花桥倾向南东，倾角45°～75°，表现为逆断层性质；在花桥西南倾向北西，倾角80°左右，表现为正断层性质；在中坝至中坝南西一线，倾向北西，北西盘地层为二叠系至寒武系中上统，南东盘为寒武系下统至板溪群，表现为北西盘相对下降，南东盘相对上升的正断层。总观北西盘往南西扭动，南盘往北东扭动。断裂两侧岩层挤压拖动挠曲、破碎带、角砾岩、硅化、方解石发育。在中坝一带可见波状起伏的压扭性断裂面，破碎带宽2m多，影响带200～300m。断距200～1500m，区域切割最老地层为板溪群。红石枢纽断裂形成于雪峰期，此后长期活动，燕山期活动最强，干扰和切断了一系列褶皱和断裂，沿断裂带温泉出露，说明该断裂近期仍有活动，是一挽近期活动断裂束。

郭粟枢纽断裂（F2）：走向北东，性质压扭性，在郭粟至花桥区域，倾向北西，倾角50°～80°，表现为正断层；在花桥至茶寨区域，倾向南东，倾角80°左右，表现亦为正断层性质。

石阡枢纽断裂（F3）：走向北北东，纵贯全区，与佛顶山背斜形影相伴，具“S”型弯曲。在石阡以北，多倾向北西西，倾角45°～75°。石阡县以南，倾向南东东，倾角70°左右。断裂破碎带宽20～150m，常见角砾岩、挠曲和派生小断裂，有不同程度的方解石化、硅化等，主要表现为张性正断层性质。

3 地热地质特征

3.1 地热异常特征

研究区内有明显的地热异常显示，在西部中坝镇木瓜溪出露2处温泉，水温分别为24℃、28℃，流量为2.0L/s、1.83L/s，温泉出露于玉虹河右岸河漫滩，构造上位于佛顶山背斜倾次级构造倾伏端、红石断裂支断裂带上；在南部实施的ZK1号地热井，构造上位于红石枢纽断裂北西盘（上盘），孔深1256.35m，井口水温42.2℃，自流涌水量4.40L/s，成井实抽最大涌水量695m3/d。

3.2 地热水化学特征及同位素特征

3.2.1 地热水化学特征

通过对ZK2号地热井热储层热矿水水质进行分析与检测，其主要化学特征：井口水温46.5℃，属低温地热资源；流体pH值7.7，属弱碱性水；总硬度104.23mg/L；水中阴离子HCO3-含量为436.8mg/L，Cl-含量4.69mg/L，SO42-含量35.00mg/L，F-含量为0.18mg/L，NO3-含量为1.55mg/L；阳离子Ca2+含量为23.64mg/L，Mg2+含量为10.88mg/L，K+含量为1.50mg/L，Na+含量为135.50mg/L；流体中含有对人体有益的主要成分为：总硫化氢含量0.06mg/L、氟含量0.18mg/L、锶含量0.05mg/L、偏硅酸含量20.59mg/L；水化学类型为HCO3--Ca2+型水。

3.2.2 同位素特征

根据ZK2号地热井热矿水水样的δD、δ18O、3H、δ13C等检测结果（详见表2），表明本井地热水为更早以前的大气降雨入渗补给；利用3H的放射性衰减公式结合3H检测结果计算出ZK2号地热井地热水可能为1954年以前的降水入渗补给，经长时间、长距离、深循环后受断裂控制而形成的；根据检测成果报告，ZK2号地热井地热水14C测定年代为17210a±100a。

表2 ZK2号地热井水质D、18O、3H、13C测定年代指标与检测结果表

3.3 地热增温规律分析

从地表以下，一般将地壳中地温分为三个带，即：可变带、常温带和增温带。可变带由于受太阳辐射的影响，其温度有昼夜、年份、世纪、甚至更长周期性变化，其厚度一般为15～20m；常温带温度变化幅度甚小，深度一般为20～30m；增温带位于常温带以下，温度随深度增加而升高。在增温带每一单位深度内增加的数值称为地温梯度，一般以℃/100m表示。根据ZK2号地热井井温测量资料（表3），采用公式：地温梯度（℃/100 m）=[井底温度（℃）-年平均气温（℃）]÷[热储深度（m）-地下常温层深度（m）]×100，计算出ZK2号地热井地热增温率为2.50℃/100m。

表3 ZK2号地热井井温测量数据统计表

4 成因分析

4.1 形成条件

地热资源的形成一般需具备“储、盖、通、源”四个条件，即储水储热层、隔热保温盖层、导热导水通道、热源。

研究区主要热储构造为佛顶山背斜，热储层主要由奥陶系下统红花园组至寒武系中统高台组（O1h-∈2g）灰岩、白云岩组成，ZK2号地热井揭露埋藏深度462.06～1337m，厚度874.94m；阻水隔热保温盖层由奥陶系下统湄潭组至志留系中上统韩家店群（O1m-S2-3Hn）页岩、泥岩、砂质页岩等碎屑岩组成，地热井揭露厚度440.83m，具有良好的隔热保温作用。综上，区内热储封闭条件较好，红花园组至高台组（O1h-∈2g）灰岩、白云岩为地热资源的储存提供了良好的“储”条件，湄潭组至韩家店群（O1m-S2-3Hn）碎屑岩为地热资源的储存提供了良好的“盖”条件。

研究区内发育的挽近期活动断裂红石枢纽断裂（F1）及其次生断裂斜切复合，切穿了热储层，破坏了佛顶山热储构造背斜，沟通了热储深部地热流体，是区内的导热导水构造。断裂走向北东，沿断裂带岩石破碎，张裂隙、扭裂隙及分枝状断裂发育，形成的节理裂隙不但为地热流体的赋存提供了有利空间，而且为地热流体运移提供了有利通道，形成了区内导热导水系统。因此，红石枢纽断裂（F1）及其次生断裂为地热形成条件中的“通”。

研究区热源来源于地幔热传导，水源来源于大气降水补给。红石枢纽断裂（F1）有断距大、切割深度深特点，这有利于沟通来自于地幔热传导的热源，使沿断裂、裂隙向地下深部下渗并赋存于储热含水层中的大气降水与红石枢纽断裂沟通来自于地幔热传导热源汇合，并在与围岩相互作用中溶滤、溶解岩石和气体的化学组分而成为有开发价值的热矿水。则来自地幔的热源成为地热的“源”。

4.2 成因类型

研究区内地热资源形成类型为褶皱隆起断裂对流型（图2），区内的大气降水因密度大在重力作用下向下运移，并通过地表裂隙入渗赋存于佛顶山背斜奥陶系下统红花园组至寒武系中统高台组（O1h-∈2g）碳酸盐岩含水层中，含水层中的地下水沿断裂、构造裂隙通道向地下深部运移，由上向下进行地下深循环，而红石枢纽断裂（F1）沟通了地下深部地幔，地幔热流沿断裂通道上涌，热储层中的地下水吸收地幔热流热量，地热流体温度升高体积膨胀在浮力作用下向上运动，同时上部的低温流体因密度大在重力作用下向下运动，形成了该地区地热水循环系统。同时，因地下深循环地热水与围岩经溶滤、沉淀、离子交换等多种相互作用，水中有益组分丰富，含有偏硅酸、锶、氟等人体有益组分。

5 结论

石阡中坝ZK2号地热井热矿水成因类型为褶皱隆起断裂对流型，热源来源于地幔热传导，热储层为奥陶系红花园组至寒武系高台组（O1h-∈2g）白云岩、灰岩，隔热保温盖层为奥陶系湄潭组至志留系韩家店群（O1m-S2-3Hn）页岩、泥岩、砂质页岩等碎屑岩，导热导水构造为红石枢纽断裂（F1）及其次生断裂。

石阡中坝ZK2号地热井地热水赋存于红石枢纽断裂（F1）及其次生断裂与奥陶系下统红花园组至寒武系中统高台组（O1h-∈2g）热储层结合部位，为地下深循环地热水，地热水与围岩相互作用，水中有益组分得以富集，总硫化氢含量（0.06mg/L）、氟含量（0.18mg/L）、锶含量（0.05mg/L）、偏硅酸含量（20.59mg/L），井口水温46.5℃，涌水量1081.81m3/d。总体上，该区地热资源赋存条件好，水质适宜作为理疗热矿水，可助推石阡中坝温泉小镇的建设。