贵州印江县紫薇地区地热资源特征及成因

2022-08-17张学东侯江萍

现代矿业 2022年7期

张学东万将侯江萍

（1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局一总队；2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局六总队）

地热水既是水资源，又是能源，在当今社会被广泛用于发电、取暖、淋浴、水产养殖、旅游及医疗保健等领域［1-2］。随着国民经济和社会的发展，对其需求与日俱增。贵州地热水热储层位较多、岩性以碳酸盐岩为主、资源比较丰富、分布较广［3］。对贵州省内典型地热区地热水类型、水化学特征、热储条件和成因进行分析，对于充分利用和发挥优势资源，推动地方经济和多元化发展，具有十分重要的意义。

本研究在从事贵州印江县紫薇地区地热水勘查过程中，发现该区地热异常明显，具有良好的潜力。紫薇地区地热水的发现，打破了印江县无地热水的记录，也是印江县地热找水的成果范例和指向。因此，本研究通过对该区地热水的地质岩性特征、水化学离子特征、热储条件及地热成因进行详细分析，为印江县及周边地区后续的地热资源勘查、开发利用提供指导。

1 区域地质背景

该区在大地构造上位于扬子陆块江南复合造山带黔南坳陷区铜仁复式褶皱变形区。区内经历多次区域性构造运动，尤其以武陵运动、燕山运动、喜马拉雅运动影响最为明显［4］，导致区内褶皱和断裂极为发育，形成了NNE 向和NE 向展布的褶皱和断裂（图1）。区域地层由老到新为南华系（Pt32）、震旦系（Pt33）、寒武系（ϵ）、奥陶系（O）、志留系（S）和第四系（Q）。在岩性特征上，南华系（Pt32）主要包括冰渍砾岩、砂岩和粉砂质黏土岩，震旦系（Pt33）主要为白云岩，寒武系（ϵ）主要为白云岩、灰岩及两者之间的过渡类型岩石，奥陶系（O）主要为碳酸盐岩和黑色页岩，志留系（S）主要为灰色粉砂质页岩及砂质页岩，夹钙质粉砂岩及砂质灰岩以及第四系（Q）黄褐色残坡积物及冲积物。区域上未见有岩浆岩体出露。

2 地热区地质特征

2.1 地层岩性

研究区内出露的地层主要包括寒武系（ϵ）、奥陶系（O）、志留系（S）和第四系（Q）。寒武系主要为一套海相碳酸盐岩组合，包括清虚洞组（ϵ2q）灰—浅灰色，薄—中厚层状白云岩、白云质灰岩和灰岩，高台组（ϵ3g）灰—浅灰色，薄层白云岩和泥质白云岩，娄山关组（ϵ3-4l）灰色，中厚—厚层状白云质灰岩和白云岩。奥陶系主要为一套海相碳酸盐岩夹细碎屑组合，包括桐梓组（O1t）浅灰色，薄至中厚层状灰岩、灰质白云岩及白云质灰岩，红花园组（O1h）灰岩，湄潭组（O1-2m）灰黑色薄层页岩、十字铺组（O2-3s）和宝塔组（O3b）灰色薄层泥质灰岩，五峰组（O3w）黑色薄层页岩，兰多维列统—奥陶系上统龙马溪组（O3S1l）主要为灰绿色薄层粉砂质页岩及砂质页岩，以及第四系（Q）黄褐色残坡积物及冲积物。

2.2 地质构造

研究区内构造发育，主要表现为褶皱和断层构造。该区位于大荛寨开阔向斜东翼、梵净山穹窿西翼，为NE 向木黄—马场走滑断裂束的次级断裂通过区，构造应力集中分布。其中，梵净山穹窿由张家堰背斜、牛风色倒转背斜、黑湾河倒转背斜所构成褶皱带［5］，呈NE—SW 向展布，其核部及四周出露的地层为均为青白口系地层，地层岩性为浅变质冰渍砾岩。该穹状背斜未受到断层破坏［5］，完整性较好；大荛寨开阔向斜位于该区西侧，呈NNE 向展布，其轴部出露的地层为二叠系（P）—三叠系（T）地层。两翼出露的地层主要为志留系地层，褶皱对地下深部的热水资源有良好的保温作用。此外，木黄—马场走滑断裂束的次级断裂（尖山断层）在区内表现为一NE 向展布的拉张性断层，出露于研究区南东侧，断层倾向NW，倾角70°，断层破碎带宽3～5 m。断层上盘地层倾向NNW、倾角15°～20°，出露地层为志留系兰多维列统—奥陶系上统龙马溪组（O3S1l）；断层下盘倾向NNW、倾角15°～25°，出露地层为奥陶系下统红花园（O1h）和桐梓组（O1t）。尖山断层对区内地热水勘查有影响，是该区内主要的导水、导热断层。

2.3 水文地质条件

根据区内岩性，地质构造情况及地下水赋存、运移条件，研究区地下水类型以碳酸盐岩岩溶水、碎屑岩类裂隙水和松散岩类孔隙水为主。碳酸盐岩岩溶水的主要含水岩组为奥陶系下统红花园组（O1h）、桐梓组（O1t）的灰岩白云岩及寒武系芙蓉统—第三统娄山关组（ϵ3-4l）、寒武系第三统高台组（ϵ3g）、第二统清虚洞组（ϵ2q），厚度共约1 495.88 m（据钻孔资料），该区地热含水层属于第二储集单元［9］，含水性强。基岩裂隙水的主要含水岩组为志留系兰多维列统—奥陶系上统龙马溪组（O3S1l）、韩家店组（S1h），上奥陶系统五峰组（O3w）、宝塔组（O3b）、中—上统十字铺组（O2-3sh）、中—下奥陶统湄潭组（O1-2m）的页岩、碳质页岩、钙质页岩、泥质灰岩等，含水性较弱，为相对隔水层，厚度共计690 m（据钻孔资料）。松散岩类孔隙水为第四系松散的砂土、泥、碎石、黏土等，钻孔揭露厚度为15 m，一般厚度为5～20 m，为孔隙水，透水性好，富水性弱。

3 地热流体化学特征

3.1 地热流体特征

研究区内地热水补给主要来源为大气降水，大气降水至地表，通过岩层中裂隙、溶隙、溶孔或枢纽断层、NNE 向木黄—马场断裂束热储系统等通道不断接受大气降水的渗入补给地下水。此外，碳酸盐岩地层中发育的暗河、溶洞和溶蚀裂隙、孔洞等也为地下热水和热能的储存、富集、交换提供了空间条件。

地热流体运移、赋存于地下深部热储围岩的裂隙和孔隙中，由于长期受深部地球化学地质环境背景及水岩作用的影响和控制，形成了特殊的水质类型、化学组分特征。地热水在地壳岩体中的循环是一个非常复杂的循环系统。区域内的大气降水、地表溪沟水及浅层地下水沿断裂带和岩体中的空隙（裂隙、溶洞、溶隙、岩溶管道等）通道下渗向地下运移，在下渗运移过程中不断获取地下热能使得水温不断升高，同时又溶解、溶滤围岩中的矿物成分，在重力作用下受控于断裂做深部循环。区内地热流体的地球化学特征、离子特征与围岩和构造关系密切。

3.2 地热流体化学组分及动态变化

研究区内地热水的pH 值为7.25～7.39，符合生活饮用水标准；溶解性总固体含量为2 929.00～3 164.20 mg/L，为微咸水；总硬度为2 192.41～2 270.50 mg/L，为极硬水；Na+离子含量为1.85～8.80 mg/L，K+离子含量为12.80～13.79 mg/L，Ca2+离子含量为605.82～637.00 mg/L，Mg2+离子含量为164.50～175.00 mg/L，Fe2++Fe3+离子含量为0.74～1.52 mg/L，Al3+离子含量0～0.02 mg/L，NH4+离子含量0.08～0.40 mg / L，HCO3-离子含量为150.22～213.17 mg/L，CO32-离子含量为0 mg/L，SO42-离子含量为2 000.00～2 127.00 mg/L，Cl-离子含量为1.45～2.80 mg/L，F-离子含量为2.45～3.50 mg/L，NO3-离子含量为0.01～1.43 mg/L。对人体理疗有益的主要成分偏硅酸（H2SiO3）为26.00～40.09 mg/L，达到医疗价值浓度［6］，锶含量为6.36～14.2 mg/L，F-离子含量为2.45～3.50 mg/L，达到医疗价值浓度［6］。水温49 ℃达到理疗天然矿泉水命名标准；偏硅酸、锂、锶、溶解性总固体含量达到饮用天然矿泉水浓度标准［7-8］，水质类型为SO42-—Ca2+、Mg2+型水。据此可知，区内地热水是很好的理疗热矿水及专用矿泉水，但不能直接饮用［9］。

通过对区内地热井3 次水质检测结果中主要的理化指标（水温、pH 值、矿化度等）、指标元素和组分（偏硅酸、锶、锂及氟）含量等进行对比，发现地热井中各对比指标的动态变幅为0.019～1.232 倍，总体上地热井的各项指标和各离子的化学浓度相差不大，表明该区内化学组分比较稳定。

4 热储条件及地热水成分

4.1 热储层及盖层条件

区内热储构造为梵净山穹窿西翼，地热井（钻孔ZK1）显示揭露的热储含水层埋深705～2 200.88 m，厚度为1495.88 m；阻水隔热保温盖层由志留系下统—奥陶系上统龙马溪组（O3S1l）至奥陶系中—下统湄潭组（O1-2m）的页岩、碳质页岩、钙质页岩、泥质灰岩组成，埋深为15～705 m，厚度为690 m。

4.2 通道条件

区内木黄—马场走滑断裂束破碎规模大、延伸较深，根据可控源声频大地电磁法勘探工作成果，该断层延伸大于2 000 m，该断裂对热源的传导和水源的集中汇流起着控制和影响作用。钻孔揭露该断裂束深度为1 574.8～1 619.9 m，破碎带垂厚45.10 m，物探测井显示该段井温为49.93～50.57 ℃，声波时差和地层孔隙度明显增大，电阻率明显降低，含水特征明显［9］。

4.3 热源条件

根据已有的水化学分析资料，与岩浆侵入活动、火山作用有关的地下水类型为HCO3—Cl—Na 和SO4—Cl—Na型水［10-11］。研究区内各地质时期未发现岩浆侵入，同时本区地热水水质类型为SO4—Ca—Mg型，表明其来源主要为深部奥陶系下统红花园组（O1h）、桐梓组（O1t）、寒武系芙蓉统—第三统娄山关组（∈3-4l）的白云岩，且热储含水层中含有石膏夹层，在温度、压力、盐度的长期作用下，碳酸盐岩和硫酸盐矿物充分溶解，使得SO42-浓度升高［10，12］。

区内地热水热源、水源获取，应该是由NE 向挽近期深大断裂与深部热流贯通并向上传导，同时地下水又以构造带、裂隙带为通道下渗，经过不断下渗后的地下水通过从围岩中不断获取地热加温后成为热源载体。因此，本研究认为本区热源来自贯通深部热源的深大断裂的热对流，地热水资源的补给以大气降水入渗补给为主［13］。

4.4 地层地球物理特征

区内地层出露岩性主要有第四系覆盖层、灰岩及白云岩、粉砂岩和页岩。根据区内电阻率曲线和邻近区域的电性特征分析可知，较完整的灰岩和白云岩的电阻率大于5 000 Ω·m，粉砂岩电阻率变化量小于4 000 Ω·m，断层破碎带由于断层含水、岩石破碎、电阻率整体相对较低，视电阻率一般小于3 000 Ω·m，第四系覆盖层、页岩、地下水电阻率为（1～1×102）Ω·m。

4.5 钻孔热储温度

该井的稳定静止水位高出井口1.5 m，为自流井，根据测温结果，780～2 200 m，井温稳定增加，平均地热增温率为2.53 ℃/100 m，全井最高温度出现在2 200 m处，井温为60.03 ℃。根据贵州省地热增温等值线图分析，本区的地热增温率为2.5～3.0 ℃/100 m，与实际情况基本一致。

5 成因模式

在地热成因上，由于区内层状地热水主要赋存于奥陶系下统红花园组、桐梓组、寒武系芙蓉统—第三统娄山关组、第三统高台组、第二统清虚洞组中，地热水资源的补给来源为大气降水，接受大气降水补给的方式有2 种：一种为奥陶系下统红花园组、桐梓组、寒武系芙蓉统—第三统娄山关组、第三统高台组、第二统清虚洞组出露地表直接接受大气降水补给时；第二种是相对隔水的志留系下统—奥陶系上统龙马溪组至奥陶系中统—湄潭组的碎屑岩与挽近期的深大断裂木黄—马场走滑断裂束交汇地带，大气降水沿断层裂隙下渗，并受地下水流向控制，由北东向南西运移，运移过程中，引起地热流体的对流和热能交换，同时沿压力降低的方向（断裂构造）做压力释放运动，从而形成地热流体（图2）。