山西省对流型地下热水的特征研究

张 荣

(山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001)

山西省对流型地下热水的特征研究

张 荣

(山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001)

山西省地热资源丰富，根据地下热水埋藏及补给运移条件和热量传递方式，将山西地下热水分为对流型热水循环系统和传导型深埋热水系统两大类。对流型地下热水的成因受基底隆起和深切大断裂控制明显，其分布和出露与当地的张性断裂带直接相关。埋藏深度浅，地温梯度高，便于揭露，开采成本低。大气降水补给与地下热源对流循环，热水矿化度较低，对人体有益的矿物质和放射性元素含量高。受地质构造控制呈现带状或串珠装分布的特征明显，热水分布范围小而不均，勘测定位难度大，盲目开发容易造成损失。通过分析研究对流型热水的构造成因及分布特征，有助于此类型热水的开发利用。

地下热水；对流型；构造控制；成因；分布

现阶段的地热开发实质上就是开发利用具有一定物理性和特殊化学组成的地下热水和蒸汽。地球内部的热能，来源于放射性物质的衰变。只有具备有利的地质构造，才会使地下热水处于目前钻探技术能够达到的深度，开发利用时经济合理。地热田构造的要素，要具备热储层、深部热源、覆盖层和热水汽等流体通道四个条件。

山西省地热资源较丰富[1]，北起阳高盆地，南到运城盆地，西自吕梁山，东至太行山区均有分布，涉及到省内8个市的24个县(市)、区。但分布密度很不均匀，总体呈现南部较密集、北部较稀疏，盆地及边山多、山地少的特征。地下热水作为地热能开发的最基本方式，也是一种宝贵的水利资源和矿产资源。山西省水文水资源勘测局在已有地下热水研究和开发的基础上，对全省地热水现状及实际开采利用情况进行了全面调查，并于2010年完成了《山西省地下热水调查报告》[1]。(本文热水井统计数据全部来源于此报告)

地下热水首先是具有特殊开发利用价值的宝贵的水资源。地矿部门按照地热资源形成的地质作用和赋存条件，将山西省地热资源分为新生代沉积断陷盆地型和褶皱隆起断裂型两个大类。2010年我们完成的这份调查报告，根据地下热水埋藏及补给运移条件和热量传递方式，将山西地下热水分为对流型热水循环系统和传导型深埋热水系统两大类。其中，对流型地下热水明显具有受基底隆起及地质构造控制、接受大气降水补给和与热源循环对流等特点，分布范围和水质均明显不同于依靠地层异常增温的传导型深埋地热水。

1 深度特征

传导型深埋热水分布于沉积盆地及河谷地带的基底隆起带，需要有深厚的覆盖层作为保温层，通过地层异常增温使地下水增温，因此可开采深度普遍较深。对流型热水受张性断裂及基底隆起控制，出露于构造断块或直接出露于变质岩中，深循环热水与地层原有含水混合，出露或埋藏于松散层、基岩或变质岩含水层中，深度明显较浅。

表1所列举的是山西省不同地区典型热水井的钻孔深度和出水温度及所属类型。北部的大同市、忻州市、阳泉盂县全部，以及太原市、临汾市、运城市部分地区的地下热水为对流型，深度普遍较浅，绝大部分不超过300 m。太原及山西南部的临汾以及运城地区，两种类型热水在同一地区的埋深也有较大差异。如临汾洪洞县最深的传导型深埋热水井深达2 650 m,而临汾曲沃县的灰岩断块对流循环型热水井深只有120米。太原相邻的两个热水井，即使是埋藏较深的对流型热水井深度为603 m，深埋型却深达2 000 m以上。

表1 山西省不同地区典型热水井类型统计表

2 构造成因及分布特征

国内许多地热区的下部地壳研究表明：一些地热区下部地壳中的高导半熔融体，是地下热异常的主要热源。如果没有深大断裂切割下地壳，联通水循环通道，即使存在基底隆起，热源也只会通过变薄的地壳将热能传导到含水层中，在有足够厚的覆盖层成为保温层的地区形成传导型深埋热水。如果断裂构造切割联通了地壳以下热源和上部富水地层，高达几千度的高温会将地下水加热成热水及蒸汽上涌循环回地球表层，形成对流循环型地下热水。这个过程中地下水起到了非常关键的作用。如果地层无水或水量很少，例如没有补给水源的变质岩基岩山区，即使地下有岩浆侵入体或其他深部热源，也只能形成热干型地热田而无法开发利用。

对流型热水主要分布在构造隆起地区，受断裂构造控制，在张性断裂带附近发育并出露。大气降水和河水通过地层下渗补给到地下热源，加热后经深循环上涌形成地热水。大都分布于岩溶断块、沉积盆地及河谷地带松散层或直接出路于火山变质岩中。

2.1 断块控制的岩溶裂隙地热水

该类型的典型代表为曲沃县西海东海温泉。

据曲沃县区域地质报告[2]，塔儿山—九原山隆起是从塔儿山经过汾阳岭至九原山形成一个走向北750东的完整的隆起带。由于新华夏北北东向构造的破坏，使西段汾阳岭、九原山相对往南错动，形成今日不连续的地貌特征。隆起带出露奥陶系中统岩层，产状平缓，隆起带两侧有隐伏断裂存在，断层走向基本与隆起平行。

图1中秦岗隆起是塔儿山—九原山隆起的一部分。该隆起及两侧的断裂构造直接控制着西海东海温泉的出露和分布。浍河河水沿断裂带下渗后加热上涌形成了该对流型热矿泉。其中自然出露点有一处，人工揭露自流井5处，流量0.116 m3/s。

图1 曲沃东海温泉构造示意图[2]

2.2 变质岩中直接出露或浅埋的裂隙型地热水

典型代表为阳泉盂县寺平安温泉区。该泉群所处构造单元属于五台山隆起带南端，太行山断裂隆起中段西侧。位于滹沱河谷三组断裂带的交汇处，出露于太古界龙华河群灯花组底部的吕梁期伟晶岩脉之中，分布面积0.27 km2。构造控水极为明显，南北向压性逆断层为阻水构造，而北北东向、北北西向及近东西向三组断裂带则为主要的导水构造。该热矿泉群也是由于大气降水和滹沱河水沿构造带下渗到1 800 m以下的地壳深部热源，加热后的水汽遇到阻水断层后上涌进入变质岩裂隙中形成的对流型地下热水，大气降水和河水为其主要补给水源，属全排型温泉[3]。图2的温泉区水循环示意图直观地说明了地下热水的产生过程。

2.3 沿基底断裂构造线带状分布的沉积盆地及河谷地带孔隙地下热水

该类型地下热水主要分布在山西省内断陷盆地边缘地段，如大同、忻州等地。典型的如忻州市著名的奇村温泉。该热水的补给来源为奇村西部的云中山大断裂，降雨入渗后的地下水经过大断裂的深部大循环，径流到奇村工人疗养院的虎碑山一带沿着张性断裂上涌生成热水进入松散含水层，成为孔隙地下热水，经过人工开采加以利用。

2.4 对流型地下热水的分布特征

山西已经发现的地热田、温泉和地热井的分布，主要决定于各地区的地质构造和水文地质条件。南部地区多于中、北部地区、盆地平川区多于山区，人工揭露的多于天然出露的，中低温的多于高温的。

全省对流型地下热水出露处几乎都有不同规模的断裂构造存在。盆地中部和边缘断裂构造十分发育，为地热水循环提供了良好的热源和通道。因此地下热水的分布普遍位于断块隆起区，山西大多数热水点沿构造线成带状或串珠状排列。

图2 盂县梁家寨乡温泉区水循环示意图[3]

3 物理化学特征

3.1 温度特征

目前为止，山西还没有发现由于近代火山或岩浆活动形成的中、高温地热资源，也极少开发靠地层正常增温的大深度热水。山西现阶段开发的地下热水均表现为地层异常增温型和热水热气对流循环型。

山西地层在常温带(一般为15～20 m)以下的正常地温梯度为1.2～1.8 ℃/100m。传导深埋型热水的地温梯度一般为3.5 ℃/100m，部分高者可达7 ℃/100m。而循环性热水的温度在出露或在100～200 m深度内就可达到40℃以上，有的地区，如大同阳高热水井水温104℃，如果以15 m的以下作为常温计算地温梯度接近50～80 ℃/100m，明显高于埋藏型地热。详见表1中典型地热井深度和温度列表。

值得注意的是，对流循环型热水受到张性断裂构造带控制，地温异常影响范围有限。无论是纵向(深部地层)或横向(水平距离)，远离构造带的低温梯度衰减很快，逐渐趋于正常。

表2 同一村庄不同深度的地温梯度差异

从表2可以看出，同一村庄的三个热水井，在550 m以前的地温梯度接近7℃/100m。但在550 m以后直至780 m，水温增加很少，地温梯度又回归到正常值。野外温度调查也显示，远离热水田的区域地层的地温梯度会很快回到正常值。

3.2 大气降水补给特征

对流型地下热水中，气体成分以N2为主，占热水中气体总量的69.84%～86.30%。同时Ar/N2比值为4.37～5.1，与大气平衡的水溶液中的Ar/N2比值接近，说明地下热水的形成是大气降水起源的。

3.3 水化学特征

3.3.1 矿化度

对流型地下热水矿化度的高低主要取决于水循环深度和冷水混合的多少。一般来说，随着水温增高，矿化度有增大的趋势，但由于受浅层冷水的混合而导致矿化度降低。如万荣县三文乡生芄村西300 m热水井的水温为25℃，矿化度为0.72 g/L；夏县南山底热水井的水温在43℃～48℃之间，矿化度为1.85～2.17 g/L，一般在0.5～2 g/L之间。硬度一般为3.56～5.34 mmol/L，低者只有0.75 mmol/L。pH值一般为7～8，个别达8.8，属于偏碱性水[1]。

3.3.2 其他元素

对流型地下热水的水化学类型，以Cl-、SO42-型水为主。热水中Na2+、K+和Cl-的含量随着循环途径的增长而增高，Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-的含量有逐渐减少的趋势。许多对流型热水中，含有锂、锶、溴、碘、锌、硒等微量元素和碳酸气等，已分别达到我国饮用天然矿泉水国家标准，有的不只单项达标，而是多项达标，对人体具有良好的医疗保健作用[1]。尤其是出露于伟晶岩的寺平安热矿泉，属于中等放射性水，含氡量211～349 埃曼/L，属于氡水和硅酸水的复合性医疗矿泉水[3]，既可以饮用也可浸浴治疗，为北方优质的医疗矿泉。

4 结语

对流型热水主要分布在构造隆起地区，受断裂构造控制明显。大气降水和河水通过深切断裂带下渗补给到地下热源，加热后的水和汽经深循环上涌形成地热水，在张性断裂带附近发育或出露。大都分布于岩溶断块、沉积盆地及河谷地带松散层或直接出路于火山变质岩中。深度浅，易于开采。由于有地下热源的循环补给，对流型地下热水为可再生资源，水中有益于人体的矿物及放射性元素含量高，开发利用前景好。

[1]山西省水文水资源勘测局.山西省地下热水调查报告[R].太原.2010.

[2]山西省地质矿产局.曲沃县区域地质勘察报告[R].2003.

[3]山西省阳泉市水资源管理委员会.山西省盂县寺平安地区热矿水勘察报告[R].阳泉.1986.

Research of convective type geothermal water characteristic in Shanxi Province

ZHANG Rong

(Shanxi hydrographic and water resources survey bureau,Taiyuan 030001，China)

Shanxi Province is rich in geothermal resources . Geothermal resources in Shanxi can be divided into onvective type geothermal water circulation system and the transmitting buried geothermal water system according to the buried mode of geothermal water , replenishment migration conditions and the way of heat transfer. The formation of convective type geothermal water is obviously controlled by basement uplift and deep faults.Its distribution and exposuredirectly related to the local extensional fault zone. Shallow depth, high geothermal gradient, easy to expose lesds to low mining cost. Atmospheric precipitation supplies circulates with underground heat source. Hot water salinity is low. The content of minerals beneficial to the human body and radioactive elements is high. Present zonal or beaded controlled by geological structure characteristics of distribution, small and uneven hot water distribution range, difficult exploration orientation, blind development likely to cause damage. It contributes to the development and utilization of this type of geothermal water through the analysis and study about the structure of the air convection geothermal water causes and distribution characteristics.

geothermal water；convective type；tectonic control；factor；distribution

2016-10-31

张荣(1968-)，男，内蒙古包头人，高级工程师，主要从事地下水勘测及开发利用工作。

P314.1

A

1004-1184(2017)01-0021-03