重庆市东温泉地热地质特征及成因模式探讨

张彦普

(重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质队工程地质队，重庆 401121)

重庆市东温泉位于重庆市巴南区东泉镇，该镇是全国第十、西部第一、重庆唯一的“中国温泉之乡”、中国第一鲜花温泉小镇，是中国十大温泉之乡核心区、重庆市市级风景名胜区，距重庆市主城区约68 km。东温泉资源十分丰富且久负盛名，温泉总储量45亿 m3，日可开采量5万 m3，为重庆市四大名泉之一，名扬海内外，堪称亚洲一绝、国之瑰宝，其中热洞温泉已被中国工程院院士卢耀如在2011年美国世界洞穴大会上成功申报为世界遗产。

东温泉目前已查明的天然温泉11处(出露点数大于10个，多以泉群的形式出现)，人工钻井温泉6处(图1)，温泉总储量45亿 m3，日可开采量5万 m3，水中富含氡、氟、锶、锌、锂等人体必需的多种元素，是十分珍贵的理疗型矿泉水。东温泉地热水资源作为重庆市休闲旅游的重要组成部分，现已成为一处大型的集现代温泉疗养、休闲、娱乐及酒店为一体的综合场所。

图1 东温泉地热地质平面图

1 区域地质背景

东温泉地区处渝东平行岭谷—低山丘陵区，为“低位”岩溶槽谷地貌，五布河由东向西横穿槽谷而过，地势呈南北高、中间低的岩溶槽谷河谷地形，东泉东、西、北三面环山，由抗风化能力强的须家河组砂岩构成脊状低山，最高点老鸦堡(671.5 m)，最低点为五布河河谷出口(215.0 m)，一般标高350～500 m。中、南部为嘉陵江组石灰岩溶蚀而成的岩溶槽谷，谷中溶丘、悬崖峭壁、溶洞、落水洞、漏斗、暗河、岩溶泉、温泉等岩溶地貌景观发育，地形标高215～350 m。

区域构造为扬子准地台四川凹陷，按地质力学观点，为新华夏系的次级沉降带；就构造形态的组合特征，为川东南弧形构造带[1]。东温泉(包括天然温泉及人工钻井温泉)地处桃子荡背斜，该背斜位于长江南岸，为长条线形斜歪背斜，西陡东缓、西翼岩层倾角60°～70°，东翼岩层倾角20°～30°，其轴线呈略向西弯突的弧形展布，其东为莲花寺向斜、丰盛场背斜，西为洛碛——太和向斜、明月峡背斜构成隔档式构造(图2)。桃子荡背斜于东泉以北东20°～25°方向倾没，与丰盛场背斜呈斜鞍相接，向南轴部逐渐抬起，至接龙场附近被一条压扭性断层错断，轴向渐变为北西20°～25°，延伸至万盛温塘，跨过綦江河，出境进入贵州境内。

区内主要出露三叠系、侏罗系地层，前者出露于背斜核部及两翼，后者则主要分布于向斜的两翼。三叠系是一套以灰岩、白云岩、砂岩等为主的碳酸盐岩和碎屑岩，为碳酸盐岩岩溶水及碎屑岩裂隙层间水单元，为东温泉的补径排创造了良好的条件；侏罗系是一套以泥质砂岩为主的红色碎屑岩层，构成背斜两翼红层风化带网状裂隙水单元。

图2 东温泉构造纲要图

2 地热显示与水文地球化学特征

2.1 地热显示

2.1.1 天然温泉

区内天然温泉出露众多，分布在五布河两侧，共有数十处(八一钻井处一温泉已被疏干)，多以泉群形式出露，出露层位为嘉陵江组四段(T1j4)、三段(T1j3)及雷口坡组(T2l)，出露标高216～275 m，流量大小不等，水温27℃～45℃，水质类型均为SO4-Ca型(表1)。

表1 东温泉天然温泉统计表[2]

2.1.2 人工钻井温泉

区内人工揭露的温泉均为就热打热的浅钻井，到目前为止已施工7个，五布河北侧分布4个，由东向西分别为天之泉钻井、八一钻井、成德钻井、热洞钻井、；五步河南侧分布2个，为白沙寺钻井和东温泉山庄钻井。各钻井温泉所属构造为桃子荡背斜，背斜东翼钻井个数5个，西翼2个；终孔层位均为嘉陵江组，流量200.00～6 287.16 m3/d，水温37℃～53℃，水质类型为SO4-Ca型(表2)。

表2 东温泉人工钻井温泉统计表[2]

2.2 水文地球化学特征

据多年水质分析报告，东温泉各天然温泉与钻井温泉水化学类型和各主要离子组分含量基本相近，与冷泉组分差别不大(表3)，属SO4-Ca型水，热水中氟(F)、锶(Sr)、偏硅酸(H2SiO3)、偏硼酸(HBO2)、镭(Re)已达到我国《地热资源地质勘查规范》(GB/11615-2010)附录F中的医疗热矿水水质命名浓度标准，为含偏硼酸的氟、锶、镭、偏硅酸医疗低温温热矿水。

表3 东温泉地区地下水水化学特征表

3 热储结构特征

根据热流体赋存的形式和岩层不同的空间位置关系，可将研究区热储结构分为层状热储和带状热储两类，东温泉热储属层状热储，指热流体赋存于一定层位，呈层状流出，即由热储层位、热储盖层、热储下部隔水岩层三部分组成。

3.1 热储层

三叠系下统嘉陵江组灰岩、白云岩及盐溶角砾状灰岩地层，落水洞、地下暗河、溶洞等岩溶发育，构造裂隙发育，连通性好，地下水循环交替强烈，富水性强。其中嘉陵江组第二段为主要热储层，嘉陵江组第一、三、四段及雷口坡组为次要热储层。

3.1.1 主要热储层

T1j2：底部有几米厚的页岩层，其上为白云岩、白云质灰岩夹石灰岩及二、三层盐溶角砾状灰岩(深部为石膏层)，厚80 m左右。

3.1.2 次要热储层

T1j1：灰色薄层状石灰岩夹少许页岩，顶部常有一层白云质灰岩，厚220 m左右。T1j3：灰色中厚层状石灰岩间夹薄层白云质石灰岩，局部含有燧石结核，厚150 m左右。T1j4：灰褐色石灰岩夹白云岩及盐溶角砾状灰岩(深部为石膏层)，厚150 m左右。T2l：灰色白云岩、白云质灰岩夹盐溶角砾状灰岩(深部为石膏层)，底部为水云母粘土岩(称绿豆岩)。厚20 m左右。

3.2 热储盖层及下部隔水层

热储盖层为热储层上部隔水隔热保温层，其作用是防止热储层中热能的散失。隔水保温盖层主要为泥质岩类，由第一盖层上三叠统须家河组(T3xj)碎屑岩层(厚375～425 m)及第二盖层侏罗系(J)红色砂、泥岩地层(厚>1 000 m)共同组成。特别是须家河组(T3xj)底部的不透水不含水的致密页岩以及煤系地层，铺盖于T1j+T2l热储层之上，有效地阻止了热储层中热能的散失。此外，盖层热导率为0.8～2.1 W/(m·K)，明显小于下伏热储层碳酸盐岩的热导率[1.7～5.0 W/(m·K)]，起到较好的保温作用，使热储层能保持较高的地温梯度和温度异常。

热储下部隔水层主要由下三叠统飞仙关组(T1f)碎屑岩夹碳酸盐岩地层组成，厚度大于500 m。其泥页岩层孔隙度低、渗透率小、热导率低、基本不具备越流条件，可有效控制地热水向深部运移，形成隔水底板。

4 热水动态变化特征

东温泉各地热水钻井自成功完钻以来进行了多次水量、水温、水压和水质等特征的监测，如各地热水钻井的详查评价报告中对地热水钻井经历了一个完整水文年的动态观测[3-5]；2010年，重庆南江地质队对桃子荡背斜各地热水钻井的热水资源储量进行了核查[]6；2013-2015年，由中国地质调查局组织、重庆南江地质队实施的2013年地质矿产调查评价专项“全国地热资源现状调查评价”——重庆市地热资源现状调查评价与区划项目对东温泉各地热水钻井的水量、水温、水压和水质等[7]进行了检测。以上不同时期不同阶段对东温泉各地热水钻井的检测结果表明，各地热钻井除水质基本不变外，水温、流量、水压均有一定程度的变化，其中水压变化较大。

5 东温泉成因模式浅析

5.1 热源

《中低温对流型地热系统》[8]一书中指出，温泉热源有以下几种：

(1)放射性热源。如果东温泉热源为其周围放射性元素衰变热的话，那么该温泉应当分布在铀等放射性元素相对富集区，然而事实并非如此。

(2)地下温度的骤变，或岩浆残余热，这种情况发生在岩浆活动地区。据四川盆地基底构造图[9]显示，重庆地区基底为弱——无磁性的元古界变质岩系，基底古老，沉积盖层厚，晚近期无岩浆活动。因此岩浆活动热不可能成为该区地热水的热源。研究区无花岗岩等岩浆岩出露，因此该温泉的热源非岩浆残余热。

(3)断层活动热。研究区无大的活动断层，因此该种热源被排除。

通过上述分析，认为东温泉的形成是由大气降水沿岩溶槽谷裂隙下渗至热储层，在区域地温梯度下吸收地球内部热量形成热水。简言之，该温泉的热源来自正常的地热增温。

当深部热量传导至距离地面2～5 km深度时，可对深部循环的地下水加温，形成地热水资源。重庆市主城区地热类型属传导型地热。据重庆东温泉各地热水钻井的地温统计资料[10]，重庆东温泉地热增温率为8.0℃/100m；据各地热水钻井的水质检测报告，按K-Mg温标计算，热储下部温度为60℃～104℃。

5.2 热水的补给、径流与排泄

大气降水是重庆东温泉地热水的主要补给源。通过测定地热水中的δD和δ18O可以确定区内地热水的成因类型和补给来源[11-14]。上世纪90年代初、2008年及2014年重庆南江水文地质工程地质队对桃子荡背斜的地热井进行了系统的取样检测[7,15]。结果显示，这些地热井水的δD和δ18O值与重庆地区雨水很接近(表4、图3)，表明区内地热水以大气降水为主要补给源。李庆华等人[16]对近50 a来重庆市降水量变化趋势的分析表明，重庆市降水量在大时间尺度上(大于20 a)的变化趋势不明显，在区域和时间上的稳定性强，属于我国稳定的降雨区域。可见，重庆地区稳定的降水为东温泉地热提供了丰沛的水源保障。桃子荡构造带中雷口坡组(T2l)、嘉陵江组(T1j)出露长度在蒲河以北市域内达60 km以上，汇水补给面积达数百 km2以上，故地热水的补给水源极为充沛。

表4 重庆东温泉地热水钻井和重庆雨水氢氧稳定同位素值

图3 桃子荡背斜地热水氢氧同位素与重庆市雨水线[17]

根据水文地质条件分析，桃子荡背斜核部的三叠系嘉陵江组碳酸盐岩地层出露区为温泉的水源地，该地层以灰岩、白云岩为主，形成“高位”岩溶槽谷，落水洞、洼地等岩溶形态发育，其深部岩溶也十分发育，以溶隙为主，富水性好。由“高位”岩溶槽谷接受大气降水补给形成浅层地下水(图4)，该浅层地下水横向上沿背斜两翼的构造裂隙向深部径流，纵向上由南向北运移，在区域动水压力作用下向地层深部下渗而补给“热水库”[18]成为深循环的地下水，因埋藏深、径流距离长，运移速度缓慢，沿途逐步从有着正常或略高的地温梯度的岩石中吸热；然后在五布河横向深切桃子荡背斜构造地段(地表减压的最大地段)，深部地热水排出形成温泉。

图4 槽谷岩溶水补给地下水关系图

5.3 成因模式

综上所述，重庆东温泉地热系统的成因模式可概括为：桃子荡背斜南端碳酸盐岩出露区形成的岩溶槽谷在接受大气降水补给后，沿着灰岩中发育的层面裂隙和横张裂隙向深部径流，成为深循环水，从与之接触的有着正常或略高地温梯度的岩石中吸收热量成为地热水，并不断与围岩发生溶滤作用获取锶(Sr)、锂(Li)、硼(B)等微量元素，该地热水在深部沿着构造线方向由南向北径流，然后在地表最大减压地段——五布河横切背斜的河谷处，以上升泉的形式出露于地表形成天然温泉或经人工钻井排泄形成钻井温泉。

6 结语

重庆东温泉地热系统为以三叠系下统嘉陵江组灰岩、白云岩及盐溶角砾状灰岩地层为热储层，以侏罗系红层、须家河组砂泥岩为热储盖层，飞仙关组泥页岩为下部隔水层的层状热储。地下水补给源主要为大气降水，以构造裂隙为径流通道由南向北径流，从正常或略高地温梯度的围岩中获取热量和微量元素，在五布河深切桃子荡背斜的峡谷地段，以上升泉的形式出露于地表形成天然温泉或经人工钻井排泄形成钻井温泉。

为保护地热资源，建议在东温泉矿区范围内，设置地热资源限制区，在此范围内不再钻新的地热水井。如要再钻，必须进行分层开采，避免相互干扰，做到科学合理可持续的开发利用地热水资源。

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