广东河源市黄村地热田地热地质特征及地热流体化学特征

邱 辉，朱育坤，李 朋，罗 强，张轩国

(广东省地球物理探矿大队，广东广州 510800)

0 引言

广东河源地区地热资源丰富(袁建飞，2013)，以水热型(温泉)为主。绿色环保的温泉地热资源是国际能源发展的新趋势，温泉结合旅游产业亦被称作无烟的朝阳产业(郑志忠，2017)。2020年广东省地质局开展了广东省地热资源勘查工作，将省内的地热资源分为隆起山地形和沉积盆地型两大类(甘浩男等，2020)，但未深入研究其水文地球化学特征，本文选取黄村地热田，开展了系统的地热地质研究(谭梦如等，2019；王贝贝等，2019)，采用地热地质调查、物探勘探、钻探、地热流体地球化学分析等多种勘查研究手段，以查明黄村地热田的地热资源“家底”和开发利用现状。

黄村地热田为河源断裂带上众多地热田中较为典型的一处，位于河源断裂带中段，具有热储温度高、天然热泉出露多的特点。黄村地热田以往仅开展过地热勘查工作，未进行过系统的研究。本次研究在广东省地热资源勘查黄村重点区勘查的基础上，通过分析总结黄村地热田的地热地质和地热流体化学特征，为今后本区的找热和科研工作提供技术支撑。

1 区域地热地质背景

广东河源区域上位于华南皱褶系南武夷山隆起带的南部，在地质构造史上经历过多次复杂的构造阶段，处在北东向河源深断裂带、紫金大断裂的夹持部位(邱辉等，2019)，东西向佛冈-丰良深断裂带贯穿全区。区域岩浆活动强烈，出露大量的燕山中晚期花岗岩，属于南岭东段构造岩浆岩亚带的一部分。前人研究表明(赵振华等，1998；邱检生等，2005)，自三叠纪开始，区域内的岩石圈处于一个伸展-减薄的拉张构造环境，以白石冈岩体的形成为代表，有利于地球内部能量的释放。多期次、不同时代且性质各异的构造形迹为区域内中低温构造裂隙型地热资源的形成提供了前提(史猛等，2019)。

区域地热场研究表明(陈墨香，1991)，广东大地热流处于61.5～98.2 mW/m2，平均74.0 mW/m2，高于全国大陆地区实测热流值平均值(60.9±15.5 mW/m2)。研究区所在的河源地区大地热流值在60～70 mW/m2，区域大地热流值高于全国均值，但低于广东省均值。区域热储以花岗岩为主，火山岩、变质岩和沉积岩次之，大多缺乏盖层，属于开启式型地热系统(陈墨香和邓孝，1996)。

2 地热田地热地质-地球物理特征

2.1 地质特征

2.1.1 盖层及热储层特征

结合前人研究和本次调查成果(图1)，黄村地热田的盖层为第四系大湾镇组(Qdw)河流相碎屑沉积层，主要分布于黄村河流域的冲积平原和河流阶地，岩性自下往上为卵石、中粗砂、细砂、粘土层，厚度只有1～3 m。黄村地热田内盖层极薄，甚至不发育盖层，导致局部热储层裸露，地热田内已知的热泉(井)均分布于第四系内。

图1 黄村地热田地热地质图(大地构造位置据赵正等，2012)

黄村地热田的热储层主要由寒武纪片麻花岗岩和三叠纪二长岩组成，热储呈北西向的带状分布，受节理裂隙带控制(田春艳，2012)。现有地热钻孔揭露热储层埋深2.7～41.9 m，平均埋深21.2 m，控制热储层视厚度0.5～20.64 m，平均视厚度13.9 m，热储总体属于浅层热储，且厚度较小。片麻状花岗岩热储内的地热井井口水温25～91.5℃，平均67.8℃，二长岩热储内的地热井井口水温80～92℃，平均86.5℃，可见二长岩热储层的隔热性能比片麻花岗岩更好，二长岩作为围岩能更好地将温度保存于构造破碎带中。这是由这两种岩石的矿物成分差异决定的，二长岩的主要成分为长石、普通辉石、普通角闪石、黑云母等低热导率矿物，石英等高热导率矿物极少(含量少于5%)，而片麻状花岗岩则相反，所以其保温隔热性能差于二长岩。如果二长岩之下还存在深部热储，二长岩就是一个稳定、热阻率高，具有较强隔热性能的良好热储盖层(王少辉等，2020)。

2.1.2 构造特征

黄村地热田断裂构造极其发育，主要为NE向、NW和EW向，形成了“棋盘式”的构造骨架。从断裂切错关系来看，NE向断裂为最早期的构造，后被NW向的断裂错断，最后EW向的构造又切断了NW向构造。

NE向断裂构造表现为规模大、延伸长的区域性压扭性逆断层，以F1为代表，具有韧性剪切带的特征，局部可见明显的热水蚀变(王海平等，2002；孔令添等，2019)，发育皮壳状、鲕状蛋白石，是地热田内主要的控热构造。

NW向断裂构造主要是F3～F5，表现为近平行排列的密集节理裂隙带。图2显示，节理倾向南西为主，性质为张扭性，裂隙内充填了石英脉，而后石英脉又发生热水蚀变，形成晶洞、晶芽。图1显示，现存地热井明显沿F3～F4集中分布，在断裂的倾向上盘均能揭露到热矿水。NW向断裂构造是地热田内最主要的导热导水构造。

EW向断裂构造应为区域佛冈-丰良断裂的一部分，表现为平移走滑断裂，形成了许多密闭的剪节理(图2)，且围岩发生了硅化，形成了致密的石英岩，EW向断裂是一组隔热构造。

图2 地热田节理倾向玫瑰花图

NE向的F2、NW向的F3、F5和EW向的F7交织成了一个梯形的地热田边界，经多个钻孔验证，边界外均未揭露到中高温热矿水。

2.2 地球物理特征

为了进一步了解黄村地热田北西向控矿断裂(F3～F5)在深部的规模和产状，在地热田后岗一带开展AMT测量，共2条北东向的测线(图1)，采用Aether大地电磁测深仪器系统，以四分量(Ex、Ey、Hx、Hy)矢量方式进行数据采集。

2.2.1 物性特征分析

地热田内岩性主要第四系大湾镇组砂层、上侏罗统上龙水组粉砂岩、三叠世二长岩和早寒武世片麻状花岗岩。松散岩类的砂层中富含孔隙水，电阻率一般小于100 Ω·m；层状岩类的粉砂岩中层状构造，发育密闭不含水的节理，电阻率一般在1000～2000 Ω·m；块状岩类的二长岩和片麻状花岗岩浅部强-中风化层富含风化裂隙水，电阻率一般在300～1000 Ω·m，深部微风化岩体为致密块状构造，电阻率一般3000～10000 Ω·m。构造破碎带中由于富含裂隙水，电阻率一般小于100 Ω·m，具有明显的低阻特征。

2.2.2 AMT测量异常特征

图3显示，AMT1和AMT2两条平行测线的电性结构较为一致，自SW至NE表现为高低阻相间排列，深部高阻、中浅部低阻的异常特征。

图3 音频大地电磁法反演电阻率断面及综合解释成果图

两条测线中不连续分布的椭圆状、株状高阻异常(ρ>3000 Ω·m)应为二长岩体和片麻状花岗岩体的反映，与地表出露的岩体位置亦一致。

2.3 地温场特征

黄村地热田内现有27口地热井，均为自流井，由于水头较高出现喷涌现象，所有地热井井口均采用了封闭处理，故不能对各井进行详细的地温数据采集，仅对各井井口出水温度采用温度计进行测量。

27个地热井井口水温25～91.5℃，平均69.7℃。图4显示，水温各温度段均有分布，以中高温的地热流体为主，即水温80～90℃段的地热井最多，数量达11个；水温大于90°的地热井有2个，分别分布于地热田的北西排子和南东后岗两端。

图4 现存地热井井口水温分布直方图

利用各地热井井口水温绘制出等温线图(图5)，由于地热田热储埋深较浅，平均埋深21.2 m，且地表调查发现，地热井井深均小于100 m，地热流体来源基本相同，故井口水温等温线图能大致反映地热田的地温场分布特征(张伟等，2020)。

图5 现存地热井井口水温等温线图

图5显示，等温线长轴呈北西-南东走向，轴线与F4断裂基本重合，整体呈一个多峰椭圆状，受断裂控制明显(任战利等，2020)。两个峰值分别位于排子和后岗，温度均为91.5℃，70℃和80℃等温线沿F4断裂呈串珠状排列，地热井离F4断裂越远其温度越低。

3 地热流体化学特征

3.1 水化学成分特征

由表1可知，黄村地热田热矿水pH值9.3～10.1，平均9.6，属于碱性水。TDS值在289.2～348.0 mg/L之间，平均289.3 mg/L，属于淡水(张人权等，2011)。SiO2含量108.6～117.1mg/L，换算为偏硅酸133.6～144 mg/L，可作为理疗矿泉水(杨晓飞和范二川，2020)。F-含量17.66～19.48mg/L，严重超出标准(1mg/L)。野外调查发现黄村地热田周边居住的村民多发地氟病中的斑釉症(潘柏炳和杨天学，1992)，对人体健康不利。

表1 热矿水样的化学特征参数表

3.2 水化学类型

从图6以看出，各样品的投影点在piper图中非常集中，反映热矿水均来自同一循环通道，具有同源性(白博文等，2020)。地热流体水化学类型单一，为HCO3-Na型强循环水(周海燕等，2007)，此类型的热流其成因与地热田内的侵入岩有密切关系。在温压较高的条件下，流体分解溶滤岩体中的钠长石、云母(杨晓飞和范二川，2020)，使其释出Na+离子，使地热流体富含Na+离子，形成HCO3-Na型。这种类型的地热流体性质活泼，有利于通过深循环获取高温。

图6 地热流体水化学Piper图

3.3 水-岩平衡状态分析

Na-K-Mg三角图解能直观地反映地下热矿水的水-岩平衡状态(郭宁等，2020；袁星芳等，2020)。利用Aquachem软件将表1中的有关数据经线型处理(史猛等，2019)后投影至Na-K-Mg三角图，绘制成图7。

图7直观地显示了5个样品均落在未成熟水区域中，非常接近部分成熟水，表明了地热田内的地热流体尚未达到水-岩平衡状态。各样点均十分靠近镁离子的极大值，表明地热流体处于水岩作用的初级阶段(袁建飞，2013)，其原因可能是由于地热田内破碎带、节理裂隙发育，各深度间的连通性好，地热田为一个开放型地热系统(史猛等，2019)，深部地热流体在循环过程中混入了非平衡的浅部冷水。因此，阳离子温标不适合用作估算热储温度(谭梦如等，2019)。

图7 Na-K-Mg图解(据Giggenbach，1988)

3.4 热储温度估算

3.4.1 SiO2温标估算热储温度

由于温度、压力和TDS几乎不对SiO2的溶解度产生影响(周训等，2010)，SiO2温标被广泛用于估算热储温度。

表2中列举了石英温标-无蒸汽损失(0～250℃)、玉髓温标-无蒸汽损失(0～250℃)、α-方英石温标计算公式(王贝贝等，2019；李状等，2020)，以此来进行热储温度估算。

表2 热储温度估算结果表

从表2可知，估算得到的热储温度：T石英：141.9～146.2℃，T玉髓：217.4～223.5℃，T方晶石：91.3～95.7℃，α-方英石地热温标估算结果太过于接近井口水温，整体明显偏低，此温标不适用于黄村地热田；玉髓温标估算结果偏离井口水温过大，亦不合理；当出现上述这种情况的时候，前人研究(王莹等，2007；霍冬雪等，2019；郭宁等，2020)认为采用石英温标作为估算温度最为合适。

3.4.2 冷热水混合作用对地热流体温度的影响

图8 地热流体Cl-SO4-HCO3图解(据黄珣，2019)

如图9所示，地热流体经过深循环在地表排泄，这个过程中，由于地热田内导水构造的联通，浅部冷水混入了深部的热流，这种混入作用可能不止发生一次，因此我们需要对冷热水混合的过程加以甄别。

图9 冷热水混合模型(据宋凯，2011)

3.4.3 硅-焓混合模型估算热储温度及冷热水比例

由于地热流体尚未达到水-岩平衡状(图7)，且混入了不同程度的冷水(图8～9)，采用硅-焓混合模型既能定量计算出冷热水混合比例，又能获得地热流体的原始温度。这种方法可用于与SiO2温标做系统比对，避免采用地热温标计算获得的热储温度偏低这一问题(黄珣，2019；郭宁等，2020)。

硅-焓混合模型原理是：混合前深部热流的原始温度(初焓)和冷热水的比例为未知数，通过硅-焓方程(1)、(2)求解未知数。

X1=(S初焓-S终焓)/(S初焓-S冷水焓)

(1)

X2=(SiO2初-SiO2终)/(SiO2初-SiO2冷)

(2)

式(1)和(2)中，X1为焓变化比率；X2为SiO2变化比率；S初焓为深部热流初始焓；S终焓为混合后热流的最终焓；S冷水焓为地表冷水焓值；SiO2初深部热流SiO2的初始含量；SiO2终为混合后热流SiO2的最终含量；SiO2冷为地表冷水SiO2含量；焓的单位为×4.1868 J/g，SiO2含量单位为mg/L。

小于100℃的饱和水，其焓值等于水的摄氏温度数；大于100℃时，水的温度、焓值与SiO2的含量关系可从表3中可以读出(宋凯，2011)。黄村地热田内冷水温度取调查数据平均值20.5 ℃，即S冷水焓值为20.5；因地表冷水TDS多小于20，故SiO2冷取前人经验值5 mg/L。R1～R5井口水温均大于75℃，设热流的初始温度在100～300 ℃。将表3中各温度热流的焓值与SiO2含量依次代入方程式(1)和(2)中，求出X1和X2的系列值，然后把系列值在深部热水温度与混入冷水比例图解中进行投影，X1和X2曲线的交点在温度轴上的投影即为深部地热流体的热储温度，在混合比例轴上的投影即为冷热水的混合比例。

表3 地热流体温度、焓和SiO2含量关系

图10展示了R1～R5样点经过计算后得出的值投影到图解中得出的结果。图10显示，由硅焓混合模型得到的热储温度T硅焓=235～242℃，冷水混入比例为72%～75%。硅-焓混合模型估算的热储温度明显高于石英温标的估算结果，接近玉髓温标的估算结果，这样的估算结果可能比实际值高，究其原因可能是由于硅-焓混合模型是一个理想状态下的模式，仅考虑单因子(如单股冷水混入)，实际情况可能是多种因子相互影响下的结果，这与前人同类型的研究成果是一致的(宋凯，2011；闫晓雪等，2019)。

图10 深部热流温度与混入冷水比例图解

3.5 循环深度估算

深部地热流体通过深循环和地热增温获得温度(周训等，2010)，根据以下公式可以推算出循环深度H：

H=(T热储-T0)/G+h

(3)

式(3)中，T热储选取石英温标估算的结果最为合适(王贝贝等，2019)：T热储=T石英=141.9～146.2 ℃；T0为地热田年均气温：20 ℃，G为地温梯度。由于黄村地热田内地热井均为密封井，未能系统测定地温梯度，故本研究选取前人研究成果4.45℃/100 m，h为恒温带深度：20 m。

通过式(3)估算出黄村地热田的地热流体的循环深度2759～2856 m。

4 结论

(1)黄村地热田处于河源深断裂带和紫金断裂带的夹持部位，北东向、北西向和东西向断裂构相互交切，具有明显的控热构造(F1)和导水导热构造(F3～F5)，频繁的岩浆活动提供了充足的热源。

(2)黄村地热田地热流体为碱性淡水，水化学类型为HCO3-Na型，具有强循环特点，其SiO2含量达到理疗矿泉水标准，但F元素含量严重超标，导致地热田附近居民多数患有斑釉症。

(3)通过系统的地热流体化学分析可知，地热田的地热流体处于水-岩作用的处级阶段，且混入了大比例冷水，冷水混入比例为72%～75%；热储温度T=141.9～146.2℃，进一步计算出热流的循环深度为2759～2856 m。

综上，黄村地热田具有得天独厚的地热地质条件，地热流体温度高，地热能开发前景广阔，宜作为地热能综合开发利用试点进行推广。

[附中文参考文献]

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