贵州印江天堂哨地热水特征及成因浅析❶

吴丹

中化地质矿山总局贵州地质勘查院，贵州 贵阳550002

天堂哨地热井（ZK1）位于贵州梵净山地区印江县城北东约30km 的天堂镇，于2022 年施工完成，井深1218m，井底温度55.4℃，井口温度52.3℃。附近出露温泉1 处，距离该井约100m，位于红山村的河谷边上，温度27℃。

贵州梵净山地区除天堂哨地热井和温泉外，区域还有鹅岭、罗场、新寨、紫薇等地热井。近年来，许多地质工作者查明了贵州省地热资源类型，对沉积盆地型、隆起山地型两种地热资源的分布特征与赋存规律进行了较为深入的研究，为贵州省地热资源开发利用奠定了基础[1]。在梵净山地区，基本建立了热储概念模型，确定了地热的“储、盖、通、源”四要素，总体认为，梵净山地区地热资源的赋存主要受地层和断裂构造控制，地热成因属断裂对流型，以降雨为主要来源的地热水在挽近期断裂和岩溶裂隙等通道的作用下经循环加热和升温，最终形成了研究区内丰富的地热水资源[2-4]。

本文在系统分析地热地质条件、水化学场特征、温度场特征的基础上，进一步分析和总结地热水的地质成因，以期为下一步勘查开发规划提供参考。

1 水文地质条件

1.1 地层

研究区在大地构造单元上属上扬子陆块（Ⅳ-4）黔北隆起区（Ⅳ-4-1）遵义台地区（Ⅳ-4-1-3）之凤冈南北向构造变形区[5]。区域出露新元古界前寒武系（AnЄ）、下古生界寒武系（Є）、奥陶系（O）、志留系（S）、上古生界二叠系（P）、中生界三叠系（T）以及新生界第四系（Q），缺失泥盆系、石炭系和部分二叠系（图1）。距离研究区约30km 的梵净山地区，零星有煌斑岩、辉绿岩、辉长辉绿岩、辉石橄榄岩、花岗伟晶岩、白云母花岗岩、细碧岩、石英角斑岩等岩浆岩体产出，其中，煌斑岩侵位于寒武系碳酸盐岩中，形成时代在早古生代晚期（400～500Ma），其余产出于前寒武系中，形成于新元古代的武陵构造-岩浆旋回（814～856Ma）[6]。

图1 区域水文地质图Fig.1 Regional hydrogeological map

天堂哨地热井中的钻遇地层主要有寒武系清虚洞组（Є2q）、高台组（Є3g）、平井组（Є3p）、毛田组（Є4O1m）、奥陶系桐梓组（O1t）、红花园组（O1h）、大湾组（O1-2d）、十字铺组（O2-3s）、宝塔组（O3b）、志留系龙马溪组（O3S1l）及小河坝组（S1x）。

1.2 构造

区域发育多个主次分明的褶皱和断层，是早期燕山运动在区内发生强烈褶皱的结果。主要褶皱有沙子场-谯家铺复式褶皱，次级褶皱主要有山头盖（天堂哨）背斜、郎溪向斜。区域性大断裂主要有杨家坝（板溪）断层（F1）、印江断层（F2）等，断层走向以北东向、北北东向为主，规模较大。

物探结果显示，杨家坝断层至少具有两期次活动：第一期次表现为压扭性，导致断层北西侧为高阻区，视电阻率普遍高于1000Ω·m，南东侧为低阻区，视电阻率普遍低于500Ω·m，为断层作用的结果；第二期次表现为张扭性，造成断层两侧地层缺失（图2），其中，钻孔揭露地层中缺失后坝组（Є4h）。断层破碎带附近（-228～-258m 标高）渗透率高，为26.03～174mD，达到一类裂缝和二类裂缝的标准，孔隙度发育较好，具有较强的渗流能力。因此，杨家坝断层属于导水断层。

图2 水文地质和地热地质剖面图Fig.2 Hydrogeological and Geothermal geological section

1.3 地下水类型

研究区地下水类型主要有碳酸盐岩岩溶裂隙水、碎屑岩裂隙水和第四系松散岩类孔隙水三种类型，以岩溶裂隙水为主，总体流向自南西向北东径流。区内主要含水岩组为上震旦统灯影组、中-上寒武统清虚洞组-娄山关组、下奥陶统桐梓组-红花园组、中-上二叠统栖霞组-吴家坪组、中-下三叠统大冶组-嘉陵江组的碳酸盐岩，相对隔水岩组主要有中-下寒武统牛蹄塘组-杷榔组、中-上奥陶统大湾组-宝塔组、志留系龙马溪组-韩家店组的碎屑岩。其中，厚度大于700m 的中-上奥陶统+志留系的碎屑岩将中-上寒武统+下奥陶统的含水岩组与中-上二叠统+下三叠统的含水岩组相隔（表1）。

表1 研究区地热水储盖层水文地质特征Table 1 Hydrogeological characteristics of reservoir and caprock of geothermal water in the study area

2 地热地质条件

2.1 热储构造

天堂哨地热井（ZK1）处于天堂哨-刀把乡复合热储单元内（图3）[1]，区内所处的地壳浅部不存在年轻岩浆岩体和放射性等特殊热源，地热源主要是在正常的区域地温梯度背景下，由北北东向的沙子场-谯家铺复式褶皱将深处的热量收集和储存起来形成的。因此，沙子场-谯家铺复式褶皱是区域上的主要储热构造，地热井（温泉）主要分布于该褶皱的次级背斜核部与杨家坝断层耦合部位，如：鹅岭地热井[2]、红山村温泉。

图3 热储单元分区及地温梯度等值线图Fig.3 Contour map of thermal reservoir unit zoning and geothermal gradient

2.2 热储单元

根据周边地热井（温泉）的出露条件和钻探成果分析：ZK1 井的热储层为中寒武统清虚洞组-下奥陶统红花园组灰岩、白云岩（表1），是区域第二热储层[1]，一般厚1100～1200m，埋深在425～1218m，水温38.0～55.4℃；隔热盖层为中-下奥陶统大湾组-上志留统韩家店组的页岩、泥岩和砂岩，总厚度大于700m。

2.3 导热通道

钻探地温测井数据显示，杨家坝断层破碎带附近（-228～-258m 标高）井温出现较高异常值，每10m 井温变化值达到0.33～0.36℃，明显高出全孔平均值（0.22℃/10m），表明杨家坝断层具有导热的特征。

3 水化学特征

本次共采集1 件地热水样，送往贵州省地质矿产中心实验室（国土资源部贵阳矿产资源监督检测中心）进行水质分析。Ca、Na、K、Mg、Te、Sr、SiO2等采用电感耦合等离子发射光谱仪（Agilent 5110/S-381）测试；Li、Al、Zn、ba、硼酸盐等采用电感耦合等离子体质谱仪（ICAP RQ/S-475）测试；偏硅酸、硫化物、亚硝酸盐（以NO2-计）采用紫外分光光度计（SP-1920/S-493）测试；总硬度、总酸度、总碱度、游离CO2、耗氧量（以O2计）等采用滴定管测试。水质分析结果见表2。

表2 地热水化学成分Table 2 Hydrochemical components of geothermal water

水质分析结果显示：热水中阳离子以Ca2+为主，其次为Mg2+、K+，阴离子以SO42－为主，其次 为 HCO3-，水 化 学 类 型 为 SO42-·HCO3--Ca2+·Mg2+型水型；热水pH 值7.40，为中性水；Sr2+含量13.5mg/L，达到命名矿水浓度标准；F－含量1.14mg/L；偏硅酸含量69.4mg/L，达到医疗价值热水浓度；溶解性总固体1310mg/L，属盐类矿泉水；总硬度1036.85mg/L（以CaCO3计），为极硬水。这些特征与同处杨家坝断层上的鹅岭地热井的水化学特征[2]基本一致。

地热水中高含量的Ca2+、Mg2+、HCO3-反映温泉热流体的来源主要与中寒武统清虚洞组-下奥陶统红花园组灰岩、白云岩有关；高含量的K+、Na+，反映出地热流体相当部分来自奥陶系-志留系中含钾页岩；地热水中高含量的偏硅酸、Si、F及较高的放射性，反映出热流体成分与强烈硅化蚀变的断裂带有关[7]；高含量的SO42-、低含量的硫化物则反映出温泉流体来自一个相对开放的氧化环境。区域地质调查结果显示，清虚洞组-下奥陶统红花园组灰岩、白云岩中存在多层非正常沉积的滑塌块集岩、溶塌角砾岩等碳酸盐碎屑岩，系膏盐矿物溶解流失造成重力垮塌所致[5-6]，因此，高含量的SO42-、Sr、F 可能来自地热水对膏盐矿物的溶解[8-10]。

4 温度场特征

4.1 热储温度

地球化学温标被广泛运用于地热水热储温度的估算，其基本前提是作为地热温标的某种溶质或气体和热储中矿物达到了平衡状态。因此，在选用任何一种化学温标估算地热水热储温度时，必须研究热水和矿物的平衡状态以检验地热温标方法的可靠性[7,10-14]。目前，常用来评价地热系统中溶液-矿物平衡状态的方法是Giggenbach 于1988 年提出Na-K-Mg 三角图解法[15-16]，图中分为完全平衡、部分平衡和未成熟水3 个区域。

根据图4，ZK1 地热水处于未成熟水区域。考虑到阳离子温标适用于热储层在120～275℃时或酸性温泉中，对于中性或偏碱性的地热水不适合[16]，故采用SiO2地热温标法计算热储温度。

图4 地热水Na-K-Mg 三角图Fig.4 Na-K-Mg triangular plot of geothermal water

通过SiO2溶解度曲线[17]，可判断地热水中何种矿物控制了地热水SiO2的含量。在二氧化硅溶解度曲线（图5）上，ZK1 地热水样数据落在α 石英和玉髓溶解曲线之间，更靠近α 石英溶解曲线，但考虑到有浅层地下水混合导致SiO2溶解度的降低，选用玉髓的溶解度温标公式[17]来估算热储温度。

图5 地热水SiO2 溶解度-温度关系[17]Fig.5 Relationship plot between SiO2 solubility and temperature of geothermal water

式中：Tc-热储温度，℃；c(SiO2)-地热水中二氧化硅的含量，mg/L。

计算出地热水的热储温度为75.5℃。考虑到可能有浅层地下水的混合，地热水热储温度可能会更高，热储温度应大于75.5℃。

4.2 循环深度

根据地热井测井获取的井温参数对详查区进行平均地热增温率的计算，计算公式如下：

式中：H-循环深度，m；T0-恒温带温度（取印江年平均温度16.8℃）；K-地温梯度，根据区域地温梯度等值线（图3），取2.8℃/100m；H0-恒温带厚度，取30m。

计算出该地热水的循环深度为2120m 左右，与郎溪区域性向斜带上第二热储层的埋藏深度基本一致。

5 成因

区内浅部不存在年轻岩浆岩体和放射性等特殊热源，该地热水是在区域正常地温梯度背景下，大气降水由中-上寒武统和下奥陶统出露区入渗发生深循环，并在与围岩相互作用中溶虑、溶解了岩石和气体中的化学组分，沙子场-谯家铺复式褶皱将2120m 深度内的热量储集起来，次级褶皱山头盖（天堂哨）背斜在杨家坝断层和上寒武统及下奥陶统上覆碎屑岩隔水保温盖层的联合作用下，使上寒武统和下奥陶统出现异常地温梯度，从而在上寒武统和下奥陶统灰岩、白云岩中形成具有开发价值的深储地热水。

6 结语

（1）天堂哨地热井ZK1 地热水为一天然优质含偏硅酸、锶、氟等的型水，具有一定的医疗价值但不适宜饮用，水化学特征反映出温泉热流体来源于富含Ca、Mg、K、Na 的岩石地层及相对开放的氧化环境。

（2）利用Na-K-Mg 三角图解判断，ZK1 地热水属未成熟水，采用SiO2地热温标法估算出温泉热储温度为75.5℃，热流体循环深度超过2120m。

（3）ZK1 地热水循环于山头盖（天堂哨）背斜核部，深埋藏于地下的中-上寒武统和下奥陶统灰岩、白云岩中，热流体从南西向北东径流。