广东龙门地区岩溶热储特征及地热系统成因

张敏， 魏正安， 黄少鹏， 王帅， 何沛欣， 覃夏南， 唐灵

1）广东省有色金属地质局九三五队，广东惠州 516001；2）深圳大学土木与交通工程学院，深地科学与绿色能源研究院，广东深圳 518060；3）中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉 430074

地热是一种优质、清洁的绿色能源，主要类型分为浅层地热能、水热型地热资源和干热岩3 种.目前，国内外开发利用的地热资源绝大多数为水热型地热资源.据《地热能术语》（NB/T 10097—2018），水热型地热资源热储类型可划分为层状热储、带状热储和岩溶热储3大类型.岩溶储层作为水热型地热资源热储3大类型之一，具有巨大的开发潜力，经济生产价值较高，开发过程对环境影响小，已逐渐成为现今研究的焦点［1］.在中国北方，随着河北雄县、河南清丰和南乐等区域雾迷山组及奥陶系碳酸盐岩热储层的发现，结合山东、山西和天津等岩溶地热田的调查研究，岩溶热储特征、主控因素和成因等相关研究取得长足的进步［2-6］.在中国南方，有关岩溶热储形成特征的研究相对较少［7］，研究程度远不及北方.

已有的地热勘探实践表明，广东地区岩溶热储地热田广泛分布，具有埋藏浅、水量大、水温适中和水质优良等特点，多被直接利用（如温泉洗浴），但有关岩溶热储地热田的特征和成因尚未引起足够的重视［8］，仅在部分区域性的地热地质研究工作中略有涉及［9-11］.

本研究以广东龙门地区岩溶热储地热田为研究对象，运用地球化学和地球物理等方法和技术手段，分析总结岩溶热储特征及其形成机制，构建龙门地区典型岩溶热储地热田的成因模式，以期为广东省乃至中国南方岩溶型地热资源的勘探开发利用提供数据支撑和理论依据.

1 研究区地热地质概况

广东位于中国东南沿海构造活跃地带，地质构造十分复杂.自中生代以来，受东部太平洋俯冲带和西部印度-欧亚板块碰撞带两个构造域影响，包括广东在内的华南地区广泛发生地壳变形，并形成大面积分布的高生热率花岗岩岩体［12-18］.进入新生代，印度板块与欧亚板块的碰撞及菲律宾海板块和澳大利亚板块北漂对华南板块具有重大影响，超大规模的粤桂剪切作用使陆相沉积盆地发生扭转，奠定了整个广东地区的地质和地理格局.新生代强烈构造活动致使广东区域内一系列北东向主干断裂带以及与之伴生的北西向断裂再次复活，不仅切割了深部隐伏的大规模中生代侵入岩体，还形成了一系列断陷系统［19-27］，为地热系统的形成提供了良好的地质条件.据不完全统计，广东省内已发现的自然温泉约320处，温度介于30～128 ℃.

广东省内碳酸盐岩分布广泛，面积2.9 × 104km2，占全省面积的7%.除志留系、中三叠统和下-中侏罗统等地层外，自震旦系至新近系的地层中均或多或少地夹有碳酸盐岩层，其中，中-上泥盆统和石炭系地层中碳酸盐岩层中的碳酸盐岩最占优势［28］，含碳酸盐岩层的地层主要包括泥盆系天子岭组、石炭系石磴子组和二叠系栖霞组等［29］.

龙门地区处于横跨广东省的东西向佛冈-丰良深断裂带中段，夹持于北东向恩平-新丰深断裂带和河源深断裂带之间（图1），断裂构造以北东向、北西向为主，东西向次之，南北向表现最弱；褶皱构造轴向以北东和北西为主，代表性的褶皱构造有北东向的龙城复式向斜、永汉向斜、钯头山背斜和北西向的湖口背斜等.研究区地层发育，沉积建造类型多样，古生代和中生代是主要的碳酸盐岩沉积时代，包括中-上泥盆统和中-下石炭统及下二叠统等地层，受多次构造运动的影响，变形较强烈，岩溶发育，在断裂带附近的岩溶构成了较强的径流带，成为热水径流和排泄的主要通道.研究区经历了多期岩浆侵位事件，以燕山期侵入岩分布最广，以酸性花岗岩占优势，主要分布于地派-蓝田、沙帽顶、南昆山一带，呈岩基或岩株、岩枝产出，岩性主要为黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩.目前，已在研究区内发现的地热异常有16 处，主要分布于永汉镇、龙田镇、地派镇、蓝田瑶族乡和龙城街道等地，其中，龙城-蓝田8 处，永汉-龙华5处，地派-龙潭等地3处.龙门地区主要地热异常区特征请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料表S1.从表S1 可知，研究区热储类型绝大多数为山地型岩溶热储，热储层岩性主要为石炭系和泥盆系灰岩、白云质灰岩和大理岩，实测热水最高温度79.9 ℃，均属低温地热资源.

图1 广东龙门地区地质简图 （a）区域大地构造简图；（b）研究区地热地质图；（c）A-B地质剖面图Fig.1 Schematic geological map of Longmen area in Guangdong Province. (a) Schematic tectonic map of Guangdong Province, (b)Geothermal geological map of the study area, and (c) A-B geological profile.

2 研究方法和数据采集

2.1 水化学与同位素

2017—2022 年，在研究区共采集48 组水样，包括2组常温水和46组热水，采样点的地理位置和分布请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S1.在采集井水样时，自流井直接取样，抽水井在抽水约1 h 后再取样.所有水样均在现场过孔径为0.45 μm的微孔滤膜，然后装入预先酸泡并清洗干净的聚乙烯采样瓶中.水样装满采样瓶，防止瓶中产生气泡.对于做阳离子（K+、Na+、Ca2+和Mg2+等）和微量元素测试的水样，样品加入优级纯硝酸使水样pH ＜ 2；对于阴离子测试（Cl-、NO3-、Br-、F-和SO42-）的水样不做酸化处理.用于氢同位素（δ2H）和氧同位素（δ18O）分析的水样经0.45 μm 的微孔滤膜过滤后直接装入50 mL 聚乙烯瓶中.用于13C 和14C分析的水样无需过滤加酸，取原样400 mL 常温保存.水化学分析由国土资源部广州矿产资源监督检测中心和中国地质大学（武汉）完成，同位素分析由中国地质大学（武汉）完成.

2.2 地热钻探与地温测量

对研究区65 个测温孔（总进尺2 624.37 m）和30 口地热井（总进尺6 502.05 m）进行了详细编录（钻孔位置分布请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S2），同时对碳酸盐岩层的裂隙溶洞发育规律进行统计分析.为研究地热异常区的地温场分布特征，利用CW-3 型深水测温仪（精度为 ± 0.1 ℃）和SYKJ-16高精度数字地质温度测试仪（精度为 ± 0.1 ℃）测量所有地热井温度.

3 岩溶热储地热田特征

3.1 地热异常区及热储埋藏特征

研究区内含碳酸盐岩地层主要包括上泥盆统天子岭组、下石炭统石磴子组、上石炭统黄龙组和下二叠统栖霞组，均为浅海相碳酸盐岩建造，研究区碳酸盐岩与热异常区平面分布请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S3.平面上，研究区可划分出两个带：一是蓝田-龙田-龙门-平陵-龙江碳酸盐岩带，大致呈条带状，总体北西走向，该带中部、北西部以覆盖-浅埋藏为主，南东部为裸露-覆盖-浅埋藏；另一个是永汉-龙华碳酸盐岩带，呈环带状，在永汉地区以覆盖-浅埋藏型为主，在龙华地区以裸露型和覆盖型为主.热异常区分布与下石炭统石磴子组和上泥盆统天子岭组的碳酸盐岩密切相关.热异常区多分布在碳酸盐岩靠近侵入岩体及断裂构造发育部位.另外，蓝田-龙田-龙门、龙华、永汉覆盖-浅埋藏碳酸盐岩区热显示较好，裸露碳酸盐岩分布区则基本无热显示.

根据研究区钻孔资料统计，垂向上，地热区溶洞裂隙发育带分布埋深为0～300 m，强岩溶发育带埋藏深度均集中在150 m以内.强岩溶发育带中溶洞洞高一般为0.20～16.05 m，溶蚀裂隙宽0.3～2.0 cm，溶洞大多数为半充填，少部分未充填及全充填，充填物主要为黏性土、灰岩碎块及砂页岩碎块.在永汉马星-隔陂地热区，岩溶强发育带标高为-115.37～14.35 m，埋深为13.60～148.03 m，埋深介于0～50 m的溶洞占60.6%，介于50～100 m的溶洞占18.2%，介于100～150 m的溶洞占22.2%.通过碳酸盐岩垂向分布与地热异常区岩溶储层的关系研究可知，在垂向上，岩溶热储层与岩溶强发育带的分布空间基本一致，具浅埋藏、多层发育特征的特征，热储盖层厚度一般为9.38～49.08 m.

3.2 地热区深部地球物理特征

补充材料图S1 中21 号线剖面较清晰地展示出高沙地热区在深度为0～5 km内的地质结构、隐伏岩体和构造特征（龙华高沙地热区21号和22号测线AMT电阻率剖面请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S4）.剖面上2200 号测点以北为岩体，表现为高电阻率特征；在580、300 和1280 号测点附近明显反映断裂构造的存在，推测为F23、F22和F24三条断裂，它们共同构成北西向沙迳断裂组（补充材料图S4（a））.其中，F24规模较大、延深大于5 km，切割隐伏岩体，F23的断裂为该断裂的次级断裂，其深部与主断裂相连.22线剖面（补充材料图S4（b））总体形态与21线类似，明显揭示出F22、F23、F21及F24断裂.地质调查表明，沙迳断裂组总体走向300°左右，倾向北东，倾角为60°～80°，可见延伸约7.5 km，表现为一组较为密集的节理裂隙面，硅化较强.根据钻孔揭露，断裂组均为逆断层.结合区域地质、地形地貌特征、天然温泉出露等情况，初步认为沙迳断裂组（F22、F23和F24）是主要的控热构造，深部地热流体沿沙迳断裂组往上运移，赋存于断裂带和岩溶洞隙中.近南北向断裂F21是主要的导水导热构造，天然温泉出露于F21断裂与沙迳断裂组的交汇处.

3.3 地热流体化学特征

3.3.1 化学组分特征

表1 为研究区地热流体样品水化学分析结果.由表1 可见，研究区地热流体主要阴离子为HCO3-和SO42-，阳离子以Na+和Ca2+为主.其中，ρ（HCO3-）为83.22～361.77 mg/L，ρ（SO42-）为4.50～718.91 mg/L，ρ（Na+）为3.68～132.48 mg/L，ρ（Ca2+）为8.63～254.79 mg/L.按照国际水文地质学家协会（International Association of Hydrogeologists）的分类原则［30］，研究区各地热区的地热流体水化学类型基本相似，以HCO3-Ca·Na 和HCO3-Ca为主，其次为SO4-Ca·Na、HCO3·SO4-Na 和HCO3-Na， 少数为HCO3·SO4-Ca 和HCO3·SO4-Na·Ca，见图2.

图2 研究区地热水样品Piper图Fig. 2 Piper diagram of the geothermal water samples from the study area.

由图3可见，温度（t）与Na+、Cl-和溶解性二氧化硅有较高的相关性，温度影响矿物的溶解；电导率（σ）与Ca2+、SO42-相关性显著，地下热水中Ca2+和SO42-的含量越高，电导率越高；Ca2+和Mg2+与F-呈显著的负相关，表明随着Ca2+和Mg2+含量增加，与F-发生化学反应形成氟化钙和氟化镁沉淀，导致F-浓度降低；HCO3-与其他离子之间的相关性较低，说明HCO3-经历了不同的水文地球化学演化过程；SO42-与Ca2+具有强相关性，表明岩溶热水中可能存在石膏或硬石膏的溶解.

图3 研究区地热水样品化学组分相关性热图Fig. 3 Heat map for correlation between chemical compositions of geothermal water samples from the study area.

3.3.2 同位素特征

氢氧同位素可以指示地热水补给来源、水力联系和水-岩作用强度等信息.δ2H和δ18O分别表示样品中2H 和18O 稳定同位素相对于各自标准物比值的千分差，具体计算方法为

其中，X为2H或18O；R样品和R标准分别为样品和维也纳标准海水（Vienna standard mean ocean water， VSMOW）中重轻同位素丰度之比（2H 丰度 /1H 丰度或18O 丰度 /16O丰度）.

图4为研究区地热水样品氢氧同位素关系.如图4所示，研究区地热水样品均落在全球大气降水线（δ2H = 8δ18O + 10）［31］和当地大气降水线（用香港的大气降水线代表）（δ2H = 8.1δ18O + 11.4）［32］上方或者附近，且地热水的δ2H 和δ18O 相对于常温水偏负，表明研究区主要接受当地大气降水补给.研究区地热流体的“氧漂移”现象不明显，说明地热流体与围岩的水岩相互作用可能不太强烈，岩溶热水循环速度快、滞留时间短，不利于地热流体中的18O与碳酸盐岩发生深度同位素交换和水岩反应.选择惠州石坝地区大气雨水为参照点（δ2H =-34.8‰，高程为42.3 m），δ2H 的高程梯度为每100 m 降低2‰，地热水的补给高程计算结果请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S5.结果表明，研究区地热水补给高程为57～584 m，这与地热田周围的地形地貌吻合.

图4 研究区地热水样品氢氧同位素关系Fig. 4 Relationship between δ18O and δ2H compositions of the geothermal water samples from the study area.

13C是追踪地下水中碳酸盐演化极好的示踪剂.自然界中不同来源和成因的含碳物质具有不同的δ13C 含量.来源于碳酸盐岩变质作用的δ13C 值为-2‰～2‰，上地幔物质为-8‰～-4‰，有机物值为-35‰～-10‰.本研究马星地热区地热水δ13C值为-15.30‰～-5.00‰，均值为-8.90‰；永汉隔陂地区田地热水δ13C 值为-10.00‰～-6.00‰，均值为-8.65‰（请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S6）.热储岩性为灰岩，但地热流体的δ13C 值低于碳酸盐岩变质成因的δ13C 值（-2‰～2‰），说明研究区地热水中的碳来源较为复杂.

地下水的年龄与地下水的补给径流过程密切相关，反映了含水层的可更新能力.14C 的半衰期为5.73 ka，在数百年至约50 ka的时间范围内，14C测年被认为是评价地热系统中地下水年龄的有效工具.仅考虑14C简单衰变计算得到的14C年龄被称为表观年龄.由于受到不同碳源之间同位素交换等水文地球化学过程的影响，地热水中14C 的初始放射性水平难以确定，需要采用合适的模型进行必要的校正.地下水校正年龄为

其中，T为地下水年龄，单位：ka，指距1950年的时间；Ay为地下水中14C含量， 采用美国NEC公司生产的加速质谱仪（accelerotor mass spectrometry，AMS）测试，单位：现代碳百分比（percent modern carbon， PMC）；A0为地下水溶解性无机碳（dissolved inorganic carbon，DIC）中的14C 含量，一般取100 PMC；AT为地下水中的实际初始14C 含量，单位：PMC；F为校正系数（F=cT/c0）.

采用Pearson方法［33］进行校正（详情请扫描论文末页右下角二维码查看表S2）.结果表明，马星地热区中以ZK-2 热水最年轻，ZK-1 和LZQ 热水的年龄较老，大于10.00 ka. 隔陂地热区中，除ZK-4热水年龄较老（大于10.00 ka）外，其余热水年龄较为年轻，小于5.00 ka.

3.2.3 热储温度及循环深度

热储温度是评价地热资源形成机制和开发潜力的关键参数.地热地温计是利用地下热水中特定化学组分含量与温度的关系来估算深部热储温度的方法.地热地温计包括阳离子地热温度计、二氧化硅地热温度计、同位素地热温度计和气体地热温度计等.运用地温计的前提是相应组分在地热系统中达到了水岩反应平衡.区内地热水均落在“未成熟水”区域（图5），即所有热水均未达到水-岩平衡状态.这可能是地热流体向上运移过程中发生了再平衡或浅层冷水混入稀释了地热水造成的.因此，对于未达到水-岩平衡状态的地热水，利用阳离子温标评估深部储层温度时会存在一定的偏差.由于阳离子温标的局限性，本研究主要采用玉髓（无蒸汽损失）温标［34］估算热储温度.结果请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料表S3），表S3显示，龙门地区岩溶地热系统的热储温度为72～120 ℃.

图5 研究区地热水样品Na-K-Mg三线图Fig.5 Na-K-Mg ternary diagram for the geothermal water samples from the study area.

地热水循环深度采用H=H0+（tc-t0）/G 估算.其中，H为循环深度，单位：m；H0为恒温层的深度，本研究取15 m［35］；tc为热储温度，单位：℃；t0为恒温层温度，单位：℃，本研究取龙门县年平均气温20.9 ℃（根据龙门县气象局1990—2020年监测资料）；G为研究区地温梯度，取28.4 ℃/km［30］.根据玉髓（无蒸汽损失）温标计算的热储温度估算地热地下水循环深度为1 814～3 504 m.

3.3 地温场空间分布特征

据研究区典型钻孔的测温曲线（图6）分析，测温深度范围内溶洞发育，水热活动强烈，钻孔温度普遍高于区域稳态地温背景值（图6 中黑色虚线），水温随深度变化有反复现象，紊流现象明显，推测测温钻孔可能钻遇含水断裂或裂隙，有热水或冷水的灌入.随着孔深增加温度变化总体上趋于稳定.总的看来，因各勘查钻孔处在不同构造部位，从浅到深温度的变化略有不同，但总趋势一致.

图6 研究区地热钻井测温曲线Fig.6 Borehole temperature profiles from the study area.

4 岩溶热储成因及热储概念模型

综上所述，龙门地区岩溶热储的形成具备以下条件：① 良好的地质构造条件，地热田内有深大断裂带，且切割了深部隐伏花岗岩体，有利于地下水深循环从中汲取热量；② 良好的热源条件，较高的区域背景热流和高生热率燕山期花岗岩体为龙门地区岩溶热储的良好热源，粤港澳大湾区平均大地热流值为75 mW/m2，显著高于61.5 mW/m2的中国大陆平均值［36-37］；③ 良好的储层条件，热储为灰岩，裂隙带和溶洞发育，溶洞多被半充填；④ 侵入岩条件，地热田周边见多期岩浆侵入岩活动，地表出露或隐伏中生代侵入岩体与地热田位置相距约2 km；⑤ 良好的地形地貌及水文地质条件，地热田均处山间谷地，地势较低，而周边多为丘陵低山地貌，有利于地下水的补给和径流；⑥ 良好的盖层条件，地热田的盖层绝大部分为第四系松散岩类或以泥质碎屑岩类为主的岩层，可提供相对隔水保温的条件.龙门地区岩溶热储地热田成因模式简要总结为：以本地区的大气降水为补给水源，通过深大断裂渗入地下进行深循环，经大地热流和花岗岩体加热后往浅部运移，在岩溶-裂隙系统中富集形成中低温对流型地热系统.综合考虑地热地质、地球物理和地球化学等资料，本研究选择龙华高沙、龙田江冚和永汉马星-隔陂3个典型地热田构建了龙门地区岩溶热储概念模型（图7）.

图7 研究区（a）龙华高沙、 （b）永汉马星-隔陂和（c）龙田江冚岩溶热储概念模型Fig.7 Conceptual models of karstic reservoirs in (a) Longhua Gaosha, (b) Yonghan Maxing-Gebei, and (c) Longtian Jiangkan geothermal areas.

5 结 论

1）广东龙门地区岩溶热储地热田受碳酸盐岩层位、断裂及岩浆活动共同控制，目前揭露的岩溶热储以浅覆盖型和浅埋藏型为主，产于石炭系和泥盆系碳酸盐岩层中，以岩溶溶洞裂隙热水储层为特征，具有埋藏浅、带状兼层状特点.

2）广东龙门地区岩溶热水的水化学类型主要为HCO3-Na·Ca 型和HCO3-Ca 型，地热流体的补给来源为大气降水，稳定碳同位素分析证实了地热水中碳来源的多重性；地热流体的14C年龄介于1.62～14.29 ka；地球化学温标计算的岩溶热储的温度为72～120 ℃，地热流体的循环深度为1 814～3 504m，明显高于中国大陆平均值的区域热流和花岗岩体的放射性生热是研究区岩溶热储的热源.