安徽昭關溫泉形成條件及地熱水化學特征分析

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(安徽省地質環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

安徽昭關溫泉形成條件及地熱水化學特征分析

陳學鋒，丁海亮，李莉莉，湯皓，付文博

(安徽省地質環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

昭關溫泉位于安徽省含山縣昭關鎮(zhèn)，溫泉的溫度適宜，流量大。采用多種技術手段對昭關溫泉出露區(qū)進行勘查，結合地層構造、地球物理、地球化學、地層溫度以及水文地質等方面對地熱形成條件及形成規(guī)律進行研究可知，推覆構造和斷裂構造對地熱具有控制作用，巖層受斷裂構造作用，裂隙發(fā)育、破碎，隱伏溶洞、溶蝕裂隙及溶孔發(fā)育強烈，形成了水力聯系的良好通道，這些均是形成昭關溫泉的重要地質基礎。溫泉由早期大氣降水補給，在埋藏于千米之下的熱儲中匯集、升溫，在水頭壓力作用下順斷裂出露地表，形成41℃的地熱水，水化學類型主要為SO4-Ca·Mg型。分析結果為在類似地區(qū)尋找地熱提供參考，促進地熱勘查工作。

昭關溫泉；地熱水；形成條件；化學特征分析

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，是一種現實可行且具有競爭力的清潔能源。加快開發(fā)利用地熱能不僅對調整能源結構、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義[1]。我國利用地熱已有二千多年的歷史，開發(fā)利用方式有發(fā)電、供暖、醫(yī)療、洗浴、養(yǎng)殖等，隨著國家大力提倡因地制宜地開發(fā)和推廣使用地熱能，各地掀起尋找地熱的高潮，但尋找地熱的高風險在一定程度上阻礙了地熱的發(fā)展。

昭關溫泉位于安徽省含山縣昭關鎮(zhèn)，距含山縣城以北約10 km，春秋時“伍子胥過昭關，一夜愁白了頭”這一傳奇歷史故事就發(fā)生此地。溫泉出露區(qū)地面標高約15 m，地形東南高西北低，東南部為丘陵，南部、西部為淺丘狀平原，東北部為波狀平原，附近最高山為標高256.6 m的雙尖山，位于東偏北約5 km處。溫泉的溫度適宜，流量大，目前主要用于養(yǎng)殖熱帶魚，結合人文景觀、自然資源，對溫泉進行綜合開發(fā)利用的潛力巨大。本文利用勘查資料，從地層、構造、地球物理、地球化學、地層溫度、水文地質等方面，對昭關溫泉的成因進行深入分析，總結地熱形成的一般規(guī)律，為在類似地區(qū)尋找地熱提供參考依據。

1 區(qū)域地質條件

1.1 區(qū)域地質構造

昭關溫泉處于揚子準地臺下揚子臺坳的北部，屬沿江拱斷褶帶巢湖穹斷褶束(圖1)。北東向為其主體構造格架，并且發(fā)育推覆構造；北西向構造較為發(fā)育。推覆構造由兩個北東向展布的弧形擠壓斷褶帶(石楊—龍王尖斷褶帶和天鼓山—昭關斷褶帶)組成。

溫泉出露于石楊-龍王尖復背斜的南端部分，為其傾沒端，發(fā)育有以震旦系～奧陶系所組成的大型倒轉褶皺及一系列疊瓦狀逆沖斷層，總體走向北東，發(fā)育北東向推覆斷層和斷層及北西向斷層。

1.2 地層巖性

昭關溫泉出露區(qū)位于揚子地層區(qū)下揚子地層分區(qū)巢湖地層小區(qū)[2]，地熱所涉及地層巖性如下：

震旦系燈影組主要分布在勘查區(qū)東北角一帶，呈北東向展布，厚度超過164 m，為淺灰或灰白色中厚層白云巖、微晶白云巖[3]。

圖1 區(qū)域地質構造與地熱關系圖

寒武系地層分布在勘查區(qū)東北部山區(qū)，呈北東向展布。幕府山組厚47 m，厚層狀，主要為灰至深灰色鮞狀白云巖、灰黃色含泥質白云巖。炮臺山組厚31 m，為灰色白云巖、微晶白云巖、泥質白云巖、白云質泥巖。觀音臺組厚188 m，為灰至淺灰色中薄至中厚層白云巖、微晶白云巖。

志留系地層主要分布在勘查區(qū)東南、西部一帶。高家邊組厚度大于310 m，為灰黑、灰黃、黃綠色頁巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖、石英砂巖。墳頭組厚337 m，巖性為灰黃、灰綠、黃綠色泥巖、粉砂巖、細砂巖、長石石英砂巖、泥巖。

白堊系浦口組于勘查區(qū)西南部的沿山前或山間坳陷分布，厚度大于58 m，中～厚層狀，巖性主要為紫紅色灰質礫巖，上細下粗。

第四系地層分布于勘查區(qū)北部及南部山間，厚度一般10～20 m，山前及山間較薄。下蜀組分布于山前及山間，厚度2～13 m，巖性為淺棕黃色、淺棕褐色粉質粘土，山前地帶夾棱角狀碎石。蕪湖組沿昭關水庫上、下游溝谷兩側發(fā)育，厚度5～13 m，局部揭露最大厚度為21.75 m，巖性為灰、灰黑色粉質粘土。

2 水文地質特征

出露區(qū)的地下水類型有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水三類。

松散巖類孔隙水主要分布在西北部和東南部。含水層由全新統(tǒng)蕪湖組和上更新統(tǒng)下蜀組組成，厚0.5～20 m。多為潛水，山間及山前為半承壓水。水化學類型主要為HCO3·Cl-Ca·Mg，溶解性總固體<1.0 g/L。富水性較差～極差。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水多以裸露形式展現，近山前局部隱伏于松散層下，主要分布于背、向斜核部。隱伏型裂隙巖溶水的水化學類型多為HCO3-Ca、地熱水為SO4-Ca·Mg型，溶解性總固體0.5～1.0 g/L，地熱水2.0 g/L左右，單井涌水量一般>500 m3/d，富水程度為中等～豐富。裸露型的富水程度為貧乏～中等。

碎屑巖類裂隙水分布于低山丘陵區(qū)中部。水化學類型為HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Ca·Na型，溶解性總固體1.0 g/L左右，單井涌水量一般為10～100 m3/d，白堊系上統(tǒng)單井涌水量<10 m3/d，富水程度為貧乏～極貧乏。構造裂隙發(fā)育部位的地下水水化學類型為HCO3-Ca型，單井涌水量為181.4 m3/d，富水性中等。

震旦系上統(tǒng)～奧陶系下統(tǒng)以白云巖為主，在斷層帶兩側的白云巖，巖層上部電阻率高，巖石較完整，裂隙及巖溶發(fā)育微弱，單井流量100～500 m3/d，泉流量10 L/s，富水程度為貧乏～中等。第四系較薄，一般厚0～20 m，山麓及低洼處較厚，沿斷層破碎帶分布較厚，主要為粘性土，夾薄層砂透鏡體，第四系的含水性和滲透性較差，單井涌水量一般<10 m3/d，富水程度極貧乏。

3 水化學特征

地熱流體化學成分與周邊地下水有著顯著的區(qū)別，溶解性總固體比冷地下水高3～5倍，標量元素含量很高(如SO42-、可溶性SiO2、F-、放射性Rn等)。前已述及，冷地下水水化學類型為HCO3·Cl-Ca·Na、HCO3-Ca·Na型，少數為SO4·HCO3-Ca·Mg型，溶解性總固體小于1.0 g/L；地熱流體化學類型均為SO4-Ca·Mg型，以硫酸鹽為主(SO42-含量為668.90～1 582.00 mg/L)，溶解性總固體較高(1.8～2.56 g/L)。地熱流體顯著特點是總硬度、溶解性總固體較大，而總堿度較小，屬微咸水。

4 地球物理特征

地熱的形成要具備有利的地層巖性、地質構造環(huán)境及較為獨立完整的地下水循環(huán)系統(tǒng)。其所形成的地球物理場也具有特殊性。

地層、構造的判別主要根據電阻率的空間分布及其數值大小和形態(tài)變化等特征，如電阻率等值線的密集帶(梯級帶)、低阻帶及等值線的扭曲、不連續(xù)等。一般情況下，電阻率等值線的密集帶(梯級帶)往往是線性構造的反映或不同電性的分界線。電阻率的野外數據采集采用加拿大鳳凰公司生產的V8電法勘探儀器，數據處理使用的是該公司的專業(yè)軟件。

圖2上可見3125點附近傾向北西的電阻率梯級帶為F1斷層的反映，3325點附近傾向南東的低阻帶為F2斷層的反映，4725點附近傾向北西的低阻帶為F4斷層的反映，4225點附近近直立的電阻率梯級帶為F3斷層的反映，4775點附近向北西陡傾的相對低阻是F5斷層的反映。

圖2 CSAMT電阻率及其解譯成果剖面圖

圖3 3 m淺層地溫等值線平面圖

在1025點～3125點之間上部低阻體與白堊系砂巖、粉砂巖、第四系粘土相對應，其下部的高阻體為志留紀～三疊紀地層的反映；3125點～4225點之間的高阻體為寒武、奧陶紀灰?guī)r的反映，其下部-800～1 500 m之間的低阻體可能為熱儲，頂部低阻體為第四系松散層，厚0～20 m；4225點～4725點之間為鍥形低阻體主要為志留系的反映；4625點～5825點之間上部主要是二疊系、三疊系的反映；5825點～6075點之間上部主要是寒武系、奧陶系的反映，其下部為震旦紀地層的反映。

淺層地溫在鉆孔中測量，鉆孔采用口徑為45 mm的PVC管進行護壁，孔底的PVC管頭用60目濾網包好，測量時采用WMY-01型電子溫度傳感器，讀數精度為0.1℃，分別在1、3、5、7、9 m的深度進行往返觀測。

淺層地溫異常呈北北東向分布于查莊～花莊一帶(圖3)，寬約250 m，長約800 m，該異常由二個次級異常組成?；ㄇf異常：位于花莊西，近園型，直徑約180 m，地溫最大值為23℃；漁場異常：位于魚塘的東南部，長約500 m，呈北北東向展布，地溫最大值為26℃，在魚塘的東南角局部異常呈北西向展布，其外圍地溫等值線分別向北西、南東凸出，顯示出在北東向異常上疊加了北西向異常。

地溫異常一般為地下熱水沿斷裂出露地表或滲透到地下淺部所致。在魚塘的東南角局部異常呈北西向展布，推測與北西向斷裂有關，由于該處為斷裂的交匯處，巖石破碎，導水性好，因此該處的地溫異常最大(圖4)。

圖4 淺層地溫剖面圖

圖5 地熱流體δD和δ18O偏差值與全國及全球現代大氣降水線的關系圖

5 形成條件分析

地熱的形成要從斷裂構造、地層巖性、地下水循環(huán)因素及物探異常等方面進行分析推斷。

昭關溫泉與湯泉、香泉、半湯溫泉均位于同一構造帶上，均出露于構造交匯處。CSAMT電阻率高阻體往往是灰?guī)r的反映，低阻體為第四系或斷裂破碎帶的反映，其解譯成果與勘查區(qū)構造相吻合，淺層地溫等值線分別向北西、南東凸出，進一步驗證了北北東向和北西構造在此交匯，充分說明了溫泉的形成與斷裂構造存在著緊密的聯系。

地熱井非穩(wěn)定流降壓試驗[4]期間，各地熱井的水位變化保持同步，下伏震旦系上統(tǒng)～奧陶系下統(tǒng)裂隙巖溶冷水和第四系松散巖類孔隙冷水的水位、水溫、水質基本無變化，說明天然狀態(tài)下冷水系統(tǒng)與地熱水系統(tǒng)的水力聯系差。

溫泉水中的同位素是地球化學綜合反映的重要指標，是地熱成因分析的重要依據。對地熱流體、地表水和雨水分別采取了樣品測定氫氧穩(wěn)定同位素和14C。地熱流體中δD和δ18O的值稍微偏離全球大氣降水線(圖5)，多在全國大氣降水線附近，反映出地熱流體主要來源于大氣降水。地熱流體中3H和14C的測試結果又表明它的形成歷史較為久遠。同時溫泉與冷水的水化學成份也存在較大差異，都說明地熱水與冷水來自完全不同水力系統(tǒng)。

綜合以上幾個方面的成果，昭關溫泉應來源于早期的大氣降水，在斷裂構造的溝通作用下，沿構造破碎帶逐步循環(huán)到地殼深部[5]，在運移過程中吸收圍巖的熱量，與其發(fā)生化學反應，并在昭關斷裂深部交匯處匯集儲存，形成中低溫地熱水。在水頭壓力作用下，熱儲中的熱水沿由斷裂形成的通道上升到地表，形成昭關溫泉(圖6)。

圖6 昭關溫泉形成模式圖

6 結語

(1)推覆構造、斷裂構造對地熱具有控制作用，這是形成昭關溫泉的重要地質基礎。

(2)巖層受斷裂構造作用，裂隙發(fā)育、破碎，隱伏溶洞、溶蝕裂隙及溶孔發(fā)育強烈，形成了水力聯系良好的通道。

(3)溫泉由早期大氣降水補給，在埋藏于千米之下的熱儲中匯集、升溫，在水頭壓力作用下順斷裂出露地表，形成41℃的地熱水，水化學類型為SO4-Ca·Mg型。

(4)熱儲呈帶狀，受構造斷裂控制，地熱田規(guī)模較小，地面有溫泉出露[6]，屬Ⅱ-2型中低溫地熱田。

(5)不同于層狀地熱，構造型地熱的形成條件更加復雜，僅在所有條件都具備的特定地區(qū)才能形成獨具特色的地熱，從而決定了此類地熱資源的珍貴性，要做好相關保護與開發(fā)利用工作[7]。

[1]國家發(fā)展和改革委員會，國家能源局，國土資源部.地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃.2017.

[2]安徽省地質礦產局.安徽省區(qū)域地質志.1987.

[3]安徽省地質環(huán)境監(jiān)測總站.安徽省含山縣昭關地熱資源可行性勘查報告.2016.

[4]張高鋒，穆建軍，李曉輝，等.基于抽水試驗的地熱儲層水文地質特征研究[J]地下水.2009.

[5]汪集陽，熊亮萍，龐忠和.中低溫對流型地熱系統(tǒng)[M].科學出版社.1993年.

[6]地熱資源地質勘查規(guī)范 GBT 11615-2010.2011.

[7]汪集旸，馬偉斌，龔宇烈，等.地熱利用技術[M].化學工業(yè)出版社．2004.

P314.1

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1004-1184(2017)05-0051-03

2017-05-18

陳學鋒(1976-)，男，安徽太湖人，高級工程師，主要從事水工環(huán)、地熱地質基礎研究工作。