河南省魯山縣百里溫泉地熱資源的成因分析

摘要：車村-下湯斷裂帶是魯山縣百里溫泉形成的主要控熱構

造。從地熱形成特點出發：車村-下湯斷裂帶應由北部的車村-下湯斷層、南部的二郎廟-湯溫廟斷層及其以東的糜棱巖帶和兩大斷層之間的強破碎帶組成，它是一條長期活動的深大斷裂帶，新構造期仍有活動。文章認為，百里溫泉高氟、高偏硅酸主要來源于巖漿中的氟與硅，百里溫泉的出露主要受斷層交匯破碎帶和水壓力控制。

關鍵詞：百里溫泉車村-下湯斷裂帶熱源熱儲地熱流體魯山

1 概況

河南省魯山縣百里溫泉位于魯山縣城西約10km以西的外方山和伏牛山之間的沙河河谷兩側，其在約30km距離內等間距的出露于上湯、中湯與溫湯廟、下湯和堿場（圖1）等地。除溫湯廟溫泉以單一泉出露外，其余均呈泉群出露，共計有19個泉眼。實測其總自流量為180.62m3/h，泉水溫度26～62℃，水化學類型為HCO3·SO4-Na型，PH值7.8～9.04，礦化度0.36～0.57g/L，氟含量15～24.85mg/L，偏硅酸含量為52～97.5mg/L，屬氟、偏硅酸醫療熱礦水。因此，研究魯山縣百里溫泉地熱資源的成因具有一定的理論和實踐意義。

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圖1河南省魯山縣五大溫泉出露條件示意圖

2 關于車村-下湯斷裂認識問題

魯山縣百里溫泉出露于車村-下湯斷裂帶內部，地熱資源形成與溫泉出露嚴格受車村-下湯斷裂帶控制，兩者之間具有密切的聯系，這是地熱地質工作者的共同認識。雖然對車村-下湯斷裂有較多的研究，但也存在不同認識，斷裂帶邊界確定和新構造活動研究不足。1978年，原河南省地質研究所出版的《河南省基巖地質圖及說明書》將車村-下湯斷裂稱為“車村-魯山大斷裂”，與欒川-明港-固始深斷裂并列。1989年出版的《河南地質志》，將車村-下湯斷裂歸并于欒川-明港-固始深斷裂帶內，其共同點均認為是深大斷裂。上述研究為我們提供了斷裂形成時間、規模、切割深度、活動強度、活動性質等資料和證據，但未涉及斷裂范圍或邊界以及新構造期斷裂活動特點與證據等。

3 關于熱源問題

“熱源”是地熱資源形成的基礎，是地熱資源潛力分析和評價的依據。傳統地熱理論認為：地熱資源形成的“熱源”主要有地幔熱、巖漿巖余熱和放射性元素衰變放熱等。

據了解，關于魯山縣百里溫泉地熱資源形成的“熱源”至今未做過專門勘查與研究工作，也很少對其進行過較詳細的探討。“魯山幅1：20萬《區域水文地質普查報告》”（1983年）曾對百里溫泉地熱資源形成的“熱源”進行過專門分析，該報告認為，百里溫泉熱源有兩種可能性：其一是地下水通過斷裂和剖面“X”節理通過深循環，受地殼本身加熱而形成地下熱（礦）水；其二，受酸性侵入巖的余熱和放射性礦物的蛻變放熱作用而形成的熱（礦）水。前者為地熱增溫型，后者為巖漿余熱+放射性熱型。除上述兩者外，熱源也可能屬于二者兼而有之。有專家認為，古近系以前的巖漿巖，由于形成時間達千萬年以上，其余熱已釋放殆盡，故對地熱資源形成的可能性很小。從1975年地質力學研究所黃尚瑤等在上、中、下湯進行的水化學分析也證實，溫泉水含有一定量的“U”和“Ra”等放射性元素，但值得懷疑的是除盧氏、欒川、商城和百里溫泉外，其它花崗巖分布區為什么未形成溫泉或地熱田，這一現象除地質構造影響外，很可能與熱源有關。因此，放射性蛻變放熱對百里溫泉地熱資源的形成不是主要的。

4 關于熱儲問題

《地熱資源勘查規范》對熱儲的定義是：“指埋藏于地下，具有一定有效空隙度和滲透性的地質建造（地層、巖體或構造帶），其中儲存有一定的地熱流體可供地熱開發生產。”熱儲可分為層狀熱儲與帶狀熱儲兩種類型。

地熱理論認為，地熱田可分為沉積盆地型和隆起山地型兩種類型。前者分布于構造盆地之中，根據地層埋藏深度、形成時代，熱儲呈多層狀結構特征，以面狀分布為主，為深度熱傳導供熱，地溫隨深度而增加，常具有明顯的地溫梯度，屬地熱增溫型地熱類型；后者分布于隆起山地之中，溫泉多出露于山地負地形之中，嚴格受地質構造控制，熱儲以帶狀為主，根據對流型斷裂深循環地熱形成特征，溫泉是隆起山地型地熱資源的主要顯示方式。

魯山縣百里溫泉地熱田屬隆起山地型地熱田，它分布于車村-下湯斷裂帶內部，其熱儲展布特征、水熱對流與儲存、溫泉出露等，嚴格受車村-下湯深大斷裂控制，以南、北兩大斷層為邊界，熱儲總體上呈近東西向帶狀展布。1997年，“魯山縣五大溫泉地熱資源普查”中，曾用K-Na地球化學溫標計算五大溫泉熱儲溫度為92.64～181℃，采用熱水初焓和SiO2終焓圖解法求取的熱儲溫度為157～220℃；冷水混入份額可達71.5～83.5%。很顯然，上述計算的熱儲溫度與泉水溫度有一定的差異，如果計算的溫度有一定可信度的話，計算的熱儲溫度不是淺部的熱儲溫度，很可能是深部斷裂深循環帶內的熱儲溫度。由此，認為：百里溫泉熱儲可以分為“深部熱儲”和“淺部熱儲”兩種類型，不認識這一特征，就不可能正確計算、評價地熱資源。

上述等等均說明，百里溫泉具有復雜的熱儲結構特征，它可能有深部熱儲和淺部熱儲兩種類型。我們主張將斷裂深循環帶劃為深部熱儲，其熱儲溫度可能接近地球化學溫標計算或作圖求得的熱儲溫度值，它是高溫熱水循環、儲存帶和淺部熱儲供熱帶，熱儲的形成主要受車村-下湯斷裂帶南、北兩大斷層所控制。淺部熱儲主要分布于斷裂帶內部，受斷裂帶北東北西向展布的控制，它是深循環地熱水上涌，在淺部與基巖裂隙地下水混合、運移、儲存空間，熱儲熱源主要來自深循環地熱水釋放的熱量，也可稱水熱增溫型熱儲。它是一個開放的熱儲，增溫、保溫能力差。涼水的混入份額主要決定于深循環地熱水的水頭壓力和涼、熱水的數量比例。從堿場86m深井水溫變涼的實例，淺層熱儲超量開采，水頭壓力降低可增加涼水混入量，對其實施回灌補源可能是一種錯誤的措施。上述也說明，淺部熱儲由于地質構造的復雜性和有效裂隙發育的不均一性，引起地熱流體和溫度變化的復雜性及不均一性，為地熱資源計算與評價增加了難度。因此，百里溫泉地熱資源如何計算與評價是值得今后勘查研究的關鍵問題。

5 關于百里溫泉地熱流體起源與形成年齡問題

地熱專家一致認為：無論沉積盆地型地熱田，還是隆起山地型地熱田，其地熱流體均來自大氣降水補給。不同位置、不同層位的地熱流體，其補給位置和補給高程是不同的，因此，勘查研究百里溫泉地熱流體的補給位置與高程，對地熱資源計算與評價是有參考價值的。根據百里溫泉所處的區域地形地貌、地質構造特征，以及百里溫泉水化學從西到東的變化特征，我們認為百里溫泉地熱流體的補給位置很可能位于溫泉群西部的木札嶺-石人山一帶或其以西地區。因此，建議在百里溫泉勘查研究中，首先在上述地區建立雨水采樣站，分季、分年度采取雨水樣品，進行δD、δ18O穩定同位素分析，建立當地大氣降雨線。然后在百里溫泉范圍內采取溫泉水樣、淺層地下水樣和河水樣進行穩定同位素分析，建立大氣降水與溫泉地熱水δD-δ18O關系線和計算方程，以便確定百里溫泉地熱流體的補給位置和補給高程。

地熱流體的形成年齡可以幫助研究地熱流體補給速度和補給距離等問題，是地熱流體補給強度和更新速度的指標。地熱流體形成年齡常用放射性同位素測定予以確定。目前，有近十種放射性同位素測定方法來研究地下水和地熱流體的形成年齡，但最常用的方法有3H和14C兩種地熱流體形成年齡放射性研究方法。故建議在今后百里溫泉地熱資源勘查研究中，加強這方面的測試與研究，為地熱資源的計算與評價提供更為科學的依據。

6 關于百里溫泉溢出形成問題

溫泉是地熱資源在地表的直接顯示，溫泉溢出形成嚴格受斷裂構造控制。斷裂構造破碎帶一方面為地熱流體或地下水補給、徑流和儲存提供了有效空間和通道條件；另一方面，斷層面、壓性斷層、擠壓片理化帶以及泥質充填或蝕變礦物充填堵塞，具有隔水、阻水徑流運移的性能。當地熱流體或地下水在徑流運移過程中遇到隔水或阻水構造，或者遇到上覆壓力較小的強破碎帶，在水頭壓力作用下，上升成泉溢出地表，這是溫泉和一般上升泉的形成特征。另外，上述阻水構造還可能具有阻熱、隔熱作用。下湯原浴池院內有2個人工開挖的泉坑，呈南北向分布，兩個泉坑相距2m左右，深2m左右，北泉坑水溫22℃，南泉坑水溫61℃，溫差39℃。在2003年熱2井的三次降深抽水過程中，南泉坑水被疏干，北泉坑水位僅下降17cm。據1997年調查，在下湯泉域東部見一寬僅1m的擠壓片理化帶，呈東西向延伸，按方向推斷，大致位于兩泉坑之間。由其說明，擠壓片理化帶或壓性斷層不僅有隔水阻水作用，還有隔熱、阻熱的效應。

據1997年魯山五大溫泉淺部物探成果表明：各溫泉出露區均有兩條以上不同方向斷層在溫泉出露附近交接。不同方向斷層交接部位應該是巖石或地層最破碎、構造風化裂隙最發育的部位，上覆蓋層極薄或上覆壓力小，而百里溫泉地熱流體在原始條件下都具有較大的水頭壓力，在水頭壓力作用下，沿斷裂破碎帶上升成泉，應該是一種必然的自然現象。

我們認為：車村-下湯斷裂帶北部的車村-下湯邊界斷層和南部的二郎廟-溫湯廟邊界斷層以及東部的糜棱巖帶均具有切割深、延伸遠的特點，它對深部熱源供給和斷裂深循環地熱流體的形成起著主導控制作用；而南北兩大斷層之間的北西、北東向小斷層是在兩大邊界斷層歷次活動局部應力場條件下形成的，大部未穿過兩大邊界斷層，雖然發育密度較大，但具有切割深度小的特點。它是斷裂深循環地熱流體在淺部的儲存帶或儲存空間，也是基巖裂隙涼水補給、運移儲存和混合的空間。

深循環地熱流體沿北部邊界大斷層破碎帶向東運移，遇北東向小斷層后向南西運移，至中湯眾斷層收斂或交匯部位在水頭壓力作用下，溢出成泉。據調查，北東65°走向的小斷層具壓性特征，也見一條走向355°近直立的壓性小斷層，它們對地熱流體向東徑流可能起到阻隔作用，也成為泉水溢出的條件之一；溫湯廟溫泉出露于斷裂帶南部邊界糜棱巖化帶與北西向蛾溝斷層交匯處，糜棱巖帶雖屬強應變帶，構造節理雖然發育，但以壓性為主，可能是溫湯廟泉流量小的主要原因；下湯溫泉北距北部邊界斷層3100m，北西向楊莊斷層是斷裂帶內規模較大的一條斷層，沿斷層多處見有不連續的硅化巖脈，該斷層從下湯泉域西部通過，7個泉眼呈近東西向分布，北部為近東西向擠壓帶，下湯溫泉的出露與分布明顯受這兩條斷層控制，其地熱流體主要來源于北部邊界斷層的深循環地熱流體；堿場溫泉出露于北東、北西向斷層交匯部位，地熱流體主要來自南部邊界斷層的深循環地熱流體，最早施工的86m深井由53℃熱水變成不能應用的涼水，也可能說明地熱流體從南部邊界斷層經與之相接的北東向斷層而進入堿場一帶的。

河南省魯山縣天然出露的溫泉無論在泉眼數量，還是溫度以及總自流量在全省來說都是無以倫比的。2012年11月22日，魯山縣被國土資源部正式命名為“中國溫泉之鄉”。這對魯山縣的知名度和經濟建設非常有利。

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