鄂西地區氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源成因模式研究

王 辛， 葉 疆， 范 威， 江越瀟， 張 碩， 余 杰， 孫智杰， 劉 帆

(湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034)

能源是社會經濟發展的重要物質基礎，當前煤、石油、天然氣等傳統化石能源不僅消耗巨大，而且對環境造成的污染尤為嚴重，制約著中國經濟的可持續發展。地熱作為清潔和可再生能源，具有廉價、潔凈、分布廣泛、易于開采等多種優點，在市場需求的推動下，地熱資源開發利用正處于快速發展時期。2021年《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中對加快可再生能源開發提出了明確要求，科學合理地開發利用地熱資源，對構建資源節約型和環境友好型社會，促進國家節能減排戰略目標的實現具有重要的意義。

隨著鄂西地區經濟社會的發展，對地熱資源需求巨大，因此亟需在前人及近年來各領域勘探研究成果的基礎上，運用新的理論、方法手段，拓展思路，研究探索鄂西地區地熱控熱、找熱規律，尋求理論分析、勘探開采、產業突破。當前國內外對地熱資源的研究主要集中在地熱水水化學特征、補給來源與補給高程、熱儲溫度與循環深度等方面，為地熱水的勘探與開發利用提供了科學依據，但對氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源研究的較少，僅限于四川等地的鹽礦分布及成因分析[1-2]。本文在區域地熱地質條件的基礎上，結合水化學微量元素、氫氧硫同位素分析及圍巖地層的物質組成特征，探討鄂西地區氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源成因機制，建立其成因模式，為鄂西地區的地熱資源開發利用提供依據。

1 地熱地質背景

1.1 地形地貌

鄂西地區巖溶熱儲地熱資源地貌上屬川鄂褶皺山地，總體地勢北西高南東低。北部為近EW向展布的大巴山東段，主峰為小神農架，峰頂高程達3 105.4 m。南部為SW-NE向延伸的武陵山余脈，在綠蔥坡—云臺荒一帶構成了長江與清江的分水嶺，高程為1 800～2 000 m；以綠蔥坡為界，往南向清江漸低，往北向長江漸降。

圖1 鄂西地區地熱資源分布圖

1.2 區域構造

研究區處于新華夏系隆起帶(川鄂褶皺帶)中段、EW向構造帶和淮陽山字型西翼反射弧等3個構造體系的交接部位，彼此相互干擾。

新華夏構造體系主要為由中生代及古生代地層組成的一系列弧形褶皺、NE向緊密線性褶皺和壓性、壓扭性斷裂帶。構造型式有二種：其一，定型于印支期的新華夏系聯合弧形構造，主要由褶皺組成；其二，定型于燕山期的新華夏系復合式構造，主要由NE向的壓性或壓扭性斷裂帶及少數褶皺組成，與淮陽山字型西翼反射弧、EW向構造帶呈復合關系。

1.3 地層巖性

研究區地層除石炭系上、下統，泥盆系下統，三疊系上統和新近系缺失外，自前震旦系結晶雜巖至第四系松散巖類皆有出露[3-5]，其中主要出露二疊系、三疊系下統嘉陵江組碳酸鹽巖及中統巴東組碳酸鹽巖夾碎屑巖、碎屑巖。碳酸鹽巖在研究區廣泛分布，巖性以灰巖、白云巖為主，變化不大；碎屑巖分布在中部，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，出露面積不大；第四系松散巖類主要分布于江河溝谷兩岸、漫灘、各級剝夷面及山間洼地緩坡地帶。其中，夾于寒武系—奧陶系一大套碳酸鹽巖地層中的寒武系覃家廟組地層[6]，巖性為泥質白云巖，其沉積環境為咸化潮坪瀉湖沉積環境，該地層厚度<60 m，含有石鹽和石膏假晶。

1.4 地熱資源分布特征

鄂西地區氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源主要有3處(表1)，分別為鹽場河、鹽池河、湘坪地熱系統，出水溫度為34.5～42℃不等。

表1 鄂西地區氯化鈉型地熱資源概況

2 水化學特征及成因分析

2.1 水化學特征

研究區氯化鈉型地熱流體的化學成分是在長期的地質發展過程中形成的，它與地層巖性、地質構造以及水動力和熱動力條件的變化有著密切的聯系。

3個地熱系統的水化學基本特征[6-8]見表2。其地熱流體水化學成分的共同顯著特點是：pH值基本上呈中性偏堿性；溶解性總固體(TDS)為1 647.84～9 547.63 mg/L；水化學類型均為氯化鈉型(Cl-Na或Cl·SO4-Na);Cl-含量高，一般>761 mg/L，最高達5 401.43 mg/L；Na+含量也高，一般>511 mg/L，最高為3 339.2 mg/L；F-含量也較高，一般>3.39 mg/L，最高為5.5 mg/L。因此，研究區地熱流體屬于中性偏堿性低溫水。

表2 鄂西地區地熱流體水化學離子統計表(mg/L)

為更好地確定地熱流體水化學類型[9]，根據水化學分析中各離子的含量做durov圖(圖2)。由圖2可以看出，3個地熱系統的水化學特征比較相似，陽離子集中分布在鈉鉀離子端，陰離子集中分布于氯離子端，但是三者的礦化度差異較大，其中最低的是湘坪地熱系統，最高的為鹽場河地熱系統，其可能受到地熱系統的地熱流體穿過地層含鹽量的影響，鹽場河地熱系統所在的覃家廟地層富含鹽巖，因此礦化度最高[10]。

圖2 研究區水化學特征durov圖

2.2 地熱流體氫氧同位素特征及補給高程

按照氫氧穩定同位素的高程效應原理[10-11]，地熱流體中的δD和δ18O值隨著地下水補給高程的增大而減小。根據重慶地區大氣降水中氫氧同位素變化特征及與大氣環流的關系研究[12]，綜合各地區的δD平均值和海拔，進行加權平均δD和δ18O的高程梯度值分別為-2.70‰/100 m、-0.46‰/100 m。相對于δD來說[11]，δ18O受水巖同位素交換作用影響更大，因此采用δD值計算補給高程，最終3個地熱系統的補給高程在1 030～1 319 m(表3)，相對比較接近。根據高程及區域地層圈定了各地熱系統的補給區，其中鹽場河和湘坪地熱系統的補給區位于小神農架地區，受到神農架斷穹南翼裸露巖溶區補給；鹽池河地熱系統的補給區位于長陽背斜核部的巖溶裸露區。

表3 補給高程計算結果表

2.3 水化學溫標

在地熱(溫泉)區，可利用地球化學溫標來估算熱儲(基礎)溫度[13]，這種方法是建立在地熱流體與礦物達到化學平衡基礎上的。

據各地熱形成的地質條件和水化學特征及其計算結果對比[14]，由表4及表1可知，地熱流體的實際溫度較為接近二氧化硅化學溫標的計算值，而鉀鎂和鈉鉀鈣化學溫標的計算結果明顯偏大。由于各地熱流體中的NaCl主要來源于含鹽地層，并非深循環達到水化學平衡造成的Na+高含量，因此二氧化硅化學溫標的計算值最為合適，最終選取二氧化硅化學溫標的計算結果作為地熱系統熱動力平衡溫度。

表4 水化學溫標計算表

3個地熱系統熱動力平衡溫度中最低的為鹽場河，僅為59.53℃，最高的是鹽池河達91.68℃，其次是湘坪，為79.41℃，該相對結果也與各地熱系統的出水溫度一致。

2.4 循環深度

根據地熱系統地熱梯度、常溫帶埋深及當地年平均氣溫和按地球化學溫標來估算的熱儲溫度參數[15]，可以估算地熱系統循環深度(表5)。

表5 循環深度計算表

從表5計算結果可知，3個地熱系統循環深度均超過了2 000 m，其中鹽場河地熱系統的徑流深度最大為2 094 m，鹽池河地熱系統的徑流深度最大達3 670 m，湘坪地熱系統的徑流深度最大達3 068 m,三者均為地下水在循環過程中受到深部的大地熱流加熱而形成的地熱流體。

2.5 地熱流體成因模式

3個地熱系統具有相同的熱儲、熱源及蓋層特征，且均為斷裂對流型地熱資源，具備相似的地熱成因及賦存模式。

2.5.1熱儲

研究區熱儲主要為[16]寒武系—奧陶系的含生物碎屑白云巖、白云質灰巖、泥灰巖、含炭質灰巖等，該地層在區內廣泛分布，在地熱系統下游隱伏于志留系頁巖之下。據野外調查及鉆孔資料[5-7]顯示，受構造影響，巖體溶蝕現象發育，主要為溶槽、溶孔、溶洞等，多沿節理、層理面發育。碳酸鹽巖裂隙巖溶系統是區內地下熱水的主要儲存與運移場所(圖3)。

圖3 鹽場河地熱資源成因模式圖

2.5.2熱源

研究區無侵入巖及巖漿巖熱源，因此其熱源主要來自地下水沿深大斷裂進行深循環獲取的自然增溫，即自然梯度增溫。

2.5.3蓋層

研究區蓋層主要為志留系的(含)泥質巖類。地下水在循環的過程中，沿著斷裂及溶蝕通道進行深部循環，志留系的(含)泥質巖類和奧陶系的碳酸鹽巖分界處容易形成半封閉的地下水匯集區，因此志留系地層對地熱系統起到了隔水隔熱的作用，同時也控制了地熱系統的排泄。

2.5.4導水導熱通道

研究區內地下水的補給源主要為大氣降水，通過碳酸鹽巖出露區獲得補給。3個地熱系統均為由北向南通過構造巖溶向深部徑流，寒武系—奧陶系碳酸鹽巖是區內主要的熱儲層，巖性為薄—厚層狀微晶灰巖、白云巖、灰質白云巖、生物碎屑灰巖等，溶蝕現象發育，大量發育溶槽、溶孔、溶洞等，裂隙巖溶系統的存在為地熱流體的賦存、運移提供了場所，是區內主要的導水通道(圖4)。因此碳酸鹽巖構造巖溶為區內地下熱水的導水通道，巖溶發育程度主要受NE、NW向斷裂的控制。

圖4 鹽池河地熱資源成因模式圖

2.5.5氯化鈉型地熱流體的成因

據水化學資料[5-7]顯示，3個地熱系統的地熱流體礦化度達1 640～9 550 mg/L，水化學類型為氯化鈉型，氯化鈉含量最高達到8 920 mg/L，硫酸根離子含量也較高。

據統計，湖北省巖溶熱儲地熱系統大多數為硫酸鈣或者硫酸鈣鎂型地熱流體[17]。鄂西地區的氯化鈉型地熱資源反映了自身的地球化學環境特征，高含量的NaCl來源于覃家廟組的泥質白云巖[16]，覃家廟組地層為咸化潮坪瀉湖沉積環境，該地層含有石鹽和石膏假晶。地下水徑流穿過該地層，因而形成了高含量的氯化鈉水,泉水中高濃度的Na+和Cl-是由地層中的巖鹽溶濾引起的。覃家廟組地層在3個地熱系統中均有分布，由于不同地區巖層鹽巖含鹽的差異，以及石鹽和石膏假晶的分布不均，特別是水交替程度的不同，導致3個地熱系統具有不同的TDS和NaCl含量[18]。

從區域分布上看，研究區毗鄰四川盆地東部，川渝方向的礦化度和含鹽量都更高，這一點與四川盆地東部的鹽泉分布廣泛具有一定的相關性；雖然二者主要的含水地層均為碳酸鹽巖，但是四川盆地東部的鹽泉主要賦存于三疊系地層，而研究區內的氯化鈉型地熱流體主要賦存于寒武系—奧陶系地層中。

3 開發利用方向

開發利用地熱流體，主要是利用其熱能和地熱流體中的特殊組分，它們直接決定地熱流體的開發利用價值[19]。

研究區地熱資源屬低溫地熱資源，根據地熱流體溫度[20-21]可初步確定其主要用途(表6)。

表6 地熱流體開發利用溫度評價表

鄂西地區的氯化鈉型地熱流體均達到理療熱礦水水質標準，其為淡水，屬溫水及溫熱水，具有一定的開發利用價值。鹽場河可用于洗浴、溫室、養殖、農業灌溉等；鹽池河和湘坪可用于理療、洗浴、采暖、溫室、養殖等。

4 結論

鄂西地區氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源成因模式的建立，有助于下一步地熱資源勘查工作的開展，使勘查工作目標更為明確，工作布置更有針對性。隨著地熱勘查、研究工作的深入，對鄂西地區地熱成因模式的認識將會進一步加深。

(1) 鄂西地區氯化鈉型巖溶熱儲地熱資源分布廣泛，其形成與地層巖性、地質構造等關系密切。高含量的NaCl來源于覃家廟組的泥質白云巖，覃家廟組地層為咸化潮坪瀉湖沉積環境，含有石鹽和石膏假晶。地下水在徑流中穿過該地層，因而形成了高含量的氯化鈉水。

(2) 研究區熱儲主要為寒武系—奧陶系碳酸鹽巖類，碳酸鹽巖裂隙巖溶系統是區內地下熱水的主要儲存與運移場所；熱源來自地下水沿深大斷裂進行深循環獲取的自然增溫；蓋層主要為志留系的(含)泥質巖類；構造及巖溶裂隙為區內地下熱水的導水通道，巖溶發育程度主要受NE、NW向斷裂的控制。

(3) 研究區地熱流體溫度為34.5～42℃，屬低溫地熱資源溫水、溫熱水；地熱流體水化學類型為氯化鈉型，含有多種微量元素及組分，如氟、硅、鋰、鍶、偏硅酸等；地熱流體屬中性高礦化度中硬水、咸水，可用于醫療、洗浴、溫室、農業灌溉、養殖、土壤加溫利用等，具備較好的開發利用價值及潛力，開發利用技術經濟條件較好，建議加強對研究區地熱資源的開發利用。