李澤威， 萬(wàn) 凱， 錢 鐳， 袁 飛， 郝智敏

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊(duì)，湖北 恩施 445000)

開(kāi)發(fā)利用地?zé)崴粌H能改善城鎮(zhèn)及周邊地區(qū)生活條件和旅游環(huán)境，還能在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和過(guò)程中發(fā)揮積極作用，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)地?zé)崴难芯恐饕性谔接懙責(zé)崴瘜W(xué)特征、補(bǔ)給來(lái)源及補(bǔ)給高程、熱儲(chǔ)溫度及循環(huán)深度等方面，為地?zé)崴目碧脚c開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。利川市忠路地區(qū)具有豐富的地?zé)崴Y源，但對(duì)于該區(qū)地?zé)崴难芯繋捉诳瞻?，僅有陳剛等[1]在2013年對(duì)利川市忠路鎮(zhèn)洞腦殼溫泉進(jìn)行過(guò)探索性研究，初步估算了該區(qū)熱儲(chǔ)溫度和補(bǔ)給高程，相關(guān)研究工作的不足嚴(yán)重制約了該區(qū)地?zé)崴Y源的勘探進(jìn)程。本次研究以利川市忠路地區(qū)為研究區(qū)，基于大比例尺的地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查和淺層鉆探，結(jié)合水質(zhì)和氫、氧、硫同位素分析測(cè)試，探討地?zé)崴瘜W(xué)特征及其補(bǔ)給來(lái)源，研究成果可為該區(qū)地?zé)崴倪M(jìn)一步勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)在地理位置上處于利川市忠路鎮(zhèn)—小河一帶，地勢(shì)整體西高東低。在大地構(gòu)造位置上處于上揚(yáng)子古陸塊川東前陸盆地之秭歸周緣前陸盆地，區(qū)域構(gòu)造形式以褶皺為主，斷裂次之，構(gòu)造線總體呈NNE向，背斜寬緩，向斜緊湊。本區(qū)位于忠路向斜北西翼，斷裂以七星巖斷裂為主(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of the study area1.三疊系中統(tǒng)巴東組；2.三疊系下—中統(tǒng)嘉陵江組；3.整合地質(zhì)界線；4.正斷層；5.層理產(chǎn)狀；6.含水層；7.隔水層；8.鉆孔地?zé)崴畼狱c(diǎn)；9.溫泉樣點(diǎn)；10.冷泉(河水)樣點(diǎn)。

根據(jù)地層巖性及其組合特征，將區(qū)內(nèi)地層劃分為10個(gè)含(隔)水層(巖組)，自下而上分別為：①志留系下統(tǒng)龍馬溪組—泥盆系上統(tǒng)寫經(jīng)寺組碎屑巖隔水巖組(O3S1l-D3x)，巖性以砂巖、泥巖為主，發(fā)育少量基巖裂隙，總體為隔水；②石炭系中統(tǒng)黃龍組灰?guī)r裂隙溶洞含水層(C2h)，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，富水性中等；③二疊系中統(tǒng)梁山組泥巖隔水層(P2l)，巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，隔水性能好；④二疊系中統(tǒng)茅口組與棲霞組裂隙溶洞含水巖組(P2m+P2q)，巖性以灰?guī)r為主，巖溶裂隙較發(fā)育；⑤二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M與下窯組泥巖、含炭硅質(zhì)巖夾灰?guī)r相對(duì)隔水巖組(P3l+P3x)，巖性以泥巖、含炭硅質(zhì)巖為主，相對(duì)隔水；⑥二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層(P3c)，巖性以中—厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r為主，巖溶裂隙、溶洞發(fā)育；⑦三疊系下統(tǒng)大冶組泥巖段隔水層(T1d1)，巖性為薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖，隔水性能好；⑧三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r段與下—中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r含水巖組(T1d2+T1-2j)，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，巖溶裂隙、溶洞、暗河發(fā)育；⑨三疊系中統(tǒng)巴東組—侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組碎屑巖隔水巖組(T2b-J2s)，巖性以砂巖、泥巖為主，總體起隔水作用；⑩第四系松散巖類孔隙含水層(Q)。

根據(jù)地層分布、巖性組合特征及地下水賦存狀況，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水三種類型，其中碎屑巖類裂隙水主要分布于東部，碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要分布于西部，松散巖類孔隙水多在河流兩側(cè)階地及大型巖溶洼地內(nèi)分布。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，大氣降水由洼地、槽谷等負(fù)地形匯集，通過(guò)落水洞灌入或溶蝕裂隙入滲的方式補(bǔ)給，沿溶蝕裂隙、巖溶裂隙構(gòu)成的導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)徑流，最終以巖溶大泉或地下河的方式集中排泄。區(qū)內(nèi)碎屑巖類裂隙水主要接受大氣降水或相鄰含水層(巖組)的補(bǔ)給，在層面裂隙、風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等裂隙構(gòu)造中貯存和運(yùn)移，以分散排泄為主。

1.2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3套熱儲(chǔ)層，自下而上依次為：①下部熱儲(chǔ)層，即茅口組與棲霞組，厚度>200 m，主要出露于齊岳山背斜南東翼，巖性以灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r為主，為碳酸鹽巖裂隙溶洞含水層；②中部熱儲(chǔ)層，即長(zhǎng)興組，厚305～380 m，出露于忠路向斜兩翼，巖性以中—厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r為主，巖溶裂隙、溶洞發(fā)育，富水性好；③上部熱儲(chǔ)層，即大冶組灰?guī)r段與嘉陵江組，厚度>1 500 m，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、含膏泥巖溶角礫巖，巖溶發(fā)育，富水性好。

區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)蓋層也劃分為3層，即：①下部蓋層，由龍?zhí)督M和下窯組組成，厚34.51～48.59 m，巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、含炭硅質(zhì)巖夾燧石結(jié)核灰?guī)r，起相對(duì)隔水、隔熱作用；②中部蓋層，由大冶組一段構(gòu)成，厚8.89～54.45 m，巖性以薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖為主；③上部蓋層，由三疊系中統(tǒng)、上統(tǒng)及侏羅系地層組成，厚度>1 500 m，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，保溫性能好。

大氣降水于熱儲(chǔ)層地表出露區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，通過(guò)巖溶孔隙向向斜盆地徑流，經(jīng)深部循環(huán)對(duì)流傳導(dǎo)，從圍巖中汲取熱量并匯集圍巖中的礦物質(zhì)和微量元素，逐漸形成地?zé)崴?，隔水層成為天然保溫蓋層。當(dāng)?shù)責(zé)崴畯搅髦林衣废蛐北蔽饕斫S部的洞腦殼一帶后，主要沿七星巖斷裂從深部上涌，沿?cái)嗔哑扑閹Ш土严?、巖溶發(fā)育帶出露形成溫泉和地?zé)崽铩?/p>

2 采樣與測(cè)試結(jié)果

2.1 樣品類型及測(cè)試項(xiàng)目

在地質(zhì)、水文地質(zhì)綜合調(diào)查基礎(chǔ)上，采集7組水樣(圖1)，用于水質(zhì)、氫氧同位素、硫同位素分析測(cè)試(表1)，水樣類型包括地?zé)崴?溫泉、鉆孔地?zé)崴?、冷泉、河水等，其中SHK1-S01、SHK1-S02分別為采自于SHK1鉆孔上、下層的地?zé)崴Ｋ|(zhì)分析在湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試儀器為GGX-600型原子吸收分光光度計(jì)，檢測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差<2.5%。氫氧同位素和硫同位素分析在中國(guó)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，氘、氧同位素測(cè)試采用L2130i型波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜儀，氚同位素測(cè)試采用Quantulus1220型超低本底液體閃爍譜儀，硫同位素測(cè)試采用MAT253型穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀，上述同位素檢測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差均<1‰。

表1 水樣類型及分析測(cè)試項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of water sample types and analysis test items

2.2 測(cè)試結(jié)果

2.2.1離子含量特征

2.2.2微量元素含量特征

研究區(qū)地?zé)崴?、冷泉和河水樣品化學(xué)分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，地?zé)崴谐鼺、Sr、Li、Br、B含量較高外，其他微量元素含量極低，甚至低于檢出限；冷泉和河水中各微量元素含量普遍較高，除F含量低于地?zé)崴猓渌⒘吭睾烤h(yuǎn)高于地?zé)崴?；地?zé)崴傆捕取⒌V化度高于冷泉和河水一個(gè)數(shù)量級(jí)，與離子含量分析結(jié)果具有一致的特征。地?zé)崴蠪濃度明顯高于冷泉和河水，推測(cè)與地?zé)崴谶\(yùn)移過(guò)程之中對(duì)含氟礦物的溶濾有關(guān)[2]。

表2 各水樣化學(xué)成分分析結(jié)果表Table 2 Results table of chemical composition analysis of water samples

2.2.3氫氧同位素特征

研究區(qū)地?zé)崴秃铀畼悠返臍溲跬凰胤治鼋Y(jié)果如表3所示。由表3可知，地?zé)崴畾溲跬凰胤治鼋Y(jié)果較集中，δDVSMOW含量為-65‰～-62‰，δ18OVSMOW含量為-9.7‰～-8.7‰；河水的氫氧同位素含量與地?zé)崴哂幸欢ǖ牟罹?，δDVSMOW含量為-47‰，δ18OVSMOW含量為-7.8‰。在δDVSMOW-δ18OVSMOW圖解中，地?zé)崴畼悠泛秃铀畼悠肪湓谟晁€附近(圖2)，表明地?zé)崴?、河水的補(bǔ)給來(lái)源均為當(dāng)?shù)卮髿饨邓甗3-4]。

表3 地?zé)崴⒑铀畼悠窔溲跬凰胤治鼋Y(jié)果表Table 3 Results table of hydrogen and oxygen isotope analysis ofgeothermal water and river water samples

圖2 地?zé)崴?、河水樣品δDVSMOW-δ18OVSMOW圖解Fig.2 δDVSMOW- δ18OVSMOW diagram of geothermal waterand river water samples1.地?zé)崴畼悠罚?.河水樣品；3.全球標(biāo)準(zhǔn)雨水線。

2.2.4硫同位素特征

表4 地?zé)崴?、河水樣品硫同位素分析結(jié)果表Table 4 Results table of sulfur isotope analysis of geothermalwater and river water samples

3 討論

3.1 水質(zhì)類型

根據(jù)研究區(qū)地?zé)崴?、冷泉和河水樣品離子含量分析結(jié)果(表2)，采用Piper三線圖[6-7]進(jìn)行投點(diǎn)，可看出地?zé)崴|(zhì)均為SO4-Ca·Mg型，屬硫酸鹽鈣鎂弱堿性微咸水；冷泉和河水樣水質(zhì)均為HCO3-Ca型，屬于碳酸鹽鈣堿性水(圖3)。區(qū)內(nèi)地?zé)崴c冷泉、河水在礦化度、水質(zhì)類型上存在明顯差別，這與地?zé)崴莼^(guò)程密切相關(guān)。由于地?zé)崴癫厣疃却?，徑流途徑長(zhǎng)，溶解—溶濾作用強(qiáng)烈，更容易從圍巖中萃取相關(guān)離子，從而造成離子濃度更高[8-9]。

圖3 各水樣Piper三線圖投圖結(jié)果Fig.3 Piper diagram of different water samples

3.2 熱儲(chǔ)溫度

根據(jù)研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)成分和溫度特征，可以判斷該區(qū)地?zé)崴畬儆谖闯墒焖偷蜏責(zé)崴甗1]。由于地?zé)崴械目扇苄許iO2主要由熱水溶解圍巖中的石英等硅質(zhì)礦物所致，且地?zé)崴竭_(dá)地面時(shí)無(wú)蒸汽損失，故采用無(wú)蒸汽損失SiO2地?zé)釡貥?biāo)法[10]計(jì)算地?zé)崴纬蓵r(shí)的溫度，即熱儲(chǔ)溫度。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：t為熱儲(chǔ)溫度(℃)；S為水中SiO2含量(mg/L)。

本區(qū)地?zé)崴甋iO2含量為11.8～15.0 mg/L(表5)，采用公式(1)計(jì)算得出熱儲(chǔ)溫度為44.7～53.0℃，平均為48.8℃。

表5 熱儲(chǔ)溫度及地?zé)崴h(huán)深度估算結(jié)果一覽表Table 5 Estimated results table of thermal storage temperature andgeothermal water circulation depth

3.3 地?zé)崴h(huán)深度

由于本區(qū)缺乏深部鉆孔測(cè)溫資料，故采用相鄰的來(lái)鳳縣頁(yè)巖氣勘查井測(cè)量的地溫梯度(2℃/100 m)來(lái)估算地?zé)崴h(huán)深度。地?zé)崴h(huán)深度計(jì)算公式[11]如下：

(2)

式中：h為地?zé)崴h(huán)深度(km)；t為熱儲(chǔ)溫度(℃)；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；GT為地溫梯度(℃/100 m)；h0為恒溫帶深度(km)。

本次計(jì)算t值采用表5中的數(shù)據(jù)，t0取值為15.2℃，GT取值為2℃/100 m，h0取值為0.03 km(經(jīng)驗(yàn)值)，采用公式(2)即可求出地?zé)崴难h(huán)深度為1 505.5～1 918.5 m。

3.4 地?zé)崴a(bǔ)給高程及補(bǔ)給區(qū)

根據(jù)大氣降水δ18O的高程效應(yīng)，可以推測(cè)地?zé)崴难a(bǔ)給高程[6]，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：H為地?zé)崴a(bǔ)給高程(m)；δG為地?zé)崴摩?8O值(‰)；δP為取樣點(diǎn)附近大氣降水的δ18O值(‰)；Go為大氣降水δ18O值的高度梯度(‰/100 m)；H0為取樣點(diǎn)高程(m)。

在計(jì)算過(guò)程中，δG取地?zé)崴畼悠返摩?8OVSMOW值，即δG=-9.7‰～-8.7‰；δP取河水樣品的δ18OVSMOW值，即δP=-7.8‰；Go選用鄂西地區(qū)大氣降水穩(wěn)定的δ18O高度梯度值，即Go=-0.22‰/100 m[12]；H0取值情況見(jiàn)表6。根據(jù)公式(3)計(jì)算得出本區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給高程為1 455.4～1 507.1 m。

表6 地?zé)崴a(bǔ)給高程計(jì)算成果表Table 6 Estimated results table of the recharge elevation of the geothermal water

綜上所述，本區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，補(bǔ)給高程為1 455.4～1 507.1 m，依據(jù)研究區(qū)高程范圍推測(cè)補(bǔ)給區(qū)為忠路向斜的北西翼，亦是齊岳山背斜的南東翼。忠路向斜北西翼出露地層有棲霞組、茅口組、長(zhǎng)興組、大冶組灰?guī)r段和嘉陵江組，巖性為灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r、白云巖、巖溶角礫巖等碳酸鹽巖，基巖裸露，地表巖溶發(fā)育，利于大氣降水滲入補(bǔ)給。大氣降水由忠路向斜北西翼滲入深部地層，經(jīng)深循環(huán)加熱并萃取地層中的礦物質(zhì)而形成地?zé)崴?，地?zé)崴蛑衣废蛐陛S部運(yùn)移，徑流至忠路洞腦殼一帶時(shí)，受控于七星巖斷裂而上涌，在斷裂破碎帶、裂隙巖溶發(fā)育帶形成地?zé)崽铮植垦刂鴶嗔哑扑閹в砍龅乇硇纬蓽厝?/p>

4 結(jié)論

(1) 利川市忠路地區(qū)的地?zé)崴疄镾O4-Ca·Mg型，利用石英溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度為44.7～53.0℃，根據(jù)地溫梯度估算地?zé)崴h(huán)深度為1 505.5～1 918.5 m。

(2) 經(jīng)氫氧同位素分析，認(rèn)為忠路地區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源為當(dāng)?shù)卮髿饨邓?，根?jù)大氣降水δ18O高程效應(yīng)估算地?zé)崴a(bǔ)給高程為1 455.4～1 507.1 m；經(jīng)硫同位素分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)地?zé)崴?4S值與嘉陵江組中的石膏硫同位素組成相近，表明大氣降水在下滲循環(huán)過(guò)程中與嘉陵江組碳酸鹽巖地層發(fā)生了以石膏溶解為主的水巖相互作用。

(3) 綜合分析認(rèn)為，忠路地區(qū)地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)可能主要為忠路向斜北西翼。

致謝：誠(chéng)摯感謝湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)李明龍博士、范先潔高級(jí)工程師在論文撰寫過(guò)程中給予的指導(dǎo)。