区域地热水化学特征及循环系统浅析
——以广西平果县某排泥库为例

覃满满QIN Man-man；邓忠DENG Zhong

（广西水文地质工程地质勘察院，柳州 545006）

0 引言

为应对全球气候变暖，作为负责的发展中国家，我国2020 年9 月提出2030 年“碳达峰”与2060 年“碳中和”目标。为实现这一目标，我国就要尽可能多地开发清洁绿色能源。地热是一种可再生的绿色清洁能源，存储量大、分布范围较大、环保低碳、稳定性强和可靠性好。中国是低温地热资源量丰富、具有很大开发空间的地热资源大国。在一些地区经常会有地热水冒出，为研究热涌出点的形成原因，本文将结合水文地质勘查成果，结合工程物探及钻探、孔内测温等手段对区域地热水化学特征及循环系统进行分析研究，为同样地区热储地质研究探明提供案例参考，为开发利用地热资源积累经验。

1 项目案例

2013 年6 月17 日至6 月30 日，平果县那塘村境内连续发生小级别地震群活动，震群活动持续了1 个多月（6月17 日～7 月30 日）。随之6 月17 日于平果某公司3 号排泥库下游南东约3km 处的龙来村上来屯前突然冒水，水质呈褐黄色，呈混合泥浆状，开始时水温达45℃，涌水量达到400～600l/s，悬浮物质含量最多时达到180g/L；同日，在3 号排泥库中也出现异常现象，在库内西南端1 号内坝附近也出现热水上涌现象，流量与上来屯涌水点相仿，水温也达46℃。同时，1 号内库西北角排气井周围和2号内库西南角库边也同时出露多个热涌出点。涌水点喷射水柱持续约十天后，翻滚状消失，至2013 年7 月9 日只见一小股水流出，实测水温达到43℃。

2 地热水文地质背景

2.1 区域水文地质条件

根据地层岩性及岩组结构特征、地下水的赋存条件及水动力条件和水理性质，勘查区内所在区域地下水类型可划分为碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水两种类型。碳酸盐岩类岩溶水又可细分为灰岩裂隙溶洞水和白云岩溶洞裂隙水及不纯碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水。3#排泥库位于中部龙来—百利水文地质单元中。中部龙来—百利水文地质单元是一个由背斜构造控制的地下水系统，基本上由碳酸盐岩岩溶水组成。单元内沿背斜轴部和东翼发育地下河系统—百利地下河系统，地下水以裂隙汇流、管道集中迳流为主要运移形式。

2.2 区域地质构造

研究区宏观上属后加里东准地台基础上发展而成的印支再生地槽，为右江再生地槽的水下隆起带，该区域从晚第三纪新构造运动以来，地壳一直处于间歇性的上升运动中，强烈的火山活动和基性岩浆侵入是本区重要的地质特征之一。本区构造复杂，褶皱、断裂发育，主要为印支运动所形成，构造线以北西向为主，次为东西向、北东向和南北向。研究区发育的深大断层为北西走向的右江断裂带，形成于印支亚旋回。近代，地震比较活跃，是广西重要的控震断裂之一。

2.3 研究区地质构造特征

研究区历经多期次的构造运动，在区内以发育NW 向褶皱及其平行断裂为基本特点。主要褶皱构造有果化复式向斜、雅朗背斜，研究区主要位于雅朗背斜中。

雅朗背斜：轴向呈北西—南东向，轴向长达25km，宽约7km，往北西、南东两端倾伏，北段西南翼陡、东北翼缓；南段西南翼缓、东北翼陡，甚至局部产生倒转，轴部产状平缓，部分地段接近箱状褶曲类型；背斜南东端趋于斜歪褶曲类型。雅朗背斜的东北翼和西南翼分别为太平向斜和果化复式向斜的西南翼和东北翼。

研究区的断裂构造以平行褶皱轴向的右江大断裂为主体，伴生一系列与之平行的次一级断裂，性质以逆断层为主，倾向多为SW 向，倾角较陡，3#排泥库在区域构造位置上处于右江褶断带中部上盘部位，位于右江复式向斜东南部的雅朗背斜轴部。

3 深部地热系统初探

3.1 热储及盖层条件分析

地热地质研究表明，能储存地下热水的含水层，即为热储层，它常具有较高的空隙率，富含地下水，热导率高。而含水极贫乏，空隙率低，形成区域性相对隔水的泥质岩类地层，其热导率低，是地热成生必不可少的良好的隔热保温盖层。目前地壳浅部的热量主要来自燕山期以来的岩浆及火山活动，在深大断层的通导条件下，水热气物质沿断裂裂隙向上运移。

研究区位于右江区域大断裂东侧，且地震活动频繁，有沟通深部热源条件；其二，热水出露的雅朗背斜形态复杂，北部倾伏端有宽阔的复式褶曲发育，上覆大面积的不纯碳酸盐岩夹碎屑岩可构成地热盖层；东侧又与太平向斜、旧城背斜相邻；这些褶皱构造分布于右江大断裂一侧（上盘），地层连续分布，次级断裂发育，对地下水的深循环有利；深部岩溶层是很好的热储层。

3.2 物探探测热储构造结果分析

为了初步查明这一系统的埋藏条件和深度，本次勘查在3#排泥库热水涌出点和上来屯涌水点附近相关的构造上布置了三条可控源音频大地电磁法（CSAMT）探测剖面，探测深度约为1200m。探测的目的是初步查明深部地层岩性分布、断裂构造位置、产状及岩溶发育程度和深度，见图1。

图1 CSAMT 物探线布置图

根据各剖面的地电结构特征结合地质资料等推断各剖面地质断面图。由于各测线岩性（灰岩）单一，在同等完整程度的条件下电阻率一般变化不大，从三条测线的电阻率等值线图看，每个剖面均出现了明显的低阻异常，推测为充水充泥的断层破碎带、溶蚀裂隙、溶洞引起，根据异常形态并结合地质资料作如下解释：

3.2.1 地层岩性

第四系（Q）：第四系松散层主要分布在岩溶洼地、谷地和山麓地带，主要为残坡积与冲洪积层。成分为粉质粘土，含角砾（或碎石）粘土等，厚度一般为1～6m。

基岩：测区山坡多为裸露灰岩，物探显示其视电阻率一般在500～30000Ω·m 之间，低阻对应较破碎且含水的灰岩，高阻对应较完整贫水的灰岩。

3.2.2 断层破碎带

根据各测线视电阻率等值线图上的低阻异常分布及往深部延伸大的特征，共推断有4 条断层破碎带。

3.2.3 岩溶发育情况及含水性

根据低阻异常的分布及形态推断岩溶强发育区，在垂向上分浅部岩溶和深部岩溶，浅部岩溶多分布在埋深300m 内，深部岩溶埋深多在400m 以下；在平面上岩溶分布受断层构造控制，一般沿断层带分布。浅部岩溶和深部岩溶由断层破碎带相连通，推断岩溶形态主要有溶洞、溶蚀裂隙，充填物为水和泥。在3-3′测线的1280～1600和4-4′线的520～840 段埋深约500～600m 之间可能存在一地下河或强岩溶发育带沿F4（区域编号F6）断层走向迳流。

3.2.4 综合分析

区内前人的勘探和调查资料表明，本区历史上并未发现热泉出露或地热异常，但矿区勘探中，在那荣向斜的布绒矿段，雅朗背斜倾伏端的大路矿段的勘探中，埋藏于三叠系地层以下的合山组（P2h）、茅口阶（P1m）灰岩岩溶层可构成承压含水层，向斜和背斜倾伏构造可构成承压贮水构造，三叠系碳夹碎地层可构成承压顶板盖层。

雅朗背斜构成的地层从翼部二叠系至核部的泥盆系为一套碳酸盐岩地层，岩性构成相对简单，以灰岩为主间夹白云岩和含泥质灰岩。

上述的物探探测结果表明，雅朗背斜的深部岩溶发育具有如下特征：

①2-2′剖面，位于背斜北部西翼，与那荣褶曲的交接地带。在2-2′电性剖面显示在地下150～500m 的深度范围内是一个凹形的电性界面，界面以上是相对低阻层，界面以下是相对高阻层。从该断面的地层岩性角度而言，界面上下岩性并无本质差别，唯一可能不同的条件是岩层的完整性和含水性的差别。因此，可以推断，该界面以上是浅层岩溶和地下水活动相对频繁的反映，而界面以下则是另一种岩溶环境，即受断裂构造控制的深部岩溶环境。即界面以下，低阻层依附断层分布，揭示岩溶作用在深部是在断裂构造影响下，地下水沿断裂带及其影响带进行深循环而发育了沿断层分布的深部岩溶带。由于探测深度的局限，该剖面上深部岩溶的展布并没有完全揭示，岩溶沿断裂向更深方向发育的趋势仍有显现，沿断裂岩溶发育深度大于1000m。

②3-3′剖面，位于雅朗背斜轴部。在3-3′电性剖面上，显示地下深度100～200m 深度也存在类似于2-2′剖面的电性层，但其另外显示出在该层之下存在一近似水平的低阻层，视厚度50～100m；该层之下才出现依附断裂延伸的低阻带。深部电性显示出靠近背斜轴部（龙帮洼地至龙香洼地西部）表现为高阻背景下的槽状低阻，东翼一侧（龙香洼地东侧）则表现为在断层一侧出现团块状的极低阻带，并有向东侧翼部扩展的趋势。这一低阻带的分布深度在500m以下，底板大于1000m 未见收敛。背斜轴部深部高阻带中的槽状低阻应是断裂破碎带的反映，其岩溶发育强度和地下水的活动强度应弱于东侧，即东部的背斜翼部因断裂的作用，深部地下水的循环强度和岩溶发育强于背斜核部。

③4-4′剖面是上来屯涌水点旁侧剖面，总体位置靠近背斜东翼。其探测结果与3-3′剖面类似，同样存在浅部岩溶层，水平岩溶带和深部岩溶带。不同的是，水平岩溶带在西北侧龙香洼地内厚度变小。深部岩溶带则与3-3′剖面相同，在断层东侧深部400～1000m 则是一个规模较大的低阻带，并具有往东延展的明显趋势。上来涌水点正好位于该低阻带之上。

以上特征表明，雅朗背斜的岩溶发育具有特殊性和复杂性。从物探揭示的深部岩溶分布特征看，地面调查所揭示的地下河系统仅是浅部岩溶系统的表层部分而已。在背斜构造中沿断裂普遍发育深部岩溶带，该岩溶带应是深部热水赋存运移所在，即深部热储层所在。

3.3 钻探揭示成果分析

按正常地热增温率2.5℃/100m 计算，当地表平均气温取21.7℃，地下1000m 处的地温约46℃。即当地下水向下循环至1000m 以下的地层中时，即可获得45℃以上的能量。从“6.17”地震的震源观测数据计算，本次地震的震源深度主要集中在3-7km。地下水循环在这一深度内，仅依靠正常地热增温即可形成热水。

本次的钻探工作，最大控制深度为300m，一般孔深为70～120m。从孔内水温测量结果来看，地温的异常分布则是显而易见的。钻孔孔内多次测温结果表明：

①CK01 号孔位于3#排泥库北侧，F7 断层带上，孔深201.02m。2013 年12 月至2014 年8 月的四次不同时段的测温结果反映，孔内水温变化在22.5℃～25.0℃，显示有低温热异常现象。不同深度、不同时段的温度变化处在一种不稳定波动状态，时间上处于缓慢下降的过程，垂向上处于向深部有缓慢的增温过程，显示热源的影响在该地段的深部，即所在的F7 断裂深部有热流体活动。

②CK02 号孔，位于3#排泥库西南热水涌出点的西北侧，位于F6 分支断裂F10 断裂带上，孔深299.27m。该孔的水温处在极不稳定的状态，变化在21.2℃～29.0℃。孔内水温除具有随时间缓慢下降的趋势外，在孔深150m 处两次捕捉到水温26℃～29.0℃的异常水温，但此水温极不稳定，测量当时随即校测就再没能捕捉到，上下温度一般只在21℃～22.0℃。

本次的钻探工作，最大控制深度为300m，一般孔深为70～120m。所勘查的几个钻孔，在当地地下水位以下均没有遇到有价值的岩溶通道，钻孔抽水试验表明，钻孔涌水量极小，孔内地下水的循环交潜很弱，孔内水温基本接近于地温。而地温异常很可能与本次地震活动造成深部热源向上运移形成的传导型地热晕有关。异常分布在构造上以F6 断层为中心向两侧减弱，平面上由3#排泥库至上来屯一带表现较明显，与热水出露基本一致。

综上所述，本区不论物探探测的深部岩溶发育程度，还是地表出现的热异常现象，都揭示出位于右江断裂带上盘的雅朗背斜轴部北部及东翼为地热活动异常区。结合本区的地质构造和热水出露史分析，本区的热储构造模型的一种可能是西部那荣向斜补给并储存→雅朗背斜封闭热力自循环→构造地震东部→F10 活动断层性质变化并导水→在3#排泥库出露。

另一种可能是旧城背斜补给向太平向斜深迳流→雅朗背斜封闭热力自循环→构造地震+热爆地震→F6 断层导水出露地表。即地下水由补给区向深部迳流，再向雅朗背斜运移，并在运移过程中取得热能，并进行热力自循环，在热力自循环过程中同时也塑造了深部岩溶，不断扩展贮水空间。在漫长的地质历程中，随着贮水空间的增大，热水体积也不断增加，积蓄的热膨胀力也越来越强大，最终在构造地震应力的协助下，最终发生热爆效应，冲破背斜中较薄弱的断层结构面，于近期最终出露于地表。据广西地震局对本次地震的观测研究表明，本次地震的地震波形在2km 以上浅部具有爆破和气爆地震的波形特征，后期还伴随有地下水作用波形，与上述的地质条件推断是吻合的，说明这次热水出露是地震作用和热水压力共同作用的结果。

4 结论与建议

①上来屯S50 号涌水点的出现是地震作用引发深部热水越流上升并激活地下河堵塞的东支流管道后复活的一种水文地质现象。地下河迳流管道复活是导致3#排泥库泄漏的关键因素之一。②3#排泥库3 号内库东侧物探探测到深部有规模较大的疑似岩溶发育带，推测可能为深部热水储存的热储层。该地段有F7 和F7-1 断层发育，是库区浅层岩溶最发育的地段。③深部热水系统是目前本区新发现且尚待深入研究的深部地下水系统。这次热水涌出现象，揭示了这一热水系统的存在。④这次现象表现出来的水温、水量特征，反映出这一系统不仅存在，而且规模较大。如果这一热水资源能得到深入研究，并加以有效利用，其社会效益和经济效益将是巨大的。⑤地热开发属高投入、高风险、高产出投资项目，鉴于工作区目前尚缺乏深部勘探地质资料，本次进行的可控源音频大地电磁测深亦无先验资料作对比，对地热井地层岩性划分、断裂构造推断可能存在有失偏妥之处。