摘要
南阳温泉作为香溪河岩溶流域一种独特的地下水类型,由于其特殊的地理位置,其成因模式及热水资源可开采量一直备受关注。开展岩溶区的水文地质调查工作,能够查明岩溶区含水系统的空间结构,识别岩溶地下热水成因机制,确定岩溶区地热水水文地质参数,这对南阳温泉的可持续开发利用具有重要的理论基础和实际意义。本论文依托中国地质调查局项目,以香溪河流域南阳温泉为例,基于水文地质学、水文地球化学及地下水动力学等理论方法,从定性和定量两个方面开展岩溶地热水水动力特征研究。定性方面旨在通过水文地质勘查、水化学、环境同位素等方法分析岩溶区地下水水化学特征,识别三峡岩溶区地热水水流运动规律,从而构建岩溶地热水成因模式概念模型。定量方面是以地热水成因模式为基础,结合岩溶区含水介质特性和野外井流试验资料,构建岩溶区地下水双重介质非完整井解析模型和水热数值模型,探究岩溶含水层水文地质参数反演方法,确定岩溶地热水含水层参数,为香溪河流域南阳温泉的可持续开发利用提供理论依据和技术指导。主要取得以下成果:南阳温泉地热水补给来源为九冲断裂西北端的神农架山区大气降水,水化学类型为Cl-Na型,大量的岩盐、白云石等矿物的溶解,造成高浓度的Na~+(590.0 mg/L)、Cl~-离子(780.5 mg/L)、总溶解性固体(TDS)(1806.7 mg/L)和微量元素(Sr,F),径流途径长,水岩相互作用充分,属于区域深循环水流系统。浅层岩溶冷水水化学类型为HCO_3-Ca或HCO_3-Ca·Mg型,径流途径短,水岩反应程度低,属于局部浅循环水流系统。综合考虑不同地热温标结果、流体-矿物平衡法,以及硅焓混合模型结果,最终估算出南阳温泉的实际热储温度范围为136.4~145.0oC,平均值为141.8oC,循环深度大约为3623m。利用硅-焓混合模型及图解法计算出南阳温泉地热水大约由84.9%的浅层碳酸盐岩地下冷水与15.1%的深部地下热水混合而成。综合以上分析总结出南阳温泉成因模式如下:岩溶热水通过九冲河中、上游神农架山区的大气降雨补给,渗入神农架群变质岩裂隙含水岩系统,并通过汇入基底深大断裂-九冲断裂,深入地壳深部,地下水沿着九冲断裂运移、加热,集水向下、向南径流至南阳镇北遇北北东向区域断裂新华断裂相交处,受阻于不透水层南华系南沱组冰渍泥岩、寒武系石牌组页岩,沿着区域断裂交汇破碎带上升,混入局部水流系统的浅层碳酸盐岩溶洞裂隙冷水,至地表出露,形成温泉。研究区碳酸盐岩含水层呈现双重介质特性。其中,溶孔、中宽裂隙及断裂带发育的溶洞,是地下水快速运动的通道,起导水作用;微裂隙、孔隙介质组成的裂隙网络,为含水介质的主要部分,在地下水运动过程中起储水、调蓄作用。以此为基础,结合野外井流试验的非完整井影响因素,构建了岩溶含水层双重介质非完整井概念模型和解析模型,并成功用于野外抽水试验资料反演碳酸盐岩含水层水文地质参数。结果表明:寒武系石龙洞组岩溶含水层溶洞裂隙系统水平向渗透系数为1.2 m/d,垂向渗透系数为0.41 m/d,单位储水系数为0.08 m~(-1),基质系统单位储水系数为为0.1 m~(-1),水量交换系数u为0.8 m~(-2)。覃家庙组岩溶含水层裂隙系统水平向渗透系数为0.31~0.82 m/d,垂向渗透系数为0.05m/d,单位储水系数为2×10-4~5×10~(-4) m~(-1),基质系统单位储水系数为4×10~(-3)~8×10~(-3) m~(-1),水量交换系数u为0.005~0.02 m~(-2)。误差范围在0.24~1.304之间,拟合结果符合精度要求,其方法可推广到其它类似的双重介质非完整井含水层中。以南阳温泉成因模式为基础,建立水文地质概念模型,并结合浅层碳酸盐岩含水层参数反演结果,构建地下水解析解模型和地下水热三维数值模型,并利用2016年8月5到2016月8月12号开展的群孔抽水试验数据进行模型的识别和验证,进行地热水的水文地质参数识别。结果表明,奥陶系灯影组地层导水系数为532.32 m~2/d~781.21 m~2/d,压力传导系数3.825×10~6m~2/d~5.475×10~6 m~2/d;南阳温泉深部地热水导水系数为95.06 m~2/d~184 m~2/d,储水系数为2.56×10~(-3)~4.32×10~(-1)。模拟值与实测值相对误差范围为1.7%~15%,模型结果较为可靠。本文的研究成果加深了对南阳温泉水动力特征的认识,不仅为南阳温泉的热水资源评价及可持续开发利用提供理论依据,而且为岩溶区该类地热水资源调查、水文地质勘察试验及水文地质参数确定提供了新的技术方法。