湖北省興山縣石門地熱田地熱資源初探

雷深涵，郭 峰，華 騏，夏俊寶

(1．湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034;2．湖北省興山縣國土資源局，湖北興山 443700)

1 概述

2012年，湖北省地質環境總站對石門地熱田進行鉆探、物探，結合野外地熱地質測量，基本查明了石門地熱田的熱儲層、蓋層，建立了熱儲模型，在此基礎上，對地熱的形成進行了初步的探討和研究，并根據抽水試驗結果，計算出石門地熱田的儲量和可開采量。

石門地熱田的開發，將會提升鄂西生態文化旅游圈的旅游品位，對當地的經濟發展亦會起到明顯的推動作用。

2 地質環境條件

2．1 地理概況

興山縣南陽鎮石門地熱田位于香溪河上游、南陽鎮北西約2．50 km，神(神農架)—宜(宜昌)生態文化旅游公路旁、香溪河右岸。行政區劃屬宜昌市興山縣南陽鎮石門村管轄，交通極為便利。

2．2 地形地貌

興山縣南陽鎮地處大巴山及巫山余脈，地貌類型屬構造侵蝕溶蝕中山區。區內海拔高208～1 158 m，相對高差950 m。地勢總體上呈南東高北西低。由于河流強烈下切，香溪河流逕區兩岸大部分形成陡峭的峽谷地貌。

石門地熱熱水揭露點處于香溪河床較平坦部位，寬40～50 m，高程208 m，兩岸山高陡峻，山頂高程530．5～1 158 m，相對高差322～950 m。山體總體呈上陡下緩折線形，上部坡度50°～90°，下部坡度20°～50°。

2．3 地層巖性

勘查區及外圍出露的地層巖性主要為濱海—淺海相碳酸鹽巖和碎屑巖，自下而上主要為寒武系下統天河板與石龍洞組、中統覃家廟組及上統婁山關組;以及奧陶系下統南津關—牯牛潭組、中統—上統廟坡組與寶塔組。而志留系下統龍馬溪—羅惹坪組和中統紗帽組僅在南陽鎮及東面和勘查區東北面的王家壋向斜軸部出露［1，2］。第四系則沿河床及兩側山坡底部和凹地局部分布(見表1)。

2．4 地質構造

興山地處秦嶺大巴山區，為大巴山余脈與巫山余脈交匯處。石門地熱田處于揚子準地臺上揚子臺坪、神農架穹窿與黃陵穹窿之間由古生界寒武系與奧陶系碳酸鹽巖為主的分布區內，南與秭歸向斜毗鄰。本區一帶的構造線以NE方向為主，次為NW和NNW向，以及NEE—近EW向。受NE向的南陽斷層和同為NE向的湘坪斷層影響，勘查區內地質構造復雜(見圖1)。根據區域地質資料、地熱地質測量及地球物理勘探成果，區內主要發育13條斷裂，其特征見表2。

第四紀以來，以神農架穹窿為中心呈大面積間歇性拱曲隆起，部份斷裂有繼承性活動。近期的隆起中心移向香溪—宜昌間的西陵峽內。地殼隆起、斷裂活動和河流下切，造就了本區的構造侵蝕地貌，常見“V”型峽谷、谷中谷或“V”型斷裂谷，以及侵蝕三角面等地貌形態。受新華斷裂和板廟斷裂活動影響，近年時有地震發生。

圖1 區域地質構造略圖Fig.1 Sketch map of regional geology1．逆斷層;2．正斷層;3．斷層編號;4．溫泉出露點及溫度;5．水系及名稱。

3 地熱資源地質條件及成因分析

3．1 熱儲特征及其埋藏條件

南陽地熱資源的熱儲層分布在新華斷裂帶上，該斷裂走向 N20°E，傾 NW，傾角 50°～70°，北部則近于直立，長度＞54 km，水平斷距達16～20 km，切割深度超過2 000 m。斷裂帶地層巖性以寒武系白云巖為主，斷裂破碎帶表層寬度100～200 m，巖石擠壓破碎，碎裂巖和片狀破碎巖發育，為地熱流體的埋藏提供了良好的空間。

新華斷裂主干斷裂兩側平行發育了一系列次級羽狀斷裂，該斷裂早期為壓性兼反扭，后期具扭性兼張性特征，為地熱流體的逕流提供了較好的通道。

寒武系中統覃家廟組白云巖為主要熱儲層，斷層為地熱流體流通通道。

3．2 熱儲層

石門地熱田的熱儲層分布在勘查區及距勘查區15～50 km的新華斷裂帶上，該斷裂走向 N20°E，傾NW，傾角50°～70°，北部則近于直立，長度 ＞54 km，水平斷距達16～20 km，切割深度超過2 000 m。熱儲地層以寒武系白云巖為主，分布在志留系和奧陶系下部。新華斷裂破碎帶表層寬度100～200 m，巖石擠壓破碎，碎裂巖和片狀破碎巖發育，為地熱流體的儲藏提供了良好的空間。

3．3 熱儲蓋層

據本次地熱地質測量、物探和鉆探成果，初步分析南陽地熱為構造活動形成，地熱流體蓋層分為兩層，第一層為志留系下統羅惹坪組粉砂巖、頁巖，為局部蓋層，主要分布于勘查區NE側，距地熱出露點約2 km，其分布面積不大，對地熱流體的保溫作用較小;第二層為寒武系中統覃家廟組炭質頁巖，厚100余米，分布于整個勘查區，并延伸至新華斷裂帶，對地熱流體起到了較好的保溫作用。

表1 地層巖性特征表Table 1 Feature table of formation lithology

表2 主要斷裂特征一覽表Table 2 Schedule of main fracture characteristics

3．4 導熱導水構造

南陽地熱資源的地熱流體分布、儲存和排泄，均受斷裂構造的嚴格控制。

3．4．1 導熱阻水斷裂

區內發育的F4斷裂(壓扭性斷裂)是區內具代表性的主干斷裂，其切割較深，延伸較遠，具一定規模，控制了寒武系覃家廟組、天河板組婁山關組的接觸邊界，破碎帶寬0．5～3．0 m，所形成的構造巖(碎裂巖)膠結好，透水性差，起到一定隔水作用，在碳酸鹽巖中逕流的地下熱水，至斷裂帶附近流速減緩，或呈停滯狀態，其熱流又沿破碎帶或張性斷裂(或裂隙)向上進一步傳導擴散，F4斷裂是南陽地熱田的控熱構造。

3．4．2 導熱導水斷裂

F3斷裂走向 N22°E，傾 NW，傾角 70°～80°，為張性斷裂，破碎帶寬幾米至幾十米，斷層帶由構造角礫巖組成，斷層兩盤巖石揉皺、破劈理極發育，兩盤基巖為寒武系覃家廟組白云巖，此斷層所處大部分地段地層均為寒武系覃家廟組的巖層，含頁巖、石英砂巖較多。在泉點揭露附近見明顯階狀擦痕，裂隙面多見方解石結晶，局部有水蝕痕跡，由此可以推斷，此斷裂是地下水活動的良好通道。

3．5 熱源

新華斷裂為深大斷裂，地下水沿新華斷裂運移，經深循環加熱后，在石門附近富集，形成地熱(見圖2)。

3．6 地熱田的形成

南陽地熱的形成是特定地質條件的產物:

新華斷裂延伸長54 km以上，切深達2 000 m，切割了寒武、奧陶、志留系地層，斷裂在新華鄉以東呈多條分支，F3、F13就是分支中的兩支，F3斷層切割深度大、延伸遠，為地下熱水的向上運移提供了良好的通道;F13傾向不明，但根據物探資料推斷，為地熱運移通道。

地熱露頭區為寒武系白云巖，其上部為志留系—奧陶系地層，在地溫場區形成向斜，顯然有利于熱水資源的儲集。

在新華斷裂NW側大面積分布寒武系—奧陶系碳酸鹽巖，大氣降水通過該含水巖組入滲到地下深部，逐漸向地勢相對較低的SE部運移，遇活動性斷裂—新華斷裂的影響，地下水加熱成為地熱流體，沿地層層面和地勢低洼處逕流;香溪河在為南陽地熱田最大的河流，受香溪河的侵蝕切割，其河床即為當地最低侵蝕基準面，并切割了寒武系白云巖，這為溫泉的露頭提供了非常有利的地形條件。

圖2 地熱模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of geothermic model1．溫泉;2．地熱流體流向;3．志留系羅惹坪組;4．志留系龍馬溪組;5．奧陶系臨湘組;6．奧陶系寶塔組;7．奧陶系南津關組;8．婁山關組;9．寒武系覃家廟組;10．寒武系天河板組;11．寒武系石龍洞組;12．斷層及編號;13．白云巖;14．灰巖;15．頁巖;16．炭質頁巖;17．巖層產狀;18．巖層界線。

4 地熱資源儲量計算

4．1 邊界條件

根據取得的地質資料分析:地熱流體平面上分布于F3、F4、F13三條斷層控制所形成的一個封閉空間，地熱流體溫度在鉆孔內隨著深度的增加而增加的度數＜4℃，結合3個鉆孔巖芯分析，93．6～96．4 m 以下為炭質頁巖，分布較寬廣，厚度 81．31 ～87．60 m，分布均勻，巖性透水性較差，為熱儲蓋層。

根據二氧化硅地熱溫標估算的熱儲溫度來計算該地熱田熱儲埋深，南陽地熱田的熱儲埋深約在2 357．27 m，此深度可視為地熱循環徑流深度最大可達2 357．27 m，該結果可視為地熱流體的垂向分布深度。

4．2 熱儲溫度及可采量

根據二氧化硅溫標和Na-K地熱溫標計算，南陽地熱田熱儲溫度為71～92．63℃。

采用二氧化硅溫標計算，其計算公式為:

式中:C——地下熱水中可溶性SiO2含量，單位mg/L。

C=24．2 mg/L

因此本地熱田熱儲溫度在71℃左右。從溫泉熱水流出溫度及鉆孔測溫都能基本反映該熱儲情況，71℃是合理的。

采用Na-K地熱溫標計算，其公式為:

式中:C4——水中鈉的濃度(mg/L);C2——水中鉀的濃度(mg/L)。

鑒于Na-K地熱溫標是基于鈉長石和鉀長石在一定溫度條件下達到平衡而建立的，即在具備鈉、鉀長石平衡的天然水中，Na、K的含量比值是溫度的函數，這一比值不受以后溫度降低的影響到且不受降水稀釋或內部濃縮的影響，因此采用此法較為合適。

4．3 熱儲埋深(循環逕流深度)的估算

根據前述該地熱田地熱梯度，多年平均大氣溫度、常溫帶深度及用二氧化硅地熱溫標估算的熱儲溫度，來估算該地熱田熱儲埋深。

計算公式為下:

式中:Z——熱儲埋深(m);T——熱儲溫度(℃)，據前述92．63℃;G——地熱梯度(℃ /100 m)，該地熱田熱水的形成是地下水深循環的結果，地熱梯度按3．3℃/100 m(正常梯度增溫)考慮;To——多年平均氣溫(℃)，據縣志取15．5℃;Zo——常溫帶平均深度(m)，20 m計。

通過計算，該地熱田的熱儲埋深約在2357．27 m，此深度可視為地熱循環徑流深度最大可達2 357．27 m，是深部熱流體上升途中與下滲冷水相混合，并與巖石中礦物達到化學平衡時的最大深度。

4．4 地熱資源量計算結果［3］

利用熱儲法計算的地熱資源量為2．95×1011Kcal。利用體積法計算的地熱流體儲量為3．48×105m3。

可開采量的計算根據單井抽水試驗所獲得的資料，用干擾井群穩定流承壓完整井群涌水量公式進行計算。

按照以下公式計算(《水文地質手冊》):

可開采量的計算采用干擾井群計算及回收率法，計算結果見表3。

表3 可開采量計算成果一覽表Table 3 Schedule of calculation result of expleitable yield

由表3可知，用干擾井群計算時，地熱流體為1 953 m3/d，所獲得的熱量為 4．98 ×107Kcal/d，折合煤量28．95 t/d，折合發電量為0．241 241×104kW·h;

采用回收率法、采用0．20采收率，低溫地熱田服務年限為100年，每天所獲得的熱量為為3．3×107Kcal/d，折合煤量21．57 t/d，折合發電量為0．195 88 ×104kW·h。

可以看出，二者計算結果比較相差較大。

因為干擾井群計算法是根據試驗成果計算得出，而回收率法是推斷而來，相對而言，干擾井群的成果更為可靠，因此，石門地熱田的可開采量采用干擾井群計算得到的結果，即 4．98 ×107Kcal/d［5］。

地熱田的規模:根據《地熱資源評價方法》，地熱田劃分為大、中、小三種類型。其劃分方法是將有效利用資源量折算成發電量，然后按發電量大小劃分(表4)。

南陽地熱流體溫度為41℃，有效利用資源量折算成發電量為0．241 241×104kW·h;(最大值)，根據表4的判別標準，該地熱田屬小型地熱田。

為保護地熱資源以及有效的開發利用地熱資源，在勘查深度范圍內不宜增設新的地熱開采井。為保證地熱井的有效利用，應定期對地熱井進行監測及淘洗井工作。

表4 地熱田規模劃分Table 4 Scale division of geothermal field

4．5 地熱資源開采對地質環境的影響分析

根據本次勘察認為石門地熱田熱儲蓋層主要為寒武系中統覃家廟組中厚層狀白云質灰巖、炭質頁巖，厚100余米，開發利用地熱資源不會對地下水及地表水造成影響，也不會造成地面塌陷等地質災害;但在運用過程中所產生的污水則有可能對香溪河下游的水環境造成一定影響，在開發利用中應建立污水處理系統。盡量減少對環境的影響。

5 結論

石門地熱田的形成與新華斷裂和斷層構造關系密切，地熱田位于新華斷裂東南端。新華斷裂及其次生斷裂是石門地熱田的導熱、導水構造。

石門地熱田地熱流體溫度為41℃，屬低溫地熱資源。地熱流體水化學類型為弱堿性氯化鈉型水或Cl、HCO3－Na、Ca型中低溫礦化水，地熱流體中含有多種微量元素及組份，如氟、硅、鋰、鍶、偏硅酸等。地熱流體中氟含量達到了醫療礦水濃度，醫療、洗浴、溫室、養殖、土壤加溫等。

石門地熱田可開采量為1 953 m3/d;所獲得的熱量為4．98 ×107Kcal/d，折合煤量 28．95 t/d，折合發電量為0．24 ×104kW·h;資源量為 2．95 ×1011Kcal，地熱流體儲量為3．48×105m3;石門地熱田為小型地熱田。根據水樣分析成果評價，石門地熱田地熱流體可作為理療熱礦水，可用于取暖。

致謝:本次論文撰寫中得到了湖北省地礦局程伯禹、遲景硯及湖北省地質環境總站戴朝銘、陳海洋、桂承新、田正國、楚德亮等專家的指導，在此一并致謝。

［1］ 林堅．湖北省興山縣南陽鎮地熱田地熱資源地質踏勘報告［R］．武漢:湖北省地質環境總站，2010．

［2］ 雷深涵，林堅，郭峰．湖北省興山縣南陽鎮地熱田地熱資源勘查設計［R］．武漢:湖北省地質環境總結，2010．

［3］ 劉正峰．水文地質手冊［M］．北京:地質出版社，1978．

［4］ GB/T 11615－2010，地熱資源地質勘查規范［S］．

［5］ 雷深涵，等．湖北省興山縣南陽鎮石門地熱田地熱資源預可行性勘查報告［R］．武漢:湖北省地質環境總站，2012．