隨縣新陽店地熱田成因模式分析

劉　勇, 陳金國, 譚　偉

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢　430074; 2.湖北省地質環境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

湖北省隨縣洪山鎮新陽店地熱田位于大洪山風景名勝區內,為湖北省著名的溫泉之一。大洪山國家級風景名勝區位于隨縣西南部,方圓330多平方千米,橫臥漢江,具有“一山分四季,十里不同溫”的氣溫特點。隨洪公路南北向貫穿溫泉區,往北可通往鐘祥、荊門,另有一條南東向公路可通往京山,交通十分便利。區內地熱流體的水化學類型為硫酸鈉鈣型,地熱流體的最高溫度為42 ℃。目前該地熱田已被廣泛開發利用,并取得良好的社會、環境和經濟效益。

1　區域構造與溫泉出露條件

1.1　區域構造條件

勘查區發育的耿集—古井深斷裂F1屬北西向具挽近期活動性的襄樊—廣濟大斷裂,以F1為界,東北部屬秦嶺褶皺系大構造單元,西南屬揚子準地臺大構造單元,新陽店溫泉即出露于該斷裂北東側。因此,北西向的F1斷裂即為地熱區內主要控熱構造。地熱區發育的北東向斷裂在區內規模較小,為與F1斷裂相互配套的地熱流體導熱構造。

1.2　溫泉出露條件

受區域性斷裂影響,溫泉出露點處于F1、F3交匯的復合部位。F1斷裂為NW向的壓扭性斷裂,切割深度大、延伸遠;F3為NE向張扭性平移斷裂。在兩斷裂復合帶為地下熱水的向上運移提供了良好的通道。

溫泉區人工湖是在原天然沖溝的基礎上改建而成的,受沖溝的侵蝕切割,其河床即為當地最低侵蝕基準面,這為溫泉的出露提供了非常有利的地形條件。

2　形成地熱田的地熱地質條件[1]

2.1　熱儲

熱儲系指被開發利用的熱流體的巖石或巖層。根據前期物探顯示及鉆探結果驗證,新陽店地熱田熱儲層主要由斷裂破碎帶組成。斷裂破碎帶主要由耿集—古井斷裂以及與之交匯的北東向斷裂交互切割形成。

2.2　熱儲蓋層

根據區域資料,在耿集—古井斷裂(F1)南側至鐘祥長壽和客店之間的地層為志留系,巖性由泥質粉砂巖、頁巖、粉細砂巖等巖石組成,總厚度約800～1 200 m。由于巖石中泥質成分含量較高，透水和儲水性能差,在局部地段發育的斷裂和裂隙均被泥質充填。因此巖石的熱傳遞性能較差,在耿集—古井斷裂(F1)南側至鐘祥長壽和客店之間形成天然的熱儲蓋層,阻止了地下熱量的散失,對下伏熱流場的熱源起到了保溫隔熱作用,為區域熱儲蓋層。另外在靠近耿集—古井斷裂南側一帶,出露地層主要為寒武系泥質白云巖,巖性致密、堅硬,裂隙多為泥質充填,其透水和儲水性能差,可視為弱—非含水巖類,在斷裂附近地表是良好的熱儲蓋層。但是在斷裂帶深部,由于受構造影響,巖石裂隙發育,具有一定的透水、儲水能力,在與熱儲層溝通部位賦存地熱流體。

在地熱田分布區,表層震旦系炭質灰巖含燧石條帶和結核,局部與石英砂巖互層,巖性結構致密,具有良好的保溫隔熱性能,在地熱分布區亦為熱儲蓋層。

2.3　控熱、導熱構造

綜合區內已有資料分析,耿集—古井斷裂(F1)是具有代表性的主干斷裂,切割深度和規模也是最大的,該斷裂在測區內沿N50°W方向延伸后在新陽店轉向N70°W方向,斷面較陡,切斷面具有舒緩波狀特點,傾角45°～70°左右,其中在陳家灣—庶家公社一帶,傾角超過70°,而在湯池廟—曾家灣一帶,傾角變緩,向南東方向逐漸間滅。其控制了震旦系地層與寒武系地層的接觸邊界,破碎帶寬可見10～20 m,膠結一般,在寒武系碳酸鹽巖中逕流的地熱流體至耿集—古井斷裂(F1)附近時逕流受阻,地熱流體沿破碎帶或張性裂隙(斷裂)向上盤和地面進一步傳導擴散,耿集—古井斷裂(F1)在區內為導熱導水斷裂。該斷裂在地面調查時可見,另外物探剖面上也為低阻反應。所布置鉆孔ZK1、 ZK2、 ZK3均可見破碎帶,溫泉出露點也在該斷裂與F3交匯處。

在陳家灣—新陽店中學分布的北東向斷裂(F3)在地熱田東南部邊界,大部被全新統沖積層覆蓋,傾向北西,傾角32°～75°,區內延伸長度900 m,斷面較陡,與耿集—古井斷裂(F1)切割交匯,為溫泉的出露創造了有利條件,同時斷裂也控制了地熱流體東側的分布和賦存,該斷裂在區內為導熱導水斷裂。

在地熱田北側田墻灣—新陽店中學一帶分布的北東向斷裂(F2)在區內延伸長約2.5 km,傾向北東,傾角45°～65°。地表局部可見破碎帶寬約5 m,其控制著震旦系地層與中元古界隨縣群接觸界線,地熱流體順北東向斷裂逕流至此,受其阻隔,未向北延伸,為區內阻熱阻水斷裂。

地熱田西側分布的湯池廟—樓子灣一帶斷裂(F4)平行于F3展布,大部被全新統沖積層覆蓋,傾向南東,傾角35°～55°,區內延伸長度600 m,斷面較陡,控制著地熱田西側邊界,在區內為阻熱阻水斷裂。

F5分布于地熱田東南部,區域上為耿集—古井斷裂延續,區內延伸長度約2 km,傾向南,傾角25°～60°,斷面較陡,受其影響,白堊系胡崗組(Kh)地層與震旦系地層呈不整合接觸,但與地熱田的形成無直接關聯(見圖1)。

2.4　熱儲層溫度

式中：t——熱儲溫度,℃;C1——水中鉀的濃度,mg/L;C2——水中鎂的濃度,mg/L。

圖1　新陽店地熱田構造示意圖

通過計算熱儲溫度為68.2 ℃。該溫度是地下熱水在熱儲溫度下與礦物達到了化學平衡時的熱動力平衡溫度。

利用此熱儲溫度推算地熱循環深度,公式如下：

式中：Z——地熱循環深度,m;t——熱儲溫度,℃,取68.2 ℃;t0——多年平均氣溫,℃,取15 ℃;Δt——地溫梯度,℃/100 m，取5.2℃/100 m;Z0——常溫層平均深度,m,取15 m。

經計算,新陽店地熱田的地熱循環逕流深度為1 038 m左右,該深度為地熱流體與熱儲巖石中礦物成分達到化學平衡時的深度。

2.5　熱源

根據混合溫標估算熱儲的平均溫度為68.2 ℃,其熱源為深部熱源。根據地熱田平均地熱梯度(5.2 ℃/100 m)、常溫帶埋深(15 m)及當地年平均氣溫(15 ℃)按地球化學溫標來估算的熱儲溫度參數進行計算,熱儲埋深1 038 m,即新陽店地熱田熱水的逕流平均深度為1 038 m左右,表明新陽店地熱田其熱動力平衡部位平均深度為1 038 m左右。與區域上志留系蓋層厚度基本一致。

地表水經逕流循環至深部,在深部吸收巖石熱量,溫度升高(即自然梯度增溫);另一方面,根據地熱流體放射性元素檢測結果,地熱流體中放射性含量較高,放射性物質在衰變過程中釋放熱量,較高的放射性含量說明了熱源來自地球深部。

3　地熱成因模式分析[2]

根據已有資料分析,本區內地熱流體的主要補給來源為大氣降水,且為高山降水補給,縱觀區域地質環境,可見北部、西部為變質巖分布區,東部為紅層地層分布丘陵區,這些地區都不可能構成地熱流體的補給源地。其南西鐘祥境內長壽—客店一點地表有寒武、奧陶系等地層出露,主要由灰巖、白云質灰巖或灰質白云巖、白云巖等碳酸鹽巖組成,巖石裸露,地表巖溶發育,利于地表降水的入滲補給,與地熱田的巖溶系統具有水力聯系,也為地下水的深部運移提供了通道。在南西翼巖石出露高程為500 m左右,是地熱區熱泉水出露高程的3倍左右,這樣天然的水頭差為地下水的深部循環創造了條件。

當大氣降水在重力作用下順碳酸鹽巖逕流系統向深部進行循環,加之地形高度的差異,為地下水的補給、運移、儲存提供了良好的地質條件。在奧陶系上部為志留系泥質成分含量較高的粉砂巖,形成了地熱的天然蓋層,既保護了地球深部熱量的散失,又為深循環的地下水吸收熱量儲備了能源。

當地熱流體逕流至湯池廟附近,由于耿集—古井深斷裂(F1)的切割作用,地熱流體沿破碎帶出露,形成溫泉(見圖2)。

圖2　新陽店地熱田成因模式剖面示意圖

4　結論

通過以上分析可以得出以下結論：

(1) 該地熱田屬斷裂深循環地熱增溫型地熱田,北西向構造(F1)為主要的導熱、控熱構造,在北東向構造與北西向構造共同作用下,形成了地熱流體的上泄通道;

(2)熱儲層主要由斷裂破碎帶組成。熱動力平衡部位深度為1 038 m左右,熱儲的溫度為68.2 ℃。區域熱儲蓋層為志留系—奧陶系頁巖,在勘查區內主要表現為表層第四系覆蓋物,不具有嚴格的保溫隔熱意義。補給區位于地熱田西南部的碳酸鹽巖裸露區,接受大氣降水入滲補給,在靜水壓力作用下,沿斷裂進行深部循環加熱,在新陽店地熱田附近富集形成溫泉出露。

參考文獻：

[1]GB/T 11615—2010,地熱資源地質勘查規范[S].

[2]劉勇.湖北省隨州市隨縣洪山鎮新陽店地熱田地熱資源可行性勘查報告[R].武漢：湖北省地質環境總站,2012.