湖北省地下熱水成因類型及成礦模式分析

牛俊強, 蘇 呈, 廖 媛

(湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

湖北省地下熱水資源較為豐富,已發現的地熱田共62處,其中溫泉53處、鉆孔揭露發現的7處、礦坑揭露發現的2處。

1 地熱地質背景

湖北省處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶,省內西部、北部和東部大部分為高起的山地丘陵,中部偏南為低平的江漢盆地,江漢盆地向北,通過漢江地塹與南襄盆地相連。

省內巖漿巖以大別—呂梁期、加里東期、燕山期侵入巖為主,主要分布于大別山—桐柏山、鄖西—鄖縣、隨縣—棗陽、鄂城—大冶、九宮山—幕阜山和黃陵、調關等地。

省內地層發育比較齊全,除缺失下泥盆統和上志留統外,其它皆有分布。變質巖主要分布于大別山、桐柏山、大洪山、武當山,鄖西—鄖縣地區、神農架林區、幕阜山及大幕山區。

省內可劃分為若干個不同的構造體系,包括北西向構造、北東向構造、緯向構造或東西向構造、山字型構造、新華夏構造、南北向構造及各種形式的旋卷構造等等。其中,北西向構造、淮陽山字型構造、東西向構造和新華夏系構造,構成省內最基本的構造骨架,并控制著地下熱水生成和分布。

2 地下熱水成因類型

根據地下熱水形成的地質構造條件和賦存特征可劃分為兩種基本成因類型,即隆起斷裂型和沉降盆地型[1]。

2.1 隆起斷裂型

湖北省隆起斷裂型地熱資源分布廣泛,多分布于地殼隆起區或褶皺山地,沿斷裂帶展布,特別是挽近期活動性斷裂,深循環的地下水沿構造破碎帶上升至地表或淺部,常以溫泉形式出露地表。該類地熱資源多以斷裂為背景產出,一般分布范圍小,埋藏相對較淺,為低溫地熱資源。該類型地熱田有58處。

2.1.1 地下熱水特征

地下熱水溫度25～74 ℃。其中溫度60～90 ℃(熱水)的低溫地熱資源[2]8處,主要分布于鄂東北的英山縣、羅田縣,鄂東南的赤壁市,鄂中的應城市、京山縣、洪湖市等地;溫度40～60 ℃(溫熱水)的低溫地熱資源16處,主要分布于鄂東南的咸寧市咸安區、崇陽縣、通山縣、嘉魚縣、黃石市,鄂西興山縣、長陽縣等地;溫度(溫水)25～40 ℃的低溫地熱資源34處,主要分布于鄂中部地區,其次是鄂東南、鄂西南地區。

地下熱水化學特征與巖性、溫度等密切相關。變質巖、巖漿巖區斷裂帶裂隙水交替循環僅限于斷裂帶中,與巖體接觸面積小,礦物成分難溶,因而水的礦化度比沉積巖同等溫度地下水礦化度小,陽離子一般以鈉離子為主,次為鈣、鎂離子,陰離子一般以硫酸根離子為主、次為重碳酸根離子;碳酸鹽巖分布區,地下熱水沿著不同的巖溶裂隙管道匯集斷裂帶,并沿斷裂帶作深部循環,途徑長,水溫高,交替循環時間長,因而水對礦物的溶濾作用強,水的礦化度一般較高,陽離子一般以鈣離子為主,次為鎂、鈉離子,陰離子一般以硫酸根離子為主、次為重碳酸根離子,鄂西局部地區巖層中含鹽層,地下熱水中陰陽離子以氯離子、鈉離子為主。

不同地熱田不同溫度的地下熱水,各種離子成分含量和礦化度不盡相同,其一般規律是水溫越高,水的循環深度大、途徑長,水與圍巖循環交替溶濾作用強,水中各種離子的含量及礦化度愈高,相反則低;而同一地熱田不同水溫各類離子的含量及礦化度的變化,受冷水混合程度的大小所制約,冷水混合的比例越大,則各類離子及礦化度的變化越大。氟離子、偏硅酸、鍶、氡等是地下熱水中主要特征組分,大部分地熱田均有理療價值,符合理療熱礦水的有42處。

2.1.2 地熱地質特征

熱儲層主要有變質巖熱儲、巖漿巖熱儲、碳酸鹽巖熱儲。變質巖和巖漿巖在區域上大部分透水性不好,含水不豐富,且沒有明顯的蓋層,地下熱水主要沿斷裂帶及其周圍裂隙運移、匯集,其賦存具有典型的帶狀水特點,為帶狀熱儲;碳酸鹽巖中普遍發育有不同程度的巖溶現象,巖石透水性較強,地下熱水的運移、聚集主要沿斷裂帶以及裂隙巖溶系統進行,但一些巖溶洞穴和巖溶系統也為地下熱水的生成提供運移、賦存的良好途徑和場所,地下熱水蘊藏量較豐富。在碳酸鹽巖地層區有多相巖層建造時,與其相間的或分布其上的頁巖,透水性差,導熱率低,隔水或相對隔水,構成熱儲體的良好蓋層,對地下熱水起著保溫作用[3]。熱儲層屬條帶狀兼層狀熱儲。

省內未發現新生代以來的火山活動產物,巖漿熱源存在的可能性不大。地熱田熱源多為自然梯度增溫。

變質巖、花崗巖地區導熱斷裂多為區域性主干斷裂,且多為活動性斷裂,斷裂及其破碎帶是地下熱水循環徑流的主要通道;碳酸鹽巖地區導熱構造主要為深大斷裂、褶皺及受其影響的裂隙巖溶系統,地下熱水在斷裂破碎帶或裂隙巖溶系統中運移徑流。

地下熱水多以天然溫泉露頭出露于斷裂溝谷、背斜侵蝕谷地、半封閉背斜和山地與平原接壤部位,少量為人工揭露。溫泉排泄區多出現在斷層或破碎帶,特別是斷層或破碎帶與地形低相遇的地方。導熱斷裂及與其相切的次級張扭性斷裂的交匯部位,往往是深部地下熱水的上升通道。

2.1.3 補給來源

地下熱水中穩定同位素δD值為-72.7‰～-40.5‰,δ18O為-10.08‰～-6.4‰,兩者關系曲線與全球大氣雨水線(δD=8δ18O+10)基本一致(圖1),表明地下熱水來源于大氣降水[4]。

圖1 湖北省地熱田地下熱水δD～δ18O關系圖Fig.1 Relationship between geothermal water δD～δ18O in geothermal field of Hubei Province

另外地下熱水溢出的氣體成分N2占95%～98%,也顯示熱水的補給來源于大氣降水。

綜上,大氣降水在補給區地形高處通過斷裂帶、破碎帶或裂隙巖溶系統入滲形成地下水后進行深循環,地下水在徑流過程中不斷吸取圍巖中的熱量成為溫度不等的地下熱水,圍巖地溫由正常或偏高的區域熱流從底部傳導供給。地下水受迫從補給區下滲開始循環,到達一定深度之后受導水斷裂控制轉為承壓上升徑流,在斷裂交匯或構造侵蝕有利部位以溫泉的形式出露地表,形成一個環流系統[5](圖2、圖3)。

圖2 湖北省崇陽縣浪口地熱田地熱成因模式圖(背斜式)Fig.2 Geothermal model of the geothermal field in Langkou of Chongyang County,Hubei Province1.頁巖;2.白云巖;3.灰巖;4.變質巖;5.地層界線及代號;6.斷層及運動方向;7.地下熱水徑流方向;8.地下水徑流方向;9.溫泉;10.大氣降水。

2.2 沉降盆地型

沉降盆地型地熱資源主要分布于江漢盆地、南襄盆地及溝通它們的漢江地塹、鄂東黃梅—廣濟一帶和其它一些山間小型新生代盆地。該類地熱資源一般埋藏在中、新生代內陸盆地中,分布面積大,埋藏深,溫度較高,為低溫—中溫地熱資源。該類型地熱田有4處。

圖3 湖北省胡家灣煤礦地熱田地熱成因模式圖(向斜式)Fig.3 Geothermal model of the geothermal field in Hujiawan coal mine,Hubei Province1.灰巖;2.石英砂巖;3.泥巖;4.煤層、炭質頁巖;5.礦坑熱水;6.地下水徑流方向;7.地下熱水徑流方向;8.大地熱流;9.大氣降水;10.鉆孔;11.地層界線及層代號。

盆地內堆積一套巨厚的中新生界碎屑巖類,地溫場狀態一般為正常增溫值區,水溫變化與地溫呈對應關系,隨著埋深增加而水溫呈遞增趨勢。其熱水含水層之上,一般都有較厚的隔水、隔熱蓋層,一旦鉆孔揭露,地下熱水有很高的勢能,并具有明顯的水、氣兩相運動特征。

以江漢盆地為例:地下熱水形成機制,可用層狀熱儲、熱傳導供熱的模式加以概括。

熱儲層分布很廣,漁洋組(Ky)、新溝嘴組、沙市組(Ex、Es)、荊沙組(Ej)、潛江組(Eq)、荊河鎮組(Ejh)和廣華寺組(Ng)的砂巖中都存在豐富的地熱(熱鹵水)資源,而覆于其上或間于其間的頁巖、泥巖、泥質灰巖則構成熱儲蓋層。

熱儲溫度主要受地溫梯度控制,供熱方式主要為熱傳導。

地下熱水以大氣降水入滲補給、地表水體的補給和周邊側向徑流補給為主,補給區位于北、西、北東地區的低山—丘陵區。部分地區由于遠離補給區,且深埋于白堊系—新近系碎屑巖中,地下熱水處在長期封閉環境中,水的交替循環極其緩慢。

表1 地熱成礦模式表Table 1 Geothermal metallogenic model

遠源補給的地下水,儲存于白堊—新近系碎屑巖孔隙裂隙中,由于上面覆蓋的新近系的陸源碎屑沉積物良好的保溫和隔熱的封閉作用,形成盆地型的低溫熱水型的地熱資源,盆地內次級構造邊緣主要導熱斷層的局部地段存在高溫中心,地溫從這些中心向邊界方向逐漸降低,通過人工開采的形式排泄。

由于遠離補給區,且深埋于震旦—新近系碎屑巖中,地下熱水處在長期封閉環境中,水的交替循環極其緩慢,在高溫長期溶慮作用下,礦化度高,水質為鹵水,水化學類型為氯化物硫酸鈉型水。

3 成礦模式

依據省內地熱地質背景、地熱成因類型和形成機理等,將省內地熱分為6個成礦模式(表1)。

4 結語

湖北省地下熱水成因類型分為隆起斷裂型和沉降盆地型,隆起斷裂型又分為變質巖式、巖漿巖式、背斜式、向斜式等4種成礦模式,沉降盆地型分為裂隙孔隙式和裂隙巖溶式兩種成礦模式。對地下熱水的成因類型、成礦模式進行研究,有助于制定合理的地熱資源勘查開發規劃,并為地熱資源遠景勘查、資源管理和合理開發利用保護提供依據。