湖南寧鄉灰湯地熱資源形成條件與成藏模式*

葉見玲，楊漢元，陳 瀟，曹 暉，劉素平，劉 梅，李 宇，譚甫偉

（湖南省工程地質礦山地質調查監測所，湖南 長沙 410014）

地熱能作為一種清潔能源可用于發電、供熱、生活供水、飲用礦泉水資源等，也可用作提取工業原料的水資源，以及珍貴的醫用熱礦泉水等，其社會、環境及經濟效益良好[1]。

我國地熱資源豐富。據統計，淺層地熱資源可采折合7x108t 標準煤、中深層資源量折合1.25x1012t 標準煤、干熱巖型資源量折合8.56x1014t 標準煤，資源潛力巨大[2]。1949 年以來，我國先后在中國西藏、云南、東南沿海以及華北盆地等地開展過地熱普查、勘探及中高溫地熱研究工作，取得了系列進展及創新性研究成果，較好地促進了地熱事業的發展[3-6]。地熱能的勘探開發及利用可以有效改善生態環境、優化調整能源結構、緩解全球能源危機，因此受到各界強烈的關注[7]。寧鄉灰湯作為我省中高溫重點地熱資源區，資源豐富，具有良好的資源前景[8-12]。但多年來缺乏對該區詳細的中深層地熱勘察研究，嚴重地制約了我省地熱資源發展及勘查開發進展[13-15]。本文在前人研究基礎上，系統地從地熱資源富集賦存的關鍵要素出發，對熱源、熱通、熱儲層、蓋層、水化學等特征進行綜合分析研究，并對該區地熱成因、形成條件進行剖析，為我省地熱的勘查研究及下一步開發利用提供了理論基礎和依據[16-18]。

1 地質概況

寧鄉灰湯位于祁陽弧北翼反射弧與華夏系構造的結合部位。區內斷裂主要有烏江斷裂（F2）、獅橋斷裂（F3）和八畝沖斷裂（F4）等（圖1）。區內廣泛分布燕山期酸性及中酸性溈山花崗巖體，巖性以黑云母斑狀、斜長黑云母斑狀花崗巖為主，巖體在灰湯一帶被白堊系地層覆蓋。花崗巖中多發育偉晶巖脈，煌斑巖脈、石英脈及細晶巖脈，由于受構造活動的多期影響，本區圧性、扭圧性、張性斷裂強烈破壞花崗巖體，形成破碎花崗巖、花崗構造角礫巖、極厚糜棱巖和糜棱巖化花崗巖[19-21]。

圖1 灰湯地熱區地質簡圖Fig.1 Geological diagram of Huitang geothermal area

2 地熱資源形成條件

2.1 熱源

研究區地處湘中東北部，區內溈山巖體發育，圍巖蝕變現象普遍。通過布設大地電磁測線分析，該區隱伏巖體發育，地表200 m以淺為燕山早期花崗巖體，為巖基存在[13]。通過全省地熱水調查評價，結合以往區域地質、水文地質資料發現在岳陽、長沙、衡陽、寧鄉、株洲以及郴州等區，中溫和中低溫溫泉熱源類型多來源于巖漿巖余熱，且溫泉出露多與地下隱伏巖體有關[22-23]。據前人氚同位素年齡鑒定，區內地熱水從補給、深循環、再到排出地表，這一漫長的歷程需要三十八年以上。研究區深大斷裂構造發育，烏江斷裂（F2）早期為拉伸，晚期為壓性（或扭性），近期活動為扭性，并轉為壓扭性質，是區內具有多期活動且至今仍在活動的導熱斷裂構造[19]（圖2）。

圖2 灰湯A-A’剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of section of HuitangA-A'

本區斷裂構造復雜，孔內最高溫度基本位于斷裂破碎帶底部糜棱巖段應力集中區。據最近地震資料顯示，該區地殼活動活躍，時刻進行脈沖式運動，不斷釋放構造摩擦熱能[24]。其次，通過本次實測區內29個地表花崗巖樣，得出生熱率為2.54~5.17(μw·m-3)，平均值為3.53(μw·m-3)。鈾含量平均為6.79×10-6；釷含量平均為21.05×10-6；鉀含量平均為4.03%。說明研究區具備較好的生熱潛力。故推斷區內熱源主要為巖漿巖余熱與地殼蠕動摩擦生熱及放射性元素蛻變熱。

2.2 地熱水化學特征

灰湯熱泉處于研究區中部，在北東向烏江斷裂及北西向獅橋斷裂交匯處出露，形成一上升泉群。據資料記載，前人在該區進行地熱水勘查工作，查明熱異常面積約8 km2，水溫最高達92℃，流量為1.96 L/s。放熱量為10770 kcal/s，可開采量3500 m3/d。

據收集1974 年湖南省水文地質隊灰湯地熱區灰湯段水文地質勘探報告資料顯示，水1~zk01孔樣品PH 值介于7.21~9.6 之間，偏堿性水，鈉離子含量為30.45~87.25 mg·l-1之間，鈣離子含量為2~65.09 mg·l-1之間，總硬度為0.387~192.14，水溫一般在65.9~102 ℃，最高可達102 ℃（表1）。據上述灰湯段水文地質勘探報告資料資料顯示，該區熱水水質類型為HCO3Na 型，礦化度為0.22~0.23 g·l-1。該區鐳元素含量為1.3~53×102mg·l-1，氡 含 量11.8~12.4 em·l-1，氟 含 量 為9.00 mg·l-1，0.01 mg·l-1。根據光譜分析，還含有鈦、鉬、錫等稀有微量元素。熱水中還含有氣體，其中氮氣占98%，氧氣占1.6%，二氧化碳占0.4%。

表1 研究區地熱水主要化學成分特征Table 1 Main chemical composition characteristics of geothermal water in the study area

本次通過對收集的灰湯11 個地熱水樣進行水化學分析（圖3），經繪制piper 三線圖，進一步確認灰湯區地熱水類型及分布規律趨于一致。比較集中陽離子主要以Na 離子為主，陰離子主要為HCO3為主，不同的取水點及不同深度的取水點的水質類型也有一定的區別（圖4）。

圖3 研究區地熱水溫度及采樣分布圖Fig.3 Geothermal water temperature and sampling distribution in the study area

圖4 研究區地下熱水化學piper三線圖Fig.4 Three-line piper diagram of geothermal water chemistry in the study area

2.3 熱儲及蓋層特征

研究區地熱地質條件良好，廣泛分布溈山花崗巖巖體，筆者通過本次在研究區采樣測試，送至湖南省核工業230 研究所測試分析，花崗巖巖石生熱率為2.54~15.32 μw·m-3，生熱率平均值為3.54 μw·m-3。超過生熱率背景2.8 μw·m-3，具有一定的生熱潛力，可以作為區內良好的熱儲層。其次，區內F2烏江斷裂具有多期活動性，是區內主要的儲熱、導熱構造。

通過野外地質調查及分析測試，研究區出露花崗巖風化嚴重，其風化層可以作為地熱直接蓋層。其次，筆者通過本次實測巖石導熱率及大地電磁工作手段，發現上覆白堊系蓋層厚度約0.8~1.5 km，巖體總體埋深小于3 km。且蓋層巖性分別為泥巖、砂質板巖、石英砂巖，導熱率較低，為0.61~3.15(W·m-1·K-1)，平均1.66(W·m-1·K-1)，可以作為區內良好的蓋層（圖5）。

圖5灰湯區B-B’大地電磁測深( MT) 剖面Fig.5 Huitang magnetotelluric sounding(MT)profile

2.4 通道

活動性的深大斷裂是與深部高溫巖體相連的導熱構造，在軟流圈地幔上隆時常常具有很好的導熱功能，可作為區內良好的熱源通道。F2深大斷裂是區內的主控斷裂，延伸長、規模大，是一條切穿巖石圈達到軟流圈、貫徹整個區內南北向的活動斷裂。它具有控熱特征，可作為該區熱源通道，向上輸送深部的熱量。其次，地球深部發育的低速層既是導熱層也是熱儲層，通過分析湖南深部構造巖石圈特征，發現湘中區存在低阻低速高導體，是深部熱源和淺部熱儲層的良好橋梁，是良好的重要介質層。

3 地熱成因模式分析

3.1 熱儲溫度

SiO2地熱溫標一般不受復合物的形成與揮發組份散失及其他離子的影響，具有很好的應用性，用以推算基礎溫度較為接近。但可溶二氧化硅濃度往往受地表冷水混入的影響，計算結果一般偏低。

通過收集1974 年湖南省水文地質隊在寧鄉灰湯采集地熱水及周邊溫泉樣品，利用地球化學溫標公式計算（式1），區內溫泉二氧化硅熱儲范圍32.20~147.64 ℃。考慮到地表冷水的混合作用，該熱儲溫度相對偏低（表2）。

表2 灰湯地熱田熱儲溫度統計Table 2 Thermal storage temperature statistics of Huitang geothermal field

通過對比，本次計算結果差異較大，如ZK01孔推算為32.2℃，而水10孔則達到142.59℃，水1為137.2℃，水5、水2 分別為76.58℃、57.44℃。產生差距的原因可能是在地熱孔抽水試驗過程中涌水量小，地表水混合作用導致各個溫標計算濃度產生變化，使結果有偏差。但總的來說，經多年研究資料證明，該區溫泉熱儲溫度普遍較高，說明有穩定的熱能來源。

3.2 循環深度

作為地熱水重要研究參數，地熱水循環深度對地熱田及溫泉的成因、水化學成因分析、熱儲層判斷、地熱資源評價都起到了重要參考作用。灰湯地區地熱水多由大氣降水和第四系潛水經深循環加熱所致。按地熱水正常地熱增溫變化，采用公式2估算地熱水循環深度：

式中：T-熱儲溫度，℃；T0-當地年平均溫度，℃；地溫梯度，℃/100m；H0-常溫帶厚度，m。

寧鄉灰湯地區熱儲溫度（T）基本在57.44~137.20℃以上，取平均值123.06 ℃；寧鄉年平均氣溫（T0）為16.8 ℃；常溫帶厚度（H0）為30 m；地溫梯度（K）取3.5(℃·100m-1)；計算結果區內循環深度3066 m。2017年，帥煥等[25]利用管道模型內部關系公式求得灰湯地熱田熱水循環深度2700~3100 m。通過以上方法，對比發現灰湯地熱田熱水循環深度基本在3100 m左右。

3.3 冷熱水混合作用

考慮研究區地下熱水的不平衡狀態及冷水混合作用，利用硅晗方程（公式3～6）及圖解法計算了灰湯區冷熱水混合作用。

式中：H熱-地熱水焓值，H冷-冷水焓值，H溫-溫泉焓值，SiO2冷-冷水測得SiO2值，SiO2熱-地下熱水的SiO2值，SiO2溫-溫泉或地下熱水測得SiO2值，X1-焓值公式計算得出的冷水份額，X2為通過SiO2含量反算得到的冷水份額。其中，不同溫度的焓值和SiO2的含量在表3中查得。

表3 熱水溫度、焓和SiO2 含量[26]Table 3 Hot water temperature,enthalpy and SiO2 content

寧鄉灰湯年平均氣溫為16.8℃，冷水中SiO2含量通過測試取值28(mg·ml-1)。研究區溫泉經過測溫取93℃，SiO2含量經過分析測得為110(mg·ml-1)。

將計算數據繪制到圖上并連接（表4），獲得曲線交點為（175,0.54）。即熱儲溫度175℃，冷水所占比例54%（圖6）。

表4 研究區溫泉X1和X2計算值Table 4 Calculated values of hot springs X1 and X2 in the study area

圖6硅焓方程法示意圖[27]Fig.6 Schematic diagram of silicon enthalpy equation method

利用硅焓圖解法（圖7），將冷水焓值和SiO2含量分別與地下熱水焓值和SiO2含量在圖中繪出，得出A、B 兩點，將其延長至石英溶解度曲線得出C 點熱水焓值。計算AB、AC 長度的比值為0.4814，則該區冷水占比為51.86%，與上圖硅焓方程法所計算的54%相接近，最終該地區冷水所占比例去兩種計算方法的平均值52.93%。

圖7 硅焓圖解法Fig.7 Graphic method of silicon enthalpy

3.4 成因模式

寧鄉灰湯區地熱成因模式如圖8所示。灰湯地熱成因總的概況為灰湯北西向，山地高區受大氣降水，沿區內F1深大斷裂下滲透運移，地熱水通過深循環吸收巖漿巖熱及圍巖等熱量，最終在深部約3100 m 處與其他降水匯合后與地熱流體發生混合，此時冷水占到混合水的52.93%，周圍熱儲溫度約為32.98~147.64 ℃。之后通過深大斷裂F2上升，最終出露地表形成溫泉。其中來自地幔的少量地幔熱以及來自地溫梯度增溫熱可作為區內補充熱源，加熱地下熱水并通過F2深大斷裂通道上升形成區內地熱資源。區內NE 與NNE 向深大斷裂與NW 向斷裂不僅明顯影響著現代河流的發育，而且直接控制著溫泉的分布。如寧鄉灰湯溫泉、檀木橋、楊柳灣地熱水基本出露于NE 與NW 向斷裂構造交匯部位。不同時代、性質的斷裂構造及其組合形式對溫泉的出露與形成起重要的控制主導作用。

圖8 地熱資源成因模式圖Fig.8 Geothermal resource accumulation model map

4 結論

（1）寧鄉灰湯地熱水水質類型為HCO3Na型，礦化度為022~023 g/l。區內地熱水多由大氣降水和第四系潛水經深循環加熱所致。

（2）通過對研究區地熱地質條件特征深入分析，查明寧鄉灰湯區具備較好的地熱資源背景，有利于地熱資源的形成。

（3）通過硅焓模型及二氧化硅溫標公式計算，得出該區熱儲溫度為32.198~142.589 ℃，循環深度約3100 m，冷水混合比例約占54%。溫泉成因主要受該區深大斷裂構造控制，地熱水在深循環過程中通過吸收圍巖及巖漿巖中熱量升溫后，沿F2深大斷裂上升出露地表形成溫泉。

（4）灰湯地熱成因模式主要為研究區以北地勢高區大氣降水，沿區內F1 深大斷裂下滲運移，通過深循環吸收巖漿巖熱及圍巖以及少量地幔及地殼增溫等熱量，通過F2深大斷裂通道上升形成區內地熱資源。

（5）寧鄉灰湯地熱資源豐富，為進一步摸清該區資源潛力，建議進一步加強該區中深層地熱詳查及參數孔施工工作。