湖北省保康縣萬年山地區地熱地質特征與成因模式

張 禹,趙 康,張維江,田 碧,崔培龍,康 昱,張 戰,蔣 臣

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

地熱資源作為一種綠色低碳、利用高效、安全優質的可再生能源,因其具有分布范圍廣、資源量巨大、開發利用價值高等優點,一直以來受到全世界的廣泛關注[1-4]。目前地熱資源已廣泛應用于地熱發電、供暖、養殖、洗浴等方面[1-6],因地制宜地開發利用地熱能,可以為調整能源產業結構、實現清潔低碳發展提供新方法、新思路[5-6],因此,開展區域性地熱資源成因模式的研究具有重要的理論和實際意義。

目前,中深部地熱資源勘探主要依靠地球物理方法,通常選擇大地電磁法(MT)和可控源音頻大地電磁法(CSAMT)[5,9-13],但MT易受人文等因素的強電磁干擾[5-6,10,13];CSAMT由于近場效應使得深部數據失真,有效探查深度一般不超過3 km[5-6,11-12]。廣域電磁法作為一種新興的電磁法,既克服了MT場源隨機性和信號微弱的特點,又拓展了CSAMT的觀測范圍,增加了探測深度[14-16],已逐漸成為地熱資源勘探的主要物探手段之一,并取得了良好的應用效果[7-9,17-18]。

湖北省保康縣萬年山地區中深部巖溶熱儲特征探查不明,地熱資源尚未得到系統開發利用,因此有必要對該地區開展詳細的地熱資源勘查工作,以期為后續的深部地熱資源開發利用提供地質依據。近期湖北省地質局第八地質大隊對保康縣萬年山地區開展了地熱勘查,通過綜合水文地質調查、物探和地熱深井鉆探成果,并進行地熱資源成礦條件分析及可行性技術論證,成功打出目前鄂西北地區出水溫度最高、資源潛力最大的地熱井1口,該地熱井出水溫度58.6℃,水量1 229 m3/d。本文通過地面調查、物探、鉆探等手段對萬年山地區的地層、構造、水文地質、地球物理、地熱熱儲和地熱流體化學特征等進行綜合調查研究,總結分析地熱發育規律及成因類型,建立地熱模型,旨在對今后鄂西地區的地熱資源勘查和開發利用提供一定的借鑒和指導。

1 地質概況

1.1 大地構造位置

神農架—保康地區地質構造復雜,以青峰斷裂、陽日斷裂、保康—漆家山斷裂、新華斷裂4條深大斷裂為基本格架(圖1),控制著區內地層、巖漿活動及礦產的分布[19]。研究區位于上揚子地塊北緣之南大巴山前陸構造帶東段之南大巴山斷層褶皺帶,行政區劃屬襄陽市保康縣城關鎮管轄,地理坐標:東經111°12′31″～111°14′48″,北緯31°52′59″～31°55′31″。區內出露的溫泉地熱點主要分布在新華斷裂兩側[20-24],如保康縣寺坪地熱(泉點出露水溫34℃,水量約700 m3/d),保康縣馬橋地熱(泉點出露水溫34℃,水量1 067 m3/d),神農架林區武山湖地熱(泉點出露水溫在34～45℃,水量為513～4 888 m3/d);其次分布在保康—漆家山斷裂兩側,如保康縣湯池峽地熱(泉點出露水溫37.7℃,水量約2 000 m3/d)。保康—漆家山斷裂為區域上的深大斷裂,切割深度較深[20,24],萬年山地熱田即位于保康—漆家山斷裂附近。

圖1 神農架—保康地區大地構造位置圖

1.2 構造

研究區早期受由北向南逆沖推覆擠壓作用,形成一系列近EW向同斜倒轉褶皺和逆沖斷層(F1、F4、F6);后期受近SN向新華斷裂影響發育NW向(F3)和NE向(F2、F5)的共軛斷裂,以逆斷層性質為主兼具走滑性質切割了早期形成的近EW向斷層及褶皺;NE向總體為一向斜構造,脆性斷裂少發育(圖2)。其中F3斷裂規模最大,具多期性,為區內主要導熱構造。

圖2 研究區地質圖

F1斷裂地表出露長度約1 700 m,產狀350°～10°∠35°～55°;地貌上為一線狀溝谷,平直,切割較深,破碎帶寬2～5 m,破碎帶內一般為棱角狀角礫,具多期活動性。

F2斷裂地表出露長度2 880 m,產狀330°～350°∠30°～55°;斷裂兩側巖石破碎明顯,斷面平直,其上發育擦痕及階步,斷裂具逆斷兼右行走滑特征。

F3斷裂地表出露長度約3 240 m,產狀320°∠55°～70°;斷層破碎帶內發育斷層角礫巖、碎裂巖,并見構造泥,硅化;斷層受新華斷裂影響,具右旋走滑特征,形成右旋走滑正斷層;F3為區域深大斷裂,切穿志留系蓋層及寒武系—奧陶系熱儲層,溝通深部大地熱流,為區內主要導水導熱構造。

F4斷裂地表出露長度約530 m,產狀348°～15°∠30°～58°;斷裂與地層展布方向一致,后期有方解石脈沿裂隙充填;斷層破碎帶主要由碎粒巖、構造透鏡體、斷層泥等組成,斷裂內指向標志表明為由北向南的逆沖斷層。

F5斷裂地表出露長度約1 610 m,產狀350°～10°∠45°～55°;后期有方解石脈沿裂隙充填,兩側巖石擠壓破碎強烈、地質體錯位明顯,顯示右行平移。

F6斷裂地表出露長度約7 200 m,寬約10～50 m,產狀355°～10°∠54°;斷裂與地層展布方向一致,斷層破碎帶內斷層角礫巖0.5～2 cm,個別十幾厘米,沿斷裂帶有一系列泉眼分布,帶內巖石破碎,節理、裂隙發育,遙感影像中線狀構造發育。

1.3 水文地質條件

研究區地層屬華南地層大區揚子地層區上揚子地層分區之保康地層小區,出露地層主要有寒武系、奧陶系和志留系(圖2)。

研究區含(隔)水層大致可分為以下幾類:

(1) 第四系孔隙潛水含水層。該層主要賦存于溝谷地帶出露的第四系殘坡積物、沖洪積物中,主要由沖洪積黏土、粉砂土、砂礫石層構成,厚2～5 m。地下水由大氣降水、地表水、基巖水補給。黏土層富水性差,粉砂土、砂礫石層富水性中等,富水性和匯水條件與含水層巖性關系密切。

(2) 寒武系中—上統覃家廟組、天河板組及奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。該層主要由泥質白云巖、泥質條帶白云質灰巖及灰色細砂巖夾灰巖和頁巖、龜裂紋灰巖、泥質瘤狀灰巖、夾暗紫紅色龜裂紋狀泥質灰巖組成。巖體中巖溶不發育,僅見沿碳酸鹽巖層面發育小型溶洞、溶孔,富水性極不均勻,受斷裂影響,局部裂隙發育,但地層中泥質含量較高,水量貧乏—中等。

(3) 寒武系婁山關組、石龍洞組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。該層主要由白云巖、微結晶白云巖組成,巖體較破碎,水量中等,是萬年山地區地熱的主要熱儲層之一。

(4) 震旦系燈影組碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓水含水層。該層主要由微晶白云巖、含炭質或鐵質微晶白云巖、灰質白云巖、紋狀白云質灰巖、泥質白云巖、含磷粉砂質頁巖、粉砂質白云巖組成,巖體中巖溶裂隙發育,地下水儲存于裂隙和巖溶管道之中,水量較豐富,是萬年山地區地熱的主要熱儲層之一。

2 地球物理特征

本次物探工作手段為廣域電磁法測深測量,共布設3條剖面。其中W1、W2線大致垂直于區內已知斷裂F3布設,剖面方位40°,剖面長均為3.95 km(圖2),根據野外初步反演結果,W1、W2線對構造反映比較明顯。由于W1、W2線與區內地層走向呈小角度斜交(夾角約40°),不能很好地反映地層展布特征,因此在W1、W2線施工完畢后,又布設了W3線,剖面方位345°,大致垂直于地層總體走向。經后期驗證,W3線二維反演成果與鉆孔施工結果較為一致。

在W1線上,80號測點附近為寒武系婁山關組與志留系新灘組的分界,135號測點附近穿過F3斷裂,160號測點為志留系新灘組與羅惹坪組的分界(圖3-a)。大致以保康—漆家山斷裂(F3)為界,南西側(5-135號測點)可大致分為低阻—高阻—中(低)阻3層,北東側(135-400號測點)可大致分為中低阻—高阻—中低阻—中高阻—低阻—中高阻—中低阻7層(圖3-a)。

a.W1線二維反演結果;b.W2線二維反演結果;c.W3線二維反演結果

在W2線上,90號測點附近穿過F3斷裂,斷裂以北主要出露地層為志留系新灘組;160號測點為志留系新灘組與羅惹坪組的分界(圖3-b)。其電性分層與W1線相似。

在W3線上,10-15號測點之間穿過F3斷裂,斷裂以北主要出露地層為志留系新灘組;215號測點為志留系新灘組與羅惹坪組的分界(圖3-c)。W3線電性層自上而下可分為:中低阻—中高阻—低阻—中高阻—中低阻—高阻6層。

鉆孔ZK1布設于W3線85號測點附近,根據地質調查成果、鉆孔ZK1施工結果以及W3線二維反演成果,初步建立了研究區志留系、奧陶系、寒武系以及震旦系地層的電性層識別標志(圖3、表1)。

志留系地層一般表現為連續的中低阻異常帶(近地表),但需要注意的是,在Fwt9北側,志留系羅惹坪組中的結晶灰巖透鏡體表現為連續的呈帶狀展布的高阻異常(厚約200 m)。研究區內奧陶系地層巖石泥質含量較高,其平均電阻率明顯低于寒武系上統地層,加之構造影響(鉆孔內見2處含水層),總體表現為中低阻異常(W3線),與下伏寒武系上統地層引起的具有一定規模的中高阻異常區分明顯(圖3)。

根據廣域電磁法二維反演結果,結合地質工作成果,共推測了6條斷裂,其中F3斷裂與地質填圖成果吻合較好,因此采用地質填圖編號;其余5條斷裂地表覆蓋嚴重或者具有一定深度,因此采用物探推測斷裂編號,即Fwt7-Fwt11(圖2-圖3,表2)。

表2 斷裂綜合解譯表

3 熱儲特征

3.1 熱儲埋藏特征

3.1.1含水層特征

萬年山地熱田地表無熱泉及熱異常顯示,據ZK1地熱井揭露結果,區內熱儲層大體可劃分為2層:

(1) 寒武系婁山關組—天河板組巖溶裂隙含水層。該熱儲層巖性主要為白云巖,熱儲埋深611～1 246.46 m、厚度635.46 m,其上熱儲蓋層為志留系頁巖、泥質粉砂巖等。該熱儲層800～950 m段井底溫度為40～41.5℃,為主要含水段,鉆遇該段時井口涌水,為承壓含水層,水頭高出孔口30 m,井口水溫為34.2℃,涌水量為130 m3/d。采用套管封閉深度至634 m后對該熱儲層進行了試抽水,抽水時長為72.4 h,穩定流量為530 m3/d,穩定時段平均降深為352.72 m、出水水溫為40.4～41.2℃。

(2) 寒武系頂部牛蹄塘組巖溶裂隙含水層。該熱儲層巖性主要為深灰—灰色白云質灰巖、淺灰—灰色微晶白云巖,熱儲埋深1 376.36～1 562.26 m、厚度186.90 m,其上熱儲蓋層為寒武系石牌組頁巖、粉砂巖。該熱儲層1 423.7～1 493.7 m段井底溫度為63.8～67.1℃,為主要含水段,鉆遇該段時井口涌水,為承壓含水層,井口靜水壓力為1.05 MPa,井口水溫為52.6℃,涌水量為507 m3/d。對該上下兩層熱儲層進行混合抽水,抽水時長為80.4 h,最大降深穩定流量為1 229 m3/d,穩定時段平均降深為302.26 m、出水水溫為58.0～58.6℃。

3.1.2深部地溫場特征

據地熱井孔底測溫數據(圖4),區內鉆孔溫度整體多呈驟然增溫,往往在揭穿蓋層時溫度驟然升高,繼而在一定范圍內波動,尤其在揭穿主控斷裂后孔內溫度升高極為顯著,反映出較為典型的斷層控制地熱現象。鉆孔全孔平均地溫梯度為3.29℃/100 m,熱儲構造導熱導水性良好。

圖4 ZK1孔溫度隨深度變化曲線

從ZK1孔井溫測井曲線(圖5)上可以看出,在穿過隔水層后井溫均有“階躍式”升高,進入含水層后,水溫升高則不明顯,2處“階躍式”升高位置與鉆孔實際揭露的2處涌水段一致。

圖5 ZK1孔井溫測井曲線

3.2 地熱流體化學特征

3.2.1樣品采集與測試

為了解研究區地熱流體的水化學特征,采集了6組水質全分析樣,包括2組地表水樣、1組冷泉水樣、1組隧道涌水樣、2組地熱流體樣(地熱流體樣品均取自于ZK1地熱鉆孔中);采集了4組同位素樣品,取自于ZK1地熱鉆孔、隧道涌水、大氣降水;采集了2組放射性樣品,取自于ZK1地熱鉆孔中(取樣位置見圖2)。樣品使用專用容器,嚴格按照采樣技術規范要求進行采取,現場測定水溫、pH 值,地熱流體樣品均于抽水試驗結束前采集,冷泉水樣品在主泉口采集,地表水樣品在水面以下20～50 cm處采集并按相關要求添加保護劑,于當日或次日送達實驗室進行水質全分析、微量元素和同位素測試分析。

3.2.2水化學特征

地球化學測試結果如表3所示。本次研究繪制了6組水樣的Piper圖解(可用于分析區域地下熱水的水化學演變規律),如圖6所示。根據6組水樣的水化學類型分析,研究區上層地熱流體水化學類型為SO4-Ca·Mg型,溶解性總固體(TDS)含量為1 410 mg/L,pH為7.73;上下兩層混合地熱流體水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,TDS含量為485 mg/L,pH為7.07。

表3 地熱流體、隧道涌水、冷泉水和地表水水化學分析結果

圖6 地熱流體、隧道涌水、冷泉水和地表水Piper三線圖

由表3可知,地熱流體各項化學組分除重碳酸根、碳酸根、硝酸根外均大于冷泉水及地表水,說明地熱流體補給距離較遠,循環條件良好,地下水通過深循環后,溫度升高,溶解了眾多巖石中的部分元素,含量大幅度增加,其中硫酸鹽、F-和Ca2+含量增幅最為明顯。地熱田南西部燈影組地層中發現有螢石、重晶石礦體,顯示地熱流體補給來源于南西部大面積裸露的燈影組地層。

3.2.3同位素地球化學特征

區內地熱流體、隧道涌水及大氣降水的氫氧同位素分析結果見表4。

表4 H-O同位素分析結果統計表

從表4可見,該地熱田地熱流體δD和δ18O值都在大氣降水氫氧同位素組成范圍(δD=+50‰～-500‰,δ18O=+10‰～-50‰)內。根據克雷格(Craig)1961年對全球大氣降水樣品同位素資料的研究得出,大氣降水的δD與δ18O值之間具有δD=8δ18O+10的線性關系。將本次工作同位素檢測結果數值投影到δD-δ18O直線圖(圖7)上,可以看出區內地熱流體同位素組成的坐標點分布于當地大氣降水線值附近,二者近乎重合,表明區內地熱流體來源于大氣降水,其中地熱流體中的δD和δ18O值比當地大氣降水的δD和δ18O值要低,這是由于大氣降水存在“高程效應”所致[25];地熱流體相對于全球大氣降水線未見明顯的“氧同位素重化漂移”,表明區內地熱流體賦存環境相對開放,循環條件較好,滯留時間相對較短,賦存期間水—巖同位素交換反應的速度較慢。

圖7 地熱流體、隧道涌水δD-δ18O關系圖

由于大氣降水的δD、δ18O值具有高程效應,因此可以用于確定地熱流體的補給高程,其計算公式如下:

H=(δS-δP)/K+h

(1)

式中:H為地熱流體補給區高程(m);h為取樣點高程(m);δS為地熱流體δD、δ18O同位素組成;δP為大氣降水δD、δ18O同位素組成;K為同位素高度梯度(n‰/100 m),根據湖北省大氣降水同位素梯度的分析經驗值,選用KD=-2.7‰/100 m、K18O=-0.46‰/100 m。

經計算,該地熱田地熱流體的補給區高程在1 031～1 210 m,補給區為南西部神農架穹隆一帶1 000～1 500 m的中低山區。

3.2.4熱儲溫度與循環深度

在地熱區,可利用地熱溫度計來估算熱儲溫度。鑒于萬年山地熱田的產出特征,本次采用鈉鉀鈣地熱溫度計估算熱儲溫度,其溫度為95.3℃。

根據萬年山地熱田地溫梯度、多年平均大氣溫度、常溫帶深度及熱儲溫度,可估算地熱田熱儲埋深。其計算公式如下:

(2)

式中:Z為熱儲埋深(m);T為熱儲溫度(℃),取95.3℃;G為地熱梯度(℃/100 m),取ZK1孔地熱梯度3.29℃/100 m;T0為多年平均氣溫(℃),取保康縣城關鎮年平均氣溫16.0℃;Z0為常溫帶平均深度(m),取12 m。

計算得地熱流體循環徑流深度最大可達2 422 m。

4 地熱成藏模式研究

4.1 地熱成藏條件

地熱流體的成生條件較苛刻,影響因素繁多,但必須具備“源”、“通”、“儲”、“蓋”、“滯”五個基本條件。

4.1.1熱源

熱源主要為大地熱流與保康—漆家山斷裂溝通的深部熱對流。大地熱流為主要熱源,一部分來自深部巖石中放射性元素衰變釋放的地殼熱流,一部分為上地幔熱流,供熱方式為熱傳導。地熱田南西部補給區接受大氣降水補給,沿深大斷裂附近發育的巖溶裂隙進行深部徑流,徑流循環深度達2 422 m。徑流區具有較厚的相對隔熱保護層,地下水在徑流過程中遇深部熱源加熱且不致過量散失,高溫、高壓水(汽)沿斷裂徑流到地質條件適宜的地段形成地熱田。

4.1.2通道

研究區內斷裂發育,該地熱田主要受保康—漆家山斷裂控制,該斷裂為張性陡傾右行走滑正斷層,傾角70°～80°。物探測量成果顯示該斷裂切割深度大,致使震旦系—寒武系的碳酸鹽巖較破碎、節理裂隙發育,為地下水運移和地熱流體的富集提供了良好的通道。保康—漆家山斷裂為萬年山地熱田主要的導水、導熱構造。

4.1.3熱儲層

根據萬年山地區地熱流體的產出特征,結合地熱鉆孔揭露,筆者認為萬年山地區地熱流體主要賦存于寒武系婁山關組—天河板組及牛蹄塘組頂部的碳酸鹽巖巖溶裂隙中,空間上分布于NW向保康—漆家山斷裂構造及其兩側影響帶中。斷裂破碎帶中地熱流體在垂向上進行對流型熱交換,水量豐沛,水溫較高。沿斷裂破碎帶兩側地熱能以傳導形式向周邊擴散。

4.1.4蓋層

志留系頁巖、泥質粉砂巖,寒武系石牌組頁巖、粉砂巖等透水性差,有效阻隔了淺部低溫地下水下滲,其下伏地層中地熱流體溫度均有明顯升高,為地熱流體的保溫及地表水的混合起到了良好的保護作用。

4.1.5滯水條件

保康—漆家山斷裂上盤為一復式向斜構造,發育巨厚的志留系頁巖蓋層,加熱后的地熱流體受保康—漆家山斷裂上盤厚度巨大的志留系頁巖蓋層阻隔,滯留于下盤沿張性斷裂帶附近順層發育的巖溶裂隙中,形成承壓含水層。

4.2 地熱成藏模式

根據研究區地熱地質條件,建立了地熱田成因模型(圖8)。

圖8 保康縣萬年山地熱田成因模型

地熱田補徑排條件:保康縣萬年山地熱田位于神農架穹窿東部邊緣,其補給區處于地熱田南西側的偏頭山一帶,當大氣降水進入裸露地表的震旦系碳酸鹽巖地層后下滲,在重力作用下,于碳酸鹽巖徑流系統中向NE進行深循環,在運移過程中吸收了大地熱流所釋放的熱能而逐漸增溫,當徑流至城關鎮萬年山附近時,受保康—漆家山斷裂上盤厚度巨大的志留系頁巖蓋層阻隔,滯留于下盤沿張性斷裂帶附近順層發育的巖溶裂隙中,形成地熱田。

綜上所述,保康縣萬年山地熱田為“側向徑流補給—層狀熱儲+帶狀熱儲—大地熱流傳導供熱”模式,即層狀熱儲—張扭性斷裂帶導水的深層循環地熱流體資源成因類型。

5 結論

(1) 廣域電磁法測量效果與剖面布設方向存在一定的關系,當測線與地層走向小角度斜交時,可能造成地層解譯困難,因此在布設剖面時除了考慮主要構造方向外,還應充分考慮研究區地層總體走向。

(3) 萬年山地熱田屬斷裂深循環型地熱田,其熱源主要為幔源熱、深部巖石放射性元素衰變釋放的地殼熱流及深大斷裂摩擦生熱。南西部的神農架穹隆一帶是補給區,保康—漆家山斷裂是深部熱量向上部地層傳導的良好通道,震旦系—寒武系的碳酸鹽巖地層為熱儲主要發育層位,志留系巨厚頁巖、泥質粉砂巖是良好的隔熱蓋層。

(4) 對萬年山地熱田的發育規律與成因機制進行綜合研究,可為今后在鄂西地區進一步開展地熱資源勘查和研究提供借鑒。

致謝：感謝湖北省地質局陳武、湖北省地質局武漢水文地質工程地質大隊劉紅衛教授級高級工程師、湖北省地質局地球物理勘探大隊彭建輝教授級高級工程師以及湖北省地質局第七地質大隊羅洪教授級高級工程師等專家對本次勘查工作的精心指導與幫助。