湖南省湘西北地下熱水系統(tǒng)形成模式

沈萍，劉勇（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○二隊，湖南 長沙410014）

湖南省湘西北地下熱水系統(tǒng)形成模式

沈萍，劉勇（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○二隊，湖南 長沙410014）

湘西北是湖南地下熱水資源主要分布區(qū)，集中分布于桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)，區(qū)內(nèi)偏高的大地?zé)崃鳎?4.46～71.92MW/m2）從底部供熱，在侏羅山式蓋層褶皺帶沿?zé)釋?dǎo)率高的層狀碳酸鹽巖組成背斜兩翼和同（走）向斷裂帶向上相向傳輸向背斜軸部聚匯。充沛的大氣降水在地勢高的裸露巖溶發(fā)育帶，滲入地下形成淺表巖溶地下水，淺表巖溶水一部分沿著向斜褶皺翼性脆的碳酸鹽巖和淺變質(zhì)碎屑巖節(jié)理裂隙層間滑脫裂隙，斷裂破碎帶在高勢能作用下繼續(xù)向下（深）滲流，進行深循環(huán)，在深循環(huán)過程中和向上的大地?zé)崃鳎M行水熱對流交換，使其溫度升高，當(dāng)運移到向斜軸底部時則由勢能高一翼流向勢能低的一翼，運移到低能一翼在浮升力作用下和大地?zé)崃魍蛳蛏线\移如被侵蝕切割涌出地表成溫泉，如為隱背斜則埋藏地下成為隱伏地下熱儲。

蓋層；儲集層；熱源；大地?zé)崃鳎坏叵聼崴到y(tǒng)；形成模式

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

湘西北是湖南地下熱水主要分布區(qū)，集中分布于八面山陸緣盆地南部桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)，南以保靖-慈利斷裂為界，北至東山峰背斜，總的地勢南、北高中間低，自南西向北東-北東東漸低傾伏的復(fù)式向斜。發(fā)育震旦系至三疊系地層，呈左型侏羅山式褶皺，由太清山向斜、大同山（人潮溪）背斜、楊家坊向斜、磺廠背斜、東岳觀向斜、桑植空殼樹向斜、官地坪背斜、涼水井背斜、陳家河向斜及相隨一些斷裂及伴生構(gòu)造成分組成，背斜核部皆由古生界地層組成，向斜軸部則為下、中三疊系地層組成。背斜狹窄緊湊，向斜寬闊而平緩，成隔擋式箱狀、屜狀形態(tài)，此外尚有一些構(gòu)造鼻、構(gòu)造窗等局部隆起夾持其間，在空間展布上，褶皺軸自南西向北東，由北北東逐漸轉(zhuǎn)向為北東、北東東，在組合形態(tài)上首尾錯列呈左型，而整個褶皺群西南段和東北段較中段狹窄緊密，反映了兩端壓縮中間拉伸的應(yīng)變作用。

2 蓋層

區(qū)內(nèi)蓋層由層狀的含水性弱、滲透率小，熱導(dǎo)率低的塑性強的泥質(zhì)巖、砂頁巖組成，計有3層（圖1）。自上而下簡述如下。

圖1 石門-桑植復(fù)向斜五道水-張家界剖面圖

2.1 第一蓋層

由二疊系上統(tǒng)吳家坪組和下統(tǒng)辰溪煤系（泥巖、頁巖、煤層）和深灰色中至厚層狀含硅質(zhì)團塊或條帶的灰?guī)r夾灰黑色頁巖、泥灰?guī)r；長興組灰-灰黑色薄-厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖夾頁巖；三疊系下統(tǒng)大冶組下段薄層狀、頁片狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及頁巖組成，厚度400余米，主要分布在向斜核部。

2.2 第二蓋層

由志留系的頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉質(zhì)泥巖及泥巖和奧陶系中上統(tǒng)牯牛潭組、寶塔組、五峰組瘤狀泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖及硅質(zhì)頁巖組成，厚度穩(wěn)定，達(dá)2000m以上，具有良好隔水保溫性能，是本區(qū)主要的隔熱保溫蓋層。

2.3 第三蓋層

主要由寒武系下統(tǒng)含粉砂質(zhì)泥巖及白云質(zhì)、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂巖、薄層灰?guī)r、頁片狀泥灰?guī)r、硅質(zhì)、炭質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖組成，厚400～600余米，是本區(qū)穩(wěn)定分布廣的隔熱保溫蓋層。

3 地下熱水儲集層

區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的熱水儲集層有3層。

3.1 震旦系燈影組、陡山沱組上部硅質(zhì)巖、白云巖組成裂隙含水巖組

燈影世末曾有短期的抬升成陸，在燈影組頂面短暫遭受剝蝕溶蝕，局部形成古風(fēng)化面和古巖溶（柏道元）。在龍山縣洗洛鄉(xiāng)小井村295.50m揭穿寒武系下統(tǒng)炭質(zhì)頁巖、煤層等蓋層，遇震旦系灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖，374.28～470.49m裂隙發(fā)育，含水性好，水壓高出地面11.51m，自流量14.91l/s，井口水溫33℃，井底（476.49m）水溫37℃。熱儲屬低溫溫水資源層狀傳導(dǎo)型的溫?zé)崴Y源型。

3.2 下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組、寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群碳酸鹽巖地下熱水儲集層

主要由厚層-巨厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖組成，厚度961～1124m，石門-桑植復(fù)向斜內(nèi)均有分布，復(fù)向斜內(nèi)19處地下熱水露頭，此層有15處，占79%，水溫大于60℃的一處，40～60℃的10處，30.1～33℃的4處。流量11.78～80m3/h，鉆孔單位涌水量1.14～8.51m3/h·m，該含水巖組具有層控、斷裂帶富水的混合型熱儲特征。

3.3 下二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組碳酸鹽巖與中上泥盆統(tǒng)云臺觀組、寫徑寺組碎屑巖熱水儲集層

主要由灰?guī)r與石英砂組成的巖組，分布于石門-桑植復(fù)向斜的核部，出露于次級褶皺的兩翼和端部，出露溫泉4處，水溫25.5～37℃的兩處，40～60℃的兩處，流量4.25～42.91m3/h。其中石英砂巖中一處，下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖中3處，從慈利江埡鉆孔揭露測溫資料（圖2）可見地下熱水等溫線呈鴕峰狀曲線，峰頂明顯，受石英巖層間破碎帶控制，為一層控?zé)醿Α?/p>

圖2 江埡小灘溫泉地?zé)岬葴鼐€地質(zhì)剖面圖

4 熱源

4.1 大地?zé)崃魇堑叵聼崴闹饕獰嵩?/p>

石門熱水溪地?zé)崽锸┕さ?個鉆孔分別位于斷裂帶內(nèi)、上盤、下盤不同位置，鉆遇斷裂帶不同部位和未遇斷裂地段，其井溫與孔深的關(guān)系均為正相關(guān)，屬傳導(dǎo)型的地溫曲線特征，其地溫梯度2.9℃/100m，表明本區(qū)熱源以大地?zé)崃鳛橹?，地下熱水受熱方式以正常增溫率為特征。區(qū)內(nèi)地表大地?zé)崃髦?4.46MW/m～71.92MW/m2，平均68.19MW/m2，高于鄰區(qū)湖北秭歸（35.4MW/m2）、江漢（59.2MW/m2）。區(qū)內(nèi)沒有近代巖漿活動的熱源體。

4.2 放射性元素的衰變熱也是一種不可忽視的熱源

本區(qū)地殼厚度40～48km，巖石放射性元素含量較高，特別是寒武系下統(tǒng)炭質(zhì)硅質(zhì)巖類具放射性異常，其厚度1000m左右，地下熱水中U、Ra、Tn、Rn含量普遍較高，表明放射性脫變熱也是重要熱源。

5 地下熱水系統(tǒng)的形成模式

5.1 大氣降水是地下熱水的主要補給來源

石門熱水溪、桃源熱水坑、慈利萬福溫泉水的δD、δ18D的關(guān)系和氬的同位素40Ar/36Ar值均表明溫泉水主要來自大氣降水（王蔚、張景榮等）。

5.2 大地?zé)崃髟隈薨檸г俜峙湎虮承辈烤蹍R

桑植-石門復(fù)向斜總體為由西向東傾斜的構(gòu)造盆地，盆地內(nèi)隔檔式次級褶皺發(fā)育，巖層傾斜，凸（背）凹（向斜）連續(xù)相間出現(xiàn)，致使基底以下均勻向上運移的大地?zé)崃靼l(fā)生偏移，大地?zé)崃鞲嗔飨驘釋?dǎo)率高的碳酸鹽巖和脆性砂巖類巖層，流向沿背斜兩翼分別由下向上相向運移，熱流運移過程中受兩側(cè)及低熱導(dǎo)率的蓋層阻隔時，熱能在背斜軸部（隆起帶）聚匯而形成隱伏地?zé)岙惓＃▓D2）。

5.3 地下熱水系統(tǒng)的形成

大氣降水、地表水體在地勢較高的向斜翼部，背斜仰起端滲入地下，在下滲過程中與從深部向上運移大地?zé)崃鬟M行熱交換而逐漸增溫，在勢能壓力作用下，下滲地下水受含水層頂?shù)赘羲畬幼钃跏軌豪^續(xù)向深部運移，當(dāng)運移到向斜軸（底）部時，則會向側(cè)翼運移，在運移過程中繼續(xù)不斷吸收圍巖的熱量和溶蝕圍巖中的礦物元素，溫泉中CH4δ13C值（-27.1～37.3‰）和CO2δ13C值（-11.2～17.1‰），表明均系沉積巖中有機質(zhì)熱降解過程中產(chǎn)物（王蔚、張景榮等）而使其溫度增高，容重減輕，礦化度升高成為熱礦水，當(dāng)運移到向斜另一翼 （背向斜轉(zhuǎn)換翼）時，則熱礦水在浮升力作用下和大地?zé)崃餮刂承绷硪灰硐蛏线\移，當(dāng)運移到背斜軸部遇有隔水保溫蓋層時，則儲集地下成為隱伏熱水儲集層，當(dāng)被侵蝕切割時則形成溫泉。

6 小結(jié)

石門-桑植復(fù)向斜地處云貴高原的西南邊緣新華系第二隆起帶的邊緣，地勢是南北高，中間相對較低，自西向東傾斜的構(gòu)造盆地，盆內(nèi)侏羅山式褶皺發(fā)育完好，具有分布連續(xù)、穩(wěn)定、范圍廣泛的隔熱保溫蓋層3層，已發(fā)現(xiàn)有地下熱水資源3層熱儲，主要為中上寒武統(tǒng)婁山關(guān)群和下奧陶統(tǒng)南津組，均為以層狀熱儲為主，但斷裂帶狀熱儲富水性較好，熱源以大地?zé)崃鳛橹?，正常地溫增溫，傳?dǎo)-對流復(fù)合型受熱模式。

[1]周念滬.地?zé)豳Y源開發(fā)利用實務(wù)全書.中國地質(zhì)大學(xué)，2005.

[2]熊亮平，張菊明.熱流的折射和再分配的數(shù)學(xué)模擬.地質(zhì)科學(xué)，1984（04）.

[3]徐世光，郭遠(yuǎn)生.地?zé)釋W(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，饒家榮，等.湖南深部構(gòu)造.

[5]欒光忠，劉紅軍，劉冬雁，王文正.山東半島溫泉的地?zé)釋傩约捌涮卣?地球?qū)W報，2002，23（1）：79～84.

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A

2095-2066（2016）22-0128-02

2016-7-13

沈 萍（1976-），女，工程師，從事水工環(huán)工作，湖南省地質(zhì)學(xué)會會員。

劉 勇（1984-），男，工程師，從事水工環(huán)工作，湖南省地質(zhì)學(xué)會會員。