湖北省京山縣湯堰畈地?zé)岢梢蚍治?/h1>

2015-01-30 06:04:20葉騰升

資源環(huán)境與工程訂閱 2015年6期 收藏

關(guān)鍵詞：熱田奧陶系巖溶

葉騰升，王 辛，何 春

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

地?zé)崾侵匾馁Y源和能源之一，它具有廣泛、潔凈、可直接利用等優(yōu)點(diǎn)［1］，開發(fā)利用地?zé)豳Y源不僅是中國能源戰(zhàn)略的要求，也是環(huán)境保護(hù)的需要［2］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，湖北省掀起了新一輪的地?zé)衢_發(fā)熱潮，正逐步形成一個(gè)新興的地?zé)岙a(chǎn)業(yè)［3］。隨著京山縣溫泉旅游產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，目前京山縣湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崃黧w可開采量已不能滿足當(dāng)前的市場發(fā)展對地?zé)豳Y源日益增長的需求。在前人對地?zé)崽锟辈楣ぷ鞯幕A(chǔ)上，本文系統(tǒng)分析了湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崽卣骷俺梢?，為后期地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1．1 自然地理

湯堰畈溫泉地處大洪山南麓，江漢平原北端，湖北省荊門市京山縣城郊，交通便利。工作區(qū)屬丘陵區(qū)，總體地勢北高南低，山體呈NW向線性展布。該區(qū)為北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16．4℃，多年平均降水量1 083．6 mm，降雨集中在夏季。區(qū)內(nèi)主要水系為京山河，從北西方向流入，繞地?zé)崽锬衔髅嫦驏|南方向流出，區(qū)內(nèi)長度約6．5 km，流量2～3 m3/s，河面高程約44 m，隨季節(jié)及降雨漲落，河面較寬緩，兩側(cè)發(fā)育有兩級階地。湯堰畈溫泉水清澈透明，水溫 55．5～60．5℃，屬低溫中性硫酸鈣型弱放射性氟水、硅水，有較高的醫(yī)療價(jià)值。

1．2 地層巖性

工作區(qū)地層出露較全，除個(gè)別地層缺失外，從古生代—新生代地層均有分布。寒武系:天河板組—石龍洞組(∈1t-sl)白云巖;覃家廟組(∈2qn)上部為含泥質(zhì)粉砂巖，下部為泥質(zhì)白云巖;三游洞組(∈3sh)白云巖。奧陶系:南津關(guān)組(O1n)白云質(zhì)灰?guī)r;紅花園組(O1h)灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)頁巖;大灣組(O1d)灰?guī)r夾黃綠色泥頁巖;牯牛潭組(O2g)含泥質(zhì)生物灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶;寶塔組(O2b)泥灰?guī)r;臨湘組(O3l)頁巖夾泥灰?guī)r;五峰組(O3w)硅質(zhì)巖。志留系:龍馬溪組(S1l)頁巖;羅惹坪組(S1lr)砂質(zhì)頁巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖;紗帽組(S2sh)泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖。泥盆系:云臺觀組(D2y)石英砂巖。石炭系:黃龍群(C2hn)厚層塊狀結(jié)晶灰?guī)r。區(qū)內(nèi)第四系按成因分為沖積層(Qal4)和殘坡積層(Qedl)，沖積層(Qal4)為粉質(zhì)粘土、砂礫石;殘坡積層(Qedl)為粘土、粉質(zhì)粘土。

1．3 地質(zhì)構(gòu)造

湯堰畈溫泉位于三元口—七寶山褶皺帶與楊集—天王斷裂帶的交接帶，二者之間存在古老的NW向基底斷裂，工作區(qū)構(gòu)造背景如圖1所示。與地?zé)崽餃厝P(guān)系較為密切的構(gòu)造為惠亭山背斜(Ⅰ)、京山斷裂(①)、湯堰畈斷裂(②)。

惠亭山背斜(Ⅰ):走向NW，長約12 km，核部為震旦系燈影組;南西翼依次有寒武—奧陶系地層分布，傾角70°;北東翼被京山斷裂破壞。背斜南東端在湯堰畈附近傾伏，北西端傾伏后，在其NW方向側(cè)列著寒武系、奧陶系組成的小背斜。

圖1 湯堰畈地?zé)崽飬^(qū)域構(gòu)造綱要圖Fig．1 Regional structure outline map of Tangyanfan geothermal field

京山斷裂(①):走向NW，傾向NE，傾角較陡，可見長度約8 km，屬壓性斷裂。斷裂北東側(cè)為志留系，南西側(cè)為震旦—奧陶系地層，局部可見擠壓破碎帶，寬50 m。斷裂北側(cè)志留系頁巖強(qiáng)烈揉皺，劈理化，所夾砂巖呈現(xiàn)透鏡狀;寒武系白云巖壓碎褶皺，斷裂附近，原巖結(jié)構(gòu)已破壞。

湯堰畈斷裂(②):走向NE，傾向SE，與京山斷裂直交，斷裂規(guī)模較小，長3 km，沿?cái)嗔褞r石破碎，破碎帶內(nèi)為石英砂巖碎塊及粘土充填，兩側(cè)巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，斷層兩盤可見階步及細(xì)小的擦痕，屬張扭性斷裂。

1．4 水文地質(zhì)

工作區(qū)地下水按其賦存條件和含水介質(zhì)的空隙特征可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水三類。

松散巖類孔隙水分布于工作區(qū)西北部，全新統(tǒng)砂礫石含水層厚約3～5 m，地下水位隨季節(jié)變化明顯，單井涌水量100～500 m3/d。

碎屑巖類裂隙水含水巖組由奧陶系中統(tǒng)、上統(tǒng)，志留系中統(tǒng)，泥盆系組成，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、石英砂巖等，為層間裂隙水，水量貧乏?；鶐r類相對隔水層主要由奧陶系、志留系、二疊系組成，巖性主要為頁巖、泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r、硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水包括兩大類含水巖組:①石炭—三疊系碳酸鹽巖含水巖組，地下水賦存于裂隙巖溶中，泉流量50～150 m3/d，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，由北西向南東徑流。②寒武—奧陶系碳酸鹽巖含水巖組，分布于惠亭山背斜東南傾伏端，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，深部巖溶發(fā)育，垂直變化規(guī)律性強(qiáng)，是區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的主要貯集層，單井涌水量＞1 000 m3/d。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，由北西向南東徑流(圖2)。

2 地?zé)豳x存特征

2．1 地?zé)崽镞吔?/h3>

地?zé)崽镞吔缬蔁醿訙囟?、埋深、?gòu)造及含水層的自然邊界等多因素綜合確定。地球物理勘探中剖面上電阻率的差異能夠反映水文地質(zhì)條件特征;鉆孔測溫資料反映了鉆孔控制的溫度場的變化。通過野外地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查以及上述技術(shù)手段的綜合應(yīng)用分析，確定了地?zé)崽锏谋苯纭⑽鹘?、南西界、南東界等4條邊界。地?zé)崽锎笾鲁式鼥|西向帶狀展布，東西長約1 800 m，南北寬約890 m，地?zé)崽锩娣e為1．317 km2。

2．2 熱儲特征及其埋藏條件

湯堰畈地?zé)崽锏幕镜刭|(zhì)結(jié)構(gòu)比較單一，如圖3所示，從上至下可分為三個(gè)主要層次:①第四系沉積物;②志留系—奧陶系的泥質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖和灰質(zhì)泥巖等;③下奧陶統(tǒng)—寒武系的灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖。

湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崃黧w主要賦存于奧陶下統(tǒng)—寒武系上統(tǒng)碳酸鹽巖地層中。地?zé)崽锉睎|部該層隱伏于第四系松散堆積層之下，松散堆積層厚約9．0～15．0 m，在地?zé)崽锉睎|、南西、南東方向該層埋藏于奧陶系中上統(tǒng)、志留系頁巖、砂質(zhì)頁巖等相對隔水層之下，埋深約30～238 m，向北東、南西以及南東埋深逐漸加大。地層巖體受構(gòu)造影響，溶蝕裂隙較發(fā)育，地?zé)崃黧w主要賦存于巖體發(fā)育斷層破碎帶及巖溶發(fā)育帶。鉆探資料表明，在鉆探深度范圍(300～800 m)內(nèi)發(fā)育多個(gè)裂隙巖溶帶，巖溶遇見率達(dá)100%，巖溶有效空隙率0．327% ～0．511%，鉆孔見溶洞率為25%，單孔溶洞率4．9% ～16．5%;平面上，越往南東向巖溶發(fā)育較深，北東向靠近京山斷裂附近巖溶不發(fā)育。熱儲層富水性強(qiáng)，滲透性中等，據(jù)鉆孔降壓試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)為2．19 ～4．17 m/d，導(dǎo)水系數(shù)為 232．00 ～423．78 m2/d。

圖2 綜合地質(zhì)圖Fig．2 Map of comprehensive geology

圖3 地?zé)崽锲拭鎴DFig．3 Profile of geothermal field

湯堰畈地?zé)崽餆醿由w層主要為奧陶系、志留系的頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖等，該地層泥質(zhì)含量高，屬相對隔水層，具有保溫隔熱作用，鉆孔揭露熱儲蓋層厚度約30～238 m。地?zé)崽锉辈縅R2號井及其北部蓋層為角礫巖，厚度約40 m;地?zé)崽飽|北部寒武系碳酸鹽巖熱儲層之上覆蓋第四系松散堆積層，厚約9．0～15．0 m，隔熱作用不明顯。整體上，熱儲蓋層表現(xiàn)出向南東、南西方向逐漸加厚的趨勢。

2．3 地溫特征

地?zé)崃黧w的分布嚴(yán)格受斷裂構(gòu)造控制，各向異性特征明顯［4］。淺層平面地溫場總體上呈北西—南東向展布，與地?zé)崽颪W向次級斷層延伸方向一致，在地?zé)崽锉蔽鞑?，測溫曲線向北東、南西兩個(gè)方向突出，與NE向斷層導(dǎo)水作用有關(guān)。深層平面地溫場通過鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)獲取，不同高程的平面地溫等值線表明深層地溫場特征基本與淺層相一致，同時(shí)NE向斷裂對地溫場也具有一定的影響(圖4、圖5)。

鉆孔測溫資料表明，蓋層中的平均增溫率約為15．96℃/100 m，熱儲層中的平均增溫率為1．49℃/100 m蓋層中地溫梯度明顯高于熱儲層，這是由于熱儲層中的碳酸鹽巖地層熱導(dǎo)率大于蓋層中的泥質(zhì)巖類地層;同時(shí)，熱儲蓋層中的熱傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主，而熱儲層則以熱對流為主，地溫梯度驟降。另外地溫梯度隨導(dǎo)熱構(gòu)造呈相間分布，即構(gòu)造內(nèi)地溫增溫率高，其余部位相對低。

圖4 2 m淺層測溫等值線圖Fig．4 Contour map of shallow layer therometry at 2 m

2．4 地?zé)崴瘜W(xué)特征

地?zé)崃黧w的化學(xué)成分是在長期的地質(zhì)發(fā)展過程中形成的，與巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及水動(dòng)力條件和熱動(dòng)力條件的變化有密切的聯(lián)系。湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崃黧wpH值6．9 ～7．92，溶解性總固體1 229 ～1 432．8 mg/L，總硬度 869．62 ～893．69 mg/L，為中性低礦化極硬水，水化學(xué)類型為SO4—Ca型，與地下冷水及地表水水化學(xué)類型差異較大。分析地?zé)崴c其他水成分的差異，二氧化硅、氟離子、硫酸根離子可作為湯堰畈地?zé)崽锏臉?biāo)性元素。地?zé)崃黧w中含有多種微量元素，除常見的鐵、錳、氟外，還有多種對人體有益的鍶、鋰、碘等元素。氟、硅含量均達(dá)到理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，礦化度滿足有醫(yī)療價(jià)值濃度標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 -250 m高程鉆孔溫度等值線圖Fig．5 Contour map of borebole temperature at-250 m

3 地?zé)岢梢蚍治?/h2>

地?zé)崽锏男纬芍饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面的因素:地?zé)醿Υ娼橘|(zhì)(熱儲層)、豐富的地下水、暢通的導(dǎo)熱通道、強(qiáng)大而穩(wěn)定的地下熱源、封閉性能良好的蓋層［5］。下文從地?zé)崴难a(bǔ)給來源、熱量來源、徑流條件等方面分析湯堰畈地?zé)崽锏钠鹪醇俺梢颉?/p>

3．1 地?zé)崴难a(bǔ)給來源

常規(guī)水化學(xué)分析資料表明，地下熱水與地表水(京山河、溪水)水化學(xué)類型差異明顯，說明湯堰畈地?zé)崴c地表水連通性差。同位素化學(xué)分析方面，由于氘有敏感的高程和緯度效應(yīng)，在運(yùn)移過程中又不受熱儲巖性和溫度的影響，因而是理想地反映地下水運(yùn)動(dòng)的天然示蹤劑［6］。區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w同位素水樣點(diǎn)集中在全球降水線之左上側(cè)，且靠近全球降水線，表明地?zé)崃黧w來源于大氣降水;大氣降水同位素組成的點(diǎn)集中在全球降水線之右上側(cè)。1954年以前全球大氣降水的氚平均含量為5～10 TU，工作區(qū)大氣降水氚的含量為11．00 TU，地?zé)崃黧w中氚的含量變化較大，為2．74～16．13 TU。根據(jù)氚的半衰期估算，JR5、JR6號井地?zé)崃黧w的補(bǔ)給時(shí)間在1954年以前，地下水循環(huán)年齡＞50年;JR7、8號井地?zé)崃黧w的補(bǔ)給時(shí)間在1954年后，熱水中含有少量熱核試驗(yàn)生成的氚［7］，其形成時(shí)間在上世紀(jì)60年代初期，地下水循環(huán)年齡約40多年。因此地?zé)崃黧w是由不同時(shí)段的大氣降水補(bǔ)給形成，徑流時(shí)間約40—60年。

根據(jù)大氣降水δD和δ18O的高程效應(yīng)，使用經(jīng)驗(yàn)公式確定地?zé)崃黧w的同位素入滲高程，湯堰畈地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程D值計(jì)算為1 369 m;18O值計(jì)算為841 m，因此，湯堰畈地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程應(yīng)在800 m以上。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件分析，地?zé)崃黧w的補(bǔ)給區(qū)位于地?zé)崽镂鞅贝蠛樯絽^(qū)(圖6)。

3．2 地?zé)崴膹搅鳁l件

湯堰畈地?zé)崽锊煌叱痰钠矫娴販氐戎稻€特征反映，地?zé)崽锏男纬膳c地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系十分密切［8］，其地溫場明顯受NW向次級斷層控制，NE向構(gòu)造多為小型淺層構(gòu)造，它對局部地溫場具有一定的影響。

地?zé)崃黧w主要由地?zé)崽镂鞅贝蠛樯絽^(qū)大氣降雨進(jìn)行遠(yuǎn)源補(bǔ)給。大洪山區(qū)屬中低山區(qū)，出露地層為奧陶系—震旦系碳酸鹽巖，受淮陽山字型構(gòu)造影響，地層中發(fā)育一系列NW向褶皺、斷裂，大氣降水通過碳酸鹽巖裂隙巖溶入滲形成地下水，經(jīng)深部熱源加熱后，在湯堰畈附近受北東向的湯堰畈斷裂及其次級斷裂切割形成的導(dǎo)水儲水空間處匯聚，繼而上升運(yùn)移，在惠亭山背斜東南傾伏端循NE向斷裂出露地表。

圖6 湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崃黧w、雨水δD—δ18O分布圖Fig．5 δD—δ18O distribution map of geothermal fluid and rainwater of Tangyanfan geothemal field

地?zé)崽镂挥诨萃ど奖承睎|南傾伏端，惠亭山背斜南西為完整的一翼，出露地層主要為志留系—寒武系，北東翼受京山斷裂切割，寒武系地層與志留系地層直接接觸，受斷裂影響，碳酸鹽巖裂隙巖溶發(fā)育，主要受北西向斷裂控制，形成多個(gè)北西向的含水帶，含水帶之間由于北東向斷裂影響，相互具有一定的水力聯(lián)系，因此整個(gè)湯堰畈地?zé)崽锪严稁r溶系統(tǒng)受北東和北西向斷裂影響，形成網(wǎng)狀格架。

3．3 地?zé)崴臒嵩捶治?/h3>

根據(jù)地?zé)嵝纬傻牡刭|(zhì)構(gòu)造條件和賦存特征，可將其劃分為兩種基本成因類型:斷裂深循環(huán)型地?zé)岷统两蹬璧芈癫卦鰷匦偷責(zé)?，湯堰畈地?zé)釋儆谇罢撸?］。

根據(jù)地?zé)崃黧w水化學(xué)特征，采用Na—K溫標(biāo)、K—Mg溫標(biāo)和SiO2溫標(biāo)，計(jì)算得到熱儲溫度為105．58℃。據(jù)鉆孔測溫資料，鉆探進(jìn)入熱儲后的穩(wěn)定增溫段地?zé)崽荻葹?．013 7～0．016 227 ℃/100 m，常溫帶埋深約20 m。綜合地?zé)崽锏責(zé)嵩鰷芈?、常溫帶埋深及?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁睾蜔醿囟鹊葏?shù)進(jìn)行計(jì)算，湯堰畈地?zé)崽餆崴畯搅魃疃茸畲罂蛇_(dá)3 895 m，表明地?zé)崽餆釀?dòng)力平衡深度約為3 895 m。

地?zé)崃黧w由位于地?zé)崽镂鞅贝蠛樯絽^(qū)大氣降水遠(yuǎn)源補(bǔ)給(圖7)。地下水進(jìn)行深部徑流，徑流區(qū)具有較好的蓋層隔熱，地下水在徑流過程中吸收圍巖熱量形成溫度較高的地?zé)崃黧w，高溫、高壓水(汽)沿?cái)嗔褟搅?，在湯堰畈附近富集，形成地?zé)崽?，即正常增溫型?0］，熱傳遞形式以熱對流為主。

圖7 湯堰畈地?zé)崽锏責(zé)崮Ｊ绞疽鈭DFig．7 Schematic diagram of geothemal mode of Tangyanfan geothemal field

4 結(jié)論

湖北省京山縣湯堰畈地?zé)崽锍式鼥|西向帶狀展布，面積約1．317 km2。地?zé)崃黧w賦存于奧陶系下統(tǒng)—寒武系上統(tǒng)碳酸鹽巖地層斷層破碎帶及巖溶發(fā)育帶中，巖性主要為白云巖、灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖，奧陶系及志留系的頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖構(gòu)成地?zé)崽锏纳w層。

平面地溫等值線反映地?zé)崽餃囟葓鲋饕芫┥綌嗔训腘W向次級斷層控制。地?zé)崴瘜W(xué)類型為SO4—Ca型，與地下冷水及地表水水化學(xué)類型差異較大，熱水中含有多種對人體有益的鍶、鋰、碘等微量元素，具有較好的醫(yī)療價(jià)值。

地?zé)崃黧w由不同時(shí)段的大氣降水補(bǔ)給形成，地下水循環(huán)年齡約40—60年。其補(bǔ)給高程在800 m以上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件分析，地?zé)崃黧w的補(bǔ)給區(qū)主要位于地?zé)崽镂鞅辈康拇蠛樯絽^(qū)。

大洪山區(qū)出露地層為奧陶系—震旦系碳酸鹽巖，發(fā)育一系列NW向褶皺、斷裂，大氣降水通過斷裂及碳酸鹽巖裂隙管道入滲補(bǔ)給地下水，地下水徑流深度最大可達(dá)3 895 m，經(jīng)深部熱源加熱后，在湯堰畈附近斷裂切割形成的導(dǎo)水儲水空間處匯聚，繼而上升運(yùn)移，以溫泉形式出露地表。熱源主要為地下水沿區(qū)域褶皺進(jìn)行深循環(huán)獲取的自然地?zé)嵩鰷兀詿釋α鳛橹饕獰醾鬟f形式，NW、NE向斷裂控制了地?zé)崃黧w的分布與出露。

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