湖北省地溫場特征分析

廖 媛, 袁立為, 王 亮, 李 偉

((湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

湖北省地溫場特征分析

廖 媛, 袁立為, 王 亮, 李 偉

((湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

根據(jù)湖北省大地熱流和各地熱田地熱地質(zhì)背景,綜合分析研究湖北省地溫場特征。研究表明:湖北省大地熱流分布不均,最小值為41 mW/m2,最大值為69 mW/m2,平均值53.7 mW/m2,基本呈現(xiàn)出“南高北低,東高西低”的特征,且與莫霍面的相對埋深存在負相關(guān)關(guān)系。省內(nèi)隆起山地型地熱地溫場特征為受斷裂構(gòu)造控制,其各向異性特征明顯;平面上,山地地溫和地溫梯度較低,只在地熱田范圍內(nèi),有地熱異常,且地溫向四周擴散降低,在地熱田外圍溫度恢復(fù)正常;剖面上,在熱儲層溫度較高,穿過熱儲層后,溫度降低。沉積盆地型地熱地溫場受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制,溫度隨著深度的增加而增高。

大地熱流;地溫場特征;湖北省

湖北省地熱資源較多,共有64處,其中隆起山地型58處,沉積盆地型6處,但各地熱田的研究程度不一,總體來說,省內(nèi)地熱田研究程度不高。本文通過收集湖北省實測大地熱流數(shù)據(jù),及鉆孔的測溫資料,分析湖北省地溫場特征,初步查明湖北省地熱地質(zhì)背景,為正確認識湖北省地熱資源,建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會提供基礎(chǔ)支撐。

1 大地熱流

大地熱流是地球內(nèi)部熱能傳輸?shù)降乇淼囊环N現(xiàn)象,是地球內(nèi)熱在地表最為直接的顯示,并能給出發(fā)生于地球內(nèi)部深處各種作用過程間能量平衡的信息。它是地熱場最重要的表征。在一維穩(wěn)態(tài)條件下,熱流量是巖石熱導(dǎo)率和垂直地溫梯度的乘積[1]。

1.1 湖北大地熱流特征

根據(jù)中國大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編[1-2]和部分公開發(fā)表文獻中的統(tǒng)計數(shù)值[3-4],共收集湖北大地熱流數(shù)據(jù)29個,繪制了湖北省大地熱流圖(圖1)。

從圖中可以看出,大地熱流最小值為41 mW/m2,最大值為69 mW/m2,平均值為53.7 mW/m2,低于中國大陸地區(qū)大地熱流平均值(61 mW/m2)和全球大陸地區(qū)大地熱流平均值(65 mW/m2)。其中熱流值<50 mW/m2的有9個,占總數(shù)的31%;50～60 mW/m2的有12個,占總數(shù)的41%;>60 mW/m2的有8個,占總數(shù)的28%。

省內(nèi)大地熱流分布不均,基本呈現(xiàn)“南高北低,東高西低”的特征。江漢盆地熱流值為41.9～66.4 mW/m2,平均值為52.9 mW/m2,南襄盆地平均值為43 mW/m2,鄂東南地區(qū)熱流值為42～69 mW/m2,平均值為54 mW/m2,鄂西地區(qū)熱流平均值根據(jù)前人分析為49 mW/m2。

湖北省大地熱流存在兩個高值異常帶,分別為黃石—大冶一帶和江漢盆地一帶。黃石—大冶最高達到69 mW/m2,這主要由于其地殼淺層熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)決定。據(jù)資料顯示,黃石—大冶一帶的石灰?guī)r分布區(qū)其熱導(dǎo)率高達3.34～3.61 W/m·K,而江漢盆地的高值異常帶則主要取決于>30 ℃/km的高地溫梯度[5]。

將湖北境內(nèi)的莫霍面埋藏深度與大地熱流分布對照分析,發(fā)現(xiàn)兩者有很好的對應(yīng)關(guān)系(圖1)。省內(nèi)地殼厚度總的變化趨勢是東部薄、西部厚,在莫霍面深度較淺的地方,殼內(nèi)存在著高熱熔融物質(zhì)的構(gòu)造背景,大地熱流值較高;而莫霍面較深的地方,大地熱流值較小。說明湖北境內(nèi)大地熱流的分布與莫霍面的相對埋深存在負相關(guān)關(guān)系。

圖1 湖北省大地熱流圖Fig.1 Heat flow map of Hubei

1.2 江漢盆地大地熱流特征

江漢盆地是揚子板塊中部的白堊系—新近系盆地,它緊鄰秦嶺—大別山造山帶、黃陵隆起和江南構(gòu)造帶,受塊體邊界作用影響,在盆地內(nèi)部產(chǎn)生了多次不同性質(zhì)和特點構(gòu)造變形,形成了復(fù)雜斷裂系統(tǒng)和構(gòu)造格局[6]。

根據(jù)收集的16個江漢盆地的大地熱流數(shù)據(jù)(圖1)和徐明等[7]研究繪制的大地熱流等值線圖(圖2),反映出江漢盆地大地熱流值范圍在41.9～66.4 mW/m2之間,平均值為53.2 mW/m2,代表了江漢盆地區(qū)域平均大地熱流密度,其值低于中國大陸地區(qū)大地熱流平均值(61 mW/m2)和全球大陸地區(qū)大地熱流平均值(65 mW/m2)。江漢盆地大地熱流分布特征為盆地內(nèi)部熱流分布比較穩(wěn)定,總體表現(xiàn)為西北部當陽復(fù)向斜和南部潛江復(fù)背斜稍高。

2 區(qū)域地溫場特征

湖北省地熱資源分為隆起山地型和沉積盆地型地熱[8],兩種地熱類型的地溫場特征不同。

2.1 隆起山地型地熱地溫場

湖北省隆起山地多為致密巖層,地溫場上屬地溫和地溫梯度低值區(qū),如鄂東南下陸一帶為1.95 ℃/100 m,楊武一帶為2.1 ℃/100 m,赤壁桃花坪一帶為1.71 ℃/100 m,鄂西南松宜夾巖河礦區(qū)為1.1 ℃/100 m。

圖2 江漢盆地大地熱流等值線圖(引自江漢盆地鉆井地溫測量和大地熱流分布[8])Fig.2 Contour map of heat flow of Jianghan Basin

省內(nèi)隆起山地型地熱資源數(shù)量較多,有58處,且分布廣泛。其地熱成因為大氣降水通過斷裂帶及其他導(dǎo)水入滲系統(tǒng)匯集于深部,經(jīng)過深部循環(huán)產(chǎn)生水熱交換,然后,在地貌、構(gòu)造等因素配置得當條件下,于地表泄溢成泉。地熱流體水溫,取決于地溫場狀況,如斷裂褶皺等構(gòu)造分布,熱水循環(huán)深度,熱儲蓋層巖性,熱儲層導(dǎo)熱性能,熱水排泄條件和淺層地下水活動等因素。其中地溫場特征表現(xiàn)為平面上,山地地溫和地溫梯度較低,只在地熱田范圍內(nèi),有地熱異常,且地溫向四周擴散降低,在地熱田外圍溫度恢復(fù)正常;剖面上,在熱儲層溫度較高,穿過熱儲層后,溫度降低。

(1) 淺層地溫場特征。以羅田縣界河地熱田為例,該地熱田位于羅田縣城關(guān)南西,行政區(qū)域上隸屬羅田縣鳳山鎮(zhèn)許家沖村,與浠水縣交界,地理坐標:東經(jīng)115°20′15″,北緯30°45′06″。羅田縣界河地熱田地表熱異常的顯著特點是界河河谷水流堆積砂灘中小范圍內(nèi)有溫泉出露,溫泉涌水點變化特點與河水動態(tài)變化有很大的關(guān)系。當河水下跌時,溫泉涌水賦存于砂、砂礫石間,孔隙水也依附河水位下降,熱水透過砂礫石層上溢時還未溢出地表就順著砂礫孔隙潛流補于河水;當河水上升時,砂礫孔隙全部充水堵塞了地下熱水水平潛流,熱水才涌出地表。

通過對羅田縣界河地熱田的淺層測溫,圈定地溫>25 ℃的面積約25 370 m2,地溫>40 ℃的面積約5 969 m2(圖3)。

羅田縣界河平均氣溫在16.4 ℃,從圖3可看出,深層地熱異常明顯,地溫向四周逐漸降低,地熱范圍寬度上與地熱田斷裂破碎帶寬度基本吻合,說明隆起山地型地熱的熱儲為斷層破碎帶和裂隙發(fā)育帶,呈脈狀或帶狀,受斷裂構(gòu)造控制,其各向異性特征明顯,地熱流體的分布受斷裂構(gòu)造控制。

(2) 深部地溫場特征。羅田縣界河地熱田熱儲層巖性為太古界大別群角閃二長片麻巖。其地溫場特征在剖面上表現(xiàn)為在熱儲層地溫較高,而穿過熱儲層后,溫度逐漸降低。

從羅田縣界河地熱田的ZK1和ZK4鉆孔跟鉆測溫和終孔后連續(xù)測溫資料可知(圖4、圖5),ZK1鉆孔跟鉆測溫曲線呈增減交錯型,終孔后連續(xù)測溫其孔溫的增高與孔深的增加呈負相關(guān)。ZK1跟鉆測溫曲線表明羅田縣界河地熱田地質(zhì)條件有利于熱傳導(dǎo)。主要熱儲層埋藏較淺,溫度較高,熱交替強烈,故鉆孔測溫曲線于主要熱儲層明顯朝高溫方向凸起,并保持溫差較小的較高溫度。穿過主要熱儲層后孔溫漸減,曲線折向低溫方向,繼而隨著孔深的增加又逐漸折向增溫方向,地溫梯度8 ℃/100 m左右。

ZK4鉆孔位于ZK1鉆孔西約85 m,與ZK1鉆孔相比,跟鉆測溫和終孔后連續(xù)測溫曲線有一定的變化。跟鉆測溫曲線表明,ZK4鉆孔在揭露角閃二長片麻巖至埋深90.79 m時溫度曲線陡然上升,埋深110 m以下,溫度升高放緩;而終孔后物探連續(xù)測溫顯示,在孔深90.79 m時溫度達到最大,推測此處為出熱水段,而此后水溫開始急速下降,在107.80～114.80 m之間到達最低,推測此處為出冷水段。不同孔深地下水溫度場溫度曲線在90.79 m之前波動較小,此后溫度變化幅度增大,在98.89 m后溫度變化幅度又變小,并保持較小增幅的震蕩波動,波動范圍在52.8～54.4 ℃之間,地溫梯度22 ℃/100 m左右[9]。

圖3 羅田縣界河地熱田淺層溫度場分布等值線圖Fig.3 Contour map of shallow temperature field distribution of Jiehe geothermal field in Luotian county

2.2 沉積盆地型地熱地溫場

以江漢盆地為例,其主要熱儲層為荊沙組、新溝嘴組、沙市組和漁洋組的砂巖。

本文收集了江漢油田長期監(jiān)測的部分油井和廢棄注水井的測溫資料。地溫數(shù)據(jù)來自石油部門的油井測溫資料及水文鉆孔資料。收集了近419個測溫鉆孔,602組測溫數(shù)據(jù)。測溫鉆孔的最大深度為5 010 m,由于鉆孔測溫實際測量的是井液溫度,井液與圍巖溫度達到平衡時的溫度才是地層的真實溫度,而井液與圍巖溫度達到平衡則需要相當長時間。收集的數(shù)據(jù)是長期監(jiān)測鉆孔的測溫數(shù)據(jù),可視為井液與圍巖溫度達平衡后的溫度,可以間接地反映地下溫度分布特征。

圖4 羅田縣界河地熱田ZK1孔溫度曲線圖 Fig.4 The temperature curve of ZK1 hole of Jiehe geothermal field in Luotian county

圖5 羅田縣界河地熱田ZK4孔溫度曲線圖Fig.5 The temperature curve of ZK4 hole of Jiehe geothermal field in Luotian county

通過整理分析鉆孔的測溫資料及收集的資料,繪制出江漢盆地的地溫分布圖和地溫梯度圖,可對江漢盆地的地溫分布有一個基本認識。

(1) 不同深度的地溫分布圖。根據(jù)王鈞等的《中國地溫分布特征》[10]及收集的不同深度的地溫數(shù)據(jù),繪制江漢盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深地溫分布圖和地溫梯度圖,基本反映出江漢盆地地溫分布的基本面貌。

從江漢盆地1 000 m深地溫分布圖可知(圖6),地溫一般在40～50 ℃。其中盆地中部的白馬寺鎮(zhèn)、潛江、沙市、新溝鎮(zhèn)、熊口鎮(zhèn)及浩口鎮(zhèn)一帶,地溫多超過50 ℃;仙桃、洪湖、監(jiān)利等地的地溫一般在45～50 ℃;枝江、當陽一帶地溫一般在40～45 ℃。

江漢盆地2 000 m深的地溫平均在70～90 ℃(圖7),最高地溫分布在白馬寺鎮(zhèn)、沙市、熊口鎮(zhèn)及公安以東地區(qū),地溫可達90 ℃以上。潛江、浩口鎮(zhèn)、新溝鎮(zhèn)等地區(qū),地溫多在85～90 ℃;其外圍仙桃東部、天門、枝江、洪湖等地區(qū)地溫在70～80 ℃左右。地溫等值線的延展方向在南邊,主要為北東和北西向,與長江流向基本一致,而在盆地北部呈近東西向。

圖6 江漢盆地1 000 m深地溫分布圖Fig.6 The temperature distribution at 1 000 m of Jianghan Basin

圖7 江漢盆地2 000 m深地溫分布圖Fig.7 The temperature distribution at 2 000 m of Jianghan Basin

江漢盆地3 000 m深地溫分布與1 000 m、2 000 m深地溫分布情況類似,其3 000 m深地溫多在90～120 ℃之間(圖8)。在潛江、白馬寺鎮(zhèn)、新溝鎮(zhèn)、沙市、熊口鎮(zhèn)和公安的東部等地區(qū)地溫多超過120 ℃,為盆地較高地溫分布區(qū)。向外地溫逐漸降低,至天門、仙桃、監(jiān)利地區(qū)地溫多在100～110 ℃之間,至盆地外圍的邊緣地區(qū)地溫下降到90 ℃以下。

綜上所述,江漢盆地3 000 m以淺深度地溫分布具有以白馬寺鎮(zhèn)、沙市為中心由高地溫向外圍逐漸降低的特點。

圖8 江漢盆地3 000 m深地溫分布圖Fig.8 The temperature distribution at 3 000 m of Jianghan Basin

(2) 區(qū)域地溫梯度特征。根據(jù)江漢盆地測溫資料顯示,江漢盆地的地溫都是隨著深度增加而逐漸升高的(見圖9),這也是沉積盆地傳導(dǎo)型地溫場的重要特征。

圖9 江漢盆地地溫梯度曲線Fig.9 The geothermal gradient curve of Jianghan Basin

江漢盆地的地溫梯度一般在3.0～3.5 ℃/100 m左右,盆地中心的白馬寺、新溝鎮(zhèn)、沙市、潛江等地區(qū)的地溫梯度多在3.5 ℃/100 m,盆地邊緣為2.0～3.5 ℃/100 m。

江漢盆地的地溫和地溫梯度與區(qū)域構(gòu)造相關(guān)。江漢盆地是由燕山運動末期形成的數(shù)個斷陷和斷隆所組成,是經(jīng)過喜馬拉雅山運動的拉張下陷接受沉積或回返上升等振蕩運動而形成,其沉積中心在潛江、白馬寺、新溝等地區(qū),是江漢盆地中新生代沉積最厚的地區(qū),也是盆地中地溫最高的分布區(qū),凹陷中由于基底和蓋層巖性組合的影響使地溫分布發(fā)生局部的變化。盆地南側(cè)地溫分布形成沿長江的二條陡變帶,與沿長江的西北方向和東北方向的二條深斷裂帶相吻合。由此可知,盆地的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征對地溫分布有著重要的控制作用[1,11-12]。

3 結(jié)論

(1) 湖北省大地熱流分布不均,最小值為41 mW/m2,最大值為69 mW/m2,平均值為53.7 mW/m2,基本呈現(xiàn)“南高北低,東高西低”的特征,且存在兩個高值異常帶,分別為黃石—大冶一帶和江漢盆地一帶。

(2) 湖北省大地熱流的分布與莫霍面的相對埋深存在負相關(guān)關(guān)系。

(3) 地熱流體水溫,取決于地溫場狀況,如斷裂褶皺等構(gòu)造分布,熱水循環(huán)深度,熱儲蓋層巖性,熱儲層導(dǎo)熱性能,熱水排泄條件和淺層地下水活動等因素。其中地溫場特征表現(xiàn)為平面上,山地地溫及地溫梯度較低,只在地熱田范圍內(nèi),有地熱異常,且地溫向四周擴散降低,在地熱田外圍溫度恢復(fù)正常;剖面上,在熱儲層溫度較高,穿過熱儲層后,溫度降低。

(4) 沉積盆地型地熱地溫場受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制。江漢盆地1 000～3 000 m深度地溫分布具有以沙市、潛江為中心由高地溫向外圍逐漸降低的特點,且溫度隨著深度的增加而增高。

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(責任編輯：陳姣霞)

The Characteristics of Geothermal Field in Hubei Province

LIAO Yuan, YUAN Liwei, WANG Liang, LI Wei

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

This paper is aimed at analyzing the characteristics of the geothermal field in Hubei Province based on studying the terrestrial heat flow and geothermal geological background of geothermal field.The results exhibit that the terrestrial heat flow in Hubei province is uneven distribution which the terrestrial heat flow in south is higher than the north,the east is higher than west.The minimum value is 41 mW/m2,the maximum value is 69 mW/m2,the average value is 53.7 mW/m2.And the terrestrial heat flow is a negative correlation between the depth of moho.The characteristics of mountain ridges geothermal field is that controlled by fracture structure and obvious anisotropy;the mountain temperatures and geothermal gradient is lower in the plane,but there is geothermal anomaly only in geothermal field.On the section,there is a higher temperature in geothermal reservoir while the temperature decreases when go through the geothermal reservoir.The characteristics of geothermal field of sedimentary basin geothermal geothermal field is controlled by regional geological structure.The temperature rises with the increase of depth.

terrestrial heat flow; characteristics of geothermal field; Hubei Province

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

廖媛(1988-),女,助理工程師,地下水科學(xué)與工程專業(yè),從事水工環(huán)及地熱調(diào)研工作。E-mail:liaoyuan18@aliyun.com

P314

A

1671-1211(2016)06-0876-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.015

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.016.html 數(shù)字出版日期:2016-10-26 09:07