神農(nóng)架林區(qū)高家屋場地?zé)豳Y源成因類型探討

李小勇， 伍姝珊， 張曉紅

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100； 2.宜昌順安地礦工程技術(shù)有限公司，湖北 宜昌 443000)

神農(nóng)架林區(qū)紅坪鎮(zhèn)溫水河村高家屋場地?zé)岙惓^(qū)內(nèi)分布有2處天然溫泉，多年總自流量在2 600 m3/d左右，溫度為17.5～28.0 ℃。通過對該地?zé)岙惓^(qū)開展綜合水文地質(zhì)調(diào)查、物探和地?zé)嵘罹@探，并進行地?zé)豳Y源成礦條件分析及可行性技術(shù)論證，最終在神農(nóng)架林區(qū)實現(xiàn)地?zé)豳Y源勘查新進展(水溫40.3 ℃，水量1 800 m3/d)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

神農(nóng)架林區(qū)自印支運動末至燕山運動初，發(fā)生了強烈的褶皺和大面積的掀斜，奠定了區(qū)內(nèi)地貌骨架——構(gòu)造侵蝕中山—高中山區(qū)。根據(jù)地貌形態(tài)特征和成因類型，可分為構(gòu)造溶蝕地貌、溶蝕侵蝕地貌、剝蝕侵蝕地貌和堆積地貌等地貌單元。

林區(qū)山脈屬大巴山脈余脈神農(nóng)架山系，走向與區(qū)域構(gòu)造線一致，呈近東西向延伸。區(qū)內(nèi)峰巒疊嶂、峽谷縱橫，總體地勢表現(xiàn)為以神農(nóng)頂為中心向四周逐漸降低。區(qū)內(nèi)最高點為神農(nóng)頂，海拔標(biāo)高為3 105.4 m(也是華中地區(qū)最高點)，最低點為下谷坪鄉(xiāng)的石柱河，海拔標(biāo)高為398 m，相對最大高差2 707.4 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

神農(nóng)架林區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚子陸塊神農(nóng)架基底穹隆。神農(nóng)架基底穹隆在平面上呈近等軸狀，穹隆核部為中元古界神農(nóng)架群，構(gòu)成兩個背斜和一個向斜，自西向東依次是神農(nóng)架短軸背斜、木魚坪向斜、犁花坪背斜。南華系—古生界地層圍繞神農(nóng)架群周緣分布，并向四周傾斜。受后期構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀較零亂，傾向各異，傾角20°～55°不等。

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，其中規(guī)模較大的斷裂為新華斷裂(正斷層，全長約360 km)和陽日灣斷裂(逆斷層，全長>120 km)(圖1)，兩者在晚近期均有活動跡象，沿斷裂帶見溫泉出露，并有地震發(fā)生。

黃寶坪斷層位于神農(nóng)架基底穹隆北翼，是高家屋場地?zé)岙惓^(qū)的主要導(dǎo)水和導(dǎo)熱構(gòu)造。該正斷層總體傾向25°～33°，傾角為70°～80°，至高家屋場一帶轉(zhuǎn)為傾向南西(傾向248°～255°，傾角46°～53°)，全長超過14 km，破碎帶寬30～60 m，破碎帶物質(zhì)主要為構(gòu)造角礫巖和構(gòu)造碎裂巖，被白云質(zhì)、泥質(zhì)半膠結(jié)。黃寶坪斷層具多次構(gòu)造活動特征，在高家屋場地一帶可見斷裂中充填輝綠巖脈，并在巖脈中見不同方向的擦痕；沿斷層下盤的斷裂帶出露2口溫泉。

圖1 湖北省地質(zhì)構(gòu)造略圖

2 水文地質(zhì)條件

2.1 氣象與水文條件

神農(nóng)架林區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫在10 ℃左右，夏季濕潤多雨，冬季溫和少雨，年平均降水量為800～2 500 mm，降水量隨海拔的增高而增加，年平均蒸發(fā)量為500～800 mm。全年80%的時間盛行東南風(fēng)。

區(qū)內(nèi)共有香溪河、沿渡河、南河和堵河四大水系，發(fā)育大小河流計317條。河谷具明顯幼年期特征，橫斷面多呈“V”形，谷深陡險、地形坡降大、水流湍急。區(qū)內(nèi)多年平均徑流總量約22億m3，水能資源十分豐富。

2.2 地下水類型及其補給、徑流與排泄條件

2.2.1地下水類型

神農(nóng)架基底穹隆核部由神農(nóng)架群構(gòu)成，神農(nóng)架群巖性主要為白云巖與灰?guī)r，次為以砂巖、頁巖為主的碎屑巖類，再次為火山巖。環(huán)繞神農(nóng)架群基底周緣分布下志留統(tǒng)、奧陶系、寒武系、震旦系和南華系沉積蓋層，除下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與石牌組、下震旦統(tǒng)陡山沱組下部與南華系多為碎屑巖外(構(gòu)成隔水或相對隔水層)，余者主要由碳酸鹽巖構(gòu)成，約占分布區(qū)蓋層總厚度的80%和出露總面積的90%。

神農(nóng)架群基底巖石及其上覆的沉積蓋層主要由具可溶性的碳酸鹽巖(白云巖、灰?guī)r)構(gòu)成，含溶隙水與溶洞水，富水性中等—極強，泉流量一般為1～10 L/s，最大可達204.0 L/s。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為巖溶水，次為裂隙水。

神農(nóng)架群上亞段石槽河組是高家屋場地?zé)岙惓^(qū)的主要巖溶含水層。石槽河組(包含下伏大巖坪巖楔)總厚度>3 000 m，主要由白云巖和灰?guī)r組成，夾粉(細)砂巖、頁巖和砂礫巖等。受巖石組分、結(jié)構(gòu)及巖溶裂隙發(fā)育程度等因素影響，石槽河組中的白云巖、灰?guī)r與白云質(zhì)灰?guī)r含溶隙水，泥質(zhì)與炭質(zhì)白云(灰)巖、硅質(zhì)巖及粉(細)砂巖等則具隔水或相對隔水性能。垂向上，石槽河組含水層(段)與隔水層(段)相間分布，具多層層狀地下水結(jié)構(gòu)。結(jié)合巖屑錄井資料判斷，在高家屋場地?zé)徙@井2 350 m深度范圍內(nèi)，自上而下可劃分出14個含水層。天然狀態(tài)下，石槽河組各含水層(段)之間的水力聯(lián)系不密切。

2.2.2地下水補給、徑流與排泄條件

高家屋場地?zé)岙惓^(qū)位于神農(nóng)架基底穹窿北翼，處于中元古界神農(nóng)架群上亞段石槽河組大面積露頭區(qū)的前緣傾伏端，并屬地層總體傾向北北西—北東向(傾向342°～26°，傾角28°～55°)的單斜蓄水構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)石槽河組分布面積約45 km2，其在露頭區(qū)充分接受大氣降水補給后，受構(gòu)造影響與控制，地下水自穹窿核部向北北西—北東方向運移，在淺部以泉水和谷底泄出的方式排泄，在深部則沿巖溶裂隙和構(gòu)造裂隙等向區(qū)域最低排水基準(zhǔn)面(漢江)緩慢運移、排泄。

區(qū)內(nèi)地下水在徑流途中，由于受充填于黃寶坪斷層(帶)及兩側(cè)破碎巖體中具阻水性的輝綠巖脈阻隔，限制了地下水向當(dāng)?shù)刈畹团潘鶞?zhǔn)面(溫水河)運移，導(dǎo)致上、下各巖溶含水層(段)中的地下水均滯留于高家屋場一帶。黃寶坪斷層深切地層并經(jīng)多次后期構(gòu)造活動影響，溝通了集聚于高家屋場一帶的淺部和深層地下水，并與斷裂帶水混合后沿斷層破碎帶以上升泉的形式出露地表(圖2)。

圖2 高家屋場一帶地?zé)豳Y源成礦模式圖

3 地下熱水形成條件和成因類型

3.1 地下熱水形成條件

地下熱水的成生條件較苛刻，影響因素繁多，但必須具備“蓋”、“儲”、“通”、“源”、“滯”五個基本條件[1-2]。蓋(熱儲蓋層)，是指要有分布范圍較廣和厚度較大的保溫蓋層，如透水性差并具隔水隔熱或相對隔水隔熱的泥巖、頁巖及粉砂巖等。儲(熱儲層)，是指蓋層以下要有厚度大或較大，且具有一定容水空間的層狀或帶狀地層，如可溶性的碳酸鹽巖、裂隙或孔隙發(fā)育地層及充(導(dǎo))水?dāng)嗔褞У?。通，是要有暢通的地下水補給與徑流條件，以及導(dǎo)水(熱)構(gòu)造、節(jié)理裂隙、溶隙等通道。源，即要有豐富的熱源、水源和礦物質(zhì)來源。滯，是指必須具備深層承壓水的滯留環(huán)境條件(如長距離的水平徑流滯緩帶、向斜蓄水或阻水構(gòu)造)，為地?zé)崃黧w在深循環(huán)過程中充分吸收圍巖和地球深部等熱能創(chuàng)造條件。

3.2 地下熱水成因類型

3.2.1熱儲層和熱儲蓋層的分布與特征

從地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水的補徑排條件綜合分析，高家屋場地?zé)岙惓^(qū)兼具層狀熱儲和帶狀熱儲。

(1) 層狀熱儲。石槽河組因物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及巖溶裂隙發(fā)育程度的不同，在白云巖、灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r巖性段中含溶隙水，構(gòu)成賦存地下熱水的層狀熱儲層；而泥質(zhì)與炭質(zhì)白云(灰)巖和碎屑巖巖性段具隔水(熱)或相對隔水(熱)性質(zhì)，是本區(qū)良好熱儲蓋層。由于區(qū)內(nèi)石槽河組中的含水層與隔水層相間產(chǎn)出，故具備形成多層熱儲層的條件。

(2) 帶狀熱儲。黃寶坪斷層呈近東西向展布于石槽河組露頭區(qū)北緣。該斷層歷經(jīng)多次構(gòu)造運動的改造與疊加，破碎帶寬30～60 m，膠結(jié)疏松，有利于地下深部的熱源通過斷裂帶導(dǎo)熱，繼而形成帶狀熱儲。區(qū)內(nèi)主要為自然梯度增溫，總體上具有溫度隨深度增加而逐漸升高的特點，增溫率為0.78 ℃/100 m(圖3)。此外，由于地下深部熱源通過帶狀熱儲的持續(xù)導(dǎo)熱和增溫，增強了斷層兩側(cè)碳酸鹽巖類地層的巖溶作用，擴大層狀熱儲的容水空間。而充填于斷裂帶中的輝綠巖脈和分布于石槽河組中的熱儲蓋層，則是防止帶狀熱儲輸送到地表出現(xiàn)熱量散失的保障(表1)。

圖3 高家屋場地溫測量成果圖

多層層狀熱儲和帶狀熱儲為形成地下熱水資源提供了較為廣闊的容礦空間，然而由于受當(dāng)?shù)丶爸苓叺匦紊钋杏绊?石槽河組露頭分布區(qū)地形高差最大>1 200 m)，位于本區(qū)地?zé)嵩鰷貛?圖3)之上的各熱儲蓋層的完整性和保溫性均不理想，且各熱儲蓋層之間均賦存有較豐富的低(常)溫水，從而使深部的(當(dāng)?shù)氐責(zé)嵩鰷貛б韵?地下熱水在上升過程中受冷熱交換作用影響而降溫。而在當(dāng)?shù)氐責(zé)嵩鰷貛б韵拢瑹醿ιw層才能較好的發(fā)揮其保溫性，但需實施深井穿過熱儲蓋層一定深度，并有效封閉上部的低溫含水層(段)后才有可能取得較理想的地下熱水。高家屋場地?zé)徙@井采用套管封閉深度至1 600 m，取得了良好的效果(圖2)。

表1 高家屋場地下熱水資源成果一覽表

3.2.2地下熱水成因類型

如前文所述，石槽河組在露頭區(qū)接受大氣降水補給后，形成的地下水主要順地層傾向自南向北徑流，并在運移過程中受地球深部熱源的增溫作用影響而升溫。地下水運移至高家屋場附近，受到充填于黃寶坪斷層帶中的輝綠巖脈阻隔，導(dǎo)致在此滯留、集聚的石槽河組各層巖溶地下水通過斷層破碎發(fā)生混合，并接受構(gòu)造導(dǎo)熱增溫，最終沿導(dǎo)水?dāng)嗔褞б缘蜏責(zé)崛?17.5～28.0 ℃，高出當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?.5～18.0 ℃)的形式在地表自流并顯示地?zé)岙惓?。由于區(qū)內(nèi)可供開發(fā)利用、較理想的地下熱水資源埋深過大(約900 m，即位于當(dāng)?shù)氐責(zé)嵩鰷貛б韵?，只能通過施工深井才能提取。

綜上所述，高家屋場地?zé)豳Y源為“側(cè)向徑流補給—層狀熱儲+帶狀熱儲—大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)供熱”模式，即層狀熱儲—張扭性斷裂帶導(dǎo)水的深層循環(huán)地下熱水資源成因類型。

4 結(jié)論與建議

本文系統(tǒng)總結(jié)了高家屋場地?zé)岬乃牡刭|(zhì)條件、地下熱水形成條件，提出該地?zé)釣閷訝顭醿Α獜埮ば詳嗔褞?dǎo)水的深層循環(huán)地下熱水資源類型，建立了高家屋場地?zé)豳Y源成礦模式，對同類型地?zé)豳Y源勘查工作具有參考意義。

建議加強水文地質(zhì)工作和地?zé)豳Y源成礦條件與成礦規(guī)律研究，并以求是務(wù)實精神執(zhí)行可行性技術(shù)論證，助推地?zé)豳Y源勘查工作的良性發(fā)展。