湖南宜章縣一六地區(qū)地熱資源特征及成因研究

陳志永 朱天林

摘 ?要 ?通過對宜章一六地區(qū)地熱資源區(qū)域地質背景、地質及化學特征的分析研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)地熱資源為斷裂型地熱資源，地熱能來源于深部的巖漿巖體。深部的熱能沿深大斷裂上升到地殼淺部的熱儲層中，以大氣降水為主要來源的地熱水在次級斷裂、節(jié)理和巖溶裂隙等通道的作用下循環(huán)加熱和升溫，最終形成了該區(qū)豐富的地熱水資源。

關鍵詞 ?地熱水;地質特征;化學特征;成因

中圖分類號：P641.7 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Geological Features and Genesis of Geothermal Resources in Yiliu District， Yizhang County， Hunan Province

Chen Zhiyong ， Zhu Tianlin

（Southern Hunan Institute of Geology and Survey， Chenzhou Hunan 423000）

Abstract： The regional geological background， geological features and chemical characteristics of Yiliu District， Yizhang County， Hunan Province were studied and analyzed. The results show that the geothermal resources in the area belong to the fracture-type. Geothermal energy comes from deep magma rocks. The thermal energy from the deep-seated rises along the deep-large fault to the thermal reservoirs in the shallow part of the crust. Atmospheric precipitation is the main source of geothermal water and it is heated and warmed by the circulation of secondary fractures， joints and karst fissures and other channels.The rich geothermal water resources are formed finally.

Keywords： geothermal water; geological feature; chemical feature; genesis

地熱資源作為綠色能源之一，已被廣泛應用于采暖、熱供水、醫(yī)療、旅游、娛樂及養(yǎng)殖等領域和行業(yè)中[1， 2]。湖南省自顯生宙以來中新生代特殊的地質構造背景，形成了豐富的地下水資源[3]。湖南宜章地區(qū)作為湖南省內地熱資源異常區(qū)之一，其地熱水多受斷裂控制，多數(shù)地熱水資源均可作為溫泉療養(yǎng)開發(fā)利用，具有巨大的開發(fā)利用前景[4]。

基于此，筆者在從事湖南省宜章縣一六地區(qū)地熱水資源勘查過程中（項目名稱：湖南省宜章縣一六地下熱水資源預可行性勘查，項目編號：201203089），認為該區(qū)熱異常明顯，有良好的勘查潛力。因此，筆者在結合相應地質工作及采樣分析數(shù)據(jù)基礎上，對該區(qū)地熱水的地質特征、化學特征及成因進行了較詳細的探討，以期為后續(xù)該區(qū)的相關勘查工作及開發(fā)利用提供某些啟示。

1 ?區(qū)域地質背景

研究區(qū)位于南嶺東西向復雜構造帶的北端，加里東隆起帶與印支—燕山凹陷帶的交匯地[5]。在漫長的地質歷史時期中，多期次構造運動的復合、疊加和改造作用導致區(qū)內構造條件錯綜復雜，形成了以北北東向斷裂構造和褶皺為主的區(qū)域構造格架。區(qū)內出露的地層由老至新包括寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系及第四系。在巖性特征上，寒武系主要為一套石英砂巖夾板巖，泥盆系和石炭系均為一套碳酸鹽巖（以白云巖為主）夾砂巖和頁巖，二疊系為一套灰?guī)r、粉砂巖及頁巖夾煤層，三疊系為一套砂巖夾頁巖及煤層，白堊系為一套陸相沉積的砂礫巖夾頁巖，以及第四系的殘坡積松散堆積物。

區(qū)內出露的巖漿巖體主要為分布于潭源洞—通天蠟燭—天井山一帶的大東山巖體，為燕山早期形成的中深成巖基侵入體，距區(qū)內地熱源約8 km。在巖性上，大東山巖體中心相為粗粒斑狀角閃石黑云母花崗巖，過渡相為粗粒黑云母花崗巖，邊緣相是細粒斑狀（或細粒）花崗巖和中粒斑狀（或中粒）花崗巖，其中以中心相分布面積最大。大東山巖體作為主要的熱源，為區(qū)內地熱水的形成提供了熱源。此外，區(qū)內礦產(chǎn)資源相對匱乏，金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)資源少，僅在大東山巖體與圍巖接觸帶附近有硅灰?guī)r分布，在泥盆系和石炭系地層中有石灰石礦分布。

2 ?地熱田地質特征

研究區(qū)內有出露溫泉十三處，從巖體的中心至巖體和圍巖的接觸帶，以至巖體的西邊和北邊的紅層盆地中或灰?guī)r褶皺中都有出露，均圍繞大東山花崗巖巖體分布（圖1）[6]。此外，研究區(qū)內地熱水一般受地層巖性、地質構造等諸多因素的控制，斷層和巖性通常為地熱區(qū)的邊界條件。規(guī)模較大的斷裂帶及其上盤的張性、張扭性裂隙系統(tǒng)在深部起著導熱作用，次一級斷裂帶在淺部起著導熱、導水和儲存熱能、熱水的作用。通過項目區(qū)的40 km2 1：1萬水文地質測量、900個綜合物理點、600 m淺孔測溫、1200 m地熱鉆探等工作，結合已有地質資料，獲得以下地熱田地質特征認知。

2.1 ?地層巖性

研究區(qū)內出露地層主要為泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系及第四系。中泥盆統(tǒng)東崗嶺組（D2d）和上泥盆統(tǒng)（D3）為一套淺海碳酸鹽巖組合;下石炭系統(tǒng)巖關階孟公坳段（C1ym）、大塘階石磴子段（C1ds）、測水段（C1dc）、梓門橋段（C1dz）、上石炭統(tǒng)壺天群（C2h）為一套以白云巖為主的淺海相碳酸鹽巖夾細碎屑巖及煤層組合;二疊系下統(tǒng)（P1）和上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）均為一套淺海碳酸鹽巖及碎屑巖夾煤層組合;上三疊統(tǒng)小坪群（T3xp）為一套砂巖夾頁巖及煤層組合;上白堊統(tǒng)南雄群（K2n）為一套陸相粗碎屑巖組合;第四系（Q）為殘坡積層或沖積層，位于丘陵谷地或沿沖溝分布。研究區(qū)內地熱水的熱儲層主要包括孟公坳段（C1ym）、梓門橋段（C1dz）、壺天群（C2h）、龍?zhí)督M（P3l）、小坪群（T3xp）、南雄群（K2n）及大東山巖體（γ52）內。

2.2 ?地質構造

區(qū)內構造極為發(fā)育，主要表現(xiàn)為褶皺和斷層構造。區(qū)內主要褶皺有天堂復向斜、觀音寺向斜和馬頭廟倒轉復背斜。天堂復向斜位于區(qū)內西側獅子嶺一帶，由二疊系地層組成向斜核部，石炭系地層組成兩翼，兩翼發(fā)育有次級平行褶皺。觀音寺向斜位于區(qū)內中部觀音寺一帶，由下石炭統(tǒng)大塘階梓門橋段組成向斜核部，下石炭統(tǒng)大塘階測水段和石磴子段、巖關階孟公坳段和上泥盆統(tǒng)地層組成兩翼。褶皺北東段兩側皆伴生有走向斷裂，形成單斜構造。馬頭廟倒轉復背斜位于區(qū)內東側馬頭廟一帶，由中泥盆統(tǒng)東崗嶺組地層組成背斜核部，上泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)地層組成兩翼。區(qū)內斷層構造發(fā)育，斷層縱橫交錯，組合復雜。斷層走向主要呈北西向、北東向及北東東向三組。

2.3 ?巖漿巖體

研究區(qū)內巖漿活動強烈、頻繁，巖漿巖體主要為酸性的大東山巖體。巖漿活動時期主要為燕山早期。巖性特征主要為斑狀角閃石黑云母花崗巖及粗粒—細粒黑云母花崗巖。主要的礦物組合為石英、鉀長石、斜長石和黑云母，次要礦物為角閃石，副礦物為磁鐵礦、磷灰石、鋯石及榍石等。

2.4 ?水文地質條件

根據(jù)水文地質條件分析結合研究區(qū)內的地層組合、巖性特征及地下水賦存條件，可將地下水劃分為松散的孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水三種類型。首先，孔隙水主要分布于河流階地和河漫灘內，由第四系沖積含水層組成。上部主要為棕紅色黏土、亞黏土;下部為砂礫卵石層。該層泉水出露少。其次，研究區(qū)內巖溶水含水巖組包括泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組、泥盆系上統(tǒng)、石炭系下統(tǒng)孟公坳組、石磴子段、梓門橋段、石炭系中上統(tǒng)壺天群、二疊系和白堊系上統(tǒng)南雄群灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖和礫巖，為覆蓋型巖溶分布區(qū)，巖溶發(fā)育深度可達250 m左右，深部溶洞多為黏土、粉質黏土充填，區(qū)域內地下熱水多賦存于該含水巖組。最后，基巖裂隙水含水巖組為寒武系下組、石炭系下統(tǒng)測水段、三迭系上統(tǒng)小坪群的石英砂巖、砂巖和燕山期花崗巖。該類含水層泉水出露少，含水量貧乏。

3 ?地熱流體化學特征

通過對項目區(qū)40 km2 1：1萬水文地質測量和水質分析（溫泉水質化學全分析，由湖南省礦產(chǎn)測試研究所承擔），以及通過地熱鉆探孔按規(guī)范執(zhí)行抽水試驗和地下水長期觀測獲取的溫泉水溫資料，獲得以下地熱流體化學特征認知。

3.1 ?地熱流體特征

研究區(qū)內地熱水補給主要來源為大氣降水，區(qū)內斷裂構造和節(jié)理裂隙為地熱水的補給、徑流和排泄提供了良好的通道。深大斷裂帶在深部起著導熱作用的同時，次一級的淺層斷裂在淺部起著導熱、導水、儲存熱能及熱水的作用。此外，碳酸鹽巖地層中較為發(fā)育的溶洞和巖溶裂隙等也為地下水和熱能的儲存提供了有利的空間。通過對研究區(qū)內地熱水的長期觀測發(fā)現(xiàn)，其水位、水量和水溫變化均不大，均屬于穩(wěn)定性。

在研究區(qū)內的十三處溫泉中最高溫度為47℃。其中，40℃以上的有六處，40～30℃的占五處，23～30℃的有二處。這些溫泉都不同程度地與地表水及地下水相混，表現(xiàn)出水量增大而溫度相應下降的特征。一般在流量7.0L/S以下的溫度較高，當流量大于7.0L/S時則溫度較低。另一方面，地熱水的化學性質亦隨其出露條件及與地下水、地表水相混程度的有所不同。出露于大東山花崗巖幾中或與龍?zhí)督M灰?guī)r接觸帶的為HCO3—Ca型水，礦化度﹤0.2 g/L，二氧化硅含量45～90 mg/L，氟含量﹥4 mg/L;離開巖體在灰?guī)r或在紅層中的為HCO3—Ca（Mg）型（西部）或SO4·HCO3-Ca·Mg型水（西北部），礦化度﹥0.2 g/L，在北部﹥0.7 g/L，最高達1.62 g/L，二氧化硅含量為15～53 mg/L（個別達90 mg/L，氟含量﹤6.0 mg/L）。一般而言，水溫較高的溫泉，其中二氧化硅及氟的含量較高。

3.2 ?地熱流體化學成分

根據(jù)研究區(qū)內地熱水的溫度，可將其化學成分分為兩種類型，即較高溫度的地熱水和常溫地熱水。較高溫地熱水的水化學類型以SO4·HCO3—Ca·Mg為主，SO42-含量特別高，為378.62～815.14mg/L。其次為HCO32-、Ca2+、Mg2+、H2SiO3和F-，分別為189.16～360.02 mg/L、84～286 mg/L、16.29～48.31 mg/L、11.89～43.31 mg/L和0.22～1.35 mg/L。對其水質進行分類，屬于極硬水。同時，地熱水中還含有高含量的Sr（2.26～5.93 mg/L）和溶解性總固體（908.26～1418.58 mg/L）。

常溫地下水化學類型以HCO3—Ca為主，除HCO32-含量較高外（85.43～311.2 mg/L），其余Ca2+（43.76～143.8 mg/L）、Mg2+（3.47～17.14 mg/L）、SO42-（15.14～217.37 mg/L）、F-（0.08～0.24 mg /L）、H2SiO3（6.91～8.03 mg/L）等含量均較低。此外，地熱水中也表現(xiàn)出較低含量的Sr（0.139～0.209 mg/L）和溶解性總固體（302.72～816.6 mg/L）。

4 ?地熱水成因分析

4.1 ?熱源

從大地構造位置上看，研究區(qū)內構造和巖漿活動頻繁。區(qū)內巖漿巖體主要為大東山花崗巖基，且區(qū)內出露的十三處地熱水均主要分布于巖體內或巖體于圍巖的外接觸帶附近。表明在大東山花崗巖基形成后，該區(qū)的熱帶活動仍然頻繁且強烈，并在深部可能存在較高溫度的燕山晚期侵入體，使地下水在深部循環(huán)過程中受巖漿巖體的余熱升溫，并沿斷層破碎帶遷移至地表。此外，對該區(qū)地熱水進行鐳含量采樣分析。分析結果顯示地熱水中鐳含量較低，為2.29×10-13 ～54.46×10-13g/L，指示放射性元素衰變釋放熱能對地熱水的加熱作用不是很明顯。因此，上述分析表明大東山花崗巖基是區(qū)內地熱水熱能的主要來源。

4.2 ?構造條件

研究區(qū)自顯生宙以來經(jīng)歷了加里東運動、印支運動、燕山運動及喜馬拉雅運動等多期次構造運動的復合、疊加作用，形成了極為發(fā)育的構造條件。野外調查和已有地質資料顯示，研究區(qū)內斷裂構造主要發(fā)育有北西向、北東向及北東東向三組。北北東向為主的深大斷裂作為連接深部熱源的通道，對地熱水起著的循環(huán)和加熱的作用。北西向和北東向的次一級斷裂為地熱水的補給、徑流、排泄、導熱、導水及儲存熱能等方面提供了有利的空間和通道。

4.3 ?成因模式

基于上述研究分析，本文對湖南宜章一六地區(qū)地熱水資源提出如下成因模式（圖2）。

北北東向的深大斷裂作為區(qū)內的導熱構造，將深部的巖漿巖體熱能傳遞到地殼淺部的次一級斷裂構造并進入地殼淺部的熱儲層中。同時，以大氣降水為主要來源的地下水隨基巖裂隙、巖溶孔隙和斷層破碎帶下滲到下石炭系統(tǒng)巖關階孟公坳段（C1ym）、大塘階石磴子段（C1ds）、上石炭統(tǒng)壺天群（C2h）、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、上三疊統(tǒng)小坪群（T3xp）、上白堊統(tǒng)南雄群（K2n）以及大東山巖體內等熱儲層中。地下水在這些熱儲層中沿著次一級斷裂和裂隙構循環(huán)流動過程中，不斷吸收熱能使水溫升高。最后，以砂巖及頁巖為主的下石炭統(tǒng)大塘階測水段（C1dc）和地殼表層的黏土及砂礫石層作為穩(wěn)定的隔水層，對地熱水起到保溫作用的同時，也有效阻止了地熱水的流失。

5 ?結論

湖南宜章一六地區(qū)地熱水資源明顯受斷裂構造的控制。北北東向的深大斷裂將深部的巖漿巖體熱能傳遞到地殼淺部，以大氣降水為主的地表水沿著節(jié)理、斷裂構造以及巖溶裂隙進入到相應的熱儲層中循環(huán)、加熱和升溫，形成地熱水。同時，在下石炭統(tǒng)大塘階測水段（C1dc）和地殼表層的黏土及砂礫石層作為隔水層的作用下，對地熱水起到保溫和隔水作用，形成了該區(qū)豐富的地熱水資源。

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