彭文彪，王 波，陶 峰，鄧海飛

湖南省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南長沙410011

湖南安仁縣萬田地熱田空間定位及地熱產(chǎn)出特征分析

彭文彪，王 波，陶 峰，鄧海飛

湖南省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南長沙410011

常德-安仁斷裂帶、茶陵-臨武斷裂帶及其派生斷層、五峰仙巖體和巖關階下段地層（C1y1）與萬田地熱田相關，其地熱地質(zhì)背景具專屬性，熱源、熱儲、蓋層所組成的地熱系統(tǒng)時空有效配置是地熱產(chǎn)出的必要條件.該地熱田主要熱儲層為C1y1白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，兼有層狀熱儲和帶狀熱儲雙重特征，屬最經(jīng)濟的適宜開采的具理療熱礦水標準的低溫地熱資源，開發(fā)前景好.

地熱；空間定位；產(chǎn)出特征；萬田地熱田；湖南省

萬田地熱田位于湖南省安仁縣龍海鎮(zhèn)萬田村，該地段與永興縣毗鄰，距省道S212線3 km，經(jīng)S212線可達郴（州）、桂（陽），抵茶（陵）、攸（縣），交通便利.由于地理位置較優(yōu)，近年來該地熱田得到了初步利用.

1 區(qū)域地質(zhì)背景

萬田地熱田所在的湘東南地區(qū)處于南嶺中段北緣，位于揚子地塊與華南地塊的接合部位，區(qū)內(nèi)中生代構造、巖漿活動強烈，構造活化或新構造運動亦十分活躍.研究區(qū)內(nèi)地面高程133～208 m，屬于碎屑巖和巖溶丘陵地貌，由淺丘和洼地組成.區(qū)內(nèi)為中亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，多年平均年雨量1465.78 mm.

該地熱田處于湖南省主要的地熱異常分帶之一的湘東南郴州-宜章-汝城中低溫地熱異常帶內(nèi)［1］，帶內(nèi)分布有眾多的溫（熱）水，熱儲主要為碳酸鹽巖類型［2-3］.一般認為，這些溫（熱）水的形成與千里山、騎田嶺、王仙嶺、五峰仙等巖體和茶陵-臨武（亦稱郴州-臨武）區(qū)域性深大斷裂等有關.

2 地熱田空間定位

2.1 范圍與展布

萬田地熱田位于F2斷層上盤，呈條帶狀沿北東向展布，長約1000 m，寬約350 m.已知在0.15 km2范圍內(nèi)存在溫泉群和井采溫熱水（部分溫熱水井自流），推測該地熱田面積約0.35 km2（圖1），F(xiàn)2斷層和C1y1與D3x2分層界線為地熱田的邊界線.

2.2 與地熱田相關的地質(zhì)體時空分布

萬田地熱田處于安仁-武功山隆起帶，定位于茶陵-永興盆地西外緣，北北東向茶陵-臨武斷裂與北西向常德-安仁斷裂（即五峰仙-鐵絲塘隱伏斷裂）所組成的三角區(qū)（“y”字型構造）附近.

與地熱田相關特定的地質(zhì)體主要包括斷裂構造、地層與巖漿巖，它們決定了萬田地熱田的熱源、通道、熱儲及蓋層的屬性.

2.2.1 地層

萬田地熱田周圍出露地層有第四系、侏羅系中統(tǒng)、石炭系下統(tǒng)和泥盆系上統(tǒng)，受構造影響，地層殘缺.

第四系全新統(tǒng)（Qh）：主要沿河谷、溝谷分布，為沖積相黏性土、砂土，厚2～20 m.

侏羅系中統(tǒng)（J2）：分布于F1斷層下盤，主要為一套石英砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖互層，厚大于181 m.

石炭系下統(tǒng)（C1）：大塘階測水段（C1d2）為一套石英砂巖、粉砂巖夾含頁巖或互層，厚約113 m；巖關階下段（C1y1）主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，夾細砂巖，ZK2鉆孔（孔深350.4 m）未揭穿.

泥盆系上統(tǒng)（D3）：有兩個組.其一為錫礦山組上段（D3x2），為薄至中層含粉砂泥質(zhì)，厚99～176 m，下段（D3x1）為白云質(zhì)灰?guī)r、隱晶質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r；其二為佘田橋組（D3s），為厚層含粉砂質(zhì)灰?guī)r、中—厚層白云質(zhì)、粉砂質(zhì)灰?guī)r，間夾泥質(zhì)灰?guī)r，厚273～276 m.

萬田地熱田主要熱儲為石炭系巖關階下段（C1y1），巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，發(fā)育有覆蓋型或埋藏型巖溶，地貌上呈現(xiàn)負地形，含巖溶水，是該地段唯一的強含水層.

2.2.2 巖漿巖

萬田地熱田內(nèi)無巖漿巖出露，其西北方向約5 km處分布有五峰仙花崗巖巖體，該巖體為復式巖體，主體為印支期（γ51）黑云母花崗巖，補體為燕山早期（γ52-2）二云母花崗巖；東南方向約20 km為彭公廟花崗巖巖體（加里東期，包括γ31、γ32和γ33）.

地熱學理論表明大地熱流由地幔熱流和地殼熱流組成，放射性蛻變熱為地殼熱流主要部分［4-5］，放射性元素中鈾對生熱率的貢獻最大.

圖1 萬田地熱田地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Wantian geothermal field1—加里東期花崗巖（Caledonian granite）；2—印支期花崗巖（Indosinian granite）；3—地質(zhì)界線（geological boundary）；4—正斷層（normal fault）；5—逆斷層（reverse fault）；6—平移斷層（strike-slip fault）；7—溫泉群（hot springs）；8—自流鉆孔及編號（artesian spring and number）；9—剖面線位置（section line）；10—推測地熱田范圍（inferred geothermal field range）；11—水溫（℃）（最高）/流量（m3/h）（降深，m）（temperature（max）/fluid discharge（drawdown））；12—研究區(qū)（study area）

五峰仙花崗巖巖體距萬田地熱田較近.根據(jù)伽瑪能譜調(diào)查資料［6］，五峰仙巖體主體鈾含量（質(zhì)量分數(shù)）為7.8×10-6，釷為44.7×10-6，鉀為4.44%；補體巖體鈾含量為9.6×10-6，釷為44.5×10-6，鉀為5.45%.據(jù)黎彤（1976）提出的地殼元素豐度值，鈾為1.7×10-6，釷為5.8×10-6，鉀為1.7%.該巖體放射性元素含量明顯高出其在地殼元素豐度的2～4倍，與世界酸性巖平均鈾含量（3.5×10-6～4.8×10-6，П·В·塔烏松、泰勒等）［7］對比，前者屬含鈾巖體，后者屬高鈾巖體.按照Rybach（1976）提出的計算公式進行放射性生熱率的計算［8-13］，五峰仙巖體主體（γ51）巖石放射性生熱率為5.31 μW/m3，補體（γ52-2）巖石放射性生熱率為5.80 μW/m3，平均放射性生熱率為5.56 μW/m3.

研究區(qū)古生界泥盆系—中生界侏羅系沉積巖放射性元素含量普遍較低，與其地殼元素豐度值相近.經(jīng)計算，沉積層放射性生熱率為0.835～2.564 μW/m3.據(jù)鳳凰-茶陵地學剖面數(shù)據(jù)［14］，以古生界—中生界總厚度2.42～5.19 km計推算沉積巖層最大放射性生熱熱流為13.30 mW/m2，推算結(jié)果小于背景值，說明研究區(qū)大地熱流存在其他來源，可能來自深部結(jié)晶基底或地幔熱流.相關資料顯示：研究區(qū)附近大地熱流等值線為50 mW/m2左右［14］；根據(jù)中國大陸地區(qū)1°×1°網(wǎng)格平均熱流和地殼厚度數(shù)據(jù)［15］，研究區(qū)（113.28°E，26.46°N）大地熱流值為44.7 mW/m2；包括研究區(qū)在內(nèi)的湘東前陸褶沖帶［16］地表熱流值為 39.1～66.0 mW/m2（平均49.1± 7.0 mW/m2）.

以鳳凰-茶陵等地學剖面解剖為手段的湖南省深部構造研究還顯示，湖南省平均地殼厚度為37.06 km，其中上地殼深至3.85 km，中地殼深至21.73 km，隱伏—半隱伏花崗巖體的底板埋藏深度一般為10～15 km，不超過地殼中層，多屬殼源型（S型）花崗巖.以花崗巖體的底板埋藏深度上限計，該巖體平均放射性生熱熱流為83.4 mW/m2.與以上對背景值分析的對比，該巖體內(nèi)大地熱流值明顯高于背景，是區(qū)域內(nèi)可能的地熱異常源.含（高）鈾的五峰仙花崗巖體放射性元素含量是其地殼豐度值的2～4倍，巖體放射性生熱熱流值應該是周邊其他地層的相應倍數(shù)，這一事實是不容忽視的.

五峰仙花崗巖巖體是含（高）鈾巖體，其放射性生熱率高，推測該巖體是研究區(qū)內(nèi)地殼熱源方之一.分析有兩個主要途徑：一是作為結(jié)晶基底提供地殼熱源，重磁資料顯示，五峰仙花崗巖體出露范圍之外呈半隱伏狀分布，可能構成萬田地熱田基底；二是通過常德-安仁斷裂帶、茶陵-臨武斷裂帶兩條深大斷裂帶及茶陵-臨武斷裂派生斷層，傳導巖體內(nèi)部熱能.

彭公廟花崗巖巖體與萬田地熱田隔茶陵-永興斷陷盆地相望，相距甚遠，其放射性生熱為萬田地熱田提供熱源的可能性小.

2.2.3 斷裂構造

1）常德-安仁斷裂帶

常德-安仁斷裂帶為一深大控巖斷裂，走向約320°，沿斷裂出現(xiàn)一系列密集的重力梯級帶，該斷裂切割結(jié)晶基底，導致斷裂兩側(cè)莫霍面落差達3～5 km［14］.該斷裂帶為一地幔物質(zhì)強烈活動帶，深達巖石圈［17］.該斷裂在印支運動中具基底左旋走滑，在斷裂兩側(cè)均形成與區(qū)域構造線一致的北北東向褶皺.沿斷裂帶有武陵-雪峰、加里東、印支、燕山期多期次巖漿活動，出現(xiàn)了一些規(guī)模較大的巖體，如溈山巖體、歇馬巖體，并切穿其東端出露的五峰仙巖體.

2）茶陵-臨武斷裂帶

茶陵-臨武斷裂帶大體沿茶陵-郴州-臨武重力梯度帶分布，是加里東以來武功山-諸廣山地塊由南東向北西仰沖所形成的碰撞逆沖推覆斷裂帶.該斷裂帶為茶陵-永興斷陷盆地西邊緣，具有多期活動并伴有相應的巖漿侵入活動（在南端切穿了印支期騎田嶺花崗巖）的特征，表現(xiàn)為逆沖推覆或走滑活動，斷裂的走滑活動和中—下地殼的拆離活動相當強烈［18］，是區(qū)域性控盆深大斷裂帶，屬地殼斷裂（切穿莫霍面）.

茶陵-臨武斷裂帶還派生有系列斷層或規(guī)模較小的破碎帶，研究區(qū)內(nèi)主要分布有F1和F2斷層.F2是F1的分支斷層，組合形態(tài)為倒扣的“y”字型，斷層性質(zhì)與茶陵-臨武斷裂帶類似，均以逆沖推覆為主要特點，傾向北西，并以構造破碎帶（角礫巖或碎裂巖）形式存在，鉆探證實F2主要以構造角礫巖帶（真厚度14.8～36.9 m，圖2）存在.

區(qū)域性深大斷裂及派生斷層的存在，是地熱形成的主要通道，它們溝通深部（地?；驇r石圈）熱源，導流地幔熱流和地殼熱流.

另一方面，茶陵-臨武斷裂帶同時也是一條活化的新構造，歷史上有地震活動，1640年11月于郴州附近發(fā)生過4.75級地震；現(xiàn)今也有地震發(fā)生，1982年11月16日,在湖南省宜章、臨武和廣東省連縣交界處發(fā)生了一次ML 4.0級地震［19］.王春林［20］對湖南省活動構造、地震和溫泉的關系研究認為，斷裂活動主要有兩種方式，即：黏滑（發(fā)震）和穩(wěn)滑（蠕動，不發(fā)震或只發(fā)生弱震），前者以彈性波形式釋放能量，從而發(fā)生強震（5級及以上地震），后者主要以機械能轉(zhuǎn)化為地熱的方式釋放能量，從而形成淺源地熱.湖南省地熱異常區(qū)是新構造活動強烈的地區(qū)，近期活動斷裂多以穩(wěn)滑形式活動.

圖2 A-A′地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological section A-A′1—黏土（clay）；2—砂土（sandy soil）；3—泥質(zhì)粉砂巖（argillaceous siltstone）；4—石英砂巖（quartz sandstone）；5—白云質(zhì)灰?guī)r（dolomitic limestone）；6—構造角礫巖（tectonicbreccia）；7—碎裂巖（cataclasite）；8—逆斷層（reversefault）；9—推測斷層（inferredfault）；10—井中測溫曲線（boreholetemperature curve）

構造活化釋放的熱流是地熱田形成的附加熱流.地幔熱流和地殼熱流（放射性元素蛻變熱流）是一種穩(wěn)態(tài)地熱流,而各種熱事件產(chǎn)生的熱流則是一種非穩(wěn)態(tài)的附加熱流.

實事證明，茶陵-臨武斷裂帶是湘南地區(qū)控制地熱分布的主干斷裂帶，沿該斷裂呈線（帶）狀分布有除萬田地熱田以外的許家洞、下眉橋、郴州市區(qū)、鄧家灣、吊鐘嶺等多處地熱田［21-22］.

3 地熱田特征

3.1 地溫場

在萬田地熱田的熱水塘地段出露有溫泉（群）一處，水溫38.0℃，總流量為113.4 m3/h，現(xiàn)有地熱井（共7井）或鉆孔均自流，井（孔）口溫度37.8～43.8℃.井中測溫表明，萬田地熱田350 m以淺的地溫場溫度較平均（43.0～45.3℃），無明顯濃集中心.

ZK1鉆孔5～300 m水溫為24.3～43.0℃，最高溫度在深度255 m處，該鉆孔在255 m內(nèi)的地溫梯度為7.333℃/hm；ZK2鉆孔5～350 m水溫為32.7～43.2℃（抽水后變?yōu)?2.5～45.3℃），該鉆孔在240 m內(nèi)的地溫梯度為4.375℃/hm，最高溫度在深度240 m（抽水后在深度280 m處），溫度突增段對應F2構造角礫巖帶.

以上鉆孔地溫梯度比中國南方地溫梯度平均值（2.41℃/hm）［23］高出很多，呈現(xiàn)明顯異常.

3.2 熱儲與蓋層

3.2.1 熱儲

萬田地熱田主要熱儲層為石炭系巖關階下段（C1y1），巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，該層是強巖溶含水層.ZK1孔深150 m以上溶孔發(fā)育，以下裂隙發(fā)育，鉆至254 m時地下水水位高出地表40 cm，孔口自溢；ZK2裂隙、溶隙發(fā)育，鉆至310 m時地下水水位高出地表100 cm，孔口自溢.

該熱儲層位于F2斷層上盤，通過F2斷層將C1y1地層逆掩于C1d2地層之上.由于該斷層是導熱含水構造，且F2斷層與層狀熱儲有成生關系，因而兼具帶狀熱儲特征.鉆孔揭露，該熱儲層含承壓溫熱水，水量豐富，是萬田地熱田主要的熱儲層.熱儲所在地層發(fā)育厚大于300 m，主要熱儲層厚度28～92 m.用鉀鎂地熱溫標計算，熱儲層溫度為45.6～46.3℃，但孔內(nèi)實測水溫已達45℃，計算數(shù)據(jù)明顯偏小，原因是井口采取的水樣可能混合有第四系孔隙水.根據(jù)地溫梯度和實際經(jīng)驗推測本熱儲層溫度為80～100℃左右.用前述的熱儲層特征參數(shù)估算水循環(huán)深度為891～1917 m.

該熱儲層發(fā)育的溫熱承壓水越流補給上覆的第四系全新統(tǒng)（Qh）砂土層（砂、礫和卵，厚5～15 m），與孔隙冷水混合，溪流兩岸部分地段第四系全新統(tǒng)（Qh）砂土層中有溫水分布.

3.2.2 蓋層

從垂直剖面看，下層為錫礦山組上段（D3x2）薄至中層含粉砂泥質(zhì)，為弱含水的或不含水巖層，是熱儲層底板.主要熱儲層（C1y1）中巖溶和裂隙不發(fā)育段為相對隔水層，構成熱儲蓋層，而C1y1逆掩于C1d2之上，C1d2砂、頁巖組合層實際上不構成熱儲層蓋.此外，熱儲層上覆的第四系全新統(tǒng)（Qh）表層（2～5 m）為黏性土層，是地熱田的蓋層之一.

3.3 地熱流體

3.3.1 地熱流體的產(chǎn)量與溫度

地熱鉆孔降壓試驗表明，熱流體單位產(chǎn)量69.67～122.37 m3/（d·m），井口地熱流體溫度43.0～45.3℃.屬溫熱水，適宜開采.

3.3.2 化學特征

對地熱液體采樣進行化學分析，地熱田地熱流體的化學類型以HCO3·SO4-Ca型為主，pH值6.46～6.56，礦化度為617.84～620.05 mg/L，屬含偏硅酸（26.34～28.13 mg/L）具醫(yī)療價值的理療熱礦水，其氟（0.97 mg/L）接近有醫(yī)療價值濃度（1 mg/L），含有一定鍶（1.29～1.32 mg/L）.

3.4 地熱資源開發(fā)利用評價

萬田地熱田熱儲層淺埋（小于350 m），地熱流體為溫熱水，屬最經(jīng)濟的適宜開采的具理療熱礦水標準的低溫地熱資源，可作為理療、洗浴、采暖、溫室、養(yǎng)殖等使用，地熱田的開發(fā)前景好.

4 地熱田形成機理

地熱的形成主要具備“源、通、儲、蓋”四大條件.地幔熱流和地殼熱流（放射性元素蛻變熱流）是萬田地熱田主要的地熱源，構造活化釋放的熱流是該地熱田形成的附加熱流；地熱田及周圍區(qū)域性深大斷裂和其派生斷層的存在，是地熱形成的主要通道，它們溝通和導流地幔熱流和地殼熱流；該地熱田主要熱儲層為石炭系巖關階下段（C1y1）白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖；熱儲層中相對隔水層和上覆的第四系黏性土層，構成蓋層.

平面上呈“y”字型組合的常德-安仁斷裂帶和茶陵-臨武斷裂帶兩條深大斷裂及倒扣的“y”字型組合的派生斷層（F1和F2）可以傳導地殼熱能（放射性蛻變熱）和地幔軟流圈上涌熱能，疊加茶陵-臨武斷裂帶機械運動產(chǎn)生穩(wěn)滑（蠕動）熱能，形成線狀熱流帶，斷裂帶傳導熱流帶不斷向上釋放，與含水層（帶）的冷水發(fā)生熱量交換，形成對流，從而使冷水加熱變?yōu)闇?、熱水儲存在熱儲層（帶）中，得到了蓋層的隔熱隔水保護.這些因素疊加形成了地熱系統(tǒng)，是形成熱田的根本原因.

研究區(qū)地熱成生條件和地球化學環(huán)境等顯示，萬田地熱田地熱系統(tǒng)屬典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng).

5 結(jié)論

空間定位特征表明，萬田地熱田與特定的地質(zhì)條件相關，反映了地熱地質(zhì)背景的專屬性.地幔熱流和近熱田的五峰仙花崗巖巖體放射性蛻變熱流是主要熱源，茶陵-臨武斷裂帶穩(wěn)滑（蠕動）產(chǎn)生的機械能是地熱田的附加熱源；深大斷裂及其派生斷層是地熱形成的主要通道；石炭系巖關階下段（C1y1）白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖強含水層是地熱田的主要熱儲層，其分布決定地熱田的范圍、展布與大小.

該地熱田主要熱儲層為石炭系巖關階下段（C1y1）白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，其分布受深大斷裂帶派生斷層（F1和F2）控制，且F2斷層與層狀熱儲有成生關系，該熱儲層兼有層狀熱儲和帶狀熱儲雙重特征.

地熱產(chǎn)出特征鮮明，萬田地熱田是熱源、通道、熱儲層、蓋層所組成的地熱系統(tǒng)時空有效配置的產(chǎn)物.

萬田地熱田屬最經(jīng)濟的適宜開采的具理療熱礦水標準的低溫地熱資源，可作多種用途使用，利用價值高，開發(fā)前景好.該地熱田有望成為湘南地區(qū)又一個溫泉旅游、娛樂、休閑和綜合開發(fā)利用中心，其地熱資源的開發(fā)利用對于提升郴州市“中國溫泉之鄉(xiāng)”品牌價值有極大的促進作用.

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ANALYSIS ON THE SPATIAL LOCALIZATION AND OCCURRENCE OF WANTIAN GEOTHERMAL FIELD IN ANREN COUNTY,HUNAN PROVINCE

PENG Wen-biao,WANG Bo,TAO Feng,DENG Hai-fei

Hunan Institute of Geological Survey for Nuclear Industry,Changsha 410011,China

Present study on the geothermal system in Wantian geothermal field reveals the relationships between the geothermal characteristics and geological composition.The Wantian geothermal field is associated with particular geological conditions,such as Changde-Anren fault,Chaling-Linwu fault and their derived faults,Wufengxian granite body and the strata of Lower Carboniferous（C1y1）,with specific geothermal geological background.The effective allocation in time-space of geothermal system consisting of heat source,reservoir and cap rock is a necessary condition for geothermal occurrence. The main geothermal reservoir of the geothermal field is the Lower Carboniferous dolomitic limestone or dolomite,including both of stratified reservoir and zoned reservoir.The Wantian geothermal field is a kind of economical low temperature geothermal resources with medical hot mineral water quality,suitable for mining and with developing prospects.

geothermal;spatial localization;occurrence;Wantian geothermal field;Hunan Province

1671-1947（2015）06-0587-06

P314.3

A

2014－11－13；

2015-06-05.編輯：張哲．

彭文彪（1965—），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事水工環(huán)地質(zhì)勘查工作，通信地址湖南省長沙市韶山北路256號，E-mail//pjgpwb2280@163.com